电力电子课程设计说明书模版

1、CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY课 程 设 计 说 明 书课程设计名称：电力电子技术题目：基于PWM控制的三相逆变电路建模与仿真二级学院（直属学部）：电气与光电工程学院专业： 新能源科学与工程 班级： 14能源二学生姓名： 尹 悦 学号： 14021326 指导教师： 柴济民 职称： 讲 师2017年2月28日电力电子课程设计任务书二级学院：电气与光电工程学院 班级：14能源二 组号： 专业：新能源科学与工程 指导教师： 柴济民 职称： 讲 师 课题名称基于PWM控制的三相逆变电路建模与仿真课 题 内 容 及 指 标 要 求课题内容：1、根据设计要求完成基于I

2、GBT模块的PWM三相逆变主电路建模；2、根据设计要求完成基于SPWM载波调制方式的控制模块建模；3、根据设计要求完成基于电流滞环控制方式的控制模块建模；4、在两种不同控制模式下分别进行逆变电路的仿真，并对输出波形进行分析；5、仿真软件采用MATLAB/SINMULINK模块。指标要求：1、输入直流电压可调 110 V； 2、载波调制中采用三角波载波，并对其参数进行设置载波比 3 ；调制比0.664；3、电流滞环环节的滞环上下限 0.2 ；指令电流 8 A 4、负载电阻负载为 1 ，电感负载 8 mH；5、要求两种方式下输出电流接近正弦波，并用FFT模块进行分析中各种谐波含量。进程安排第1-2

3、天 阅读教材课程设计指导书，熟悉设计要求和设计方法，理论学习和熟悉PWM控制的基本原理；第3天 搭建三相PWM逆变电路主电路模型；第4-5天 构建基于载波调制的控制模块，并进行系统仿真调试；第6-7天 构建基于电流滞环的控制模块，并进行系统仿真调试；第8-9天 分析仿真波形，撰写课程设计说明书；第10天 完善设计并答辩。起止日期2017年2月20日2017年3月3日目 录 一、课题背景- 4 -1.1课题的意义- 4 -1.2 PWM三相逆变电路的工作原理- 4 -1.3载波调制技术原理- 6 -1.4电流滞环控制技术原理- 6 -二、课题设计要求- 7 -三、课题设计方案- 8 -3.1系统

4、的组成- 8 -3.2主电路的设计- 8 -3.3载波调制控制仿真电路的设计- 8 -3.4电流滞环控制仿真电路的设计- 8 -四、仿真结果- 9 -4.1基于载波调制逆变电路仿真- 9 -4.2基于电流滞环控制逆变电路仿真- 9 -五、总结- 10 -六、参考文献- 11 -七、附录- 12 -一、课题背景1.1课题的意义 PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍占主导地位,并一直是人

5、们研究的热点。 由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点，由此在交流传动乃至其它能量变换系统中得到广泛应用。正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势。随着电力电子技术的发展，特别是可关断晶闸管GT0，电力晶体管GTR，绝缘门极晶体管IGBT，MOS晶闸管及MTC等具有自关断能力全控功率元件的发展，再加上控制单元也从分离元件发展到大规模数字集成电路及采用微机控制，从而使变频装置的快速性，可靠性及经济性不断提高，变频调速系统的性能也得到不断完善。PWM控制技术在逆变电路中的应用十分广泛，目前中小功率的逆变

6、电路几乎都采用了PWM技术。常用的PWM技术主要包括：正弦脉宽调制(SPWM)、选择谐波调制（SHEPWM）、电流滞环调制（CHPWM）和电压空间矢量调制（SVPWM）。 随着电力电子技术，计算机技术，自动控制技术的迅速发展，PWM技术得到了迅速发展，SPWM正弦脉宽调制法这项技术的特点是原理简单，通用性强，具有开关频率固定，控制和调节性能好，能消除谐波使输出电压只含有固定频率的高次谐波分量，设计简单等一系列有点，是一种比较好的波形改善法。它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。SPWM技术成为目前应用最为广泛的逆变用PWM技术。因此，研究SPWM逆变器的基本工作原理和作用特

7、性意义十分重大。1.2 PWM三相逆变电路的工作原理 PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲。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，也可改变逆变输出频率。 要改变等效输出正弦波幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。PWM三相逆变电路工作原理有二，其一，面积等效原理；其二，用PWM波代替正弦半波。面积等效原理：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。冲量即指窄脉冲的面积，效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同，形状不同而冲量相同的各种窄脉冲如图

8、1-1所示。如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。 图1-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲用PWM波代替正弦半波：将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲宽度为/N，但幅值顶部是曲线且大小按正弦规律变化的脉冲序列组成的。把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而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，这就是PWM波形，具体方式如图1-2所示。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。 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SPWM（Sinusoidal PWM）波形

9、。 图1-2 用PWM波代替正弦半波1.3载波调制技术原理PWM波形中各脉宽的宽度和间隔可以按计算法计算出来，也可以用调制法通过信号波的调制得出PWM波形。本设计采用调制法，即把希望输出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或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多。本设计采用的是三相桥式双极性PWM控制方式。采用双极性方式时 ，U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波uc，三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120° 。三相桥式PWM逆变电路原理图如图1-3所示。图1-3 三相桥式PWM逆变电路电路工作

