逆變電路的MATLAB仿真研究畢業(yè)論文

1、1 緒論1.1 matlab仿真技術(shù)簡介matlab是一種集數(shù)學(xué)、分析、可視化、算法開發(fā)與發(fā)布于一體的軟件平臺(tái)，本課題要求逆變器變換電路的工作原理，利用matlab和simulink為基礎(chǔ)，完成電力電子器件以及逆變器變換電路的建模及仿真和各種負(fù)載下的輸出波形分析。并以此為基礎(chǔ)掌握matlab/simulink對(duì)一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的基本方法2。simulink是matlab最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。simulink具有使用面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn),并基于以上優(yōu)點(diǎn)simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字

2、信號(hào)的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)3。simulink是matlab中的一種可視化工具，是一種基于matlab的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一種軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的系統(tǒng)中的不同部分有不同的采樣速率5。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以直接看到系統(tǒng)的

3、仿真結(jié)果,這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。構(gòu)架在simulink基礎(chǔ)之上提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具,同時(shí)其他產(chǎn)品擴(kuò)展了simulink多領(lǐng)域建模功能。simulink可以直接訪問matlab大量的工具來進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。本文主要用到電子庫中的電力電子元器件和電力電子組件。進(jìn)行電力電子仿真時(shí)主電路可以直接直接使用苦力使用的橋式電路，也可以自己使用分立元件構(gòu)建。這些電力電子器件中含有電感，如果電感值不

4、是設(shè)置為0則電力器件具有電流源的性質(zhì)，器件的緩沖電路一般不能去掉，因?yàn)樵跊]有連接緩沖電路時(shí)不能事先與電感或電流源相連接，也不能開路工作，因此。在含有電力電子器件的電路或系統(tǒng)仿真時(shí)，仿真算法一般采用如ode23tb、ode15s等剛性積分算法，這樣可以得到較快的仿真速度。1.2 研究逆變技術(shù)的意義逆變，是對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的一種基本形式，逆變技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中是一個(gè)極其關(guān)鍵的技術(shù)，在小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的使用日益廣泛，它承擔(dān)著將直流電調(diào)制成穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電直接供給負(fù)載的任務(wù)。而現(xiàn)代逆變技術(shù)綜合了現(xiàn)代電力電子器件的應(yīng)用、現(xiàn)代功率變換、模擬和數(shù)字電子技術(shù)、pwm技術(shù)、頻率及相位控制技術(shù)等一門實(shí)用技

5、術(shù)，已被廣泛的用于工業(yè)和民用領(lǐng)域中的各種功率變換系統(tǒng)和裝置中11。近年來，關(guān)于電力變換、電動(dòng)機(jī)調(diào)速、不間斷電源、逆變弧焊電源等各種系統(tǒng)都是逆變技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)于從事電力電子技術(shù)研究的工作人員來說，全面掌握現(xiàn)代逆變技術(shù)的系統(tǒng)知識(shí)就能容易的從事電力電子各方面的設(shè)計(jì)和研究工作。由于功率半導(dǎo)體元件的進(jìn)步、微機(jī)處理機(jī)的快速發(fā)展以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，使得逆變技術(shù)在現(xiàn)代工程領(lǐng)域中已經(jīng)占有相當(dāng)重要的地位。由于逆變領(lǐng)域的產(chǎn)品都是高頻大功率的產(chǎn)品，這些相關(guān)領(lǐng)域的研究、制作與測(cè)試，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)設(shè)備來說是一種重大的考驗(yàn)。逆變電路是通用變頻器核心部件之一，起著非常重要的作用。它的基本作用是在控制電路的作用下將中間

6、直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。同時(shí)逆變電路也是ups的重要組成部分。由于通常的電力能源例如發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)和蓄電池等均屬于電壓源，在儲(chǔ)能效率和儲(chǔ)能元件的體積、價(jià)格方面，vis中的儲(chǔ)能元件電容器與csi中的儲(chǔ)能元件電感器相比都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，電流型逆變器中的儲(chǔ)能效率問題得到很好地解決，但是電壓型逆變器及其控制方法的研究工作一直是人們的研究重點(diǎn)。雖然電流型逆變器相關(guān)理論的研究相對(duì)較少應(yīng)用也不如電壓型逆變器應(yīng)用廣泛，但是電流型逆變器在實(shí)際應(yīng)用中也有其獨(dú)特性，尤其適用于大功率變流系統(tǒng)已經(jīng)有特殊需求的應(yīng)用領(lǐng)域。1.3逆變電路的發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)代逆變技術(shù)這門學(xué)科是建

