单相SPWM逆变电源仿真设计

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２７卷第３期　Ｖ．０１．２７　ＮＯ．３　辽宁工程技术大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌｉａｏｎｉｎｚ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ）　２００８年６月　Ｊｕｎ．　２００８　文章编号：１００８—０５６２（２００８）０３—０３９４－０３　单相ＳＰＷＭ逆变电源仿真设计　赵建武　（辽宁省农业经济学校教务科，辽宁锦州１２１００１）　摘　要：针对现代各行各业对电气设备控制性能日益提高的要求，基于ＳＰＷＭ脉宽调制技术的逆变电路应用，　通过用ＯｒＣＡＤ软件对采用ＳＰＷＭ脉宽调制技术的开环逆变系统和闭环逆变系统建模进行仿真，根据对输出电　压波形的比较和分析得出结论：采用闭环ＳＰＷＭ逆变系统输出没有稳态误差，ＳＰＷＭ脉宽调制技术的逆变电路　有良好的输出特性。　关键词：逆变；ＳＰＷＭ；ＯｒＣＡＤ；仿真　中图分类号：ＴＭ　４６４　文献标识码：Ａ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅＳＰＷＭ　ｉｎｖｅｒｓｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｏｕｒｃｅｓ　ＺＨＡＯ　Ｊｉａｎｗｕ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｔｅａｃｈｉｎｇ　Ａｆｆａｉｒｓ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｓｃｈｏｏｌ　ｆＡｇｒｉｏｃｕｌｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ，Ｊｉｎｚｈｏｕ　１２１００１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｄｅｍａｎｄｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｆｒｏｍ　ａｌｌ　ｒａｄｅｓ　ａｎｄ　ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎｓ，ｔｔｈｅ　ｉｎｖｅｒｔｓｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｐｐｌｙｉｎｇ　ＳＰＷＭ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ．Ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｓ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ｔｏ　ｅｘｐｌｏｒｅ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｃｌｏｓｅｄ－－ｌｏｏｐ　ａｎｄ　ｏｐｅｎ－－ｌｏｏｐ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｐｐｌｙｉｎｇ　ＳＰＷＭ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＯｒＣＡＤ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｈｅ　ｔｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｎｄ　ａｎａｌａｙｓｉｓ　ｏｆ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｗａｖｅｓ，ｔｈｅ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ　ｃａｎ　ｂｅ　ｄｒａｗｎ　ｈａｔｔ　ｈｅ　ｔｉｎｖｅｒｔｓｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｐｐｌｙｉｎｇ　ｈｅ　ｔＳＰＷＭ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｈａｓ　ｇｏｏｄ　ｏｕｔｐｕｔ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ＳＰＷＭ：ＯｒＣＡＤ：ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　０　引　言　逆变是通过半导体功率开关器件的开通和关　断作用，把直流电能变换成交流电能的技术【ｌ】。本　文对逆变系统主电路进行了设计，用ＯｒＣＡＤ软件　对开环逆变系统和闭环逆变系统建模进行仿真。　在电路中输入为　：３５０　ｖ。