10、过程（U相为例），当urU > uc时，上桥臂V1导通，下桥臂V4关断，则U相相对于直流电源假想中点N的输出电压uUN = Ud/2； 当urU < uc时，V4导通，V1关断，则uUN, = -Ud/2。 V1和V4的驱动信号始终是互补的。当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是二极管VD1(VD4)续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定。uUN、uVN和uWN的PWM波形都只有±Ud/2两种电平。输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成。当臂1和6导通时，uUV = Ud。当臂3和4导通时，uUV =Ud。当臂1和3或臂4和6导通

11、时，uUV = 0。 负载相电压uUN可由下式求得：（1-1）载波频率fc与调制信号频率fr之比N = fc/fr称为载波比，根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式可分为异步调制和同步调制两种。 本设计采用异步调制，即保持载波频率fc固定不变，因而当信号波频率fr变化时，载波比N是变化的。当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小，PWM波形接近正弦波。当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大，输出PWM波和正弦波的差异变大，对于三相PWM型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差。1.4电流滞环控制技术原理跟踪控制

12、方法：把希望输出的电流或电压波形作为指令信号，把实际电流或电压波形作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各功率开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号变化。三相电流跟踪型PWM逆变电路如图1-4所示，由三个单相半桥电路组成，三相电流指令信号iU*、iV*和iW*依次相差120°。在线电压的正半周和负半周内，都有极性相反的脉冲输出，这将使输出电压中的谐波分量增大，也使负载的谐波损耗增加。图1-4三相电流跟踪型PWM逆变电路电流跟踪控制的精度与滞环的环宽有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约。当环宽选得较大时，可降低开关频率。但电流波形失真较多，谐波分量高。如果环宽太小

13、，电流波形虽然较好，却使开关频率增大。所以实际应用中应在充分利用器件开关频率的前提下，正确选择可能小的环宽。滞环比较方式下的指令和输出电流如图1-5所示。图1-5滞环比较指令和输出电流采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM变流电路有如下特点：硬件电路简单；实时控制，电流响应快；不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波；和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含量多；属于闭环控制，是各种跟踪型PWM变流电路的共同特点。二、课题设计要求1、输入直流电压可调110V； 2、载波调制中采用三角波载波，并对其参数进行设置载波比3，调制比0.664；3、电流滞环环节的滞环上下限0.2，指令电流

14、8A； 4、负载电阻负载为1，电感负载8mH；5、要求两种方式下输出电流接近正弦波，并用FFT模块进行分析中各种谐波含量。三、课题设计方案3.1系统的组成3.2主电路的设计本设计是基于IGBT模块的PWM三相桥式逆变电路建模，主电路如图1-6所示。从电路结构上看，如果把三相负载看成三相整流变压器的三个绕组，那么三相桥式逆变电路犹如三相桥式可控整流电路与三相二极管整流电路的反并联，其中可控电路用来实现直流到交流的逆变，不可控电路为感性负载电流提供续流回路，完成无功能量的续流和反馈，因此VD1VD6称为续流二极管或反馈二极管。图1-6 基于IGBT模块的PWM三相桥式逆变主电路3.3载波调制控制仿

15、真电路的设计载波调制控制仿真电路如图1-7所示，当0.88ur uc时，输出4；当0.88ur < uc时，输出Out1；当0.88vr uc时，输出5；当0.88vr < uc时，输出Out2；当0.88wr uc时，输出6；当0.88wr < uc时，输出Out3；载波比N = fc/fr可根据公式算的fc = N*fr，可设置三角波的频率和周期。 用示波器14021326尹悦1测得三角波和三个正弦波行，用示波器14021326尹悦测相电压UN、VN和WN 的波形及电阻电感两端的电压电流，用示波器14021326尹悦3测得线电压UV、VW和UW的波形。

16、图1-7 载波调制控制仿真电路图3.4电流滞环控制仿真电路的设计指令电流i*与实际输出电流i的偏差i*-i作为带有滞环特性的比较器的输入，通过其输出来控制IGBT的通断。有脉冲和无脉冲信号输出由示波器14021326尹悦1显示。电流滞环控制仿真电路的设计原理图由图1-8所示：图1-8 电流滞环控制仿真电路图四、仿真结果4.1基于载波调制逆变电路仿真4.2基于电流滞环控制逆变电路仿真 （1-1） 公式居中，公式标号顶右边，公式用公式编辑器五、总结通过这次仿真的确收获了很多，感觉自己对于电力电子技术这门课程有了更加深刻的认识。因为把平时所学的知识应用于实践真的会遇到很多问题，当然也会发现有很多乐趣

17、在其中。可以说整个设计中最麻烦的就是把一些在课本中学到的知识在Matlab中进行仿真得到正确的结果。这个过程是十分繁琐的，也是很锻炼人的。通过本次课程设计，我学会了使用Matlab软件仿真集成环境Simulink进行仿真的基本操作方法，也对逆变器和SPWM有了进一步的理解。在使用Matlab的Simulink进行仿真时，很多时候波形不一定能够快速正确的出现，这个时候就要好好研究其深层次的原理，同时要注意Matlab的仿真的一些细节，例如哪里可以接线哪里不行，电路接不接地，仿真时间的设定，采用自动定标器Autoscale观察波形等。这些软件的使用技巧在仿真的时候显得尤为重要！以后自己一定要多多注重培养自己的实践能力