实验单相逆变器单极性和双极性SPWM调制技术的仿真

单相逆变器单极性和双极性SPWM 调制技术的仿真

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。

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。

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O

ω t U d

-U d

O

ω t U

d - U d

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Ur 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±d U 两种电平。同样在调制信号Ur 和载波信号Uc 的交点时刻控制器件的通断。Ur 正负半周，对各开关器件的控制规律相同。当Ur >Uc 时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。如o i >0，V1和V4通，如o i <0，VD1和VD4通，o U =d U 。当Ur 0，VD2和VD3通，o U =-d U 。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c rU U U >时，给V1导通信号，给V4关断信号，2/`'d UN U U =；当c rU U U <时，给V4导通信号，给V1关断信号，2/`'d UN U U -=。 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。

`'UN U 、`'VN U 和`'WN U 的PWM 波形只有2/d U +两种电平。UV U 波形可由`'UN U 、`'VN U 得出，当1和6通时，UV U =Ud ，当3和4通时，UV U =Ud -，当1和3或4和6通时，UV U =0。VW U 、WU U 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。

在Simulink 的“Source”库中选择“Clock”模块，以提供仿真时间t,乘以r f π2后再通过一个“sin”模块即为sin t ω，乘以调制比m 后可得到所需的正弦波调制信号。三角载波信号由“Source”库中的“Repeating Sequence”模块产生,参数设置为【0 1/c f /4 3/c f /4 1/c f 】和【0 1 -1 0】，便可生成频率为c f 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

从上图可以看出，对于双极性SPWM控制方式，在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，SPWM波也是在正负之间变化。

3.2三相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。同上，在Simulink 的“Source”库中选择“Clock”模块，以提供仿真时间t,乘以r f π2后再通过一个“sin”模块即为sin t ω，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“Repeating Sequence”模块产生,参数设置为【0 1/c f /4 2/c f /4 1/c f 】和【-1 0 1 -1】，便可生成频率为c f 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

3.3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9 单相桥式PWM 逆变器主电路图

为了使仿真界面简洁，仿真参数易于修改，通用桥（Universal Bridge ）的触

发脉冲是图5所示部分封装成的子模块。对于单相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c f 与调制信号频率r f 之比，即N = c f /r f 。

调制度m――调制波幅值r A 与载波幅值c A 之比，即m ＝r A /c A 。

输出电压基波幅值m 1d U =d mU ，其中，d U 为直流侧电源电压。

将调制度m 设置为0.9，调制波频率设为50Hz ，载波频率设为基波的30倍（载波比N=30），即1500Hz ，仿真时间设为0.04s ，在powergui 中设置为离散仿真模式，采样时间设为1e-006s ，运行后可得仿真结果，建立m 文件，程序如下所示：（示波器名称设置为inv ）

subplot(2,1,1);

plot(inv.time,inv.signals(1).values);

title('输出电压波形');

subplot(2,1,2);

plot(inv.time,inv.signals(2).values);

title('输出电流波形');

运行此文件后，可得输出电压和电流波形如图10所示：

图10

双极性SPWM 方式下的逆变电路输出波形

4.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。