7、立在工業(yè)電子技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、半導(dǎo)體器件技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、脈寬調(diào)制技術(shù)、半導(dǎo)體變流技術(shù)、磁性材料等學(xué)科基礎(chǔ)上的一門實(shí)用技術(shù)，是研究現(xiàn)代逆變電路的理論和應(yīng)用設(shè)計(jì)方法的一門學(xué)科。半導(dǎo)體功率集成器件及其應(yīng)用、功率變換電路和逆變控制技術(shù)是現(xiàn)代逆變技術(shù)主要的三個(gè)部分，逆變的目的是為了獲得不同的穩(wěn)定或變化形式的電能11。在現(xiàn)代逆變技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域中，由磁放大式到硅二極管整流式，再到可控硅（晶閘管）整流式，直至發(fā)展到逆變式（或者叫開關(guān)式），許多用電設(shè)備和系統(tǒng)都有一個(gè)發(fā)展的過程。這不僅是因?yàn)椴捎媚孀兗夹g(shù)有很多優(yōu)越性，更重要的還是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展為逆變技術(shù)的采用提供了必要的條件。首先逆變電路能夠靈活

8、的輸出電壓和電流的幅度和頻率。其次能夠?qū)⑿铍姵刂械闹绷麟娹D(zhuǎn)化成交流電。然后，可以明顯的減小用電設(shè)備的體積和重量。最后逆變電路動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，控制性能好，電氣性能指標(biāo)好，保護(hù)快，高效節(jié)能。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和各行各業(yè)對(duì)電氣設(shè)備控制性能要求的提高平，逆變技術(shù)在很多領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，其中主要包括交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速，電動(dòng)機(jī)制動(dòng)再生能量回饋，不間斷電源系統(tǒng)，感應(yīng)加熱，弧焊電源，通信開關(guān)電源，變頻電源，風(fēng)力發(fā)電，直流輸電，磁懸浮列車，通用型直流電源變換器等等多個(gè)方面。2 逆變電路的工作原理簡介 在電力電子技術(shù)中,而把直流電能變換成交流電能的過程則稱之為逆變, 通常把交流電能變成直流電源的過程稱為整流,它

9、是逆變的逆過程。如果把該電路的交流側(cè)接到交流電源上,把直流電能經(jīng)過直交變換,逆變成與交流電源同頻率的交流電返回到電網(wǎng)中,稱之為有源逆變，不接電網(wǎng)則稱作無緣逆變，因此在逆變電路中,按照負(fù)載性質(zhì)的不同,逆變電路可以分為有源逆變和無緣逆變。以圖1（a）單相橋式逆變電路為例說明其最基本的工作原理。圖中s1-s4是橋式電路的四個(gè)橋臂，它們由電力電子器件和他們的輔助電路組成。當(dāng)開關(guān)s2、s3閉合，開關(guān)s1、s4斷開時(shí)，負(fù)載電壓u0為負(fù)；負(fù)載電流和電壓當(dāng)開關(guān)s1、s4閉合，開關(guān)s2、s3斷開的時(shí)候，負(fù)載電壓u0為正，其波形如圖1（b）所示。這樣把直流電變成交流電，改變兩組開關(guān)的切換頻率，就可以改變輸出交流電

10、的頻率。這就是逆變電路的工作原理。 （a） （b）圖1 逆變電路原理圖及其波形舉例當(dāng)負(fù)載為電阻時(shí)，負(fù)載電流i0和負(fù)載電壓u0的波形形狀和相位均相同。當(dāng)負(fù)載為阻感時(shí)，負(fù)載電流i0相位滯后于負(fù)載電壓u0，二者波形的形狀也不同，圖1（b）給出的就是阻感負(fù)載時(shí)的i0波形。設(shè)t1時(shí)刻以前s1、s4導(dǎo)通，u0和i0均為正。在t1時(shí)刻斷開s1、s4，同時(shí)合上s2、s3，則u0的極性立刻變?yōu)樨?fù)。但是其電流方向不能立即改變只能維持原方向，因?yàn)樨?fù)載中有電感。這時(shí)負(fù)載電流從直流電源負(fù)極流出，經(jīng)、負(fù)載和流回正極，負(fù)載電流逐漸減小，到時(shí)刻降為零，之后才反向并逐漸增大，于此同時(shí)負(fù)載電感中儲(chǔ)存的能量向直流電源反饋。開關(guān)s2

