由IGBT组成的SPWM三相逆变器的建模及应用仿真.doc

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目录

1. 引言 1

2. PWM控制的基本原理 1

3. PWM逆变电路及其控制方法 2

4. 电路仿真及分析 3

4.1 双极性SPWM波形的产生 3

4.2 三相SPWM波形的产生 4

4.3双极性SPWM控制方式三相桥式逆变电路仿真及分析 5

4.4双极性SPWM控制方式的单相桥式逆变电路仿真及分析 9

5.双极性SPWM控制方式的单相桥式逆变电路和三相逆变电路比较分析 11

6. 结论 11

参考文献 11

I

由IGBT组成的SPWM三相逆变器的建模及应用仿真

引言

PWM技术的的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM技术。

它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。

PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。

常用的PWM技术包括：

正弦脉宽调制（SPWM）、选择谐波调制（SHEPWM）、电流滞环调制（CHPWM）和电压空间矢量调制（SVPWM）。

1.PWM控制的基本原理

PWM（PulseWidthModulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。

PWM控制技术的重要理论基础是面积等效原理，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。

下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。

把正弦半波分成N等分，就可以把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。

如果把这些脉冲序列用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就可得到图1所示的脉冲序列，这就是PWM波形。

像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM波。

t

U

-U

d

图1单极性SPWM控制方式波形

上图所示的波形称为单极性SPWM波形，根据面积等效原理，正弦波还可等效为图2中所示的PWM波，这种波形称为双极性SPWM波形，而且这种方式在实际应用中更为广泛。

10

O

w

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U

d

-

U

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图2双极性SPWM控制方式波形

2.PWM逆变电路及其控制方法

PWM逆变电路可分为电压型和电流型两种，目前实际应用的几乎都是电压型电路，因此本节主要分析电压型逆变电路的控制方法。

要得到需要的PWM波形有两种方法，分别是计算法和调制法。

根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形，这种方法称为计算法。

由于计算法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。

与计算法相对应的是调制法，即把希望调制的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。

通常采用等腰三角波作为载波，在调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。

下面具体分析单相和三相逆变电路双极性控制方式。

图3是采用IGBT作为开关器件的单相桥式电压型逆变电路。

图3单相桥式PWM逆变电路

单相桥式逆变电路双极性PWM控制方式：

在的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有±两种电平。

同样在调制信号和载波信号的交点时刻控制器件的通断。

正负半周，对各开关器件的控制规律相同。

当>时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。

如>0，V1和V4通，如<0，VD1和VD4通，=。

当<时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号。

如<0，V2和V3通，如>0，VD2和VD3通，=-。

这样就得到图2所示的双极性的SPWM波形。

图4是采用IGBT作为开关器件的三相桥式电压型逆变电路。

图4三相PWM逆变电路

当时，给V1导通信号，给V4关断信号，；当时，给V4导通信号，给V1关断信号，。

当给V1（V4）加导通信号时，可能是V1（V4）导通，也可能是VD1（VD4）导通。

、和的PWM波形只有两种电平。

波形可由、得出，当1和6通时，=，当3和4通时，=，当1和3或4和6通时，=0。

、的波形可同理得出。

3.电路仿真及分析

3.1双极性SPWM波形的产生：

仿真电路图如图5所示。

三角载波信号由“Source”库中的“RepeatingSequence”模块产生,参数设置为【01//43//41/】和【01-10】，便可生成频率为的三角载波。

正弦信号由正弦发生器生成。

将调制波和载波通过一些运算与比较，即可得出图6所示的双极性SPWM触发脉冲波形。

图5双极性PWM逆变器触发脉冲发生电路

图6双极性SPWM波形

4.2三相SPWM波形的产生：

仿真图如下所示。

图7三相SPWM逆变器触发脉冲发生电路

本文中采用单三角载波和三个幅值、频率相同相位互差120度的三相交流波形作为调制波。

通过一个“sin”模块即为sin，乘以调制比m后可得到所需的正弦波调制信号，通过设置即可产生三相正弦波信号。

三角载波信号由“Source”库中的“RepeatingSequence”模块产生,参数设置为【01//42//41/】和【-101-1】，便可生成频率为的三角载波。

