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1、单相正弦波PWM逆变电路仿真报告1. 仿真目的:通过对单相SPW逆变电路不同控制方式的仿真研究，进一步理解SPW控制 信号的产生原理，单极性、双极性控制方式的原理及不同、载波比与调制深度不 同对逆变电路输出波形的影响等。2. 仿真原理:单相桥式逆变电路图1所示为单相桥式逆变电路的框图，设负载为阻感负载。在桥式逆变电路中，桥臂的上下两个开关器件轮流导通，即工作时V1和V2通断状态互补,V3和V4的通断状态互补。下面将就单极性及双极性两种不同的控制方法进行 分析。栽波2匚VD】2口“7-调制倍号-*图1单相桥式PWI逆变电路不同控制方式原理单极性控制方式调制信号Ur为正弦波，载波Uc在Ur的正半周
2、为正极性的三角波，在 Ur的负半周为负极性的三角波。在 Ur的正半周，V1保持通态，V2保持断态，在UrUc时使V4导通，V3关断，Uo=Ud;在UrUc时使V3导通，V4关断，Uo=O;在Ur的负半周，V1保持断态，V2保持通态，在UrUc时使V4导通，V3关断，U0=0。这样就得到了 SPW波形U0。图2单极性PWM控制波形双极性控制方式采用双极性方式时，在 Ur的半个周期内，三角波不再是单极性的，而是有正有负，所得的PWM波也是有正有负。在Ur的一个周期内，输出的PWM波只有 土 W两种电平，而不像单极性控制时还有零电平。在 Ur的正负半周，对各开关 器件的控制规律相同。即UrUc时，给
3、V1和V4导通信号，给V2和V3以关断信 号，如i 00,则V1和V4通，如i 00,则VD1和VD4通，不管哪种情况都是输出 电压u=U。uvuc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4以关断信号，这时如i。0,则VD2和VD3通，不管哪种情况都是输出电压 u=-Ud。图3双极性PWM控制波形3. 仿真过程：仿真主电路模型:仿真模型如图4所示，其中的PWM模块为根据不同控制方式自定义的子系统 封装模块，设置该模块的参数为 m （调制深度）、f （调制波频率）、fc （载波 频率），方便仿真时快捷调整调制深度及载波比，来观察不同参数对逆变电路输 出的影响。povnerg uiDC Voltage
4、 SourMD iscre 七巳， Ts = le-0 OS s.:了JUFTUniversal Bridge匚urrent MeasurementPWMMultimeter图4仿真主电路图中的“Un iversal Bridge ”模块，在对话框中选择桥臂数为 2,即可组成 单相全桥电路，开关器件选带反并联二极管的IGBT;直流电压源模块设置为300V；“ Series RLCBranch”模块去掉电容后将阻感负载分别设为1Q和2 mH；在串联RLC支路模块的对话框下方选中测量电压和电流，再利用“Multimeter ”模块即可观察逆变器的输出电压、 电流；“Powergui”模块设置为离散
5、仿真模式， 采样时间为1e-5s。仿真时间设为，选择ode45仿真算法。单极性PWM逆变仿真单极性PWM控制信号产生原理在本仿真中，采用同幅值、同频率的两条等腰三角载波分别与同幅值、同频率，但相位相差180的两条正弦调制波比较，经过处理后得到 PWI控制信号， 原理如图5所示。由于两个桥臂是分开控制的同一桥臂上的两个开关在控制上仍 然互补。在输出电压的半个周期内，电压极性只在一个方向变化，故称为单极性 控制。IILTN|1LLJiN- 3tuWah0-图5单极性PWM控制信号产生原理单极性控制仿真模型图6单极性PW控制信号产生模型在图6中，正弦波m * sinH(2n ft)以及m * sim
6、H(2n ft + tt)由模块组合产生，与频率为fc的等腰三角波比较后，经过处理产生单极性 PWM控制信号。进行仿真及波形记录(1)调制深度m设为，基波频率f设为50Hz,载波频率fc设为基频的20 倍，即1000Hz=运行仿真主电路，可得输出电压、负载电流、直流侧电流如图 7 所示。图7 m=,fc=1000Hz时单极性PWM逆变电路输出波形对此时的输出电压及负载电流进行 FFT分析，结果如图8所示。输出电压基 波幅值为，与理论值很接近，约为基波幅值的 50%其THD为%而由于感性负 载的存在，负载电流的THD为%Fundamental pOHz) = 150.4 ” THD= 124.2