11、、s3斷開，s1、s4閉合時(shí)的情況類似。電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過程成為換流，換流也常稱為換向相。換流過程中，有的支路從通態(tài)轉(zhuǎn)移到斷態(tài)，有的支路從斷態(tài)轉(zhuǎn)移到通態(tài)。換流方式一般分為器件換流、電網(wǎng)換流、負(fù)載換流等、強(qiáng)迫換流等。本文進(jìn)行了單相方波逆變電路、三相方波逆變電路、單相spwm逆變電路、三相spwm逆變電路的仿真，其中主要以單相spwm逆變電路的仿真分析為例進(jìn)行介紹，橋式逆變電路按電路結(jié)構(gòu)可分為全橋和半橋式逆變電路，半橋式電路比較簡單，全橋電路較復(fù)雜而變換容量較大，本文采用單相橋式逆變電路為例進(jìn)行分析。3 方波逆變電路的仿真研究3.1 單相方波逆變電路的仿真研究3.1.1單相方波逆變

12、電路的數(shù)學(xué)分析單相全橋逆變電路如圖2（a）所示，是由一個(gè)大小為ud的直流電壓源和兩個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂包括兩個(gè)全控器件。圖2（b）為該電路的基本波形，兩路頻率為f,占空比為50%的周期互補(bǔ)信號(hào)分別控制全橋電路的兩組斜對(duì)角功率開關(guān)s1、s4和s2、s3。當(dāng)s1、s4導(dǎo)通時(shí)，逆變電路輸出電壓u0等于ud，當(dāng)開關(guān)s2、s3導(dǎo)通時(shí)，u0等于-ud，因此u0為一個(gè)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻率，正負(fù)幅值均為ud的交變方波電壓。 （a）單相全橋逆變電路 （b）全橋方波逆變電路及基本波形 圖2 單相方波逆變電路及其基本波形 按照?qǐng)D2（a）所示的參考方向，假定電路已進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，在t0時(shí)刻，s1、s4的們驅(qū)動(dòng)信號(hào)到達(dá)，同時(shí)s2

13、、s3因門驅(qū)動(dòng)信號(hào)撤除而關(guān)斷，輸出電壓為ud。由于負(fù)載的電感性質(zhì)，負(fù)載電流之后負(fù)載電壓一個(gè)角度，在此期間負(fù)載電壓為負(fù)的，這意味著在t0時(shí)刻負(fù)載電流從s2、s3切換到橋臂對(duì)管s1、s4的反并聯(lián)二極管d1、d4，這一過程稱為強(qiáng)制換流。此后負(fù)載電感的磁場(chǎng)儲(chǔ)能向直流母線饋送，負(fù)載電流的絕對(duì)值指數(shù)下降，直到負(fù)載電流過零。在t1時(shí)刻，負(fù)載電流達(dá)到零值并開始轉(zhuǎn)變方向與u0同向，電流從二極管d1、d4自然轉(zhuǎn)移到同橋臂的s1、s4這一過程稱為自然換流。此后能量由負(fù)載向母線傳遞，負(fù)載電流指數(shù)上升，直到開關(guān)狀態(tài)改變。對(duì)逆變電路輸出電壓u0進(jìn)行傅里葉展開，得 u0=n4udnsinnt, n=1,3,5,式中 =2f

14、 。輸出電壓基波峰值為u1m=4ud1.273ud其有效值為u1=4ud20.9ud由上述分析可知，輸出電壓波形除方波外還包含奇次諧波，第n次諧波幅值與其頻率成反比，若忽略較高次諧波，方波逆變電路輸出電壓的大約為45.2%，這一諧波水平不能滿足相當(dāng)部分的交流負(fù)載的要求。直流電壓利用率是逆變電路的一個(gè)重要指標(biāo)，它的物理含義是表示一定的幅值的直流電壓可以逆變產(chǎn)生的交流輸出電壓基波峰值或有效值的大小。方波逆變器輸出電壓的基波峰值為直流電壓的1.273倍，其直流電壓利用率相對(duì)于其他種類逆變器是相當(dāng)高的，這也是方波逆變器的最大優(yōu)點(diǎn)。3.1.2單相方波逆變電路的仿真分析3.1.2.1建立仿真模型第一步建立

