基于ABM模块双极性SPWM逆变电路研究

2015-06-19何月青孙以泽彭乐乐朱圳

电源技术 2015年3期

关键词：全桥基波单相

何月青，孙以泽，彭乐乐，朱圳

(东华大学机械工程学院，上海201620)

基于ABM模块双极性SPWM逆变电路研究

何月青，孙以泽，彭乐乐，朱圳

(东华大学机械工程学院，上海201620)

正弦脉宽调制(SPWM)在逆变器调制方法中应用最为广泛。通过双重傅里叶变换建立了双极性SPWM调制方法的数学模型，引入了一种新的仿真模块。通过数学模型对双极性SPWM调制方法的输出电压的谐波特性进行了定量分析，利用PSpice/ABM模块成功实现了逆变电路的双极性SPWM调制仿真，在实验室研制的1.5 kW单相全桥逆变器上进行了双极性SPWM调制方法的实验。通过仿真和实验结果的对比，验证了双极性SPWM调制方法的输出电压的谐波理论分析的正确性。

双极性SPWM；双重傅里叶变换；谐波分析；ABM模块

随着电力电子技术的迅速发展，逆变技术已越来越多地应用到各个领域中。正弦脉宽调制技术(SPWM)具有输出谐波小、结构简单等特点，使逆变器得到了更广泛的应用[1-2]。SPWM的调制策略有很多种，本文研究了双极性SPWM的调制原理，通过双重傅里叶变换得到了双极性SPWM方法的调制数学模型，并且详细分析了谐波特性。

PSpice是一款功能强大、应用广泛的电子电路仿真软件，具有元器件丰富、支持数/模混合仿真、使用方便等优点[3-4]。本文将PSpice仿真软件引入到逆变电路中，使用ABM模块实现了逆变电路的双极性SPWM调制仿真，结合仿真结果和1.5 kW单相全桥逆变器实验结果，对理论分析的正确性进行了验证。

1 主电路拓扑及双极性SPWM原理

图1给出了单相桥式逆变器主电路拓扑。该电路的SPWM控制方法有很多种，本文采用双极性SPWM调制方法。单相全桥逆变器双极性SPWM调制原理如图2所示，为正弦调制波，为三角载波，为输出波形。载波与调制波作比较，两者的交点作为开关点，同时控制VT1、VT4与VT2、VT3的通断。当>时，VT1、VT4导通，VT2、VT3断开，

图1 单相全桥逆变电路结构

图2 双极性SPWM原理

2 SPWM调制数学分析

为了方便分析，将图2中的三角波用图3所示的分段线性函数表示。它们的斜率分别为+2/π和－2/π，初始值为－和+，为载波三角波的幅值，为载波三角波的角频率。载波三角波的数学方程式可写成以下形式：

正弦调制波的方程式为：

图3 载波三角波的分段线性函数

如图2所示，在采样点a：

在采样点b：

同理得：

如图2所示，从调制波得到SPWM波形时，以载波幅值点为分界，分成个区间。如在的区间内，对于a点，在时得正脉冲，在时得负脉冲；对于b点，在时得正脉冲，在时得负脉冲。所以SPWM波形的时间函数为：

式(2)中系数可表示为：

将式(1)代入式(3)化简得：

由贝塞尔函数得：

将式(5)代入式(4)中化简得：

对于基波与基波的谐波，令=0，结合式(1)、式(2)得：

对于基波，将=1代入式(7)得：

对于基波的谐波，屹1，此时有：

对于载波与载波的谐波，令=0，由式(6)得：

即：

当为偶数时，0=0；当为奇数时，

对于载波及载波次谐波的上、下变频，由式(6)得：

当=1，3，5…，=依2，依4…时，有：

3 仿真结果

本文中采用PSpice软件进行逆变器双极性SPWM调制电路的设计与仿真，其仿真电路如图4所示。采用IRFB17N50L型号的MOS管作为开关管，有关参数为：调制波频率=50 Hz；载波频率=20 kHz；载波比；调制度；母线电压=360 V；滤波电感1=10 mH；滤波电容

本文仿真电路中采用两个ABM模块，对三角波和正弦波进行比较，产生两路SPWM驱动信号。如图4所示，ABM模块中写入的函数分别为：

If((V(Vsin)-V(Vramp))<0,0,13)，即>，输出13 V，反之输出为零；If((V(Vsin)-V(Vramp))>0,0,13)，即＜，输出13 V，反之输出为零。

图4 双极性SPWM仿真电路

生成的两路驱动正符合图2双极性SPWM调制原理所示。图5给出了VT1与VT3的驱动信号波形、输出电压的频谱，以及经过滤波后的输出电压波形。

4 实验验证

为了验证上述理论分析和仿真电路的正确性，在实验室研制的1.5 kW单相全桥逆变器上进行了实验。对比图5与图6，仿真结果与实验结果基本一致，同时验证了式(8)的正确性。

图5 双极性SPWM的仿真波形和频谱

图6 双极性SPWM的实验波形和频谱

5 结论

正弦脉宽调制在逆变器的调制技术中应用最为广泛。本文对双极性SPWM调制方法进行了详细的分析，首先通过双重傅里叶变换建立了SPWM调制的数学模型，分析其调制原理及输出的电压的谐波成分，即：双极性SPWM调制输出电压包含基波、载波谐波、载波的次谐波以及载波及载波次谐波的上下边频。当为偶数时，载波的次谐波不存在；当

+为偶数时，载波及载波次谐波的上下边频不存在。然后将ABM模块成功运用到双极性SPWM调制仿真电路中，最后在实验室研制的1.5 kW单相全桥逆变器上进行了双极性SPWM调制方法的实验，结合仿真结果和实验结果验证了理论分析的正确性，同时也验证了ABM模块在SPWM仿真中的实用性。

[1]郑诗程，丁明，苏建徽，等.户用光伏并网发电系统的研究与设计[J].电力电子技术，2005，39(1)：55-57.

[2]董密，罗安.光伏并网发电系统中逆变器的设计与控制方法[J].电力系统自动化，2006，30：97-102.

[3]方波，王晔.基于PSpice的光伏并网系统仿真研究[J].现代电子技术，2010，12：185-188.

[4]穆秀春，华春梅，吕中志.PSpice电子仿真及应用[M].北京：科学出版社，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

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