双极性模式PWM逆变电路

1、电力电子系统计算机仿真题目：双极性模式pw邂变电路班级： 姓名： 学号： 指导老师： 日期：摘要pwme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。pwme制技术在逆变电路中的应用最为广 泛，现在大量应用的逆变电路中绝大部分都是 pw邮逆变电路。本设计为双极性pw昉式下的单相全桥逆变电路，主要包括双极性 spwimi 制信号的发生电路和带反并联二极管的igbt作为开关器件的单相全桥电路。设 计的重点在于运用matlab的simulink!立电路模型，对电路进行仿真，并对 仿真结果进行分析，得出系统参数对输出的影响规律。关键字：双极性pwm6制

2、逆变电路 simulink仿真13目录一、主电路工作原理 31.1 pwm控制技术及 spwm的生成31.1.1 pwmi制的基本原理31.1.2 spwmi的基本原理41.1.3 规则采样法41.2 单极性和双极性 pwm6制逆变电路分析51.2.1 单极性pw脏制方式61.2.2 双极性pw脏制方式6二、matla的真及结论分析72.1 建立仿真模型72.1.1 双极性spw脏制信号的仿真模型72.1.2 双极性模式 pwm变电路仿真模型102.2 双极性模式pw陋变电路仿真结果及分析13三、psim仿真及结论分析203.1 建立仿真模型203.2 仿真结果及分析21四、总结与体会26五、

3、参考文献27、主电路工作原理1.1 pwm控制技术及spw俄的生成1.1.1 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。pwmi制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻，pwmi制技术在逆变电路中的应用也最具代表性。面积等效原理是pwm6制技术的重要理论基础，即在采样控制中，冲量相等 而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的同一环节上时， 其效果基本相同。其中，冲 量指的是窄脉冲的面积；效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。 如图 1.1.1(1

4、)所示，三个窄脉冲形状不同，但是它们的面积都等于 1,当它们分别加 在如图1.1.1(2)(a)所示的r-l电路上时，并设其电流i(t)为电路的输出，则其 输出响应波形基本相同且如图1.1.1(2)(b)所示。(a)(b)(c)(d)图1.1.1 (1)冲量相等、形状不同的窄脉冲(a)图1.1.1 (2)形状不同而冲量相同的各种窄脉冲及响应波形1.1.2 spwm法的基本原理pwmk称为脉冲幅值相等而脉冲宽度按正弦规律变化而正弦波等效的 spwm（sinusoidal pwm/形。如图1.1.2所示，把正弓s半波分成 n等份，就可以把正弦半波看成是由 n 个彼此相连的脉冲序列所组成的波形，这些

5、脉冲宽度都等于n/n ,但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是按正弦规律变化的曲线。如果把这些脉冲序列用 相同数量的等幅值而不等宽的矩形脉冲来代替，使矩形脉冲的中点和相应的正弦波部分中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，则可得图所示的这就是spw帔形。图1.1.2 用pw瞰来代替正弦半波矩形脉冲序列1.1.3 规则采样法spwm 勺控制就是根据三角载波与正弦调制波的交点来确定逆变器功率开关 器件的通断时刻。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spw

6、mfe .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其原理如图1.1.3所示。图1.1.3规则采样法生成 spw眼的原理图假设三角波的幅值为1,正弦函数为u=msint , m为调制度且0muc时，使v4导、 关断，uo = ud。当uruc时，使v4关断、v3导通，uo=0。b）在ur的负半周时，v1保持断态，v2保持通态。当uruc时，使v3关断、v4导通，uo=0。co(图1.2.1 单极性pwm6制方式波形1.2.2 双极性pw腑制方式如图1.2.2所示，在调制信号ur

7、和载波信号uc的交点的时刻控制各个开关 器件的通断。a）在建的半个周期内，三角波载波有正有负，所得的pwmfc也有正有负，在 ur的一个周期内，输出的pwmfe只有土 ud两种电平。b）在ur的正负半周，对各个开关器件的控制规律相同。当uruc时，vi和v4 导通，v2和v3关断，这时如果io 0,则v1和v4导通，如果io0,则vd1和vd4 导通，但不管那种情况都是 uo=ud。当uruc时，v2和v3导通，v1和v4关断， 这时如果io0,则vd2和vd3导通，但是不管哪种 情况都是uo= - ud。图1.2.2 双极性pw命制方式波形matla昉真及结论分析2.1 建立仿真模型本设计为

8、单相pwme变电路，工作方式为双极性 pw昉式，开关器件选用igbt,直流电压为300v,电阻负载，电阻1欧姆，电感2mh2.1.1 双极性spw脏制信号的仿真模型在simulink的“source”库中选择“clock”模块，以提供仿真时间t,乘 以2冗f后，再通过一个“ sin”模块即为sinwt,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“ times values”为0 1/fc/4 3/fc/4 1/fc, 设置 “output values ”为0 -1 1 0,便可生成频率

