单极性模式PWM逆变电路的仿真电力电子课程设计

电力电子系统综合训练课程设计任务书题 目： 单极性模式PWM逆变电路的仿真 学生姓名： 单兴银 班 级：电气工程及其自动化8班学 号： 13230803 指导教师： 魏祥林 一、 设计目的电力电子技术系统综合训练是自动化、电气工程及其自动化专业的一门重要的专业实践课，要求学生综合运用电子技术、微机原理、自动控制原理、电力电子技术、计算机仿真技术等课程知识，完成某一电力电子系统系的设计和仿真验证。通过该综合训练培养学生以下几个方面的能力：1综合运用所学知识，进行电力电子电路和系统设计的能力；2了解与熟悉常用的电力电子电路的电路拓扑、控制方法；3掌握常用的电力电子电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，掌握元器件的选择计算方法；4具有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力。二、 设计内容本综合训练要达到综合运用所学知识，培养和提高学生的分析问题和解决问题的能力的目的。本综合训练包括如下几个内容：1. 介绍常用的电力电子系统计算机仿真方法（小信号分析、离散时域仿真方法、等效电路法、Laplace 变换法、周期时间序列分析法）；2进行仿真软件（MATLAB/PSPICE/Saber）的基础训练；3掌握电力电子基本单元电路的设计、分析和仿真方法；4完成一些典型电力电子系统的计算机仿真（三相桥式全控整流电路、桥式直流PWM变流器、三相电压源型SPWM 逆变器、电流跟踪型逆变器、三相交流调压器、斩波器供电的直流电机传动系统、逆变器供电的感应电机传动系统等），掌握电力电子系统基本的设计方法、分析方法和相关仿真软件（MATLAB/PSPICE/Saber）的使用方法。三、 设计要求及工作量1设计部分 设计一单相PWM逆变电路，工作方式为单极性PWM方式，开关器件选用IGBT，直流电压为300V，电阻负载，电阻1欧姆，电感2mh。根据上述要求完成主电路设计。2仿真部分 完成上述单相PWM逆变电路的计算机仿真，观察输出电压波形、系统输入电流波形、电压电流波形的谐波情况、不同仿真条件时系统输入输出的变化情况、死区时间的影响、和理论分析的结果进行比较。四、 要提交的成果1. 综合训练总结报告（不少于20页，约1万字左右）需包括：1)前言。2)目录。3)主电路工作原理说明。4)主电路设计详细过程。5)仿真模型的建立、各模块参数的设置。6)仿真结果分析。7)总结。8)参考文献。9)体会。2. 综合训练总结报告要求采用A4页面打印，小四宋体，单倍行距，采用word默认的页边距，仿真模型、模块参数设置、仿真结果等都要在总结报告中进行详细说明。五、设计进度计划及时间安排序号工作内容时 间1布置任务书、审题1天2仿真软件基础训练1天3主电路设计及参数计算1.5天4仿真模型搭建1天5仿真模型调试与分析3天7撰写综合训练报告2天8答辩0.5天六、主要参考资料1王兆安等。电力电子技术（M）。北京：机械工业出版社，2001。2李传琦。电力电子技术计算机仿真实验（M）。北京：机械工业出版社，2006。3李维波。MATLAB在电气工程中的应用（M）。北京：中国电力出版社，2007。4洪乃刚。电力电子、电机控制系统的建模和仿真（M）。北京：机械工业出版社，2010。前言逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。这里在研究单相桥式PWM逆变电路的理论基础上，采用Matlab的可视化仿真工具Simulink建立单相桥式单极性控制方式下PWM逆变电路的仿真模型，通过动态仿真，研究了调制深度、载波频率对输出电压、负载上电流的影响；并分析了输出电压、负载上电流的谐波特性。仿真结果表明建模的正确性，并证明了该模型具有快捷、灵活、方便、直观等一系列特点，从而为电力电子技术教学和研究中提供了一种较好的辅助工具。关键词:Matlab/Simulink；PWM逆变电路；动态仿真；建模 ；目录1 逆变电路相关概述11.1 MATLAB的介绍11.2 PWM技术11.3 PWM控制方法12 主电路工作原理说明52.1 PWM控制的基本原理52.2 PWM逆变电路及其控制方法53 主电路设计的详细过程64 仿真模型的建立及各模块参数设置74.1单极性PWM控制发生电路模型74.2单极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路95总结16参考文献17体会181 逆变电路相关概述1.1 MATLAB的介绍MATLAB将矩阵运算、数值分析、图形处理、编程技术结合在一起，为用户提供了一个强有力的科学及工程问题的分析计算和程序设计工具，它还提供了专业水平的符号计算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制等功能，是具有全部语言功能和特征的新一代软件开发平台。 MATLAB 已发展成为适合众多学科，多种工作平台、功能强大的大型软件。 MATLAB已成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具。 1.2 PWM技术 PWM技术的的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。脉宽调制(PWM（Pulse Width Modulation）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。 1.3 PWM控制方法 采样控制理论中有一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同.PWM控制技术就是以该结论为理论基础,对半导体开关器件的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。PWM控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件发展水平的制约,在上世纪80年代以前一直未能实现.直到进入上世纪80年代,随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展,PWM控制技术才真正得到应用.