双极性模式PWM逆变电路

电力电子系统计算机仿真题目：双极性模式PWM逆变电路

班级：

姓名：

学号：

指导老师：

日期：

摘要

PWM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控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，现在大量应用的逆变电路中绝大部分都是PWM型逆变电路。

本设计为双极性PWM方式下的单相全桥逆变电路，主要包括双极性SPWM控制信号的发生电路和带反并联二极管的IGBT作为开关器件的单相全桥电路。设计的重点在于运用MATLAB中的SIMULINK建立电路模型，对电路进行仿真，并对仿真结果进行分析，得出系统参数对输出的影响规律。

关键字：双极性PWM控制逆变电路 SIMULINK仿真

目录

一、主电路工作原理 (3)

1.1 PWM控制技术及SPWM波的生成 (3)

1.1.1 PWM控制的基本原理 (3)

1.1.2 SPWM法的基本原理 (4)

1.1.3规则采样法 (4)

1.2 单极性和双极性PWM控制逆变电路分析 (5)

1.2.1 单极性PWM控制方式 (6)

1.2.2 双极性PWM控制方式 (6)

二、MATLAB仿真及结论分析 (7)

2.1 建立仿真模型 (7)

2.1.1 双极性SPWM控制信号的仿真模型 (7)

2.1.2 双极性模式PWM逆变电路仿真模型 (10)

2.2 双极性模式PWM逆变电路仿真结果及分析 (13)

三、PSIM仿真及结论分析 (20)

3.1 建立仿真模型 (20)

3.2 仿真结果及分析 (21)

四、总结与体会 (26)

五、参考文献 (27)

一、主电路工作原理

1.1 PWM控制技术及SPWM波的生成

1.1.1 PWM控制的基本原理

PWM（Pulse Width Modulation）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控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻，PWM控制技术在逆变电路中的应用也最具代表性。

面积等效原理是PWM控制技术的重要理论基础，即在采样控制中，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的同一环节上时，其效果基本相同。其中，冲量指的是窄脉冲的面积；效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。如图1.1.1(1)所示，三个窄脉冲形状不同，但是它们的面积都等于1，当它们分别加在如图1.1.1(2)(a)所示的R-L电路上时，并设其电流i(t)为电路的输出，则其输出响应波形基本相同且如图1.1.1(2)（b）所示。

（a） (b) (c) (d)

图1.1.1（1）冲量相等、形状不同的窄脉冲

（a） (b)

图1.1.1（2）形状不同而冲量相同的各种窄脉冲及响应波形

1.1.2 SPWM 法的基本原理

脉冲幅值相等而脉冲宽度按正弦规律变化而正弦波等效的PWM 波称为SPWM(sinusoidal PWM)波形。

如图1.1.2所示，把正弦半波分成N 等份，就可以把正弦半波看成是由N 个彼此相连的脉冲序列所组成的波形，这些脉冲宽度都等于N / ，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是按正弦规律变化的曲线。如果把这些脉冲序列用相同数量的等幅值而不等宽的矩形脉冲来代替，使矩形脉冲的中点和相应的正弦波部分中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，则可得图所示的矩形脉冲序列，这就是SPWM 波形。

图1.1.2 用PWM 波来代替正弦半波

1.1.3 规则采样法

SPWM 的控制就是根据三角载波与正弦调制波的交点来确定逆变器功率开关器件的通断时刻。规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，一般采用三角波作为载波，其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断，从而实现SPWM 法.当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期(即采样周期)内的位置是对称的，这种方法称为对称规则采样其原理如图1.1.3所示。