15、主電路的仿真模型。在simpowersystem的“electrical sources”庫中選擇直流電壓源模塊，在對(duì)話框中將直流電壓設(shè)置為300v；然后在“power electronics”庫中選擇四個(gè) “igbt/diode”模塊，組成全橋電路；在“elements”庫中選擇串聯(lián)rlc支路模塊，去掉電容后將電阻和電感分別設(shè)為1和2mh；在simpowersystem的“sink”庫中選擇“scope”示波器模塊；在的“simulink”的“signal routing”庫中選擇“demux”模塊，demux模塊的輸出接口設(shè)為2；按照?qǐng)D2(a)所示將各模塊相連，便完成了單相全橋方波逆變器的

16、主電路部分。第二步再來構(gòu)造控制部分。在simulink的“sources”庫中選擇四個(gè)“pulse generator”模塊，幅值為1。周期為0.02s，頻率為50hz，占空比為50%。其中兩個(gè)滯后0s,其輸出加在開關(guān)1和3的門極，另外兩個(gè)滯后設(shè)為0.01s，其輸出加在2和4的門極。第三步完成波形觀測(cè)及分析部分。將串聯(lián)rlc支路模塊的設(shè)置為測(cè)量電壓和電流，再利用“measurements”庫中的“multimeter”模塊就可以觀察逆變器的輸出電壓、電流。通過串聯(lián)的電流表可以觀察直流電流的波形。此外，利用“extra library”中“measurements”子庫的“total harmo

17、nic distorsion”和“fourier”模塊，可得到逆變器輸出方波電壓的thd和基波及各次諧波的大小，同時(shí)要把模塊中的基波頻率設(shè)為50hz。最終完成仿真模型如圖3所示。 圖3 單相方波逆變電路仿真模型3.1.2.2分析仿真結(jié)果將仿真時(shí)間設(shè)為0.1s,選擇ode45的仿真算法，將絕對(duì)誤差設(shè)為1e-5，運(yùn)行后可得仿真結(jié)果。圖4中自上而下為逆變輸出電壓的交流電壓、電流和直流側(cè)輸出波形。交流電壓為正負(fù)300v方波電壓，周期與驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率同為50hz。交流電流和直流電流波形有阻感負(fù)載的特性所決定。直流電流為負(fù)的期間，電流通過反并聯(lián)二極管流向電源，負(fù)載電感的磁場(chǎng)儲(chǔ)能向直流母線饋送；直流電流為負(fù)的

18、期間，電流通過igbt流向負(fù)載。若為純電阻負(fù)載，則直流電流無波動(dòng)。圖4 單相方波逆變電路波形圖根據(jù)傅里葉變換模塊，逆變器輸出的交流基波電壓的幅值為381.4v與上節(jié)數(shù)學(xué)分析中的理論值相符，交流電壓的thd為48.4%?？梢?，單相方波逆變電路輸出電壓的基波幅值大于直流電壓，其中電壓利用率較高，但同時(shí)諧波利用率較高，但同時(shí)諧波含量較大，難以滿足多數(shù)負(fù)載的要求。3.2三相方波逆變電路的仿真研究3.2.1三相方波逆變電路的數(shù)學(xué)分析由于配電負(fù)載平衡的要求以及用電設(shè)備本身的要求，較大容量的逆變器通常采用三相結(jié)構(gòu)。其中，橋式結(jié)構(gòu)的電壓型三相方波逆變電路應(yīng)用最為廣泛，其主電路如圖4所示，由直流電源和三個(gè)橋臂組

