何月青，孫以澤，彭樂樂，朱圳

(東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海201620)

基于ABM模塊雙極性SPWM逆變電路研究

何月青，孫以澤，彭樂樂，朱圳

(東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海201620)

正弦脈寬調(diào)制(SPWM)在逆變器調(diào)制方法中應(yīng)用最為廣泛。通過雙重傅里葉變換建立了雙極性SPWM調(diào)制方法的數(shù)學(xué)模型，引入了一種新的仿真模塊。通過數(shù)學(xué)模型對雙極性SPWM調(diào)制方法的輸出電壓的諧波特性進(jìn)行了定量分析，利用PSpice/ABM模塊成功實(shí)現(xiàn)了逆變電路的雙極性SPWM調(diào)制仿真，在實(shí)驗(yàn)室研制的1.5 kW單相全橋逆變器上進(jìn)行了雙極性SPWM調(diào)制方法的實(shí)驗(yàn)。通過仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比，驗(yàn)證了雙極性SPWM調(diào)制方法的輸出電壓的諧波理論分析的正確性。

雙極性SPWM；雙重傅里葉變換；諧波分析；ABM模塊

隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，逆變技術(shù)已越來越多地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中。正弦脈寬調(diào)制技術(shù)(SPWM)具有輸出諧波小、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，使逆變器得到了更廣泛的應(yīng)用[1-2]。SPWM的調(diào)制策略有很多種，本文研究了雙極性SPWM的調(diào)制原理，通過雙重傅里葉變換得到了雙極性SPWM方法的調(diào)制數(shù)學(xué)模型，并且詳細(xì)分析了諧波特性。

PSpice是一款功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的電子電路仿真軟件，具有元器件豐富、支持?jǐn)?shù)/?；旌戏抡?、使用方便等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。本文將PSpice仿真軟件引入到逆變電路中，使用ABM模塊實(shí)現(xiàn)了逆變電路的雙極性SPWM調(diào)制仿真，結(jié)合仿真結(jié)果和1.5 kW單相全橋逆變器實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對理論分析的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 主電路拓?fù)浼半p極性SPWM原理

圖1給出了單相橋式逆變器主電路拓?fù)?。該電路的SPWM控制方法有很多種，本文采用雙極性SPWM調(diào)制方法。單相全橋逆變器雙極性SPWM調(diào)制原理如圖2所示，為正弦調(diào)制波，為三角載波，為輸出波形。載波與調(diào)制波作比較，兩者的交點(diǎn)作為開關(guān)點(diǎn)，同時(shí)控制VT1、VT4與VT2、VT3的通斷。當(dāng)>時(shí)，VT1、VT4導(dǎo)通，VT2、VT3斷開，

圖1 單相全橋逆變電路結(jié)構(gòu)

圖2 雙極性SPWM原理

2 SPWM調(diào)制數(shù)學(xué)分析

為了方便分析，將圖2中的三角波用圖3所示的分段線性函數(shù)表示。它們的斜率分別為+2/π和－2/π，初始值為－和+，為載波三角波的幅值，為載波三角波的角頻率。載波三角波的數(shù)學(xué)方程式可寫成以下形式：

正弦調(diào)制波的方程式為：

圖3 載波三角波的分段線性函數(shù)

如圖2所示，在采樣點(diǎn)a：

在采樣點(diǎn)b：

同理得：

如圖2所示，從調(diào)制波得到SPWM波形時(shí)，以載波幅值點(diǎn)為分界，分成個(gè)區(qū)間。如在的區(qū)間內(nèi)，對于a點(diǎn)，在時(shí)得正脈沖，在時(shí)得負(fù)脈沖；對于b點(diǎn)，在時(shí)得正脈沖，在時(shí)得負(fù)脈沖。所以SPWM波形的時(shí)間函數(shù)為：