图1.1.3 规则采样法生成SPWM 波的原理图

假设三角波的幅值为1,正弦函数为r u =M t sin ω，M 为调制度且0

2/2

2/t sin M 12c T t =

+ω

其中，Tc 为三角载波周期，t2为脉冲宽度。 所以矩形波开通时间为：2/)sin 1(2c T t M t ω+=

将上式离散化后可得：2/)1)/2sin((2

+=N I M t π

式中， c T 为在波周期，I 为第I 个SPWM 波，N 为采样的总个数

1.2 单极性和双极性PWM 控制逆变电路分析

电路如图1.2所示，该电路工作时，1V 和2V 通断互补，3V 和4V 也通断互

补，如在o u 正半周，1V 导通，2V 关断，3V 和4V 交替通断，且负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。在o u 的负半周，让2V 保持通态，1V 保持断态，3V 和4V 交替通断，负载电压o u 可以得到-d U 和零两种电平。

图1.2 单相桥式PWM 逆变电路

1.2.1 单极性PWM 控制方式

如图1.2.1所示，调制信号r u 为正弦波，载波c u 在r u 的正半周为正极性的三角波，在r u 的负半周为负极性的三角波。

a)在r u 的正半周时，1V 保持通态，2V 保持断态，当r u >c u 时，使4V 导、3

V 关断，o u =d U 。当r u

b)在r u 的负半周时，1V 保持断态，2V 保持通态。当r u c u 时，使3V 关断、4V 导通，o u =0。

图1.2.1 单极性PWM 控制方式波形

1.2.2 双极性PWM 控制方式

如图1.2.2所示，在调制信号r u 和载波信号c u 的交点的时刻控制各个开关器件的通断。

a)在r u 的半个周期内，三角波载波有正有负，所得的PWM 波也有正有负，在r u 的一个周期内，输出的PWM 波只有±d U 两种电平。

b)在r u 的正负半周，对各个开关器件的控制规律相同。当r u >c u 时，1V 和4

V 导通，2V 和3V 关断，这时如果o i >0，则1V 和4V 导通，如果o i <0，则1VD 和4VD 导通，但不管那种情况都是o u =d U 。当r u 0，则2VD 和3VD 导通，但是不管哪种情况都是o u = -d U 。

图1.2.2 双极性PWM 控制方式波形

二、MATLAB 仿真及结论分析

2.1 建立仿真模型

本设计为单相PWM 逆变电路，工作方式为双极性PWM 方式，开关器件选用IGBT ，直流电压为300V,电阻负载，电阻1欧姆，电感2mh 。

2.1.1 双极性SPWM 控制信号的仿真模型

在Simulink 的“Source ”库中选择“Clock ”模块，以提供仿真时间t ，乘以2πf 后，再通过一个“sin ”模块即为sinwt,乘以调整深度m 后可得所需的正弦调整信号；三角载波信号由“Source ”库中的“Repeating Sequence ”模块产生，双击其对话框，设置“Times Values ”为[0 1/fc/4 3/fc/4 1/fc],设置“Output Values ”为[0 -1 1 0]，便可生成频率为fc 的三角载波：调制波和载波通过Simulink 的“Logic and Bit Operations ”库中的“Relational Operator ”模块进行比较后所得信号，再通过适当处理便得四路开关信号，如图2.1.1所示。图中的“Boolean ” 和“double ” 为“Signal Attributes ” 库中的“Data Type Conversion ”模块进行相应设置后所得。

图2.1.1 双极性SPWM信号发生电路图（1）主要参数设置

图2.1.1（a） Gain模块参数设置

图2.1.1（b） Relational Operator模块参数设置

(2) 双极性SPWM控制方式仿真结果

当调制深度m=0.5，载波频率fc=1500时，仿真结果如图2.1.1（c）所示。

图2.1.1（c）双极性SPWM控制方式仿真波形图

为了使仿真界面简洁，仿真参数易于修改，可以对图2.1.1所示部分进行封装，使其成为一个便于调用的模块。用鼠标选中图中的所有部分，单击右键并选择“Create Subsystem”,则选中的部分全都放入一个子系统模块，只保留了对外的输入输出接口，子系统模块如图 2.1.1（d）所示。右键单击该模块，选择“Mask Subsystem”中的Para可对其进行封装。如图2.1.1（e）所示，设置m、f和fc三个参数并确定后，再单击该子系统模块则会出现如图2.1.1(f)所示的对话框，此时可根据仿真需要填写参数的具体数值。

