完整单相正弦波PWM逆变电路.docx
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完整单相正弦波PWM逆变电路
一、实验目的
1、用MATLAB对单相正弦波PWM逆变电路进行仿真,讨论载波信号、调制信号对输出电压、电流、谐波以及谐波畸变率的影响.
2、主要讨论载波比、调制深度对输出电压、电流、谐波以及谐波畸变率的影响。
二、实验原理
1、PWM控制的基本原理
PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术,将宽度变化的窄脉冲作为驱动信号,其控制的基本原理是面积等效原理,即:
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。
冲量指窄脉冲的面积.效果基本相同,是指环节的输出响应波形基本相同。
低频段常接近,仅在高频段略有差异。
如图1—1为PWM波等效为正弦波,2-1a中把正弦波分成N等分,就可以把正弦波看成是由N个彼此相连的脉冲序列组成的波形,这些脉冲的宽度相等,都为π/N,但幅值不相等。
如果把这一系列的窄脉冲用等幅而不等宽的矩形窄脉冲代替,使矩形脉冲的中点与相应的正弦脉冲部分的中点重合,且使矩形脉冲与相应的正弦脉冲的面积相等,且宽度是按正弦规律变化的如图2—1b,由面积等效原理可知,PWM波和正弦波是等效的。
这种脉冲宽度按正弦规律变化和正弦波等效的PWM波形叫做SPWM.
图2—1SPWM波等效为正弦波
2、电路结构及控制方法
2.1单相SPWM逆变电路结构
图2-2单相SPWM逆变电路
2.2单相SPWM逆变电路控制方式
图2-3单极性SPWM控制方式波形图2—4双极性SPWM控制方式波形
对于单极性SPWM,如图2-3所示,在Ur和Uc焦点的时刻控制IGBT的通断.在Ur的正半周,VT1保持通态,VT2保持断态,当Ur〉Uc时使VT4导通,VT3关断,Uo=Ud;当Ur 在Ur的负半周,VT1保持断态,VT2保持通态,当Ur〈Uc时使VT3导通,VT4关断,Uo=—Ud;当Ur〉Uc时使VT3关断,VT4导通,Uo=0. 对于双极性SPWM,如图2-4所示,仍然在Ur和Uc焦点的时刻控制IGBT的通断。 在Ur的正负半周,对各开关器件的控制规律相同。 即当Ur〉Uc时,给VT1和VT4以导通信号,给VT2和VT3以关断信号,这时如果Io>0,则VT1和VT4通,如Io〈0,则VD1和VD4通,不管哪种情况,都是输出电压Uo=Ud。 当Ur 三、实验内容 1、单极性SPWM逆变电路仿真 图3-1单极性SPWM逆变电路仿真模型 图3—2单极性SPWM控制信号仿真模型 参数设计: 阻感负载,R=1Ω,L=2mH,直流电源取300V,控制电路中载波的频率为1000HZ,幅值为1V,调制波的频率为50HZ,,幅值为0.5V,即调制比0。 5,载波比为20. 运行后可得仿真结果,输出交流电压、交流电流和直流电流的波形如图所示,对输出的交流电压、交流电流进行FFT谐波分析,可得频谱图如图所示。 图3-3单极性SPWM逆变电路m=0。 5时的仿真波形图 图3—4单极性SPWM逆变电路m=0。 5时输出电压的谐波分析图 图3—5单极性SPWM逆变电路m=0。 5时输出电流的谐波分析图 基波幅值约为150。 3V,满足基波电压幅值与直流电压的关系式: U1m=mUd=0。 5*300=150V。 单极性谐波分析当载波比为偶数时,不含偶次谐波.不再含有开关频率次即20次,19和21次谐波幅值为基波的73%左右,值得考虑的最低次谐波为17次,幅值为基波的9。 51%,最高分析频率为3。 5KHz时的THD达到123.61%。 由于感性负载的滤波作用,负载上交流电流的THD为15.42%。 若将调制度设为0。 8,则可以得到仿真波形,输出交流电压、交流电流和直流电流的波形如图所示,对输出的交流电压、交流电流进行FFT谐波分析,可得频谱图如图所示。 图3—6单极性SPWM逆变电路m=0.8时的仿真波形图 图3-7单极性SPWM逆变电路m=0.8时输出电压的谐波分析图 图3—8单极性SPWM逆变电路m=0.8时输出电流的谐波分析图 基波幅值约为240。 8V,满足基波电压幅值与直流电压的关系式: U1m=mUd=0。 8*300=240V。 不再含有开关频率次即20次,19和21次谐波幅值有所降低,为基波的38%左右,但17次和23次谐波稍大,幅值为基波的18%,最高分析频率为3.5KHz时的THD达到76。 04%.负载上交流电流的THD也降低为13。 28%. 若将调制度设为1,则可以得到仿真波形,输出交流电压、交流电流和直流电流的波形如图所示,对输出的交流电压、交流电流进行FFT谐波分析,可得频谱图如图所示。 图3-9单极性SPWM逆变电路m=1时的仿真波形图 图3—10单极性SPWM逆变电路m=1时输出电压的谐波分析图 图3-11单极性SPWM逆变电路m=1时输出电流的谐波分析图 基波幅值约为299。 4V,满足基波电压幅值与直流电压的关系式: U1m=mUd=1*300=300V.不再含有开关频率次即20次,19和21次谐波幅值有所降低,为基波的17%左右,但17次和23次谐波稍大,幅值为基波的22%,最高分析频率为3.5KHz时的THD达到51。 47%.负载上交流电流的THD也降低为12.42%。 