单相正弦波逆变器不同载波比的影响仿真研究.docx
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单相正弦波逆变器不同载波比的影响仿真研究
2013级
《电力电子研讨课》报告
单向正弦波逆变器不同载波比的影响仿真研究
指导教师万山明
日期2016.4.18
实验成绩
评阅人
单相正弦波逆变器不同载波比的影响仿真研究
一:
设计要求
1:
单相全桥电压源逆变器,采用单极倍频SPWM控制方法
2:
滤波参数L=2mH,C=50μF
3:
输入:
400V直流,输出:
220V/50Hz交流(有效值)
4:
控制方法采用开环控制,负载为纯电阻负载
当开关频率取20kHz(载波比为20k/50=400),并假设负载功率分别为0.1kW、20kW时,求滤波后的输出电压波形。
当开关频率分别取5kHz、1kHz、315Hz时,仍按上述负载功率的变化求滤波后的输出电压波形。
可否从理论上解释这些波形变化背后的原因?
如果滤波后的输出电压波形谐波含量仍然较大,也即不够正弦,有什么方法解决?
二:
主电路及相关原理
1:
电压型单相全桥逆变电路结构与原理:
图1电压型单相全桥逆变器电路结构
其中四个开关管,T1、T4一组,T2、T3一组,在两组驱动信号的驱动下,两组器件周期性交替通、断产生交变的Vab,当驱动T1,T4的信号为正时,T1、T4驱动导通,T2、T3关断,此时输出u0=Udc,当其为负时,T2、T3驱动导通,T1、T4关断,此时u0=-Udc,从而实现逆变功能。
输出电压傅里叶形式表达为:
2:
单极性倍频正弦脉冲宽度调制原理:
图2输出SPWM电压波形
单极式倍频SPWM技术含有两个频率和幅值大小相同,相位相反的双极性三角载波,通过驱动信号形成电路(图3)将这两个载波与标准正弦信号进行比较,形成SPWM驱动信号。
图3驱动信号形成电路
图4脉冲电压占空比及平均值
倍频式SPWM技术的2个三角载波与正弦波相比较生成2路驱动信号,其中一路作为T1的驱动信号,另一路作为T32的驱动信号。
由图4可以看出,在前后半个载波周期内哥得到了一个输出电压脉冲,产生了脉冲数倍增的效果。
假设载波频率足够高,在一个载波周期内Vr大小不变,其中第k个脉冲的占空比为。
其中αk表示第k个脉冲中心点所对应的基波角度。
半个载波周期内,输入电压的平均面积为:
当载波频率很高时,基波电压瞬时值可以认为是:
,其中M为调制比。
可以看出,单极倍频式SPWM的输出电压有以下特点:
1消除了低次谐波,3,5,7….等次谐波没有了。
2谐波幅值仍然可以与基波相比较甚至更大。
3LOH在两倍开关频率附近,比双极性SPWM优越。
4最低次谐波频率提高一倍
3:
相关参数计算
本实验需要研究不同载波比对单相正弦逆变器影响。
载波比定义为载波频率与调制波频率之比,即
开关频率取20kHz,依据
,
得
当负载功率P=20kw时,R=2.42Ω,P=0.1Kw时,R=484Ω
滤波器参数,L=L=2mH,C=50μF
开关频率为5KHz时,N=100,1kHz时,N=20,315Hz时,N=6.3
三、仿真电路设计
在matlab上搭建的开环电路仿真拓扑图如下:
图5仿真电路拓扑图
左上角处输入三角波及正弦波,通过比较器后作用在逆变器电路作为驱动信号,两个示波器分别测量未滤波和滤波后的输入电压信号波形。
四:
仿真结果
1:
载波信号及调制波经过比较器电路后形成的驱动信号如图(只截了一个驱动信号):
图6驱动信号波形
由图中可见,驱动信号并不是标准方波,而是输出平均电压按正弦规律变化的SPWM波,符合冲量等效原理。
图7滤波前的输出电压波形
2:
开关频率20kHz,P=20Kw,即R=2.42Ω时,得到的输出电压结果如下:
图8滤波后输出电压波形
由图中可见,滤波前的输出电压波形幅值V=400V,每个载波周期内输入电压面积按正弦规律变化,符合预期,经过滤波器后,变成了标准正弦信号,幅值V=300V,符合预期。
2:
开关频率20kHz,P=0.1Kw,即R=484Ω时,得到的输出电压结果如下:
图9滤波前输出电压波形
图10滤波后输出电压波形
3:
开关频率5kHz,P=20Kw,即R=2.42Ω时,得到的输出电压结果如下:
图11滤波后输出电压波形
4:
开关频率5kHz,P=0.1Kw,即R=484Ω时,得到的输出电压结果如下:
图12滤波后输出电压波形
图13滤波后输出电压波形
5:
开关频率1kHz,P=20Kw,即R=2.42Ω时,得到的输出电压结果如下:
6:
开关频率1kHz,P=0.1Kw,即R=484Ω时,得到的输出电压结果如下:
图14滤波后输出电压波形
7:
开关频率315Hz,P=20Kw,即R=2.42Ω时,得到的输出电压结果如下:
图15滤波后输出电压波形
8:
开关频率315Hz,P=0.1Kw,即R=484Ω时,得到的输出电压结果如下:
图16滤波后输出电压波形
由结果可见,随着开关频率不断降低,即载波比的不断降低,波形越来越难看,这是因为输出的电压中低频谐波分量越来越大,难以通过滤波器完全滤过,解决方法可通过增大电容实现,下图是开关频率为315Hz,R=484Ω,增大电容后的电压滤波后波形,可见虽然仍然不是标准的正弦波,但和没增大时的波形相比较已经有了十分大的改进。
图18增大滤波电容后滤波后电压波形
五:
分工
雷张平:
U201311804:
相关参数计算,电路图设计
银泽一:
U201311797:
仿真电路搭建与实现
柳林海:
U201311819:
报告编写
王睿之:
U201311808:
相关资料查阅
六:
参考资料
正弦波逆变器脉宽调制技术的调制模型分析——————————王立乔
电力电子学-电力电子变换和控制技术—————————————陈坚,康勇
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