将调制波和载波通过一些运算与比较，即可得出三相SPWM触发脉冲波形。

三角载波与调制波的波形如图8所示：

图8三相调制波与三角载波波形

4.3双极性SPWM控制方式的三相桥式逆变电路仿真及分析

双极性SPWM方式下的三相桥式逆变电路主电路图如下图所示：

图9三相桥式SPWM逆变器主电路图

下面从两个方面对双极性SPWM控制方式的三相桥式逆变仿真电路分析。

1.对于三相SPWM控制方式的逆变电路，有如下重要参数：

载波比N——载波频率与调制信号频率之比，即N=/。

调制度m――调制波幅值与载波幅值之比，即m＝/。

输出电压基波幅值=，其中，为直流侧电源电压。

仿真参数设置R=1L=0.1

（1）改变调制比M可以改变输出电压幅值

（2）改变载波比N可以改变输出频率

从上面四个图可以看出，电压电流的频率与调制频率一直，调节调制频率可以调节输出电压电流频率，输出电压可以通过调节调制比来实现。

2.设置参数调制度m设置为0.75，调制波频率设为50Hz，载波频率设为2500Hz。

图14 SPWM方式下的三相逆变电路输出波形

分析上图可知，输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成负载相电压PWM波由（±2/3）Ud、（±1/3）Ud和0共5种电平组成。

利用MATLAB提供的powergui模块，对上图中的输出相电压和输出电流进行FFT分析，得图15、图16所示结果：

图15 SPWM控制方式三相逆变电路输出相电压的FFT分析

图16 SPWM控制方式三相逆变电路输出电流的FFT分析

由图15可知：

在=200V，m=0.75,=2500Hz,=50Hz，输出相电压的基波电压的基波幅值为=79.3V，考虑最高频率为4500Hz时的THD达到91.85%。

由图16可知：

考虑最高频率为4500Hz时的THD=5%，输出电流近似为正弦波。

4.4双极性SPWM控制方式的单相桥式逆变电路仿真及分析

双极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路主电路图如下图所示：

图17双极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路主电路

设置参数调制比m设置为0.75，调制波频率设为50Hz，载波频率设2500Hz.

图18 双极性SPWM方式下的逆变电路输出波形

利用MATLAB提供的powergui模块，对上图中的输出电压和输出电流进行FFT分析

图19 双极性控制方式单向桥式逆变电路输出电压的FFT分析

图20 双极性控制方式单向桥式逆变电路输出电流的FFT分析

由图19可知：

在=200V，m=0.75,=2500Hz,=50Hz，输出电压的

基波电压的基波幅值为=150.1V，基本满足理论上=，考虑最高频率为4500Hz时的THD达到83.18%。

由图20可知：

输出电流基波幅值为14.28A，考虑最高频率为4500Hz时的THD=5.8%，输出电流近似为正弦波。

5.双极性SPWM控制方式的单相桥式逆变电路和三相逆变电路比较分析

经比较分析可以看出，在调制比和载波比都相同的情况下，三相逆变电路比单向桥式逆变电路的谐波含量小得多，因此，从谐波含量的角度考虑，三相逆变电路的输出波形更接近正弦波。

同时，从SPWM触发产生电路可以看出，三相逆变电路的触发产生电路要比单相桥式逆变电路复杂。

通过设置适当的m和N的值，就可以很好的实现逆变电路的运行要求。

6.结论

通过适当的参数设置，根据不同应用场合的要求，选择能够满足实际要求的控制方式，运用PWM控制技术，可以有效减小输出电压和输出电流的谐波分量，改善输出波形，可以很好的实现逆变电路的运行要求。

参考文献

［1］林飞，杜欣，电力电子应用技术的MATLAB仿真，中国电力出版社，2009.1

［2］王兆安，刘进军，电力电子技术，机械工业出版社，2009.5

［3］汤才刚，朱红涛，李莉，陈国桥，基于PWM的逆变电路分析，《现代电子技术》2008年第1期总第264期。