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一、拓扑结构
单相PWM逆变电路的主电路与单相方波逆变电路完全相同,如下图所示。只是驱动信号不再是占空比为50%的方波,而是采用PWM控制。若采用标准正弦波为PWM调制波,则称为正弦脉冲宽度调制,常简称为SPWM。
二、单极性SPWM
1.调制波和载波定义
单极性SPWM采用正弦波为调制波,三角波为载波,但是调制波每半个周期对调制波本身或者载波进行一次极性反转。参考下图:
SPWM采用的调制波为频率为fs的正弦波:
2.载波比和调制深度
载波信号频率fc与调制信号频率fs之比成为载波比,用p来表示 :
正弦调制信号与三角载波信号的幅值之比可以定义为调制深度m:
3.PWM信号生成方法
全桥电路两个桥臂之一组成方向臂,另一个组成斩波臂。这里以S1、S4作为方向臂,S2、S3作为斩波臂为例。
当调制信号us>0,S1导通而S4关断,输出平均电压大于零。
当调制信号us<0,S1关断而S4导通,输出平均电压小于零。
当us>uc时,S3导通而S2关断。
当us<uc时,S2导通而S3关断。
4.SPWM基波电压分析
工程上对SPWM逆变器常采用电压平均模型进行输出基波电压的计算。当载波频率远远高于输出电压的基频且调制深度m<=1时,可知基波电压u1的幅值U1m满足如下关系:
这是SPWM的一个重要关系,它表明在m<=1,fc>>fs的条件下,SPWM逆变输出电压的基波幅值随调制深度m线性变化。因此通过控制调制信号,可方便地调节逆变器输出电压的频率和幅值。
三、三种工作模式
1.输出电压为正
如S1、S3(或其反并联二极管)载流。
2.输出电压为负
如S2、S4(或其反并联二极管)载流
3.输出电压为零
如S1、D2载流。
四、Simulink仿真分析
1.问题提出
完成单极性PWM方式下的单相全桥逆变电路的仿真。
2.分析问题
需要构造一个SPWM发生器来控制全桥电路,这次实验采用子系统封装的形式。
设定输出电阻R=1Ω,输出电感L为2mH,基波50Hz,载波比p为15,即载波频率为15*50=750Hz,调制深度m为0.5。
3.Simulink元件选取
①电源模块:powergui
②Data Type Conversion 用于数据格式转换
③Logical Operator逻辑运算单元
④Relational Operator关系运算单元
⑤Clock、Fcn
⑥Constant
⑦Product
⑧Repeating Sequence
⑨Series RLC Branch
⑩测量及显示单元
其中Multimerter设置如下:
⑪DC Voltage Source
⑫ Add
⑬Gain
⑭其余连接线
4.单相全桥电路子系统搭建
5.SPWM波形电路子系统搭建
封装参数如下:
其余内部参数参考文末的simulink文件。
6.主电路搭建
7.实际效果图
五、FFT分析
对输出电压uo进行FFT分析,得到如下结果:
柱形图形式
列表形式
和双极性相比,谐波分布有所改变,不在含有开关频率次即15次谐波,14和16次谐波为基波的72%左右。值得考虑的是,最低次谐波为12次,幅值为基波的10.11%,明显由于双极性的结果。
六、仿真文件获取
MATLAB2017版本Simulink:单相单极性SPWM逆变电路
可以自己搭建,或者直接用这个做好的。调节不同的参数观察输出,和书上的理论图对应学习分析。
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