SPWM在逆變器控制中的應(yīng)用畢業(yè)論文

1、 nanchang university現(xiàn)代電力電子技術(shù)題 目： spwm在逆變器控制中的仿真應(yīng)用 學(xué) 院： 信息工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 電氣工程 學(xué) 號(hào)： 416114313017 學(xué)生姓名： 任課教師： 日 期： 2014年5月23日 spwm在逆變器控制中的仿真應(yīng)用逆變技術(shù)(dc/ac)是電力電子技術(shù)的重要組成部分，是在電力電子技術(shù)中最主要、最核心的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于不間斷電源(ups)、各種逆變電源、變頻電源、開(kāi)關(guān)電源、交流穩(wěn)壓電源、光伏逆變、交流電機(jī)調(diào)速、電動(dòng)汽車(chē)、電氣火車(chē)等場(chǎng)合。按照輸出交流側(cè)是否連接到電網(wǎng)，逆變電路可以分為有源逆變和無(wú)源逆變兩類(lèi)。1 逆變器的主電路結(jié)構(gòu)逆變器的主電路結(jié)構(gòu)

2、形式多種多樣，有全橋型、半橋型及推挽型等。中小容量逆變電源多采用半橋式逆變器結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。中大容量逆變電源一般采用全橋式和推挽式逆變器結(jié)構(gòu)。為了濾除高次諧波，逆變橋后級(jí)均接有l(wèi)c濾波器。小容量逆變電源因?yàn)檩敵鋈萘啃?，電壓和電流不大，因此開(kāi)關(guān)器件多選用電力mosfet。而大容量正弦波輸出的逆變電源因其電壓電流一般都比較大，因此多采用igbt作為它的開(kāi)關(guān)器件。本文逆變器主電路選用全橋式結(jié)構(gòu)，帶有輸出隔離變壓器的主電路形式，并采用igbt作為開(kāi)關(guān)器件。主電路圖如圖1所示?？刂萍夹g(shù)采用正弦脈寬調(diào)制(spwm)。圖1 單相spwm全橋逆變器2 正弦脈寬調(diào)制逆變技術(shù)所謂的正弦波脈寬調(diào)制(spw

3、m)波形，就是與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形。它的原理是:把正弦波分成n等分，然后把每一等分的正弦曲線與橫軸包圍的面積用一個(gè)與此面積相等的矩形脈沖來(lái)代替，矩形脈沖的幅值是不變的。各脈沖的中點(diǎn)于每一等分的中點(diǎn)重合。這樣，由n個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖組成的波形與正弦波等效，稱(chēng)作spwm波形。spwm控制技術(shù)根據(jù)控制信號(hào)極性的不同可分為單極性和雙極性兩種。單極性spwm是指在一個(gè)載波周期內(nèi)，逆變橋的輸出電壓(即兩橋臂中點(diǎn)間電壓)uab只有0和正電壓或0和負(fù)電壓;雙極性spwm則是指一個(gè)載波周期內(nèi)，逆變橋的輸出電壓uab既有正電壓，又有負(fù)電壓。下面分別對(duì)這兩種spwm調(diào)壓方式進(jìn)行說(shuō)明。2.

4、1雙極性正弦脈寬調(diào)制雙極性正弦脈寬調(diào)制原理波形，如圖2所示。輸出電壓uo(t)波形在02區(qū)間關(guān)于中心對(duì)稱(chēng)、在0區(qū)間關(guān)于軸對(duì)稱(chēng)、其傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式為 （2-1） 圖2雙極性正弦脈寬調(diào)制原理波形式(2-1)中。輸出電壓u(t)可以看成是幅值為u1n2/n1、頻率為f n的方波與幅值為2uin2/n1、頻率為fc的負(fù)脈沖列(起點(diǎn)和終點(diǎn)分別為1、2、2p-1、2p 的疊加。因此 （2-2）則輸出電壓為 （2-3）輸出電壓基波分量uo1（t）為 （2-4）輸出電壓諧波含量與調(diào)制度的關(guān)系，如圖3所示。圖3輸出電壓諧波含量與調(diào)制度的關(guān)系2.2單極性正弦脈寬調(diào)制用幅值為ur的參考正弦波ur與幅值為uc、頻率為