9、为fc的三角载波：调制波和载 波通过 simulink 的 “logic and bit operations ”库中的relational operator” 模块进行比较后所得信号，再通过适当处理使得四路开关信号，如图2.1.1所示。 图中的 “boolean” 和 “double” 为 “signal attributes ” 库中的 “data type conversion ”模块进行相应设置后所得。雌ii岫图2.1.1 双极性spwm1号发生电路图(1)主要参数设置图2.1.1 (a) gain模块参数设置图 2.1.1 (b) relational operator模块参数设置(

10、2)双极性spw腑制方式仿真结果当调制深度m=0.5,载波频率fc=1500时，仿真结果如图2.1.1 (c)所示图2.1.1 (c) 双极性spw棉制方式仿真波形图为了使仿真界面简洁，仿真参数易于修改，可以对图2.1.1所示部分进行封 装，使其成为一个便于调用的模块。用鼠标选中图中的所有部分，单击右键并选 择“create subsystem”，则选中的部分全都放入一个子系统模块，只保留了对 外的输入输出接口，子系统模块如图2.1.1 (d)所示。右键单击该模块，选择“masksubsystem”中的para可对其进行封装。如图2.1.1 (e)所示，设置m f和fc三个参数并确定后，再单击

11、该子系统模块则会出现如图2.1.1(f)所示的对话框，此时可根据仿真需要填写参数的具体数值。图2.1.1 (f)双极性spwmm块对话框示意图图2.1.1 (d)子系统模块图图2.1.1 (e)双极性spwmmi块封装设置示意图2.1.2双极性模式pw处变电路仿真模型主电路中采用“ universal bridge ”模块，在对话框中选择桥臂数为 2,即 可构成单相全桥电路，开关器件选带反并联二极管的igbt;直流电压源模块设置 为300v;阻感负载分别设为1q和2mh主电路仿真,g型图如图 2.1.2所示。dc vchage sourceilsrfepomrgd图2.1.2 双极性模式 pw

12、m变电路图 主要参数设置图 2.1.2 (a)universal bridge模块参数设置图 2.1.2 (b) series rlc branch模块参数设置注：在选择电阻、电感时将电容的参数设为inf即可。图2.1.2 (c) powergui模块参数设置 注：在 powergui模块中选择 configure parameters进行设置图2.1.2 (d) multimeter 模块参数设置注：利用multimeter模块，可以获得电压和电流的参数，等价于在模型内部连接一个电压和电流测量模块。配合示波器，被测信号可通过此模块得到仿真波形。因此处需要获得阻感负载的电压和电流波形，所以在

13、series rlc branch模块参数设置时 measurements参数设置要如2.1.2 (b)所示。2.2双极性模式pwi变电路仿真结果及分析universal bncgu图2.2discrwtb.m l-40310南咫qui圆m dimeterswc双极性模式pwm变电路图h(1)将调制深度m设为0.5,输出基波频率设为50hz；载波频率设为基频 的15倍，即750hz将仿真时间设为0.06s,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 2.2 (1)所示。输出电压为双极性 pww电 压，脉冲宽度符合正弦变化规律。直流电流除含有直流分量外，还含有两倍基频 的交流

14、分量以及与开关频率有关的更高次谐波分量。其中的直流部分是向负载提供有功功率，其余部分使得直流电源周期性吞吐能量，为无功电流。图2.2 (1) (a) fc=750hz m=0.5时的交流电压谐波分析图14signal to analyze口语。电甘 selected sign * 口语口后y fft windowfft window: 2 of 3 cycles of selected signa)200-2000.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055tima to-1fft analysiisfundamentsl (50hz) = 151 3

15、. thd= 261 66%time offset- 0图2.2 (1) fc=750hz m=0.5时的仿真波形图f？owrgui fft anatys.is tocxl.file edit view insert tools desktop window helpqdt 底& 0片 ol 目 ,回一 avaitable signalsstructure :sc op ed ata*in jut :input 1 *自组nap number:1 gfft windowstart time (o-02number of nfun-ci amen tai frequency s 口fft set

16、tlings display style :bar (relatrve to fundam. =日m sbfrequency石式号hertzvr.lajc f requeney (hz): 3500displaycigsevax30 m久已夏* 同生p signal to analyzedisplay sekected s * dtspls fft wtndd卜卜 i window 2 qt 3 cycles ot selected signal qavailable signalsstru ctuve scopedatainpulin 口 ut 2signal number:fft anal

17、ysisfundamental |5。出)二 128 1 thd= 27 31%25(feqebpcznlljo get2015105 0500 1000 1600 2000 2600 3000 3500frequency (hz)1 fft windowstart time0 02number of 2fu ndamenial frequency 50 fft settingsdisplay style:dar (relative funu7 *basefrequency axs:powergui fft analysts tookfile edit vie.v insert tools f

