1. 仿真目的：
通过对单相SPWM逆变电路不同控制方式的仿真研究，进一步理解SPWM控制信号的产生原理，单极性、双极性控制方式的原理及不同、载波比与调制深度不同对逆变电路输出波形的影响等。
2. 仿真原理：
2.1 单相桥式逆变电路
图1 所示为单相桥式逆变电路的框图，设负载为阻感负载。在桥式逆变电路中，桥臂的上下两个开关器件轮流导通，即工作时V1 和V2 通断状态互补，V3 和V4 的通断状态互补。下面将就单极性及双极性两种不同的控制方法进行分析。
图1 单相桥式PWM逆变电路
2.2 不同控制方式原理
2.2.1 单极性控制方式
调制信号ur为正弦波，载波uc在ur的正半周为正极性的三角波，在ur的负半周为负极性的三角波。在ur的正半周，V1保持通态，V2保持断态，在ur>uc时使V4导通，V3关断，u0=Ud; 在ur 图2 单极性PWM控制波形 2.2.2 双极性控制方式 采用双极性方式时，在ur的半个周期内，三角波不再是单极性的，而是有正有负，所得的PWM波也是有正有负。在ur的一个周期内，输出的PWM波只有两种电平，而不像单极性控制时还有零电平。在ur的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。即ur>uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3以关断信号，如i0>0，则V1和V4通，如i0<0，则VD1和VD4通，不管哪种情况都是输出电压u0=Ud。ur 图3 双极性PWM控制波形 3. 仿真过程： 3.1 仿真主电路模型： 仿真模型如图4所示，其中的PWM模块为根据不同控制方式自定义的子系统封装模块，设置该模块的参数为m（调制深度）、f（调制波频率）、fc（载波频率），方便仿真时快捷调整调制深度及载波比，来观察不同参数对逆变电路输出的影响。 图4 仿真主电路 图中的“Universal Bridge”模块，在对话框中选择桥臂数为2，即可组成单相全桥电路，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；“Series RLC Branch”模块去掉电容后将阻感负载分别设为1Ω和2 m H；在串联RLC支路模块的对话框下方选中测量电压和电流， 再利用“Multimeter”模块即可观察逆变器的输出电压、电流；“Powergui”模块设置为离散仿真模式，采样时间为1e-5s。仿真时间设为0.06s，选择ode45仿真算法。 3.2 单极性PWM逆变仿真 3.2.1 单极性PWM控制信号产生原理 在本仿真中，采用同幅值、同频率的两条等腰三角载波分别与同幅值、同频率，但相位相差180°的两条正弦调制波比较，经过处理后得到PWM控制信号，原理如图5所示。由于两个桥臂是分开控制的同一桥臂上的两个开关在控制上仍然互补。在输出电压的半个周期内，电压极性只在一个方向变化，故称为单极性控制。 图5 单极性PWM控制信号产生原理 3.2.2 单极性控制仿真模型 图6 单极性PWM控制信号产生模型 在图6中，正弦波以及由模块组合产生，与频率为fc的等腰三角波比较后，经过处理产生单极性PWM控制信号。 3.2.3 进行仿真及波形记录 (1) 调制深度m设为0.5，基波频率f设为50Hz，载波频率fc设为基频的20倍，即1000Hz。运行仿真主电路，可得输出电压、负载电流、直流侧电流如图7所示。 图7 m=0.5,fc=1000Hz时单极性PWM逆变电路输出波形 对此时的输出电压及负载电流进行FFT分析，结果如图8所示。输出电压基波幅值为150.4V，与理论值很接近，约为基波幅值的50%。其THD为124.27%。而由于感性负载的存在，负载电流的THD为4.97%。 图8 m=0.5,fc=1000Hz时单极性输出电压FFT分析结果 仿真(2) 在(1)的基础上，将调制深度m改为1，其它参数不变,仿真后可得此时输出电压、负载电流及直流侧输电流波形如图9所示。 图9 m=1,fc=1000Hz时单极性PWM逆变电路输出波形 对此时的输出电压及负载电流进行FFT分析，结果如图10所示。输出电压基波幅值为300.1V，与理论值非常接近，其THD降为52.16%。而同样由于感性负载的存在，负载电流的THD为1.99%，比(1)中降低很多。 图10 m=1,fc=1000Hz时单极性输出电压FFT分析结果 仿真(3) 在(2)的基础上将载波频率提高到fc=2000Hz.仿真后，得到此时的输出电压，负载电流及直流侧电流波形如图11所示. 图11 m=1,fc=2000Hz时单极性PWM逆变电路输出波形 此时的输出电压基波幅值为300.2V，THD为52.1%；负载电流的THD降为1.09%，更加接近正弦。 图12 m=1,fc=2000Hz时单极性负载电流FFT分析结果 3.2.4 单极性控制仿真结果分析 对比仿真(1)、(2)、(3)的仿真波形及FFT分析结果可以看出，相对于(1)的结果, (2)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(3)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与载波比对波形的影响很大，参数值越大，逆变输出效果越好。 3.3 双极性PWM逆变仿真 3.3.1 双极性PWM控制信号产生原理 相对于单极性控制，双极性PWM控制较为简单，将正弦调制信号与双极性三角载波进行比较后经过简单处理，即可产生PWM控制信号。其原理如图3所示。 3.3.2 双极性PWM控制信号产生模型 图13 双极性PWM控制信号产生模型 图13中，同样由时钟信号经过处理产生的正弦波与频率为fc的双极性等腰三角波比较后，经过处理即可得到双极性PWM控制信号。 3.3.3 进行仿真及波形记录 如单极性PWM逆变仿真中一样，分别对应于仿真(1)、(2)、(3)，设定调制深度m与载波频率fc的值，得到仿真波形如图14、15、16所示。 图14 m=0.5,fc=1000Hz时双极性PWM逆变电路输出波形 图15 m=1,fc=1000Hz时双极性PWM逆变电路输出波形 图16 m=1,fc=2000Hz时双极性PWM逆变电路输出波形 3.3.4 仿真结果分析 同样对每次仿真结果进行FFT分析，输出电压THD由263.75%降至99.72% ；负载电流THD由21.09%降至3.83%，谐波含量及正弦度明显改善。 如同单极性PWM逆变仿真结果分析中所述，调制深度m和载波比的大小对双极性PWM逆变输出波形的影响也很大，在m和fc值较大的情况下，负载电流的正弦度明显较好。 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。 4 拓展思考 在仿真过程中可以看出，无论是单极性控制还是双极性控制，在不同的参数条件下，由于输出电压含有谐波，负载电流的波形总是不够光滑。因此考虑在逆变器输出部分加入LC滤波环节，看是否能够改善输出情况。经过仿真对比，设置L=0.002H，C=1e-4F. 加入滤波环节后的仿真主电路如图17所示： 图17 加入LC滤波的仿真主电路 对单极性和双极性控制，分别在m=0.5,fc=1000Hz参数条件下进行仿真并记录波形如图18、19所示。 图18 m=0.5,fc=1000Hz时，加入LC滤波后单极性PWM逆变电路输出波形 图19 m=0.5,fc=1000Hz时，加入LC滤波后双极性PWM逆变电路输出波形 由仿真结果可以看出，加入LC滤波后，输出电压中的谐波分量被滤除了许多，更加趋近于正弦波形，而负载电流的波形更加光滑，正弦度更好。说明加入滤波环节对于逆变输出波形有明显改善。下载本文
