单相单双极性SPWM仿真课设

1、目录引言11.单相SPWM结构及其工作原理21.1PWM控制的基本原理21.2 SPWM基本原理22.单相PWM逆变电路及其控制方法32.1单相SPWM逆变电路结构32.2单相SPWM逆变电路的控制方法3计算法和调制法3调制度42.2.3异步调制与同步调制4采样方法4单极性与双极性控制方式53.MATLAB仿真建模63.1单极性SPWM逆变电路建模6单极性PWM逆变主电路建模7单极性SPWM逆变控制电路建模83.2双极性SPWM逆变电路建模9双极性SPWM逆变主电路建模9双极性SPWM逆变控制电路建模104.仿真结果114.1单极性SPWM仿真结果114.2双极性SPWM仿真结果154.3仿真

2、结果分析185.总结196.参考文献20引言随着电力电子技术的不断发展，电力电子技术的各种装置在国民经济各行各业中得到了广泛应用。从电能转换的观点，电力电子的装置涵盖交流直流变换、直流交流变换、直流直流变换、交流交流变换。比如在可控电路直流电动机控制，可变直流电源等方面都得到了广泛的应用,而这些都是以逆变电路为核心。由于电力电子技术中有关电能的变换与控制过程，内容大多涉及电力电子各种装置的分析与大量的计算、电能变幻的波形分析、测量与绘制等，这些工作特别适合Matlab的使用。本文建立了基于Matlab的单相桥式SPWM逆变电路的动态模型给出了仿真的实例与仿真结果，验证了模型的正确性，并展现了M

3、atlab仿真具有的快捷，灵活，方便，直观的以及Matlab绘制的图形准确、清晰、优美的优点，可以用Matlab软件来对电路的工作原理进行讨论分析和仿真，从而为电力电子技术的分析及设计提供了有效的工具。1.单相SPWM结构及其工作原理1.1PWM控制的基本原理PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，其控制的基本原理是面积等效原理，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。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段常接近，仅在高频段略有差异。1.2 SPWM基本原理如图1-1为PWM波等效为正弦波，1-1a中把正弦波分成N等分，就可以把

4、正弦波看成是由N个彼此相连的脉冲序列组成的波形，这些脉冲的宽度相等，都为/N，但幅值不相等。如果把这一系列的窄脉冲用等幅而不等宽的矩形窄脉冲代替，使矩形脉冲的中点与相应的正弦脉冲部分的中点重合，且使矩形脉冲与相应的正弦脉冲的面积相等，且宽度是按正弦规律变化的如图1-1b，由面积等效原理可知，PWM波和正弦波是等效的。这种脉冲宽度按正弦规律变化和正弦波等效的PWM波形叫做SPWM。图1-1 PWM波等效为正弦波2.单相PWM逆变电路及其控制方法2.1单相SPWM逆变电路结构如图2-1是单相PWM逆变电路VT1VT4是四个IGBT管，VD1 VD4是四个二极管，调制电路作为控制电路控制IGBT导通

5、与关断来得到所需要的波形图2-1单相SPWM逆变电路2.2单相SPWM逆变电路的控制方法计算法和调制法SPWM逆变电路主要有两种控制方法：计算法和调制法。计算法是将PWM脉冲宽度的波形计算出来，显然这种方法是很繁琐的，不采用。调制法是用一个三角波作为载波，将一正弦波作为调制信号进行调制。我们采用调制法。因为等腰三角波上下宽度与高度呈线性关系且左右对称，当它与一个平缓变化的正弦调制信号波相交时，在交点时刻就可以得到宽度正比于正弦信号波幅度的脉冲调制度调制度用Ma表示， 2.2.3异步调制与同步调制载波频率fc与调制信号频率fr之比N=fc/fr叫载波比。在调制过程中N变化的叫异步调制，N不变的叫

6、同步调制。我们采用同步调制。2.2.4采样方法采样方法包括自然采样法与规则采样法。自然采样法在载波与调制波的交点处采样，这要求解复杂的超越方程，难以在实时控制中在线计算，工程上不采用。工程上采用规则采样法，如图2-2-4所示在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点，过D作水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制开关器件的通断，脉冲宽度d 和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。 图2-2-4规则采样法由于我们用的是MATLAB仿真，我们采用自然采样法。2.2.5单极性与双极性控制方式单极性PWM控制方式：如图2-2所示，在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断ur正

7、半周，VT1保持通，VT2保持断当ur>uc时使VT4通，VT3断，uo=Ud当ur<uc时使VT4断，VT3通，uo=0ur负半周，VT1保持断，VT2保持通当ur<uc时使VT3通，VT4断，uo=- Ud当ur>uc时使VT3断，VT4通，uo=0虚线uof表示uo的基波分量图2-2单极性SPWM控制方式波形双极性PWM控制方式：如图2-3所示，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，在ur一周期内，输出PWM波只有±Ud两种电平，仍在调制信号ur和载波信号uc的交点控制器件的通断，ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。当ur

8、 >uc时，给VT1和VT4导通信号，给VT2和VT3关断信号，如io>0，VT1和VT4通，如io<0，VD1和VD4通， uo=Ud当ur<uc时，给VT2和VT3导通信号，给VT1和VT4关断信号，如io<0，VT2和VT3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制图2-3双极性SPWM控制方式波形3.MATLAB仿真建模3.1单极性SPWM逆变电路建模建模时，为了方便采用通用桥universal bridge其内部结构如图3-1 图3-1在此我们用到了两个桥臂，当四列PWM信号输入通用桥的g端口时

