单相SPWM逆变电源仿真设计

第 27 卷第 3 期 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2008 年 6 月 Vol.27 No.3 Journal of Liaoning Technical University（Natural Science） Jun. 2008 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 文章编号：1008-0562(2008)03-0394-03 单相 SPWM 逆变电源仿真 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 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 of Agriculture and Economics，Jinzhou 121001，China） Abstract: To meet the increasing demands for the controlling performance of the electrical equipment from all trades and professions, the 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 the comparison and analysis of output voltage waves, the conclusion can be drawn that the invertse circuit applying the SPWM 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[1]。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。 1 逆变器主电路的设计 电压型逆变器的主电路如图 1。 图 1 逆变器的主电路图 Fig.1 main circuit diagram of inverter 在电路中输入为 VD=350 V DC，输出为 220 V AC 50 Hz，输出功率为 P=2 000 W，功率因数为 cos φ=1。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[2] 最大输出情况下，电流有效值为 max 2000 W 9.09 A cos 220 V 1 PI V ϕ= = =× × (1) 开关管额定电流 ICE max1.5 1.5 9.09 13.635 ACEI I> × = × = (2) 开关管额定电压 VCER 2 2 350 700 VCER MV V> × = × = (3) (2) 二极管的选择 额定电压 VRR C2 C1 L1 r VCC R D1 D3 D4D2 T3 T2 T1 T4 第 3 期 赵建武：单相 SPWM 逆变电源仿真设计 395 RRM 350 VV > (4) 最大允许的均方根正向电流 IFrms Frms FR FR π 1.57 2 I I I= = (5) 二极管的额定电流为 max 9.09 5.79 A 1.57 1.57FR II > = = (6) 1.2 并联电容的选取[3] 在功率因数为 1 的情况下，等效的滤波电路的 负载电阻为 Ω=== 25.61 2000 35022 P V R dL (7) 周期为 sfT 02.050/1/1 === (8) 则电容为 2 3 4 / 4 0.02 / 61.25 1.31 10 F LC T R − = × = × = × (9) 1.3 L、C 滤波器的设计 最低次谐波为 2p-1 次。因此，最低次谐波的 频率 (2 200 1) 50 19 950 Hzf = × − × = (10) 以选 1/10 为例，选滤波电感为 1mH，则电容为 2 3 6 1 1( ) 2 π 1995 1 1 6.36µF 1 10 157.13 10 C L − = × =× × × =× × 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。 (1) 主电路中 4 个开关器件 T1 到 T4 的驱动 信号 VG1、VG2、VG3、VG4由上图生成。图 2 中的 A、 B 为比较器。T1、T2 的驱动信号 VG1、VG2 由正弦波 Vr和三角波 Vc的瞬时值相比较确定；T3、T4 的驱动 信号 VG3、VG4 由瞬时值 Vr、Vc之和 Vr+Vc的正负值 确定。 其中，Vr=Vrmsin ωt=Vrmsin 2πfrt=Vrmsin(2πt/Tr)， 被称为正弦参考电压，其幅值为 Vrm，频率 fr=1/Tr， Tr为其周期；三角波 Vc被称为高频三角载波，其最 大值为±Vcm，频率为 fc。三角波与正弦波频率比值 称为载波比 N=fc/fr。正弦波幅值之比值勤称为调制 比 M=Vrm/Vcm。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 N 和调制比 M 的选择 ①载波比 N 的选择 对于本例，选取 N=200 即可。 ②调制比 M 的选择 根据式(12)，可得 8889.0 350 22202220 =×=×= DV M (13) 选取正弦波的幅值 Vrm=5V，则三角波幅值为 Vcm=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[4]，可取 2 µs。 3 OrCAD 仿真验证 3.1 OrCAD 的仿真[5-6] (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+15V，关断信 号为-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，s1 和 s2 为软限幅器，E1、E2、E3、E4 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。 -1 + + -1 正弦波 Vr 三角波 Vc A B VG1，T1 VG2，T2 VG3，T3 VG4，T4 图 2 SPWM 驱动信号形成电路 Fig.2 circuit generated by SPWM driving signals 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第 27 卷 396 图 3 PWM 驱动信号生成电路 Fig..3 special curve of soft limiter 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，T1 管的驱动信号如图 5。 图 5 T1的驱动信号 Fig.5 driving signal of T1 受控源连接开关管前接一个 20Ω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，死区时间的设 定也会使输出电压与期望值产生误差。 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。 0 -2 -1 0 1 2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 1.0 0.5 1.5 -1.0 -0.5 -2 -1.5 -1 0 1 2 0 4 8 12 16 20 t/ ms -400 400 -200 200 0 电 压 /V 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 0 4 8 12 16 20 t/ ms -400 400 -200 200 0 电 压 /V V2 FREQ = 50 VAMPL = 5 VOFF = 0 E3 if(V(%IN+)<-1.0,-V( %IN+),-5) EVALUE OUT+ OUT- IN+ IN- 1k 15 -15 T2 0 T1 V1 TD = 0 TF = 0.000049 PW = 0.000001 PER = 0.0001 V1 = -5.625 TR = 0.000049 V2 = 5.625 T3 E1 if(V(%IN+)>1.0,V( %IN+),-5) EVALUE OUT+ OUT- IN+ IN- S1 E4 if(V(%IN+)>1.0,V( %IN+),-5) EVALUE OUT+ OUT- IN+ IN- E2 if(V(%IN+)<-1.0,-V( %IN+),-5) EVALUE OUT+ OUT- IN+ IN- T4 S2 1k 15 -15 0 2 4 6 8 10 t/ ms -5 10 0 5 电 压 /V 15 第 3 期 赵建武：单相 SPWM 逆变电源仿真设计 397 d/dt 0.0008 15.49 0v 13000 0 - + + - E 3.51 -1 FREQ = 50 VAMPL = 5 VOFF = 0 图 8 反馈环节与误差放大器 Fig.8 feedback link and the error amplifier 闭环系统的输出电压波形为 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 小，即 THD 很小。 图 10 谐波的傅里叶变换 Fig.10 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] 刘凤君.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[J]. 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. 0 4 8 12 16 20 t/ ms -400 400 -200 200 0 电 压 /V 0 1100 400 800 338 电 压 /m V f / Hz 50 100 150 200 300250