5、fc的三角波u。比較，產(chǎn)生功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。單極性正弦脈寬調(diào)制原理波形，如圖4所示。圖4是用單相正弦波全波整流電壓信號(hào)與單向三角形載波交截、再通過(guò)倒相得到功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，或者是直接用參考正弦波與單向三角形載波交截產(chǎn)生功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 參考波頻率fr決定了輸出頻率fo，每半周期的脈沖數(shù)決定于載波頻率f c 。 圖 4單極性正弦脈寬調(diào)制spwm原理波形通過(guò)改變參考正弦波幅值改變調(diào)制度，輸出電壓峰值由0變到u1n2 / nl。如果第j個(gè)脈沖寬度為1，可以得到輸出電壓有效值為 （2-5）輸出電壓的傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式為 （2-6）式(2-6 )中，n=1, 3, 5.，系數(shù)an和bn由每個(gè)脈寬為、起始

6、角為a的正脈沖和對(duì)應(yīng)的負(fù)脈沖起始角+a來(lái)決定。 可計(jì)算輸出電壓的傅立葉級(jí)數(shù)的系數(shù)為 （2-7） （2-8）以半個(gè)周期內(nèi)有五個(gè)調(diào)制脈沖為例，單極性正弦脈寬調(diào)制諧波含量、thd與調(diào)制度的關(guān)系，如圖5所示。這類(lèi)調(diào)制方法消除了所有低于或等于2p-1次諧波，p=5時(shí)最低次諧波為9次。 圖5單極性正弦脈寬調(diào)制諧波含量、thd與調(diào)制度的關(guān)系根據(jù)以上分析可以看出，單極性spwm調(diào)制方法與雙極性spwm調(diào)制方法相比，在單極性spwm調(diào)制方法下，由于s2和s4兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的工作頻率為低頻(調(diào)制波頻率)，所以可以選擇要求較低的低頻開(kāi)關(guān)管，同時(shí)開(kāi)關(guān)損耗也大約只有雙極性調(diào)制方式的1/2。對(duì)于逆變橋輸出電壓的諧波含量，由圖

7、3和圖5得到的結(jié)論是單極性調(diào)制小于雙極性調(diào)制。不過(guò)值得注意的是，在單極性調(diào)制的工作方式下，當(dāng)負(fù)載比較輕的時(shí)候，可能出現(xiàn)電感電流斷續(xù)現(xiàn)象，而在雙極性調(diào)制方式下則不會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù)。但是相對(duì)于單極性spwm調(diào)制的眾多優(yōu)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都建議使用。2.3倍頻單極性正弦脈寬調(diào)制圖6是倍頻單極性正弦脈寬調(diào)制的原理波形。用兩個(gè)極性相反的參考正弦波與雙向三角形載波交截產(chǎn)生功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。逆變橋的輸出電壓uab。的脈動(dòng)頻率是逆變器中開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)頻率的兩倍，所以稱(chēng)之為倍頻單極性正弦脈寬調(diào)制。 圖 6倍頻單極性正弦脈寬調(diào)制spwm原理波形雖然，在這種調(diào)壓方式下，s2和s4兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的工作頻率相比普通單極性

8、spwm調(diào)壓方法工作在高頻下，增大了開(kāi)關(guān)損耗，但是倍頻單極性spwm調(diào)壓方法的優(yōu)點(diǎn)就在于同樣的開(kāi)關(guān)頻率fc下，u。的脈動(dòng)頻率提高了一倍，也就使諧波含量減少了1/2，輸出濾波電感的紋波電流頻率提高了一倍。因此，只需要相對(duì)較小的電感和電容濾波器件，就可以起到同樣的濾波效果，提高了系統(tǒng)的性能，也降低了體積和成本。綜上所述，雙極性、單極性以及倍頻單極性spwm調(diào)壓方法在基本的工作原理下，有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。并目，從上述分析可以看出，這三種調(diào)壓方法都可以很方便的用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)?；诒额l單極性spwm調(diào)壓方法的明顯的優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的逆變器采用了這種調(diào)壓方式。3單相電壓型全橋spwm逆變器仿真圖1為單相全橋逆變

