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曙变电路班级：姓名：学号：指导老师:日期：1摘要PWM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，现在大量应用的逆变电路中绝大局部都是 pwrffi 逆变电路。本设计为双极性PWM式下的单相全桥逆变电路，主要包括双极性SPW瞬 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 PWh

2、E 制逆变电路 SIMULINK 仿真2目录一、主电路工作原理 .31.1 PWM控制技术及SPW成的生成.31.1.1 pwr制的根本原理.31.1.2SPW缺的根本原理.41.1.3规那么采样法.41.2单极性和双极性PWhfe制逆变电路分析.51.2.1单极性PW品制方式.61.2.2双极性PW品制方式.6二、MATLAB真及结论分析.72.1建立仿真模型.72.1.1双极性SPW眺制信号的仿真模型.72.1.2双极性模式PW通变电路仿真模型.102.2双极性模式PW谴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

3、会.26五、参考文献.273、主电路工作原理1.1 PWM控制技术及SPW醵的生成1.1.1 PWM控制的根本原理PWMPulse 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，PWME 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 PWhE 制技术的重要理论根底，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， 其效果根本相同。其中，冲 量指的是窄脉冲的面积；效果根本相同是指环节的输出响应波形根本相同。

4、如图 1.1.1(1)所示，三个窄脉冲形状不同，但是它们的面积都等丁 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，那么其 输出响应波形根本相同且如图 1.1.1(2)(b)所示。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(b)41.1.2 SPWM法的根本原理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PW 瞅称为SPWMsinusoidal PWM 成形。如图 1.1.2 所示，把正弦半波分成 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，这些脉冲宽度都等丁n/N ,但幅值不等，

5、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 波局部中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波局部面积相等，那么可得图所示的矩形脉冲序列，这就是 SPW 彼形。图1.1.2用PW嗽来代替正弦半波1.1.3规那么采样法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。规那么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.当三角波只在其顶点或

6、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那么采样其原理如图1.1.3 所示。5图1.1.3规那么采样法生成SPW阪的原理图假设三角波的幅值为 1,正弦函数为 u=MsiKt , M 为调制度且 0MUc时，使V4导、V3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。1.2.2双极性pwrte制方式如图 1.2.2 所示，在调制信号 Ur和载波信号 Uc的交点的时刻控制各个开关 器件的通信号波

7、载波图1.2单相桥式PW谴变电路7断。a 在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得的PWM也有正有负，在 Ur的一个周期内，输出的PW 璇只有土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，V1和V4导通，V2和V3关断，这时如果 io0,那么V1和V4导通，如果 io0,贝 UVD1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,贝 UVD2和 VD3导通，但是不管哪种 情况都是 Uo= -Ud。图1.2.2双极性PWM6制方式波形MATLAB真及结论分析2.1建立仿真模型本设计为单

8、相 PW 施变电路，工作方式为双极性PWM&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控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 兀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 SeqUencS 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

9、-1 1 0 ，便可生成频率为 fc 的三角载波：调制波和载 波通过 SimUlink 的 “Logic and BitOperations 库中的Relational Operator 模块进行比拟后所得信号，再通过适当处理便得四路开关信号，如图 2.1.1 所示。 图中的 “Boolean 和 “doUble 为 “SignalAttribUtes 库中的 “Data Type Conversion 模块进行相应设置后所得。8图2.1.1双极性SPWM!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9图2.1.1 (b) Relational Operator模块

10、参数设置(2)双极性 SPWItt 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SPWF制方式仿真波形图为了使仿真界面简洁，仿真参数易丁修改，可以对图 2.1.1 所示局部进行封 装，使其成为一个便丁调用的模块。用鼠标选中图中的所有局部，单击右键并选 择“CreateSubsystem ，那么选中的局部全都放入一个子系统模块，只保存了对 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

11、 f 和 fc 三个参数并确定后，再单击该子系统模块那么会出现如图 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。102.1.2双极性模式PWM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 主电路仿真模型图如图 2.1.2 所示。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11图2.1.2双极性模式P

12、W通变电路图主要参数设置DC vchageSource图2.1.2 (a)Universal Bridge模块参数设置12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13DiscnatB.=f，酬i&puiImMiAimeter虹pq图2.2双极性模式PW通变电路图图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

13、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PWM 3/MultimeterUniversal图2.2 (1) (a) fc=750HZ m=0.5时的交流电压谐波分析图14图2.2 (1) fc=750HZ m=0.5时的仿真波形图fowrgui FFT Anatys-is TooLFile Edit Vievr Insert Tools Desktop Win

14、dow Help了I a H w和Signal to analyze-口津。宿y selected sign * DuplayFFTwindow FFTwindow: 2 of 3 cycles of selected signa)FFTanalysiisNumber ofFun-ci amen tai TrequiencyFFT settingsDisptay style .Bar (relatrve to funaam.Freqericy尊孰棹Hertzr.1ajc F r&qu&rtcy i.H z:35QQDispisyClase(1)将调制深度 m 设为 0.5，输出

15、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 PWhfi 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 的交流分量以及与开关频率有关的更高次谐波分量。其中的直流局部是向负载提供有功功率，其余局部使得直流电源周期性吞吐能量，为无功电流。200-2000.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055-Tima to-1-FFT windowSMrt Mine rs)0-02Fu