7、7%fi.64.2 o o o o (-sUWEEPLIndss510162CI4armonic order图8 m=,fc=1000Hz时单极性输出电压FFT分析结果仿真(2)在(1)的基础上，将调制深度 m改为1,其它参数不变，仿真后可得此时输出电压、负载电流及直流侧输电流波形如图9所示。图9 m=1,fc=1000Hz时单极性PWM逆变电路输出波形对此时的输出电压及负载电流进行 FFT分析，结果如图10所示。输出电压 基波幅值为，与理论值非常接近，其 THD笔为%而同样由于感性负载的存在， 负载电流的THD为%比中降低很多。图10 m=1,fc=1000Hz时单极性输出电压FFT分析结果
8、仿真 在 的基础上将载波频率提高到 fc=2000Hz.仿真后，得到此时 的输出电压，负载电流及直流侧电流波形如图11所示.图11 m=1,fc=2000Hz时单极性PWM逆变电路输出波形此时的输出电压基波幅值为，THD为%负载电流的THD降为%更加接近正 弦。图12 m=1,fc=2000Hz时单极性负载电流FFT分析结果_QEEPUndEe 乏单极性控制仿真结果分析对比仿真、的仿真波形及FFT分析结果可以看出，相对于(1) 的结果，(2)的结果波形中电压中心部分明显加宽，THD明显减小，负载电流波形更加光滑；而 的结果波形中输出电压中心加宽更明显，负载电流的正弦度 也更好了。由此可见调制深
9、度m与载波比对波形的影响很大，参数值越大，逆变 输出效果越好。双极性PWM逆变仿真双极性PWM控制信号产生原理相对于单极性控制，双极性PWM控制较为简单，将正弦调制信号与双极性三 角载波进行比较后经过简单处理，即可产生 PWMI制信号。其原理如图3所示。双极性PWM控制信号产生模型odeFundbC-i图13双极性PWM控制信号产生模型图13中，同样由时钟信号经过处理产生的正弦波与频率为 fc的双极性等腰 三角波比较后，经过处理即可得到双极性 PWM控制信号。进行仿真及波形记录如单极性PWM逆变仿真中一样，分别对应于仿真（1）、（2）、（3），设定调制深度m与载波频率fc的值，得到仿真波形如图
10、14、15、16所示 4 i* 0311 1E2CH04.0刚ow oc图15 m=1,fc=1OOOHz时双极性PWM逆变电路输出波形仿真结果分析同样对每次仿真结果进行FFT分析，输出电压THD由笔至% ;负载电流THD 由笔至%谐波含量及正弦度明显改善。如同单极性PWM逆变仿真结果分析中所述，调制深度m和载波比的大小对双 极性PWMK变输出波形的影响也很大，在 m和fc值较大的情况下，负载电流的 正弦度明显较好。同时，对比仿真图可以看出，在同样的参数条件下，单极性控制下的逆变输 出波形要比双极性控制下的输出要好。4拓展思考在仿真过程中可以看出，无论是单极性控制还是双极性控制， 在不同的参数
11、 条件下，由于输出电压含有谐波，负载电流的波形总是不够光滑。因此考虑在逆 变器输出部分加入LC滤波环节，看是否能够改善输出情况。经过仿真对比，设 置 L=，C=1e-4F.加入滤波环节后的仿真主电路如图17所示：Current FleazurementDC /DlUgv S UFUaTs Ie-GOS 壬图17加入LC滤波的仿真主电路对单极性和双极性控制，分别在 m=,fc=1000Hz参数条件下进行仿真并记录 波形如图18、19所示。2曰0餡D諂0個0帥H幽。诚图18 m=,fc=1000Hz时，加入LC滤波后单极性PWM逆变电路输出波形方一图19 m=,fc=1000Hz时，加入LC滤波后双极性PWM逆变电路输出波形由仿真结果可以看出，加入 LC滤波后，输出电压中的谐波分量被滤除了许 多，更加趋近于正弦波形，而负载电流的波形更加光滑，正弦度更好。说明加入 滤波环节对于逆变输出波形有明显改善。
