38单相电压型全桥逆变电路输出电压频谱分析研究.pdf
2010年 12月 第 24卷 ? 第 4期 阴 山 学 刊 YINSHAN ACADEM IC J OURNAL Dec . 2010 Vo1 . 24?No. 4 单相电压型全桥逆变电路输出电压频谱分析研究 * 巩 瑞 春, 王 润 文 (包头师范学院 信息科学与技术学院, 内蒙古 包头 014030) ? ? 摘? 要: 本文首先介绍了单相电压型全桥逆变电路, 对其进行了 MATLAB仿真, 分 180?和 120?移相调压 两种方式对输出电压波形, 输出电流波形, 以及输出电压的频谱进行了分析。 关键词: 单相全桥; 逆变电路; 移相; 频谱分析 中图分类号: TM 464? 文献标识码: A? 文章编号: 1004- 1869( 2010)04- 0036- 03 1? 单相电压型全桥逆变电路简介 电路如图 1所示, 直流侧为电压源, 交流侧为阻感性负 载, 共有四个桥臂, 可以看成两个半桥电路组合而成。每个 桥臂都由一个 IGBT和与它反并联的二极管组成。当给 IG? BT加关断信号时, I GBT 一定关断, 但给 I GBT 加导通信号 时, I GBT 不一定能导通, I GBT 是单向器件, 能否导通取决与 流过负载的电流是否与 I GBT 的导通电流方向一致。如一 致, 则 I GBT导通, 如不一致, 则对应的二极管导通。 图 1 : 单相电压型全桥逆变电路? ? ? ? ? 图 2: 单相电压型全桥逆变电路仿真电路图 2? 180? 移相型全桥逆变电路仿真分析 2 . 1?180? 移相型全桥逆变电路工作原理 仿真电路如图 2所示, 把桥臂 1和 4作为一对, 桥臂 2和 3作为另一对, 成对的两个桥臂同时导通, 两对交替各自导通 180?, V1, V4(或 VD1, VD4) 导通, 输出电压为 Ud,V2, V3(或 VD2, VD3) 导通, 输出电压为 - Ud, 所以输出电压为正负各为 180?, 幅值为 Ud的矩形波。 矩形波 u0展开成傅里叶级数得; u0= 2Ud ? sin?t+ 1 3 sin3?t+ 1 5 sin5?t+ ? 2 . 2?180? 移相型全桥逆变电路仿真分析 分别从 MATLAB /SI MULINK 的电力模块库 ( Si mpower ? syste ms)和基本模块库 ( Si mulink)里拖出相应模块, 连接, 设 置参数, 使直流侧电压 Ud= 100V, 负载电阻 R = 1?, 电感 L = 0. 1H, I GBT的栅极驱动脉冲周期为 0. 02s, 进行仿真, 检测 各栅极驱动脉冲, 输出电压, 输出电流波形如图 3所示: 从仿真波形中可以看出, 输出电压 u0波形为正负各 180?的矩形波, 幅值等于直流测电压为 100V, 而电流波形是 由于负载与直流侧交换能量而形成的充放电波形。 36 *收稿日期: 2010- 10- 28 作者简介: 巩瑞春 ( 1970- ), 男, 内蒙古土默特左旗人, 讲师, 硕士。 图 3: 180? 移相 ug1, ug2, ug3, ug 4, u0, i0波形图 ? ? 对输出电压波形进行频谱分析, 得到输出电压波形频谱 图如图 4所示: 图 4: 180? 移相输出电压波形频谱图 ? ? 从频谱分析图中可以看出, 180? 移相逆变器输出交流电 压波形中除含有基波外, 还含有 3次, 5次, 7次等奇次谐波, 低次谐波含量较高, 3次谐波高达 33. 36% , 5次谐波高达 20% , THD(总谐波系数 )为 40. 4 % 。 3? 120? 移相型全桥逆变电路仿真分析 3 . 1?120? 移相型全桥逆变电路工作原理 120? 移相调压就是调节输出电压脉冲的宽度为 120? , V1 和 V2的栅极驱动信号互补, V3和 V4的栅极驱动信号互补, 但 V3比 V1的栅极驱动信号滞后 120?, 输出电压波形为正负各为 120?的脉冲, 当 V1, V4(或 VD1, VD4) 导通, 输出电压为 Ud, V2, V3(或 VD2, VD3) 导通, 输出电压为 - Ud, V1, VD3(或 V3, VD1或 VD2, V4, 或 V2, VD4) 导通时, 输出电压为 0 , uo展开成 傅里叶级数得: uUV= 4Ud ? sin?t- 1 5 sin5?t+ 1 7 sin7?t+ 1 11 sin11?t+ 1 13 sin13?t- ? = 4Ud ? sin?t+? n 1 n (- 1)ksinn?t (式中 n = 6k ? 1, k为自然数。) 3 . 2?120? 移相型全桥逆变电路仿真分析 除 V3的栅极驱动脉冲比 V1滞 后 120? 外, 其余参数设置 和 180? 移相型全桥逆变电路相同, 进行仿真, 检测各栅极驱 动脉冲, 输出电压, 输出电流波形如图 5所示: 从仿真波形中可以看出, 输出电压 u0波形为正负各 120?的矩形波, 幅值等于直流测电压为 100V, 而电流波形是 由于负载与直流侧交换能量而形成的充放电波形。 图 5: 120? 移相 ug1, ug2, ug3, ug4, u0, i0波形图 ? ? 对输出电压波形进行频谱分析, 得到输出电压波形频谱 图如图 6所示: 37 图 6: 120? 移相输出电压波形频谱图 ? ? 从频谱分析图中可以看出, 120? 移相逆变器输出交流电 压波形中除含有基波外, 还含有 ( k为自然数 )次奇次谐波, 无 3k( k为奇数 )次奇次谐波, 低次谐波含量较低, 5次谐波 为 20 % , 7次谐波为 14 % , THD(总谐波系数 )为 31% 。 4? 结论 应用 MATLAB /SI MULI NK 对单相电压型全桥逆变电路 进行动态仿真, 120? 移相方式比 180? 移相方式的输出电压波 形频谱中少了 3k(k 为奇数 )倍的奇次谐波, 总谐波系数减 小, 波形质量有了较大的提高。 ? 参考文献? 1王兆安, 刘进军. 电力电子技术 M . 北京: 机械工业出 版社, 2008. 2陈坚. 电力电子学 M . 北京: 高等教育出版社, 2004 . 3黄忠霖, 黄京. 电力电子技术的 MATLA 实践 M . 北京: 国防工业出版社, 2009. 4王忠礼, 等. MATLAB应用技术 - 在电气工程与自动化 专业中的应用 M . 北京: 清华大学出版社, 2007. The Research of Single - phaseVoltage Source Full- Bridge Inverter OutputVoltage Spectrum Analysis GONG Rui- chun, WANG Run- wen ( Faculty of infor mation Science and Technology , Baotou Teachers College ; Baotou 014030) Abstract : This article first introduced single phase voltage source inverter. The circuit carried on the the dy? nam icm atlab si mulation . Then it analyzed the output voltage wave, output currence wave , output voltage wave? s spectrum in 180?and 120?shifted phase circui. t Key words : Single phase full bridge ;inverter ;shifted phase;spectrum analyze 38