ｃ，输出为２２０　ｖ　ＡＣ　５０　Ｈｚ，输出功率为Ｐ＝２０００Ｗ，功率因数为　ＣＯＳ　ｆｐ＝ｌ。则电路各元件选取如下。　１．１　开关管和二极管的选择　（１）开关管的选择　】　最大输出情况下，电流有效值为　一…１逆变器主电路的设计　电压型逆变器的主电路如图１。　：—ＶＸＣＯＳ　　＿：—）２００—０Ｗ：９０９Ａ２２０Ｖｘｌ　’　．（１）　一　开关管额定电流，ｃＥ　Ｖｃｃ　二　：　０　扫　一　’一　ＣＩｃｅ＞１．５ｘ　＝１．５ｘ９．０９＝１３．６３５　Ａ（２）　ｌ＝　．Ｒ：　。　‘　开关管额定电压　Ｅ　职＞２ｘ　＝２ｘ３５０＝７００Ｖ　（３）　（２）二极管的选择　图１逆变器的主电路图　Ｆｉｇ．１　ｍａｉｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　收稿日期：２００７．１１－２０　基金项目：辽宁省教育厅高等学校科学研究基金资助项目（２００５０５２）　作者简介：赵建武（１９５４－），男，辽宁锦州人，高级讲师，主要从事物理、电子技术方面的教学和理论的研究。本文编校：杨瑞华　额定电压ＶＲＲ　维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期　赵建武：单相ＳＰＷＭ逆变电源仿真设计　ＲＭ＞３５０　Ｖ　【４）　３９５　（１）主电路中４个开关器件　到　的驱动　信号　ｌ、　、ｖｃ３、Ｖｃ，４由上图生成。图２中的Ａ、　最大允许的均方根正向电流ＩＦ一　Ｂ为比较器。　、　的驱动信号　１、　２由正弦波　，Ｆ咖　＝　，ＦＲ＝１．５７ＩＦＲ　二极管的额定电流为　＝　７９Ａ　（５）　和三角波　的瞬时值相比较确定；Ｔ３、Ｔ４的驱动　信号Ｖｃ３、Ｖｃ，４由瞬时值　、　之和　确定。　其中，　Ｖｒｍｓｉｎ　ｃｏｔ＝Ｇｍｓｉｎ２ｒｔｆ，ｔ＝　ｍｓｉｎ（２ｒｔｔ／Ｔｒ），　．　的正负值　被称为正弦参考电压，其幅值为　，频率ｌ　，　为其周期；三角波　被称为高频三角载波，其最　１．２并联电容的选取　。】　在功率因数为１的情况下，等效的滤波电路的　负载电阻为　Ｇ２＝　＝　Ｐ　２０００＝６１．２５Ｑ　（７）　周期为　Ｔ＝１／ｆ＝１／５０＝０．０２ｓ　（８）　则电容为　Ｃ２　４×丁／　（９）　４ｘＯ．０２１６１．２５＝１．３ｌｘ１０一　Ｆ　１，３￡、　滤波器的设计　最低次谐波为２ｐ一１次。因此，最低次谐波的　频率　ｆ＝（２ｘ２００—１）￣５０＝１９　９５０　Ｈｚ　（１０）　以选１／１０为例，选滤波电感为ｌｍＨ，则电容为　ｃ一１Ｌ×（　２ｘ　兀×　１９９５）　＝　１　１０　———　×　×——————＿＿＝１５７　１３　１０　＝６．．３６１　ｘＦ×　～　．　×　。　２　开关管驱动信号的形成　单极性倍频正弦脉冲宽度调制方法的驱动信　号形成电路如图２。　ＶｌＧｌ，Ｔｌ　，Ｔ２　，Ｔ３　，Ｔ４　图２　ＳＰＷＭ驱动信号形成电路　Ｆｉｇ。２　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｂｙ　ＳＰＷＭ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｓｉｇｎａｌｓ　大值为±　，频率为．厂ｃ。三角波与正弦波频率比值　称为载波比Ｎ＝ｆｄｆｒ。正弦波幅值之比值勤称为调制　比　１ｌ，　。由此图可知正弦波与三角波的瞬时　值决定了４个开关管的驱动信号及其通、断状态。　（２）载波比Ⅳ和调制比　的选择　①载波比Ⅳ的选择　对于本例，选取Ｎ＝２００即可。　②调制比　的选择　根据式（１２），可得　Ｍ：—２２ｏｘｄ２２２ｏｘｄ２—：——：ｏ．８８８９（１３）　３５０　选取正弦波的幅值　５Ｖ，则三角波幅值为　。ｎ＝＝５．６２５　Ｖ　（３）死区时间设置　一般取死区时间为开关时间的２倍【４Ｊ，可取２　ｓ。　３　０ｒＣＡＤ仿真验证　３．１　ＯｒＣＡＤ的仿真【　（１）控制电路的设置　设置三角波和正弦波的幅值和周期：三角波幅　值为５．６２５　Ｖ，周期为０．０００　１　Ｓ；正弦波幅值为５　Ｖ，　周期为０．２　Ｓ。然后按照图２的方式来生成开关管的　驱动信号。　一般来说，开关管的开通信号为＋ｌ５Ｖ，关断信　号为一５Ｖ。可以先比较三角波与正弦波，然后通过　受控源对比较的信号放大，来驱动开关管。驱动电　路如图３。　图３中，　１和　２为软限幅器，Ｅ１、　、　、肠　为受控源。软限幅器是利用一个规格化的双曲正切　函数实现的。如图４，可以看出，软限幅器的输出　信号中电平转换的地方利用光滑的曲线进行过渡，　这对于避免ＯｒＣＡＤ软件计算中出现的不收敛的问　题是至关重要的。　维普资讯 http://www.cqvip.com ３９６　辽宁工程技术大学学报（自然科学版）　第２７卷　图３　ＰＷＭ驱动信号生成电路　Ｆｉｇ．．３　ｓｐｅｃｉａｌ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｓｏｆｔ　ｌｉｍｉｔｅｒ　１．５　１．０　０．５　０　．０．５　．１．０　．１．５　—２　—１　ｏ　１　２　图４软限幅器的特性曲线　Ｆｉｇ．