随着电力电子技术,微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法,如现代控制理论,非线性系统控制思想的应用,PWM控制技术获得了空前的发展.到目前为止,已出现了多种PWM控制技术,根据PWM控制技术的特点,到目前为止主要有以下8类方法。 1 相电压控制PWM（1）等脉宽PWM法VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技术来实现的,其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压。等脉宽PWM法正是为了克服PAM法的这个缺点发展而来的,是PWM法中最为简单的一种。它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波,通过改变脉冲列的周期可以调频,改变脉冲的宽度或占空比可以调压,采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。相对于PAM法,该方法的优点是简化了电路结构,提高了输入端的功率因数,但同时也存在输出电压中除基波外,还包含较大的谐波分量。 （2)随机PWM 在上世纪70年代开始至上世纪80年代初,由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管,载波频率一般不超过5kHz,电机绕组的电磁噪音及谐波造成的振动引起了人们的关注。为求得改善,随机PWM方法应运而生.其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声(在线性频率坐标系中,各频率能量分布是均匀的),尽管噪音的总分贝数未变,但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱.正因为如此,即使在IGBT已被广泛应用的今天,对于载波频率必须限制在较低频率的场合,随机PWM仍然有其特殊的价值；另一方面则说明了消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率,随机PWM技术正是提供了一个分析,解决这种问题的全新思路。 （3）SPWM法 SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。该方法的实现有以下几种方案： (一)等面积法 该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释,用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波,然后计算各脉冲的宽度和间隔,并把这些数据存于微机中,通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断,以达到预期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点,可以准确地计算出各开关器件的通断时刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在计算繁琐,数据占用内存大,不能实时控制的缺点。 (二) 硬件调制法 硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的,其原理就是把所希望的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过对载波的调制得到所期望的PWM波形.通常采用等腰三角波作为载波,当调制信号波为正弦波时,所得到的就是SPWM波形。其实现方法简单,可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路,用比较器来确定它们的交点,在交点时刻对开关器件的通断进行控制,就可以生成SPWM波.但是,这种模拟电路结构复杂,难以实现精确的控制。 （三）软件生成法 由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易,因此,软件生成法也就应运而生.软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法,其有两种基本算法,即自然采样法和规则采样法。（四）自然采样法 以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较,在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断,这就是自然采样法.其优点是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波与正弦波交点有任意性,脉冲中心在一个周期内不等距,从而脉宽表达式是一个超越方程,计算繁琐,难以实时控制。 五 规则采样法 规则采样法是一种应用较广的工程实用方法,一般采用三角波作为载波.其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波,再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断,从而实现SPWM法.当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(即采样周期)内的位置是对称的,这种方法称为对称规则采样.当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(此时为采样周期的两倍)内的位置一般并不对称,这种方法称为非对称规则采样。规则采样法是对自然采样法的改进,其主要优点就是是计算简单,便于在线实时运算,其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦.其缺点是直流电压利用率较低,线性控制范围较小。 以上两种方法均只适用于同步调制方式中。 （4）低次谐波消去法低次谐波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次谐波为目的的方法.