PWM-逆变器的设计与仿真

PWM-逆变器的设计与仿真

《现代电力电子技术》课程报告

PWM 逆变器的设计与仿真

姓 名：王多睿 学 号：107551300869 学科专业：控制科学与工程 年 级：2013

学 期：2013/2014学年第二学期 完成时间：2014年 6月30日

综合评语

成 绩 任课教师 学 分 评卷时间

PWM 逆变器的设计与仿真

王多睿

摘要：随着电力电子技术，计算机技术，自动控制技术的迅速发展，PWM技术得到了迅速发展，SPWM正弦脉宽调制这项技术的特点是原理简单，通用性强，具有开关频率固定，控制和调节性好，能消除谐波使输出电压只含有固定频率的高次谐波分量，设计简单等一系列有点，是一种比较好的波形改善法。它的出现对中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。SPWM技术成为目前应用最为广泛的逆变用PWM技术。因此，研究SPWM逆变器的基本工作原理和作用特性意义十分重

大.

本篇论文以IGBT构成的逆变电路为基础，讨论PWM波的产生原理及不同的控制方法，并借助著名的科学计算软件MATLAB/Simulink，对PWM逆变电路进行仿真设计，并进行结果分析。

关键词：PWM SPWM 逆变 MATLAB/Simulink

使用。MATLAB运算功能强大，计算准确又快捷；同时MATLAB提供的动态仿真工具SIMULINK可直接建立电路仿真参数，并且可以立即得到参数修改后的仿真结果，直观性强，省去了编程步骤，实体图形化模型的仿真简单，方便，能节省设计时间与降低成本。MATLAB绘制的图形尤其准确，清晰，精美。电力电子技术领域通常利用MATLAB中的SIMULINK其中的电气系统模块库（Power System Blockser）建立电力电子装置的简化模型并进行控制器的设计和仿真。

现如今，逆变器的应用非常广泛，在已有的各种电源中，蓄电池，、干电池、天阳能电池都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变。另外，交流电机调速变频，感应加热电源等使用广泛的电力电子设备，都是以逆变电路为核心。本次设计利用MATLAB仿真软件PWM逆变电路进行仿真分析，并得出正确的仿真结果，而且改变了参数从而进行比较，更能清晰的了解PWM逆变器的工作原理及影响其工作特性的因素，从而达到学习的目的。

2. PWM的工作原理介绍

2.1理论基础

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。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

2-1-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 2.1.1面积等效原理

分别将如图2-1-1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图2-1-2a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图2-1-2b所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。

上述原理可以称为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。

下面分析用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。图2-1-3可以看到把半波分成N等份，就可以把正弦半波看成N个彼此相连的脉冲

序列组成的波形，然后把脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使它们面积相等，就可以得到脉冲序列。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。

2-1-2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形

2-1-3 用PWM波代替正弦半波 要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。

2.2 PWM逆变电路及其控制方法

目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术。逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的几乎都是电压型。 2.2.1计算法

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。 缺点：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 3.2.2调制法

输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波；通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波；等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称；与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求。

调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波；调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，

也能得到等效的PWM波。

结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明：设负载为阻感负载，工作时V1和

uV2通断互补，V3和V4通断也互补。控制规律：正

0半周，V通，V断，V和V交替通断，负载电流比

1234电压滞后，在电压u正半周，电流有一段为正，一段为负，负载电流为正区间，V和V导通时，u140等于U，V关断时，负载电流通过V和V续流，

d41D3u0=0，负载电流为负区间，i为负，实际上从V和

0D1VD4流过，仍有u=U，V断，V通后，i从V和V续

0d4303D1流，u=0，u总可得到U和零两种电平。u负半周，

00d0让V保持通，V保持断，V和V交替通断，u可得

21340-U和零两种电平。

d

2-2-1 单相桥式逆变电路

单极性PWM控制方式（单相桥逆变）：在u和u的

rc

V保持通，u正半周，交点时刻控制IGBT的通断，

r1V2V保持断，当u>u时使V通，断，u=U，当urc430drc使V断，V通，u=0。u负半周，V保持断，V保持

430r12通，当uu时使Vrc340drc3断，V通，u=0，虚线u表示u的基波分量。波形

400f

0见图2-2-2。

图2-2-2 单极性PWM控制方式波形 同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由器件关断时间决定。死区时间会给输出PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。

计算法中一种较有代表性的方法，图2-2-3。输出电压半周期内，器件通、断各3次（不包括

0和π），共6个开关时刻可控。为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称。首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，即： u(t)u(t) (2.2.1)

其次，为消除谐波中余弦项，使波形在半周期内前后1/4周期以π/2为轴线对称。 u(t)u(t) (2.2.2)