调制度m仍保持1不变,改变载波比为40,使载波频率为2000Hz,则可以得到仿真波形,输出交流电压、交流电流和直流电流的波形如图所示,对输出的交流电压、交流电流进行FFT谐波分析,可得频谱图如图所示。 图3—12单极性SPWM逆变电路m=1,p=40时的仿真波形图 图3-13单极性SPWM逆变电路m=1,p=40时输出电压的谐波分析图 图3-14单极性SPWM逆变电路m=1,p=40时输出电流的谐波分析图 19和21次谐波幅值为基波的17%左右,但17次和23次谐波幅值为基波的22%,最高分析频率为3.5KHz时的THD达到52。 07%。 负载上交流电流的THD降低为12。 21%。 分析: 对比上面四个仿真的仿真波形及FFT分析结果可以看出,相对于第一个的结果,第二、三个仿真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;而第四个仿真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。 由此可见调制深度m与载波比p对波形的影响很大,参数值越大,逆变输出效果越好。 2、双极性SPWM逆变电路仿真 图3—15双极性SPWM逆变电路仿真模型 图3—16双极性SPWM控制信号仿真模型 参数设计: 阻感负载,R=1Ω,L=2mH,直流电源取300V,控制电路中载波的频率为1000HZ,幅值为1V,调制波的频率为50HZ,,幅值为0.5V,即调制比0。 5,载波比为20. 运行后可得仿真结果,输出交流电压、交流电流和直流电流的波形如图所示,对输出的交流电压、交流电流进行FFT谐波分析,可得频谱图如图所示。 图3—17双极性SPWM逆变电路m=0.5时的仿真波形图 图3-18双极性SPWM逆变电路m=0。 5时输出电压的谐波分析图 图3—19双极性SPWM逆变电路m=0。 5时输出电流的谐波分析图 基波幅值约为150.4V,满足基波电压幅值与直流电压的关系式: U1m=mUd=0.5*300=150V。 双极性谐波分析当载波比为偶数时,不含奇次谐波。 最严重的20次谐波分量达到基波2.12倍,值得考虑的最低次谐波为18次,幅值为基波的18。 78%,最高分析频率为3.5KHz时的THD达到263.71%。 由于感性负载的滤波作用,负载上交流电流的THD为27.99%。 若将调制度设为0。 8,则可以得到仿真波形,输出交流电压、交流电流和直流电流的波形如图所示,对输出的交流电压、交流电流进行FFT谐波分析,可得频谱图如图所示。 图3—20双极性SPWM逆变电路m=0。 8时的仿真波形图 图3—21双极性SPWM逆变电路m=0。 8时输出电压的谐波分析图 图3-22双极性SPWM逆变电路m=0。 8时输出电流的谐波分析图 基波幅值约为238.4V,满足基波电压幅值与直流电压的关系式: U1m=mUd=0。 8*300=240V。 20次谐波明显降低,只有基波幅值的1.12倍,但18次谐波稍大,幅值为基波的29.75%,最高分析频率为3。 5KHz时的THD降低为147。 08%.负载上交流电流的THD也降低为19。 45%。 若将调制度设为1,则可以得到仿真波形,输出交流电压、交流电流和直流电流的波形如图所示,对输出的交流电压、交流电流进行FFT谐波分析,可得频谱图如图所示。 图3—23双极性SPWM逆变电路m=1时的仿真波形图 图3—24双极性SPWM逆变电路m=1时输出电压的谐波分析图 图3-25双极性SPWM逆变电路m=1时输出电流的谐波分析图 基波幅值约为300.1V,满足基波电压幅值与直流电压的关系式: U1m=mUd=1*300=300V。 20次谐波明显降低,只有基波幅值的59.81%,但18次谐波稍大,幅值为基波的34。 75%,最高分析频率为3.5KHz时的THD降低为99.73%。 负载上交流电流的THD也降低为17。 08%。 调制度m仍保持1不变,改变载波比为40,使载波频率为2000Hz,则可以得到仿真波形,输出交流电压、交流电流和直流电流的波形如图所示,对输出的交流电压、交流电流进行FFT谐波分析,可得频谱图如图所示. 图3-26双极性SPWM逆变电路m=1,p=40时的仿真波形图 图3—27双极性SPWM逆变电路m=1,p=40时输出电压的谐波分析图 图3-28双极性SPWM逆变电路m=1,p=40时输出电压的谐波分析图 20次谐波是基波幅值的59.81%,18次谐波幅值为基波的34。 75%,最高分析频率为3.5KHz时的THD降低为99。 68%。 负载上交流电流的THD降低为14。 23%。 分析: 对比上面四个仿真的仿真波形及FFT分析结果可以看出,相对于第一个的结果,第二、三个仿真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;而第四个仿真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。 由此可见调制深度m与载波比p对波形的影响很大,参数值越大,逆变输出效果越好。 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。
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