其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开,表示为u(t)=ansinnt,首先确定基波分量a1的值,再令两个不同的an=0,就可以建立三个方程,联立求解得a1,a2及a3,这样就可以消去两个频率的谐波。 该方法虽然可以很好地消除所指定的低次谐波,但是,剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大,而且同样存在计算复杂的缺点.该方法同样只适用于同步调制方式中。 (5)梯形波与三角波比较法 前面所介绍的各种方法主要是以输出波形尽量接近正弦波为目的,从而忽视了直流电压的利用率,如SPWM法,其直流电压利用率仅为86.6%.因此,为了提高直流电压利用率,提出了一种新的方法-梯形波与三角波比较法.该方法是采用梯形波作为调制信号,三角波为载波,且使两波幅值相等,以两波的交点时刻控制开关器件的通断实现PWM控制。 由于当梯形波幅值和三角波幅值相等时,其所含的基波分量幅值已超过了三角波幅值,从而可以有效地提高直流电压利用率.但由于梯形波本身含有低次谐波,所以输出波形中含有5次,7次等低次谐波。 2 线电压控制PWM 前面所介绍的各种PWM控制方法用于三相逆变电路时,都是对三相输出相电压分别进行控制的,使其输出接近正弦波,但是,对于像三相异步电动机这样的三相无中线对称负载,逆变器输出不必追求相电压接近正弦,而可着眼于使线电压趋于正弦.因此,提出了线电压控制PWM,主要有以下两种方法。 （1）马鞍形波与三角波比较法 马鞍形波与三角波比较法也就是谐波注入PWM方式(HIPWM),其原理是在正弦波中加入一定比例的三次谐波,调制信号便呈现出马鞍形,而且幅值明显降低,于是在调制信号的幅值不超过载波幅值的情况下,可以使基波幅值超过三角波幅值,提高了直流电压利用率.在三相无中线系统中,由于三次谐波电流无通路,所以三个线电压和线电流中均不含三次谐波。 除了可以注入三次谐波以外,还可以注入其他3倍频于正弦波信号的其他波形,这些信号都不会影响线电压。这是因为,经过PWM调制后逆变电路输出的相电压也必然包含相应的3倍频于正弦波信号的谐波,但在合成线电压时,各相电压中的这些谐波将互相抵消,从而使线电压仍为正弦波。 （2）单元脉宽调制法因为,三相对称线电压有Uuv+Uvw+Uwu=0的关系,所以,某一线电压任何时刻都等于另外两个线电压负值之和.现在把一个周期等分为6个区间,每区间60,对于某一线电压例如Uuv,半个周期两边60区间用Uuv本身表示,中间60区间用-(Uvw+Uwu)表示,当将Uvw和Uwu作同样处理时,就可以得到三相线电压波形只有半周内两边60区间的两种波形形状,并且有正有负.把这样的电压波形作为脉宽调制的参考信号,载波仍用三角波,并把各区间的曲线用直线近似(实践表明,这样做引起的误差不大,完全可行),就可以得到线电压的脉冲波形,该波形是完全对称,且规律性很强,负半周是正半周相应脉冲列的反相,因此,只要半个周期两边60区间的脉冲列一经确定,线电压的调制脉冲波形就唯一地确定了.这个脉冲并不是开关器件的驱动脉冲信号,但由于已知三相线电压的脉冲工作模式,就可以确定开关器件的驱动脉冲信号了。 该方法不仅能抑制较多的低次谐波,还可减小开关损耗和加宽线性控制区,同时还能带来用微机控制的方便,但该方法只适用于异步电动机,应用范围较小。 3 电流控制PWM 电流控制PWM的基本思想是把希望输出的电流波形作为指令信号,把实际的电流波形作为反馈信号,通过两者瞬时值的比较来决定各开关器件的通断,使实际输出随指令信号的改变而改变。2 主电路工作原理说明2.1 PWM控制的基本原理PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。PWM控制技术的重要理论基础是面积等效原理，即：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。把正弦半波分成N等分，就可以把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。如果把这些脉冲序列用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就可得到下图2.1所示的脉冲序列，这就是PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM波形。SPWM波形如下图所示：图2.1单极性PWM控制方式波形上图波形称为单极性SPWM波形，根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，即双极性SPWM波形，而且这种方式在实际应用中更为广泛。图2.2双极性PWM控制方式波形2.2 PWM逆变电路及其控制方法PWM逆变电路可分为电压型和电流型两种，目前实际应用的几乎都是电压型电路，因此主要分析电压型逆变电路的控制方法。要得到需要的PWM波形有两种方法，分别是计算法和调制法。根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形，这种方法称为计算法。由于计算法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。与计算法相对应的是调制法，即把希望调制的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，在调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。下面具体分析单相桥式逆变电路的单极性控制方式。图2.3是采用IGBT作为开关器件的单相桥式电压型逆变电路。图2.3单相桥式PWM逆变电路 单极性PWM控制方式：在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。ur正半周，V1保持通，V2保持断。当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud 。当uruc时使V4断，V3通，uo=0 。ur负半周，V2保持通，V1保持断。当uruc时使V3断，V4通，uo=0 。这样就得到图所示的单极性的SPWM波形。3 主电路设计的详细过程根据设计要求，采用单相全桥PWM逆变电路，工作方式为单极性PWM方式，开关器件选用IGBT，直流电源电压为300V,电阻电感负载。