9、器簡(jiǎn)圖，igbt的控制信號(hào)為spwm波，ui, ii分別為逆變橋的輸出電壓、電流，uo. io為逆變器的輸出電壓、電流，uc,ic,心分別為電容電壓和流經(jīng)電容的電流。相關(guān)參數(shù)為:載波頻率關(guān):fc:l0kh, l1: 1.15mh,l2: 0.1 mh , c: 90uf;額定功率:6kva;額定電壓:220 v ;額定頻率無(wú):fs:50hz。載波為全三角波，調(diào)制波為正弦波。取ii，uc和u。作為狀態(tài)變量可得式(1)和式(2)，設(shè)ui(s)為調(diào)制信號(hào)，可得主回路框圖如圖7所示。 （2-9） （2-10） 圖7逆變器主回路框圖圖7自身結(jié)構(gòu)中有io負(fù)反饋和uc負(fù)反饋，采用相應(yīng)的電流、電壓正反饋來(lái)抑制

10、負(fù)載變化時(shí)的極點(diǎn)變化。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖8所示，電流內(nèi)環(huán)取ki=20;引入內(nèi)部模型控制的電壓調(diào)節(jié)器可使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差趨近零，其調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)見(jiàn)式(2-11) （2-11）待添加的隱藏文字內(nèi)容3圖8雙閉環(huán)逆變器系統(tǒng)框圖3.1 單相spwm逆變橋采用matlab/simulink中的基本運(yùn)算模塊對(duì)逆變橋進(jìn)行仿真，其具體方案如圖9所示。圖9逆變橋仿真結(jié)構(gòu)圖e為直流輸入電壓，uab和ii為輸出電壓和輸出電流;封裝的子系統(tǒng)subsystem14用于產(chǎn)生t1至t4的控制信號(hào)pwm1、pwm2、pwm3、pwm4。pwm14的產(chǎn)生原理見(jiàn)圖10圖10 pwm1的仿真結(jié)構(gòu)圖 tri為三角波，relay據(jù)輸入信號(hào)

11、的正負(fù)觸發(fā)電平，輸出系列脈沖，delay用于設(shè)置死區(qū)時(shí)間。3.2逆變器主回路 圖11為圖1的仿真結(jié)構(gòu)，其中逆變橋模型見(jiàn)圖9、 10。圖11 逆變器系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖3.3逆變器控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的雙閉環(huán)逆變器控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)如圖12所示，ki=20，gv見(jiàn)式（2-3）。圖12 逆變器控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖3.4 仿真波形us=90sin（wst），uc=e=100,即調(diào)制比m=0.9，負(fù)載為額定純阻負(fù)載，死區(qū)時(shí)間為2us，定步長(zhǎng)為0.000001，用ode5算法，則無(wú)死區(qū)補(bǔ)償時(shí)濾波器前后的電壓仿真波形見(jiàn)圖13 （a）輸入電壓 （b）輸出電壓圖13 濾波器輸入輸出電壓仿真波形圖14 為調(diào)制比為0.92時(shí)逆變橋輸出電壓的仿真頻譜，采用電氣系統(tǒng)模塊庫(kù)中的powergui進(jìn)行傅里葉分析得到，圖15為采用死區(qū)補(bǔ)償、閉環(huán)控制后的逆變器輸出電壓的仿真波形圖14 濾波器輸入電壓頻譜圖15 有死區(qū)補(bǔ)償閉環(huán)的輸出電壓波形4討論 (1)此方案適用于死區(qū)寬度小于90%的pwm波最小脈沖寬度的情況，如果死區(qū)設(shè)置過(guò)長(zhǎng)或者器件開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高，則被忽略的spwm波將影響輸出電壓。 (2)如考量igbt和