式(2)中系數(shù)可表示為：

將式(1)代入式(3)化簡得：

由貝塞爾函數(shù)得：

將式(5)代入式(4)中化簡得：

對于基波與基波的諧波，令=0，結(jié)合式(1)、式(2)得：

對于基波，將=1代入式(7)得：

對于基波的諧波，屹1，此時(shí)有：

對于載波與載波的諧波，令=0，由式(6)得：

即：

當(dāng)為偶數(shù)時(shí)，0=0；當(dāng)為奇數(shù)時(shí)，

對于載波及載波次諧波的上、下變頻，由式(6)得：

當(dāng)=1，3，5…，=依2，依4…時(shí)，有：

3 仿真結(jié)果

本文中采用PSpice軟件進(jìn)行逆變器雙極性SPWM調(diào)制電路的設(shè)計(jì)與仿真，其仿真電路如圖4所示。采用IRFB17N50L型號(hào)的MOS管作為開關(guān)管，有關(guān)參數(shù)為：調(diào)制波頻率=50 Hz；載波頻率=20 kHz；載波比；調(diào)制度；母線電壓=360 V；濾波電感1=10 mH；濾波電容

本文仿真電路中采用兩個(gè)ABM模塊，對三角波和正弦波進(jìn)行比較，產(chǎn)生兩路SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。如圖4所示，ABM模塊中寫入的函數(shù)分別為：

If((V(Vsin)-V(Vramp))<0,0,13)，即>，輸出13 V，反之輸出為零；If((V(Vsin)-V(Vramp))>0,0,13)，即＜，輸出13 V，反之輸出為零。

圖4 雙極性SPWM仿真電路

生成的兩路驅(qū)動(dòng)正符合圖2雙極性SPWM調(diào)制原理所示。圖5給出了VT1與VT3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形、輸出電壓的頻譜，以及經(jīng)過濾波后的輸出電壓波形。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述理論分析和仿真電路的正確性，在實(shí)驗(yàn)室研制的1.5 kW單相全橋逆變器上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。對比圖5與圖6，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，同時(shí)驗(yàn)證了式(8)的正確性。

圖5 雙極性SPWM的仿真波形和頻譜

圖6 雙極性SPWM的實(shí)驗(yàn)波形和頻譜

5 結(jié)論

正弦脈寬調(diào)制在逆變器的調(diào)制技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛。本文對雙極性SPWM調(diào)制方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析，首先通過雙重傅里葉變換建立了SPWM調(diào)制的數(shù)學(xué)模型，分析其調(diào)制原理及輸出的電壓的諧波成分，即：雙極性SPWM調(diào)制輸出電壓包含基波、載波諧波、載波的次諧波以及載波及載波次諧波的上下邊頻。當(dāng)為偶數(shù)時(shí)，載波的次諧波不存在；當(dāng)

+為偶數(shù)時(shí)，載波及載波次諧波的上下邊頻不存在。然后將ABM模塊成功運(yùn)用到雙極性SPWM調(diào)制仿真電路中，最后在實(shí)驗(yàn)室研制的1.5 kW單相全橋逆變器上進(jìn)行了雙極性SPWM調(diào)制方法的實(shí)驗(yàn)，結(jié)合仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性，同時(shí)也驗(yàn)證了ABM模塊在SPWM仿真中的實(shí)用性。

[1]鄭詩程，丁明，蘇建徽，等.戶用光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)，2005，39(1)：55-57.

[2]董密，羅安.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的設(shè)計(jì)與控制方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30：97-102.

[3]方波，王曄.基于PSpice的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，12：185-188.

[4]穆秀春，華春梅，呂中志.PSpice電子仿真及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

Study of bipolar SPWM inverting circuit based on ABM module

HE Yue-qing,SUN Yi-ze,PENG Le-le,ZHU Zhen

Sinusoidal pulse width modulation(SPWM)was most widely used in the modulation of inverter.In order to analyze the harmonic in detail,the Double Fourier transform was used to establish the mathematic model of Bipolar SPWM,and a new simulation model was recommended.The Bipolar SPWM simulation of inverter circuit was realized by Pspice/ABM module.The validity of the theoretical analysis was verified by the results of simulation and experiment based on 1.5 kW Single-phase full-bridge inverter.

bipolar SPWM;double Fourier transform;harmonic analysis;ABM module

TM 464

A

1002-087 X(2015)03-0578-03

2014-08-05

國家金太陽示范工程項(xiàng)目(20090718047)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金重點(diǎn)項(xiàng)目(11D10301)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(13D110309)

何月青(1989—)，男，安徽省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣夥到y(tǒng)集成與逆變技術(shù)。

孫以澤，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:sunyz@dhu.edu.cn