图2.1.1（d）子系统模块图图2.1.1（f）双极性SPWMM模块对话框示意图

图2.1.1（e）双极性SPWMM模块封装设置示意图

2.1.2 双极性模式PWM逆变电路仿真模型

主电路中采用“Universal Bridge”模块,在对话框中选择桥臂数为2，即可构成单相全桥电路，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;阻感负载分别设为1Ω和2MH。主电路仿真模型图如图 2.1.2所示。

图2.1.2 双极性模式PWM逆变电路图

主要参数设置

图2.1.2（a） Universal Bridge模块参数设置

图2.1.2（b） Series RLC Branch模块参数设置注：在选择电阻、电感时将电容的参数设为inf即可。

图2.1.2（c） Powergui模块参数设置

注：在powergui模块中选择Configure Parameters进行设置

图2.1.2（d） Multimeter模块参数设置

注：利用Multimeter模块，可以获得电压和电流的参数，等价于在模型内部连接一个电压和电流测量模块。配合示波器，被测信号可通过此模块得到仿真波形。因此处需要获得阻感负载的电压和电流波形，所以在Series RLC Branch模块参数设置时Measurements参数设置要如2.1.2（b）所示。

2.2 双极性模式PWM逆变电路仿真结果及分析

图2.2双极性模式PWM逆变电路图

（1）将调制深度m设为0.5，输出基波频率设为50HZ，载波频率设为基频的15倍，即750HZ。将仿真时间设为0.06s,运行后可得仿真结果，输出交流电压、交流电流和直流电流波形如图2.2（1）所示。输出电压为双极性PWM型电压，脉冲宽度符合正弦变化规律。直流电流除含有直流分量外，还含有两倍基频的交流分量以及与开关频率有关的更高次谐波分量。其中的直流部分是向负载提供有功功率，其余部分使得直流电源周期性吞吐能量，为无功电流。

图2.2（1） fc=750HZ m=0.5时的仿真波形图

图2.2（1）（a） fc=750HZ m=0.5时的交流电压谐波分析图

图2.2（1）（b） fc=750HZ m=0.5时的交流电流谐波分析图

图2.2（1）（c） fc=750HZ m=0.5时的直流电流谐波分析图

对输出的交流电压进行FFT分析，可得频谱图如图2.2(1)(a)所示。基波幅值约为151V,最严重的15次谐波分量达到基波的2.12倍，值得考虑的最低次谐波为13次，幅值为基波的18.78%，最高分析频率为3.5KHZ时的THD达到261.66%。

（2）将调制深度设为1，则仿真波形如图2.2（2）所示。交流电压的中心部分明显加宽。

图2.2（2） fc=750HZ m=1时的仿真波形图

图2.2（2）（a） fc=750HZ m=1时的交流电压谐波分析图

图2.2（2）（b） fc=750HZ m=1时的交流电流谐波分析图

图2.2（2）（c） fc=750HZ m=1时的直流电流谐波分析图

对输出的交流电压和交流电流进行FFT分析，可得频谱图如图2.2(2)(a)和2.2（2）（b）所示。基波幅值增加到299V。其谐波特性也有较大变化，15次谐波明显降低，只有基波的59.81%，但13次谐波有所增大，THD为100.28%交流电流的THD也降低到9.91%。

（3）当m=1,fc=1500HZ时, 输出交流电压、交流电流和直流电流仿真波形图如图2.2（3）所示。

图2.2（3） fc=1500HZ m=1时的仿真波形图

图2.2（3）（a） fc=1500HZ m=1时的交流电压谐波分析图

图2.2（2）（b） fc=1500HZ m=1时的交流电流谐波分析图

图2.2（3）（c） fc=1500HZ m=1时的直流电流谐波分析图