课程设计电力电子系统的计算仿真设计-单极性模式PWM逆变电路的计算机仿真

1、电力电子系统的计算机仿真设计题目：单极性模式 PWM 逆变电路的计算机仿真学院：电信学院班级：电气工程及其自动化 3 班学号：XXXXX姓名：XX指导老师：XX日期：2010年 12月 3号、尸 、-前言PW控制技术是逆变电路中应用最为广泛的技术，现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWI型逆变电路。为了对PW風逆变电路进行分析，首先建立 了逆变器控制所需的电路模型，采用IGBT作为开关器件，并对单相桥式电压型 逆变电路和PWM空制电路的工作原理进行了分析，运用 MATLAB的SIMULINK 对电路进行了仿真，给出了仿真波形，并运用MATLA提供的powergui模块对仿 真波形进行了 F

2、FT分析（谐波分析）。通过仿真分析表明，运用 PWH制技术可 以很好的实现逆变电路的运行要求。目录一 概述3二 主电路工作原理说明8三 主电路设计的详细过程10四 仿真模型的建立及各模块参数设置 11五 仿真结果分析14六总结18七参考文献19八体会20一 概述1.1MATLAB 的介绍MATLAB (Matrix Laboratory) 为美国 Mathworks 公司 1983 年首次推出的 一套高性能的数值分析和计算软件，其功能不断扩充，版本不断升级， 1992 年 推出划时代的 4.0 版，1993 年推出了可以配合 Microsoft Windous 使用的微机版， 95年4.2版，

3、97年5.0版，99年5.3版，5.X版无论是界面还是内容都有长足 的进展，其帮助信息采用超文本格式和 PDF 格式，可以方便的浏览。至 2001 年 6 月推出 6.1 版， 2002 年 6 月推出 6.5 版，继而推出 6.5.1 版, 2004 年 7 月 MATLAB7 和 Simulink6.0 被推出，目前的最新版本为 7.1 版。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

4、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。 在欧美等国家的高校， 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。 成为 攻读学位的本科、 硕士、博士生必须掌握的基本技能。 在设计研究单位和工业开 发部门， MMATLAB 被广泛的应用于研究和解决各种具体问题。 在中国， MATLAB 也已日益受到重视， 短时间内就将盛行起来， 因为无论哪个学科或工程领域都可 以从 MATLAB 中找到合适的功能。1.2PWM 技术PW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

5、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

6、一种通 (0 N)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。1.3PWM 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

7、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 PWM1 等脉宽 PWM 法VVVF(Variable Voltage Variable

8、Frequency) 装置在早期是采用 PA M(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

9、 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

10、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 PW M 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

11、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

12、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

13、 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

14、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

15、压波形按傅氏级数展开 ,表示为u( 3 t)=ansinn 31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

16、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

17、.因此，提出了线电压控制PWM,主要有以下两种方法.一 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 4.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

18、 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.二 单元脉宽调制法 5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

19、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

20、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。PWh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

21、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 b所示的脉冲序列，这就上图波形称为单极性PWM波形，根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图2.2 PWM逆变电路及其控制方法PW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，因此本节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

22、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SPWI波形。下面具体分析单相桥式逆变电路的单极性控制方式和双极 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。信号波载波图(2-3)：单相桥式PWME变电路(1) 单极性PWM控制方式：在ur和UC的交点时

23、刻控制IGBT的通断。 ur正半周，V1保持通，V2保持断。当ur >uc时使V4通，V3断，uo=Ud。 当urvuc时使V4断，V3通，uo=o。ur负半周，V2保持通，V1保持断。 当 ur<uc 时使 V3通,V4断，uo=-Ud;当 ur> uc 时使 V3断,V4通，uo=0。 这样就得到图一所示的单极性的 SPWM波形。(2) 双极性PWM控制方式：在ur的半个周期内，三角波载波有正有负， 所得PWM波也有正有负，其幅值只有土 Ud两种电平。同样在调制信号ur 和载波信号uc的交点时刻控制器件的通断。ur正负半周，对各开关器件 的控制规律相同。当ur >