设计主电路图采用IGBT作为开关器件的单相桥式电压型逆变电路。采用负载为阻感负载，工作时V1和V2的通断状态互补，V3和V4的通断状态也互补。在输出电压u0的正半周，让V1保持通态，V2保持断态，V3和V4交替通断。a.当ucoutri，且-ucoutri ，触发VTA+和VTB-导通，输入电源Ud经过VTA+、负载和VTB-构成电流回路，uo=-Ud，电流上升；b.当ucoutri，且-ucoutri，使VTB-断开，触发VTB+，由于是感性负载，电流不能突变，因此负载电流经VTA+和VDB+续流，使VTB+不能导通，uo=0，同时电流下降；直至下一个周期触发VTA+和VTB-导通。由此循环往复周期性的工作。4 仿真模型的建立及各模块参数设置 4.1单极性PWM控制发生电路模型 图4.1单极性PWM控制发生电路模型（1）建立仿真模型第一步先建立主电路的仿真模型。直流电源在Simulink的“SimPowerSystems”库中的“Electrical Sources”中的“DC voltage Source”模块生成，双击其对话框，设置“Amplitude”为300，设置“Measurements”为“Voltage”，便可构成300v的直流电源；阻感性负载在“SimPowerSystems”库中的“Elements”中的“Series RLC Branch”模块生成，双击其对话框，设置“Branch type”为“RL”,设置“Resistance”为1，设置“Inductance”为2e-3,将“Measurements”设置为“Branch voltage and current”,于是便设置出电阻为1欧姆，电感为2mh的阻感性负载。设置IGBT元件模型，“SimPowerSystems”库中的“Power Electronics”中的“Universal Bridge”模块生成，双击其对话框，设置“Number of bridge arms”为2,“Snubber resistance Rs”为“inf”，设置“Power Electronic device”为“IGBT/Diodes”。电流表在“SimPowerSystems”库中的“Measurements”下的“Current Measurement”模块生成。所用到的万用表是由“SimPowerSystems”库中的“Measurements”下的“Voltage Measurement”模块生成。示波器是在“Commonly Used Blocks”下的“Scope”模块生成，双击其对话框，设置“Number of axes”为3，示波器是用来观测PWM脉冲波形、逆变输出的电压和电流波形。第二步再来构造单极性PWM控制信号的发生部分。在Simulink的“Source”库中选择“Clock”模块，以提供仿真时间t，乘以2*pi*f后通过一个“sin”模块即为simwt,乘以调整深度m后可得所需的正弦调整信号；三角载波信号由“Source”库中的“Repeating Sequence”模块产生，双击其对话框，设置“Time Values”为01/fc/43/fc/41/fc,设置“Output Values”为0-1 1 0,便生成频率为fc的三角载波；将调制波和载波通过一些运算与比较，即可得出下图4.2所示。（2）分析仿真结果 调制深度m设为0.5，输出基波频率设为50hz,载波频率设为基波的15倍，即750hz.将仿真时间设为0.06，在powerui中设置为离散仿真模式，采样时间为0.00001s,运行后可得仿真结果，输出交流电压、交流电流和直流电流波形如图（4-2）所示。输出的电压PWM型电压，脉冲宽度符合正玄变化规律。直流电流同样含有直流分量、两倍基频的交流分量以及与开关频率有关的更高次谐波分量。但负载电流以开关频率向直流电源回馈的情况较双极性调制时大大减少，此直流电流的开关次谐波大大小于双极性情况。图4.2单相桥式PWM逆变器触发脉冲波形（单极性SPWM波形）4.2单极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路主电路图如下所示：图4.3单相桥式PWM逆变器主电路图将调制深度m设置为0.5，输出基波频率设为50Hz，载波频率设为基波的15倍，即750Hz，仿真时间设为0.06s，在powergui中设置为离散仿真模式，采样时间设为1e-005s，运行后可得仿真结果，输出交流电压，交流电流和直流电流如下图4.4所示图4.4单极性SPWM方式下的逆变电路输出波形对上图中的输出电流 io进行FFT分析，得如下分析结果图4.5单极性控制方式下输出电压的FFT分析由FFT分析可知：在m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz，即N=15时，输出电压的基波电压的幅值为U1m=150.9V，基本满足理论上的U1m=m*Ud(即300*0.5=150)。谐波分布中最高的为29次和31次谐波，分别为基波的71.75%和72.36%，考虑最高频率为4500Hz时的THD达到106.50%。对输出电压uo进行FFT分析，得如下分析结果：图4.6单极性控制方式下输出电流的FFT分析图4.7单极性控制方式下IGBT电流的FFT分析由FFT分析可知：在m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz，即N=15时，输出电流基波幅值为128.2A，考虑最高频率为4500Hz时的THD=13.77%，输出电流近似为正弦波。改变调制比m和载波比N，如增大m和N，可以有效减小输出电压和输出电流的谐波分量。将调制深度m设置为1，输出基波频率设为50Hz，载波频率设为基波的15倍，即750Hz，仿真时间设为0.06s，在powergui中设置为离散仿真模式，采样时间设为1e-005s，运行后可得仿真结果，输出交流电压，交流电流和直流图4.8单极性SPWM单相逆变器m=1时的仿真波形对上图中的输出电压uo进行FFT分析，得如下分析结果：图4.9单极性SPWM单相逆变器m=1时的谐波分析对输出电流io进行FFT分析，得如下分析结果：图4.10单极性控制下输出电流FFT分析图4.11单极性控制下输出电压FFT分析图4.12单极性控制方式下IGBT电流的FFT分析