19、成，負(fù)載為星形連接。當(dāng)s1導(dǎo)通時(shí)，a點(diǎn)接在直流電源正極，當(dāng)s4導(dǎo)通時(shí)，a點(diǎn)接在直流電源負(fù)極，b、c點(diǎn)電位是由其上下管的導(dǎo)通狀態(tài)決定的。每個(gè)橋臂的上下驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)，是占空比為50%的方波，每個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間為180。三相方波逆變電路的基本波形如圖5，每個(gè)時(shí)刻都有三個(gè)開關(guān)導(dǎo)通，并按照1、2、3、4、5、6的順序?qū)?，所以在一個(gè)周期內(nèi)有六種導(dǎo)通模式。線電壓為正負(fù)幅值，都是ud、寬度為180的方波，三個(gè)線電壓間各差120。以5、6、1三個(gè)管子導(dǎo)通時(shí)的模式為例，此時(shí)負(fù)載的a、b與電源正極接通，負(fù)載b與電源負(fù)極接通，故相電壓ubn=-2/3ud,uan=ucn=1/3 ud,以此類推，可分析出其他導(dǎo)通模式下

20、逆變器各橋臂的工作情況以及工作波形，如圖5所示。相電壓每60就可以發(fā)生一次電平變化，波形更加接近于正弦波。 圖5 三相方波逆變電路原理圖利用傅里葉變換分析得到a、b間線電壓和a相電壓瞬時(shí)值分別為uab=23udsint+6-15sin5t+6-17sin7t+6+111sin11t+6+uant=2udsint+15sin5t+17sin7t+111sin11t+由上式分析可知，輸出電壓中沒有3的整數(shù)次倍諧波，只含更高階次的奇次諧波，n次諧波的幅值為基波幅值的1/n。線電壓基波幅值為uab1m=23ud=1.1ud當(dāng)逆變電路接的是純電阻負(fù)載時(shí)，三個(gè)橋臂中的反并聯(lián)二極管由于不用反饋無功功率，都不

21、用導(dǎo)通，逆變器從直流母線中吸收直流電流。當(dāng)逆變器接感性負(fù)載時(shí)，逆變器將會(huì)與母線之間交換無功功率，直流電流脈動(dòng)頻率是輸出電壓頻率的6倍，而純電阻負(fù)載時(shí)則沒有脈動(dòng)。3.2.2三相方波逆變電路的仿真分析3.2.2.1建立仿真模型第一步建立主電路的仿真模型。在simpowersystem的“electrical sources”庫中選擇直流電壓源模塊，在對(duì)話框中將直流電壓設(shè)置為530v；然后在“power electronics”庫中選擇“universal bridge”模塊，橋臂數(shù)設(shè)置為3，構(gòu)成三相電路，開關(guān)器件為帶有反并聯(lián)二極管的igbt；在“elements”庫中選擇三相串聯(lián)的串聯(lián)rlc支路模

22、塊，在設(shè)置為星形連接，額定電壓為413v、額定頻率50hz，有功功率為1kw，感性無功功率為100var，容性無功功率為0；在simpowersystem的“sink”庫中選擇“scope”示波器模塊；在的“simulink”的“signal routing”庫中選擇“mux”模塊，mux模塊中的輸入接口設(shè)為6；按照如圖4所示將各模塊連接，這樣就完成了三相方波逆變電路的主電路部分。第二步再來構(gòu)造控制部分。simulink的“sources”庫中選擇四個(gè)“pulse generator”模塊，幅值為1.周期設(shè)為0.02s，頻率為50hz，占空比為50%。各模塊依次滯后0.02/6s，即相差60。

23、采用“mux”模塊將六路信號(hào)合成后加在門極上。第三步完成波形觀測(cè)及分析部分。利用“measurements”庫中的“multimeter”模塊并且將負(fù)載的測(cè)量量設(shè)置為電流和電壓即可觀察逆變器的輸出相電壓、相電流和線電壓。通過串聯(lián)的電流表就可以觀察直流電流的波形。最終的仿真模型如圖6所示。 圖 6 三相方波逆變電路仿真模型3.2.2.2分析仿真結(jié)果利用simpowersystem中的“powergui”，可對(duì)所得波形進(jìn)行fft分析。matlab提供的powergui模塊有很多種功能，在此次分析研究中主要用到powergui的fft的分析功能的用法，仿真運(yùn)行前，選擇參數(shù)設(shè)置菜單，在“date hi