24、uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断 信号。女口 i o>0, V1 和 V4通，女口 i o<0, VD1 和 VD4通，u o=Ud。当 urvuc 时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号。如io<0, V2和V3通， 如io>0, VD2和VD3通，uo=-Ud。这样就得到图二所示的双极性的 SPWM 波形。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 如图（3-1）所示。4rl信号波丽载波电路图（3-1 ）单相桥式PWMe

25、变电路'2T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。当uco>utri，且-ucovutri，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；当ucovutri，使VTA+断开，触发VTA-，但由于是感性负载，电流不能突 变，因此负载电流经 VDA-和VTB-续流，使VTA-不能导通，uo=0，同时电 流下降；当uco>utri，且-ucovut

26、ri ,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；当-uco>utri，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。四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如图（4-1）所示图（4-1）：单极性PWM逆变器触发脉冲发生电路为了得到PWM输出电压，可以采用将期望输出的电压波形 （称为调制波）与 载波信号（通常为三角波或锯齿

27、波）相比较，即用调制波对载波进行调制，然后 用比较产生的信号去控制电力电子器件的开通与关断，可以得到所需的PWM控制发生电路。4. 2单极性PWM控制方式仿真结果图（4-2 ）单极性PWM控制方式仿真结果4.3单极性PWM方式下的单相桥式逆变电路采用单相全桥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，电阻1欧姆，电感2毫安。Conti 仃 uouspowerguiSignallftsFWM Generatorurc« 、-±DC Voltgie ScSeries RLC BranchUnrversail Bri

28、dgegAu lire nt Measurement图（4-3）单极性PWM方式下的单相桥式逆变电路 参数说明：（1）图（4-4）是对IGBT的个参数说明。Block Par apet ers: Univer sal Er idgeUniversal. Bride# (msk) Cliitk)Till s block i mF 1 em en a b z i de e 口 f sei ec t edL Dowe r el e»zt zoni ce dev ices. Seri e s EC snubber circui t ecourseed. iit pa.ra 11 e 1 wi

29、 七h each, sm t ch. device. Fress Helpfor suiEi eje 占 tEd. snubber val lies wheik the mo del i s di scr et i zed. Foir mostappl 1 cations the int ernal iriLdticfaiice Lon of diodes and thyri etors shollld be set tO图（4-4）（2）图（4-5）是对PWM Generator的参数说明图（4-5）（3）图（4-6）是对算法参数设置。图（4-6）五仿真结果分析5.1单极性PWM控制方式的单

30、相桥式逆变电路仿真及分析单极性PWM方式，开关器件选用IGBT,直流电压300V，电阻负载，电阻1 欧姆，电感2mh，载波频率fc=1080HZ,调制信号频率fr=50HZ。将调制深度 m 设置为045.2单极性PW方式下的单相桥式逆变电路仿真，fc=300HZ,fr=50HZ,m=0.44003002001000dOO-200-300-40000.0050.D10.0150.020.0250.Q3Qffggt: 0图（5-2 ）单相桥式PWM单相桥式逆变电路仿真将调制深度m设置为0.5，输出基波频率设为50Hz,载波频率设为基波的6 倍，即300Hz,仿真时间设为0.03s，采样时间设为1e

31、-005s，运行后可得仿真 结果，输出电压，电流。5.3单极性PW方式下的单相桥式逆变电路仿真，fc=100HZ,fr=50HZ,m=0.4。图（5-3）5. 4单极性PW方式下的单相桥式逆变电路仿真，fc=2200HZ,fr=50HZ,m=0.4。图（5-4）5 . 5单极性PW方式下的单相桥式逆变电路仿真，fc=200HZ,f=50HZ,m=0.7图(5-5)5.6 FFT谐波分析1）对电压进行FFT分析，得如下分析结果:FFT TOnl<=Structure :FFT window: 1 of 2 cycles of selected sign自ILnx«r t Tool

32、s nsktop Jti ndow HlpInput:Time (s)3000Frequency sxis:Harmonic orderDisplay style :Bar (relative to Fund, or DC)base value: 1 0Fundamental (50Hz) = 150.9 . THD= 106.50%-菩EEPULf芳姿一 bEs50Max Frequency (Hz):DisplayClose图（5-6）：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*U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达至V 106.50%。2）对电流进行FFT分析，得如下分析结果：Powergui ; FFT T