４　ｓｐｅｃｉａｌ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｓｏｆｔ　ｌｉｍｉｔｅｒ　如图４，用软限幅器和受控源的联合使用来完　成死区时间的设置：软限幅器的输出信号中电平转　换的地方利用光滑的曲线进行过渡，也就是说，电　压有一个上升时间，同时，软限幅器的增益设为１　０００，也就是说它同时有放大的作用。而受控源设　置为当输入大于１　Ｖ时输出为１５　Ｖ，而不是输入过　零时输出为１５　Ｖ，这样就产生了一个死区时间，以　免产生逆变桥的直通。　半周期内，　管的驱动信号如图５。　０　２　４　６　８　１Ｕ　ｔｌ　ｍｓ　图５　Ｔ１的驱动信号　Ｆｉｇ．５　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｓｉｇｎａｌ　ｏｆ　受控源连接开关管前接一个２０ｆ２的电阻，以防　止电源直接连结ＩＧＢＴ的门极和发射极。因为门极　和发射极可以等效为一个电容，直接连结可能产生　仿真的错误。　图６开环系统未经滤波器的输出电压波形　Ｆｉｇ．６　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｗａｖｅｓ　ｏｆ　ｏｐｅｎ—ｌｏｏｐ　ｓｙｓｔｅｍ　ｎｏｔ　ｐａｓｓｉｎｇ　ｗａｖｅ　ｆｉｌｔｅｒ　３．２开环控制的仿真　直接把控制信号加在主电路上而不加入反馈　环节，则是ＳＰＷＭ开环逆变系统。　开环系统的没经过ＬＣ滤波的一个周期的输出　为经过ＬＣ滤波器后，一周期的输出电压波形见图　７。　从图７可以看出，输出正弦波的幅值为２９０　Ｖ　与期望有２０几伏的差距。原因是滤波器的电阻上　存在压降，开关管也有压降。而且，死区时问的设　定也会使输出电压与期望值产生误差。　４０。　ｌ｜　＿　２００　／寸—’一＼　萤。　／　，　＼　＿　＼　／　．２ｏｏ　，　、　４　８　１２　１６　２０　图７开环系统滤波后输出电压波形　Ｆｉｇ．７　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｗａｖｅｓ　ｏｆ　ｏｐｅｎ—ｌｏｏｐ　ｓｙｓｔｅｍ　ｐａｓｓｉｎｇ　ｗａｖｅ　ｆｉｌｔｅｒ　３．３闭环控制的仿真　如图８，用受控源对输出电压进行采样，然后　经过ＰＩＤ调节器控制正弦参考波的幅值。　维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期　赵建武：单相ＳＰＷＭ逆变电源仿真设计　３９７　图８反馈环节与误差放大器　Ｆｉｇ．８　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｌｉｎｋ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｒｒｏｒ　ａｍｐｌｉｉｆｅｒ　闭环系统的输出电压波形为　Ｊ　十—～　：…　　：－　，　　：ｒ　１　　＇＋　／　　●／　ｒ　＼　，　＼　十’。　　　＋　．，　　：　：＼＝　＝＋　＿　＿　＇　＿／　＼　／　：＼　／／　＿　＝－＿．＿．　０　ｄ　８　１２　１６　２Ｏ　ｍＳ　图９闭环系统输出电压波形　Ｆｉｇ．９　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｗａｖｅｓ　ｏｆ　ｃｌｏｓｅ—ｌｏｏｐ　ｓｙｓｔｅｍ　从图９可知，输出电压幅值与期望值相同。将　该波形减去幅值为３１１　Ｖ的基波后，经傅里叶变换　可得。　由图１０可以看出，该输出电压波形的谐波很　即ＴＨＤ很小。　１１ｏｏ　圣８００　４００　０　５０　１００　１５０　２００　２５０　ｆ／Ｈｚ　图１０谐波的傅里叶变换　Ｆｉｇ．１　０　ｄｉｓｃｒｅｔｅ　ｆｏｕｒｉｅｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ｏｆ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｗａｖｅｓ　４　结论　采用ＳＰＷＭ脉宽调制技术的电路，闭环ＳＰＷＭ　逆变系统输出没有稳态误差，有很好的输出波形，　输出电压的ＴＨＤ很小，是稳定的系统，有很好的工　作特性。　参考文献：　［１］刘风君．正弦波逆变器［Ｍ］．北京：科学出版社，２００２．　［２］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，２００２．　［３］应建平，林渭勋，黄敏超．电力电子技术基础［Ｍ］．北京：机械工业出版　社．２００３　［４］杨立永，李华德，王久和．基于逆系统理论的感应电动机控制策略［Ｊ１．　辽宁工程技术大学学报，２００５，２４（０５）：７０６—７０８．　［５】贾新章，武岳山．电子电路ＣＡＤ技术——基于ＯｒＣＡＤ　９．２［Ｍ】．西安：西　安电子科技大学，２００２．　［６］陈东．ＯｒＣＡＤ电路设计［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００４．