18、iesktop yj/mdow help图2.2 (2) (a) fc=750hz m=1时的交流电压谐波分析图16-signal to analyze-fft analysis6420(一卷建君匚正、%)s1至05001000 1500 2000 2500 3000 3500frequency (hzj图2.2 (1) (b) fc=750hz m=0.5 时的交流电流谐波分析图powerful fft andfy4k toolile edit m穹典 insert tools fiesktop window help口白0 *，磬耍/ 目 因 皿-available signals -st

19、ructure :scopedata*input 二 - -in 口 ut3-signal number：1mv-fft windowstart time q-02number of wfundamental tr&quenc/ 50-fft settings- dsplaytyle 二 bar (relative to fun,.*i 5| i u|frequency ax tsi hertz*hiax r requenck nn. 350 0,display clos对输出的交流电压进行fft分析，可得频谱图如图2.2(1)(a)所示。基波幅 值约为151v,最严重的15次谐波分量达到基波

20、的2.12倍，值得考虑的最低次谐 波为13次，幅值为基波的18.78%,最高分析频率为3.5khz时的thd到261.66%。(2)将调制深度设为1,则仿真波形如图2.2 (2)所示。交流电压的中心 部分明显加宽。图2.2 (2) fc=750hz m=1时的仿真波形图powerqui fft analysis； toolfile edit vtev006 4 2 亶 hjnli_j0 泮-篁01000 1500 2000 2500 3000 3500frequency (hz)aw 耳 il 3 blssignalsstnjhsimra 二 scopedatasnpiut:input 1si

21、gnal numb号匚一一 fft settings display style白ar (relatrve to fund .frequency axra:hertzmax frequency (hz):3smfdisplayclo&epowergui fft armlysts toolfile edit view jn&ert tools qesktop window help二 0屋 s 口目signal to analyzedisplay selected sin * disp lay fft w indav.fft window. 2 of 3 cycfes of selected s

22、ignal0 02 0 025 0 03 0 q35 0 04 0 045 0 05 0 055-her 200q200fft analysissczojemp三lro %)蔓fundamental fsohz) = 254.3 . thd= 4.93%05001000 1500 2000 25003000 3500frequency (hz)10availably signalsstructure scopedatainput: input 2*signal number1_ ti-fft windowstart time f sp.02nu rnber of 2fund amentia i

23、 ftequency sor fft settingsdisplay style ;bar (relative t。tumfrequency axis:hertzfifax frequency (hz): 3s00d splayclose图2.2 (2) (b) fc=1500hz m=1 时的交流电流谐波分析图powergui fft analysis tool.file edir vjevj insert tooks desktop window1 help 上谛aq。相/，豆口园口fft analysisfundamental (50hz) = 0 9957 thd= 20403 86%

24、10000 -a5000 -j口工i0500 1000 1500 2000 2500 3000 350。frequency (hz)available signalsstructure : scpedata*input: input 3vsignal number: 1一 fft windowstart time (sp-02number of 2fundamental frequency 50/1fft settings display style : bar (relative to fund. *frequency axis： r足 岛imax frequency (hz): 3eccd

25、ispkayclose图2.2 (3) (c) fc=1500hz m=1时的直流电流谐波分析图21通过比较不同载波频率时的波形图得 pwme变器的谐波特性与载波频率有 着密切的关系。通过fft分析可知，输出电压的最低次谐波增加到 28次。交流 电流的thd只有4.93%,负载电流的正弦度更好。若进一步提高载波频率，则负 载电流更加接近于正弦波形。三、psim仿真及结论分析3.1 建立仿真模型双极性模式pwme变电路psim仿真电路包括主电路和调制电路两部分，其 仿真电路图如图3.1所示。图3.1双极性模式pw喧变电路图主要参数设置团 element listfileitetlist hame

26、naiiksothsr infoconfcomf1filter_lp2lf31 , 1000 ，igetigbti0 . 0igetigbt20,0igbt工由t30 . 0igetigbt40, 口botgateb0t2ijnctrlch2onctrloff1rlelii , 10m , othbthd260 , 20vbcvcc1300viv5vfnvtvevfv3vrv4vfv2vt2vt1v5e1tvseh31veinvi8 , 50 , q vtiuvtke120 , 1000 .图3.1(a)主要参数设置3.2 仿真结果及分析调制电路仿真波形图如图3.2所示10.005.000.00-5.00图3.2调制电路仿真波形图23以下为不同调制比时的仿真波形图调制比n=1000/50=20时输出电压经滤波后measuretim0 06001vs1 68145v7*hi*thd=1.681输出电压幅值=108.911v30调制比