四分之一周期对称波形，用傅里叶级数表示为：

(2.2.3)

u(t)nn1,3,5,...asinnt

图2-2-3 特定谐波消去法的输出PWM波形 式中，an为

an420u(t)sinntdt

图2-2-3，能独立控制a、a和a共3个时刻。该

123波形的a为

na2UdUsinntdt(dsinnt)dta1022a3UUdd2(sinntdta22a32sinnt)dt]2Ud (12cosn12cosn22cosn3) n

an4[a1式(3.2.4)

中n=1,3,5,…

确定a的值，再令两个不同的a=0就可建三个方

1n程，求得a、a和a消去两种特定频率的谐波：

123在三相对称电路的线电压中，相电压所含的3次谐波相互抵消，可考虑消去5次和7次谐波，得如下联立方程： （

a5a12Ud(12cos12cos22cos3)

2-5

2Ud(12cos512cos522cos53)05）

（2-6）

（2-7）

a72Ud(12cos712cos722cos73)07

给定a，解方程可得a、a和a。a变，a、a和a也

11231123相应改变。

一般，在输出电压半周期内器件通、断各k次，考虑PWM波四分之一周期对称，k个开关时刻可控，除用一个控制基波幅值，可消去k－1个频率的特定谐波，k越大，开关时刻的计算越复杂。

2.2.3 SPWM控制方式

一．SPWM包括单极性和双极性两种调制方法， （1）如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。

（2）如果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，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。 (a)单极性SPWM法

(1)调制波和载波：曲线②是正弦调制波，其周期决定于需要的调频比kf，振幅值决定于ku,曲线①是采用等腰三角波的载波，其周期决定于载波频率，振幅不变，等于ku=1时正弦调

制波的振幅值，每半周期内所有三角波的极性均相同(即单极性)。

调制波和载波的交点，决定了SPWM脉冲系列的宽度和脉冲音的间隔宽度，每半周期内的脉冲系列也是单极性的。

(2)单极性调制的工作特点：每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时通时断地工作，另一个完全截止；而在另半个周期内，两个器件的工况正好相反，流经负载ZL的便是正、负交替的交变电流。

图2-2-4单极性PWM控制方式

(b)双极性SPWM法 (1)调制波和载波：

调制波仍为正弦波，其周期决定于kf，振幅决定于ku,中曲线①，载波为双极性的等腰三角波，其周期决定于载波频率，振幅不变，与ku=1时正弦波的振幅值相等。

调制波与载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此脉冲系列也是双极性的，但是，由

相

电

压

合

成

为

线

电

压

(uab=ua-ub;ubc=ub-uc;uca=uc-ua)时，所得到的线电压脉冲系列却是单极性的。

(2)双极性调制的工作特点：逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系

列的规律交替地导通和关断，毫不停息，而流过负载ZL的是按线电压规律变化的交变电流。

2-2-5双极性PWM控制方式

图

3. PWM逆变器的仿真结果及分析

3.1.1单极性SPWM仿真

在simulink中建立如下模型。

设计中不采用IGBT元件模型，而是采用

“Universal Bridge”模块，开关器件选反并联二极管的IGBT；阻感负载.设定输出电压频率50HZ，载波频率1080HZ，调制深度m=0.4。直流电压源V=200V。

3.1.2单极性SPWM仿真结果及分析

当负载R=3Ω，L=2e-2H时，直流侧电流、交流侧电流、交流侧电压的波形示波器显示如图3-1-1所示，上图为直流侧电流，中图为交流侧

电流，下图为交流侧电压。

图3-1-1 R=3Ω，L=2e-2H 当负载R=3Ω，L=2e-3H时，直流侧电流、交流侧电流、交流侧电压的波形示波器显示如图3-1-2所示，上图为直流侧电流，中图为交流侧电流，下图为交流侧电压。

图3-1-1 R=3Ω，L=2e-3H

当负载R=10Ω，L=2e-2H时，直流侧电流、交流侧电流、交流侧电压的波形示波器显示如图3-1-3所示，上图为直流侧电流，中图为交流侧电流，下图为交流侧电压。

图3-1-3 R=10Ω，L=2e-2H 当负载R=10Ω，L=2e-2H时，改变载波频率为3240HZ，直流侧电流、交流侧电流、交流侧电压的波形示波器显示如图3-1-4所示，上图为直流侧电流，中图为交流侧电流，下图为交流侧电压。

图3-1-4 R=10Ω，L=2e-2H载波频率为3240HZ 仿真结果分析：

图3-1-1和图3-1-3可以看出,当系统刚启动时电流波形不稳定，会发生震荡，当电感相同的情况下，电阻较小时（R=3），电流波形震荡的更厉害，震荡完以后才趋于稳定。

