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

(東華大學機械工程學院，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

(東華大學機械工程學院，上海201620)

正弦脈寬調制(SPWM)在逆變器調制方法中應用最為廣泛。通過雙重傅里葉變換建立了雙極性SPWM調制方法的數學模型，引入了一種新的仿真模塊。通過數學模型對雙極性SPWM調制方法的輸出電壓的諧波特性進行了定量分析，利用PSpice/ABM模塊成功實現了逆變電路的雙極性SPWM調制仿真，在實驗室研制的1.5 kW單相全橋逆變器上進行了雙極性SPWM調制方法的實驗。通過仿真和實驗結果的對比，驗證了雙極性SPWM調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

隨著電力電子技術的迅速發展，逆變技術已越來越多地應用到各個領域中。正弦脈寬調制技術(SPWM)具有輸出諧波小、結構簡單等特點，使逆變器得到了更廣泛的應用[1-2]。SPWM的調制策略有很多種，本文研究了雙極性SPWM的調制原理，通過雙重傅里葉變換得到了雙極性SPWM方法的調制數學模型，并且詳細分析了諧波特性。

PSpice是一款功能強大、應用廣泛的電子電路仿真軟件，具有元器件豐富、支持數/模混合仿真、使用方便等優點[3-4]。本文將PSpice仿真軟件引入到逆變電路中，使用ABM模塊實現了逆變電路的雙極性SPWM調制仿真，結合仿真結果和1.5 kW單相全橋逆變器實驗結果，對理論分析的正確性進行了驗證。

1 主電路拓撲及雙極性SPWM原理

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

圖1 單相全橋逆變電路結構

圖2 雙極性SPWM原理

2 SPWM調制數學分析

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。載波三角波的數學方程式可寫成以下形式：

正弦調制波的方程式為：

圖3 載波三角波的分段線性函數

如圖2所示，在采樣點a：

在采樣點b：

同理得：

如圖2所示，從調制波得到SPWM波形時，以載波幅值點為分界，分成個區間。如在的區間內，對于a點，在時得正脈沖，在時得負脈沖；對于b點，在時得正脈沖，在時得負脈沖。所以SPWM波形的時間函數為：

式(2)中系數可表示為：

將式(1)代入式(3)化簡得：

由貝塞爾函數得：

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，此時有：

對于載波與載波的諧波，令=0，由式(6)得：

即：

當為偶數時，0=0；當為奇數時，

對于載波及載波次諧波的上、下變頻，由式(6)得：

當=1，3，5…，=依2，依4…時，有：

3 仿真結果

本文中采用PSpice軟件進行逆變器雙極性SPWM調制電路的設計與仿真，其仿真電路如圖4所示。采用IRFB17N50L型號的MOS管作為開關管，有關參數為：調制波頻率=50 Hz；載波頻率=20 kHz；載波比；調制度；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ABM模塊，對三角波和正弦波進行比較，產生兩路SPWM驅動信號。如圖4所示，ABM模塊中寫入的函數分別為：

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

生成的兩路驅動正符合圖2雙極性SPWM調制原理所示。圖5給出了VT1與VT3的驅動信號波形、輸出電壓的頻譜，以及經過濾波后的輸出電壓波形。

4 實驗驗證

為了驗證上述理論分析和仿真電路的正確性，在實驗室研制的1.5 kW單相全橋逆變器上進行了實驗。對比圖5與圖6，仿真結果與實驗結果基本一致，同時驗證了式(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的實驗波形和頻譜

5 結論

正弦脈寬調制在逆變器的調制技術中應用最為廣泛。本文對雙極性SPWM調制方法進行了詳細的分析，首先通過雙重傅里葉變換建立了SPWM調制的數學模型，分析其調制原理及輸出的電壓的諧波成分，即：雙極性SPWM調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。當為偶數時，載波的次諧波不存在；當

+為偶數時，載波及載波次諧波的上下邊頻不存在。然后將ABM模塊成功運用到雙極性SPWM調制仿真電路中，最后在實驗室研制的1.5 kW單相全橋逆變器上進行了雙極性SPWM調制方法的實驗，結合仿真結果和實驗結果驗證了理論分析的正確性，同時也驗證了ABM模塊在SPWM仿真中的實用性。

[1]鄭詩程，丁明，蘇建徽，等.戶用光伏并網發電系統的研究與設計[J].電力電子技術，2005，39(1)：55-57.

[2]董密，羅安.光伏并網發電系統中逆變器的設計與控制方法[J].電力系統自動化，2006，30：97-102.

[3]方波，王曄.基于PSpice的光伏并網系統仿真研究[J].現代電子技術，2010，12：185-188.

[4]穆秀春，華春梅，呂中志.PSpice電子仿真及應用[M].北京：科學出版社，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目(20090718047)；中央高校基本科研業務費專項資金重點項目(11D10301)；中央高校基本科研業務費(13D110309)

何月青(1989—)，男，安徽省人，碩士研究生，主要研究方向為光伏系統集成與逆變技術。

孫以澤，教授，博士生導師，E-mail:sunyz@dhu.edu.cn