(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—1 SPWM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

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图2-2单相SPWM逆变电路

2.2 单相SPWM逆变电路控制方式

uuruc

uucurOOttuouof

uoUduoUdOuofuo tOt-Ud-Ud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

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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。

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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

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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

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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

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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。

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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%。

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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。

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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，

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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

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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

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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.

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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%。

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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。