图3-1-1和图3-1-2可以看出,当电阻一定时，减小电感，会发现电流波形在正弦波的基础上发生大幅度的震荡，波形的峰值电压增大，影响系统的特性，所以对于阻感性负载不能使电感过小。

图3-1-3和图3-1-4可以看出，载波频率越高，在一个周期内PWM脉冲越密。载波频率直接

影响了波形的光滑度，载波频率越大波纹越小仿正弦效果越好。但也应注意到频率过高有可能对整流桥器件产生影响，所以也不能过于高。

3.2.1双极性SPWM仿真

在simulink中建立如下模型。其中参数与单极性SPWM一致。

3.2.1双极性SPWM仿真结果及分析

当负载R=3Ω，L=2e-2H时，直流侧电流、交流侧电流、交流侧电压的波形示波器显示如图3-2-1所示，上图为直流侧电流，中图为交流侧

电流，下图为交流侧电压。

图3-2-1 R=3Ω，L=2e-2H

当负载R=3Ω，L=2e-3H时，直流侧电流、交流侧电流、交流侧电压的波形示波器显示如图3-2-2所示，上图为直流侧电流，中图为交流侧电流，下图为交流侧电压。

图3-2-2 R=3Ω，L=2e-3H

当负载R=10Ω，L=2e-2H时，直流侧电流、交流侧电流、交流侧电压的波形示波器显示如图3-2-3所示，上图为直流侧电流，中图为交流侧电流，下图为交流侧电压。

图3-2-3 R=10Ω，L=2e-2H 当负载R=10Ω，L=2e-2H时，改变载波频率为3240HZ，直流侧电流、交流侧电流、交流侧电压的波形示波器显示如图3-2-4所示，上图为直流侧电流，中图为交流侧电流，下图为交流侧电压。

图3-2-4 R=10Ω，L=2e-2H 载波频率为3240HZ 仿真结果分析：

图3-2-1和图3-2-3可以看出,当系统刚启动时电流波形不稳定，会发生震荡，当电感相同的情况下，电阻较小时（R=3），电流波形震荡的更厉害，震荡完以后才趋于稳定。

图3-2-1和图3-2-2可以看出,当电阻一定时，减小电感，会发现电流波形在正弦波的基础上发生大幅度的震荡，波形的峰值电压增大，影响系统的特性，所以对于阻感性负载不能使电感过小。

图3-2-3和图3-2-4可以看出，载波频率越高，在一个周期内PWM脉冲越密。载波频率直接

影响了波形的光滑度，载波频率越大波纹越小仿正弦效果越好。但也应注意到频率过高有可能对整流桥器件产生影响，所以也不能过于高。 3.3.1 三相逆变SPWM仿真

在simulink中建立如下模型：

设置仿真时间为0.08s，调制比为0.8，载波比为24，仿真类型选可变步长，并设置最大步长为1e，最小步长为1e，算法为默认算法

56ode45。仿真结果中的上图均为初相位为0的正弦波形。线电压U、U、U波形如下：

abbcca

4.总结

此次作业首先让我明白了PWM逆变器各功能模块可以拥有不同设计方案，每种方案有其特点和适用范围。在进行课题设计的过程中，加深了我对逆变电路、PWM控制等知识点的理解和掌握。

此次作业同样也综合应用了很多以前的知识，只有能够综合应用才能做好本课程设计，同时通过本次设计也对其他知识有了一次很好的温习。其中，重点用到了MATLAB仿真、电力电子技术等等。

在今后的学习中，我会发挥积极主动的精神，把所学知识与实践结合起来，努力掌握MATLAB的使用方法，巩固电力电子技术、模电等已学知识。深刻体会到了，遇到不懂的问题要自己先找资料翻阅有关书籍。运用自己的能力解决自己所遇到的问题。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己

的实际动手能力和独立思考的能力。

通过作业，使我们在刚学完经典的理论知识之后，马上又能学以致用，使我们的知识掌握的更加的牢固，同时也激发了我们创新的思想，真是一举两得，收获不小。在设计过程中也遇到了很多的的问题，一开始拿到这道题感觉不知道从哪里下手，但经过我认真的分析，我将一个大的问题化为几个小问题逐一解决，最后完成了报告。通过此次作业，加强了我动手、思考和解决问题的能力。同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固等

在做作业的过程中，我明白了，只要用心去做，认真去做，持之以恒，就会有新的发现，有意外的收获。

5.参考文献

1.王兆安,刘进军.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2009.5.

2.林飞,杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真[M].北京:中国电力出版社,2009.1.

3.陈国呈.PWM逆变技术及应用[M].北京:中国电力出版社,2007.1.

4.陈坚.电力电子学——电力电子变换和控制技术[M].北京:高等教育出版社,2004.11. 5.林渭勋.现代电力电子技术[M]. 北京:机械工业出版社,2013.1.