16、ndamentsl (50Hz = 151 3 . THD= 261 66%Frequency (HN)-rolEsun-=孝一要图2.2 (1) (c) fc=750HZ m=0.5时的直流电流谐波分析图15Powergiii FFT Analy匝TooLFile Edit Vie.v Insert Tools fiesktop yj/mdow Help OAvailable signalsStru ctuve ScopeDataInputIn口ut 2Signal numtjer:i FFT window-Start time 口Number of 2Fu ndamenial freque

17、ncy 50-FFT settings-Display style :_一Bar (Felativt tg fun1M-BaseFraouency axh:Hertzvhiax rrecjoency i nz；. 350Qi Dispiay i Close图2.2 (1) (b) fc=750HZ m=0.5时的交流电流谐波分析图Powerful FFT AndFyK TooLile Edit iww Insert Tools fiesktop Window Help0 E H盘,、-犁？对卖以建 口田 回Signal to analyze-Display sekected s Display

18、 FF ;vindD*vbb Iwindow: N of 3 cyclesotselectedsignal(roluaEcopulsJo笠-Available signals Structure :_ScopeData*Input :_而口ut3wSiynal number;1、MV-FFT windowStart time i P-2Number of卫Fundamental tr&quenc/ 50-FFT settings-Dsplaytyle: Bar (relative tofun,.*I S| I UIFrequency axtsi Hertz*hiax rrecjiien

19、cy i riz. 350 0.Display Clos言EOEBP与LLJO淳主图2.2 (2) (a) fc=750HZ m=1时的交流电压谐波分析图16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 次谐波分量到达基波的 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 THE&到 261.66%。(2)将调制深度设为 1,那么仿真波形如图 2.2 (2)所示。交流电压的中心局部明显加宽。la0 010.0150.020.0250.030.0350.

20、040 0450 050.0550.06Time0图2.2 (2) fc=750HZ m=1时的仿真波形图(MUJ-BunLLo蔓R1检扇 您 档*宅 顷 口田图2.2 (2) (a) fc=750HZ m=1时的交流电压谐波分析图17图2.2 (2) (c) fc=750HZ m=1时的直流电流谐波分析图18Signal to analyze-Display setect&d sig - Display FFT window卜卜I window 2 ot J cycles ot selected signal02000 02 0 025 0.03 0.035 0.04 0.045 0

21、.05 0.055UuTTiber of 2Fur?gnentfll freue：ncy5CFFT settrngsDt&play style :Bar:re：atLe to funds.y耳良Frequency axis:Hertzrpi ax r requency ins :3SOODispisyClose图2.2 (2) (b) fc=750HZ m=1时的交流电流谐波分析图Powergui FFT Anay ToolFile Edit View Insert Tools Desktop Window Help白己H aI_- it_史一 D t3 ud玉-v O 43-国Fil

22、e Edit View Insert Tools Desktop Window Help(roeWEEPULr名襄言=Available signals-Structure :ScopeEataVInput :input 2Signal number:LI1Starttime (s p-2J %巧兴房 E200FFT wndow-THPWFrequencyi Hz；(-E一版tuHJp与!_!_一图2.2 (3) (a) fc=1500HZ m=1时的交流电压谐波分析图19对输出的交流电压和交流电流进行FFT 分析，可得频谱图如图 2.2(2)(a)和 2.2 (2) (b)所示。基波幅值增加

23、到 299V。其谐波特性也有较大变化，15 次 谐波明显降低，只有基波的 59.81%,但 13 次谐波有所增大，THD 为 100.28 毗 流电流的 TH 驰降低到9.91%。(3)当 m=1,fc=1500HZ 时，输出交流电压、交流电流和直流电流仿真波形 图如图 2.2 (3)所示。图2.2 (3) fc=1500HZ m=1时的仿真波形图Fundamental (50Hz) = 300.4 THD= 99 45%O 00。6 4 201000 1500 2000 25003000 3500Frequency (Hz)Avilble signalsStnjHSiMra :ScopeDa

24、taSnpiut:input 1Signal numttr;FFT windowStart lime i s： 0-02Mu mer ofF ndamental frequency 5D FFT settingsDisplay styleBar (relatrve to fund .*FrequencyHertzMax Frequency (Hz):3SO0DkspiayC-ltoscSignal to analyze-Display selected： sic DiftpkiyFFTwlrwl&vFFT window: 2 of 3 cycles of selected signal

25、I FFT analysis图2.2 (3) (c) fc=1500HZ m=1时的直流电流谐波分析图20图2.2 (2) (b) fc=1500HZ m=1时的交流电流谐波分析图21通过比拟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。假设进一步提高载波频率，那么负 载电流更加接近丁正弦波形。三、PSIM仿真及结论分析3.1建立仿真模型双极性模式PWM变电路 PSIM 仿真电路包括主电路和调制电路两局部，其 仿真电路图如图 3.1

26、所示。图3.1双极性模式PW通变电路图图3.2调制电路仿真波形图22主要参数设置P Element ListFileITetlist HameNaiikSOthsr InfcCOMF切MFIFILTER_LP2LF311000 ，IGETIGBTi0 , 0IGETIGBT20 , 0IGBTKJBTS0 , oIGETIGBT40, 0BOTGATEB0T2ijNCTRLCH2ONCTRLOff!RLELII , 10m , OTHETHD260 , 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10.005.000.00-5,00V3图3.2调制电路仿真波形图2324以下为不同调制比时的仿真波形图调制比 N=1000/50=20 时0.D6DD11 6&14510S.911THD=1.681输出电压幅值=108.911V输出电压经滤波后Time25调制比 N=5000/50=100 时MeasureTime006001U61.