单极性模式PWM逆变电路的仿真电力电子课程设计.docx

1、电力电子系统综合训练课程设计任务书题 目： 单极性模式 PWM 逆变电路的仿真 学生姓名： 单兴银 班 级：电气工程及其自动化 8 班学 号： 13230803 指导教师： 魏祥林 一、 设计目的电力电子技术系统综合训练是自动化、电气工程及其自动化专业的一门重要的专业实践课，要求学生综合运用电子技术、微机原理、自动控制原理、电力电子技术、计算机仿真技术等课程知识，完成某一电力电子系统系的设计和仿真验证。通过该综合训练培养学生以下几个方面的能力：1综合运用所学知识，进行电力电子电路和系统设计的能力；2了解与熟悉常用的电力电子电路的电路拓扑、控制方法；3掌握常用的电力电子电路及系统的主电路、控制电

2、路和保护电路的设计方法，掌握元器件的选择计算方法；4具有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力。二、 设计内容本综合训练要达到综合运用所学知识，培养和提高学生的分析问题和解决问题的能力的目的。本综合训练包括如下几个内容：1. 介绍常用的电力电子系统计算机仿真方法（小信号分析、离散时域仿真方法、等效电路法、Laplace 变换法、周期时间序列分析法） ；2进行仿真软件（MATLAB/PSPICE/Saber）的基础训练；3掌握电力电子基本单元电路的设计、分析和仿真方法；4完成一些典型电力电子系统的计算机仿真（三相桥式全控整流电路、桥式直流PWM 变流器、三相电压源型 SPWM 逆变器、电流跟踪

3、型逆变器、三相交流调压器、斩波器供电的直流电机传动系统、逆变器供电的感应电机传动系统等） ，掌握电力电子系统基本的设计方法、分析方法和相关仿真软件（MATLAB/PSPICE/Saber）的使用方法。三、 设计要求及工作量1设计部分设计一单相 PWM 逆变电路，工作方式为单极性 PWM 方式，开关器件选用 IGBT，直流电压为 300V，电阻负载，电阻 1 欧姆，电感 2mh。根据上述要求完成主电路设计。2仿真部分完成上述单相 PWM 逆变电路的计算机仿真，观察输出电压波形、系统输入电流波形、电压电流波形的谐波情况、不同仿真条件时系统输入输出的变化情况、死区时间的影响、和理论分析的结果进行比较

4、。四、 要提交的成果1. 综合训练总结报告（不少于 20 页，约 1 万字左右）需包括：1)前言。2)目录。3)主电路工作原理说明。4)主电路设计详细过程。5)仿真模型的建立、各模块参数的设置。6)仿真结果分析。7)总结。8)参考文献。9)体会。2. 综合训练总结报告要求采用 A4 页面打印，小四宋体，单倍行距，采用 word 默认的页边距，仿真模型、模块参数设置、仿真结果等都要在总结报告中进行详细说明。五、设计进度计划及时间安排序号 工作内容 时 间1 布置任务书、审题 1 天2 仿真软件基础训练 1 天3 主电路设计及参数计算 1.5 天4 仿真模型搭建 1 天5 仿真模型调试与分析 3

5、天7 撰写综合训练报告 2 天8 答辩 0.5 天六、主要参考资料1王兆安等。电力电子技术（M） 。北京：机械工业出版社，2001。2李传琦。电力电子技术计算机仿真实验（M） 。北京：机械工业出版社，2006。3李维波。MATLAB 在电气工程中的应用（M） 。北京：中国电力出版社，2007。4洪乃刚。电力电子、电机控制系统的建模和仿真（M） 。北京：机械工业出版社，2010。前言逆 变 电 路 是 PWM 控 制 技 术 最 为 重 要 的 应 用 场 合 。 这 里 在 研 究 单 相桥 式 PWM 逆 变 电 路 的 理 论 基 础 上 ， 采 用 Matlab 的 可 视 化 仿 真

6、工具 Simulink 建 立 单 相 桥 式 单 极 性 控 制 方 式 下 PWM 逆 变 电 路 的 仿真 模 型 ， 通 过 动 态 仿 真 ， 研 究 了 调 制 深 度 、 载 波 频 率 对 输 出 电 压 、 负载 上 电 流 的 影 响 ； 并 分 析 了 输 出 电 压 、 负 载 上 电 流 的 谐 波 特 性 。 仿 真结 果 表 明 建 模 的 正 确 性 ， 并 证 明 了 该 模 型 具 有 快 捷 、 灵 活 、 方 便 、 直观 等 一 系 列 特 点 ， 从 而 为 电 力 电 子 技 术 教 学 和 研 究 中 提 供 了 一 种 较 好的 辅 助 工 具

7、 。关键词:Matlab/Simulink；PWM 逆变电路；动态仿真；建模 ；目录1 逆变电路相关概述 .11.1 MATLAB 的介绍 .11.2 PWM 技术 .11.3 PWM 控制方法 .12 主电路工作原理说明 .52.1 PWM 控制的基本原理 .52.2 PWM 逆变电路及其控制方法 .53 主电路设计的详细过程 .64 仿真模型的建立及各模块参数设置 .74.1 单极性 PWM 控制发生电路模型 .74.2 单极性 SPWM 方式下的单相桥式逆变电路 .95 总结 .16参考文献 .17体会 .181 逆变电路相关概述1.1 MATLAB 的介绍MATLAB 将矩阵运算、数值

8、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。 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。1.2 PWM 技术 PWM 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

9、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)。电压或电流源是以一种通(ON)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

10、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。 1.3 PWM 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

11、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 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

12、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 PWM（ 1） 等 脉 宽 PWM 法VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装 置 在 早 期 是 采 用PAM(Pulse Amplitude Modulatio

13、n)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

14、,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)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

15、 .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

16、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 PWM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

17、 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 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

18、 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

19、。 (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 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

20、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 。（

21、 四 ） 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

22、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 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

23、 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

24、 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 压 波 形 按 傅 氏 级 数 展 开 ,表 示 为 u( t)=ansinn t,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 。

25、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

26、 直 流 电 压 利 用 率 ,提 出 了 一 种 新 的 方 法 -梯 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

27、 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 .因 此 ,提 出 了 线 电 压 控 制 PWM,主 要 有 以 下两 种 方

28、 法 。 （ 1） 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

29、 三 个 线 电 压 和 线 电 流 中 均 不 含 三 次 谐 波 。 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 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 。 （ 2） 单 元 脉 宽 调 制

30、法因 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 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