9、，通用桥会自动分配每一列的信号给每一个管子，控制该管子的开闭。其输入的顺序是，第一列信号输入到Q1，第二列信号输入到Q2，第三列信号输入到Q3，第四列信号输入到Q4.。 单极性PWM逆变主电路建模如图3-2是单极性SPWM逆变主电路图3-23.1.2单极性SPWM逆变控制电路建模单极性SPWM逆变控制电路建模图如图3-3图3-3 单极性控制电路图对控制电路进行封装，封装的参数为输出频率f，载波比N，调制度Ma，由于要保持各控制脉冲输出的数据类型相同，在输出端均加有逻辑门控制电路的实现方法如下：将幅值为2，占空比为50%的脉冲减去幅值为1的直流电压得到正负交替占空比为50%的脉冲用得到的正负脉冲

10、与三角载波相乘得到正负交替的三角载波相比较。参数-图3-4a pulse generator参数 f为正弦波频率图3-4b三角波发生器参数 f为正弦波频率 N为载波比图3-4c正弦波发生器参数 f为频率图3-43.2双极性SPWM逆变电路建模3.2双极性SPWM逆变电路建模双极性SPWM逆变主电路建模双极性SPWM逆变主电路建模如图3-5图3-5双极性SPWM逆变控制电路建模双极性SPWM逆变控制电路建模如图3-6直接将正弦波与三角载波相交即可图3-6参数设置如图3-7图3-7a三角波发生器参数 f为正弦波频率 N为载波比图3-7b 正弦波发生器参数 f为频率图3-74.仿真结果4.1单极性S

11、PWM仿真结果仿真时设置仿真时间为0.04s，仿真最大步长为10-5s，电源电压Ud=220V负载电阻R=1K，电感L=0.1H图3-8a为f=50，N=18，Ma=0.9时的波形结果图（uo为输出电压io为输出电流）t/st/st/s图3-8a 图3-8b为f=50，N=18，Ma=0.9时输出电压uo的频谱图图3-8b图3-8c为f=50，N=18，Ma=0.9时输出电流io的频谱图图3-8c图3-9a为f=50，N=24，Ma=0.9时的波形结果图（uo为输出电压io为输出电流）t/st/st/s图3-9a图3-9b为f=50，N=24，Ma=0.9时的输出电压uo的频谱图图3-9b图3

12、-9c为f=50，N=24，Ma=0.9时输出电流io的频谱图图3-9c4.2双极性SPWM仿真结果仿真时设置仿真时间为0.04s，仿真最大步长为10-5s图3-10a为f=50，N=18，Ma=0.9时的波形结果图（uo为输出电压io为输出电流）t/st/st/s图3-10a图3-10b为f=50，N=18，Ma=0.9时输出电压uo的频谱图图3-10b图3-11a为f=50，N=24，Ma=0.9时的波形结果图（uo为输出电压io为输出电流）t/st/st/s图3-11a图3-11b为f=50，N=24，Ma=0.9时输出电压uo的频谱图图3-11b图3-11c为f=50，N=24，Ma=

13、0.9时输出电流io的频谱图图3-11c图3-12为f=50，N=24，Ma=0.9时，负载L=0.5H时的波形结果图（uo为输出电压io为输出电流）与输出电流频谱图t/s/V/At/st/s图3-12a 负载变化后的输 出结果图3-12b 负载变化后的输出电流io频谱图Subplot绘图语句为：subplot(3,1,1)plot(a.time,a.signals(1).values)subplot(3,1,2)plot(a.time,a.signals(2).values)subplot(3,1,3)plot(a.time,a.signals(3).values)4.3仿真结果分析由结果图

14、可以看出对于同一类型的SPWM电路载波比N越大，畸变率THD越小，说明波形效果越好。单极性时：当N=18，THD=44.73%.当N=24时，THD=2.34%.双极性时：当N=18，THD=84.53%，当N=24，THD=0.19%.由图3-11a和图3-12还可得出但负载电阻R不变时，电感L越大输出的电流的波动越小，越接近正弦波。从这俩个图可以看出负载的变化对输出电压uo的波形没有影响通过对单极性与双极性SPWM结果的比较可以看出单极性的输出电流的波动幅值更小，谐波频率高，畸变率THD小，更接近正弦波。对各输出电压uo的频谱分析可看出PWM波不含有低次谐波，只含有高次谐波，其中80010

15、00HZ的谐波含量较多。5.总结通过一周的课程设计，我对本课程的内容有着一个比较连贯综合的认识，学到了很多的新东西，发现了自己在计算机仿真在电力电子实验中的理论实践知识上面的不足和缺陷，觉得自己应该有必要把老师所说的重要知识点真正学通学透。 这次课设有一周，由于课设安排在期末考试之后，对我们来说，在时间上是比较充裕的，压力没有那么大，我做的题目是单相逆变器SPWM的控制技术的仿真，老师讲解了相关的内容。这也是我对题目有所了解。但是要实际操作起来还是出现了很多的问题，列如搭好电路后，MATLAB不能进行仿真，后来发现真并不是逻辑的问题，而是仿真输出的数据类型不能不同，所以我在做脉冲控制电路时，在没一个输出端口前加了一个逻辑门。我做的课设有一个最大的不足是采用了自然采样法，而这在工程上是不实用的，所以还可以加以改进。此次课设还着重培养了我的Word的操作能力，在排版过程中我遇到了很多的困难，在同学们和老师的帮助下我顺利完成报告。通过这次课设以后，我受益匪浅，觉得我在独立的动手能力和分析解决问题的能力等方面有着很大的提高，具体说有以下几点：1）更加熟练地使用Matlab软