24、story”中選擇選中數(shù)據(jù)并保存到工作區(qū)的選項(xiàng)。程序運(yùn)行完成以后，選擇powergui的fft分析功能，選擇要分析的信號(hào)，設(shè)置起始時(shí)間，分析的周期數(shù)及基波頻率即可。此次仿真過程中將仿真時(shí)間設(shè)為0.1s,選擇ode45的仿真算法，在“powergui”的對(duì)話框中選擇離散仿真模式，采樣時(shí)間為10-5s，運(yùn)行以后點(diǎn)擊示波器即可觀察到相電壓、相電流、線電壓和直流電流波形。如圖7所示為a相電壓、a相電流、a、b間線電壓仿真波形。圖7 三相方波逆變電路波形圖逆變器輸出的相電壓是六階梯波，相電流和直流電流波形與負(fù)載有關(guān)。由圖7可知，直流電流波動(dòng)的頻率是逆變器輸出電壓的6倍。相電壓基波峰值是337.3v，線電

25、壓的基波峰值為584.6v,與上述數(shù)學(xué)分析數(shù)值相符。從圖8可知，輸出的交流電壓不含3的整數(shù)倍次諧波，只含更高階次的奇次諧波。將顯示模式改為列表后，可觀察到n次諧波幅值為基波幅值的1/n。 圖 8 三相方波逆變電路諧波分析圖4 spwm逆變電路的仿真研究4.1 單相spwm逆變電路的仿真研究4.1.1 單相spwm逆變電路的數(shù)學(xué)分析 pwm控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制來得到包括形狀和幅值在內(nèi)的所需要的波形。pwm技術(shù)的理論基礎(chǔ)為面積等效原理，即將形狀不同但沖量相等的窄脈沖加之于具有線性慣性環(huán)節(jié)時(shí)，得到的輸出效果基本相同。這里的效果基本相同指輸出輸出響應(yīng)的波

26、形基本相同。若采用正弦波作為pwm調(diào)制波，則稱為正弦脈沖寬度調(diào)制，常簡稱為spwm，是目前應(yīng)用較多的一種逆變控制技術(shù)。spwm逆變電路工作原理圖如圖2（a）所示，其主電路與單相方波逆變電路結(jié)構(gòu)完全相同，不同的是其驅(qū)動(dòng)信號(hào)是采用spwm控制，將寬度變化的窄脈沖作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)。pwm控制包括計(jì)算法和調(diào)制法spwm采用頻率為fs的正弦波為調(diào)制波us=usmsinsts=2fs載波uc是幅值為 ucm頻率為fc 的三角波。載波信號(hào)頻率fc和調(diào)制信號(hào)頻率f的比值稱為載波比，可以用p來表示即p=fcfs調(diào)制深度m 定義為正弦調(diào)制信號(hào)與三角波載波信號(hào)的幅值之間的比值m=usmucm 通常采用信號(hào)波us 與載波

27、uc 相比較的方法生成pwm信號(hào)：當(dāng)us uc 時(shí)，功率開關(guān)s1、s3就會(huì)導(dǎo)通，逆變電路交流端輸出電壓u0等于直流電壓源電壓幅值；當(dāng)usuc時(shí)，s4導(dǎo)通s1關(guān)斷，另外兩個(gè)橋臂依此類推。如圖17為載波比p=3時(shí)的三相spwm逆變電路輸出地基本波形。圖17三相spwm逆變電路原理波形圖 各相的上下橋臂的功率器件以互補(bǔ)方式輪流導(dǎo)通，所以各相相對(duì)于中性點(diǎn)n的電壓為雙極性spwm波形，并且此波形與各相峭壁上的功率器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)同步變化。輸出地線電壓即為相應(yīng)兩相對(duì)于n點(diǎn)的電壓的向量差，線電壓在ud和0之間變化，但總體呈現(xiàn)單極性形狀，負(fù)載為星形連接且相電壓波形較為復(fù)雜，可能是0、ud/3、2ud/3。調(diào)制波

28、與逆變電路交流端輸出電壓的基波同相位，與線電壓相差30。載波比均為3的整數(shù)倍以此來保證三相之間的相位差，并且這個(gè)倍數(shù)必須是奇數(shù)倍來保證雙極性調(diào)制時(shí)每相波形是正負(fù)對(duì)稱的半波，這樣在信號(hào)波的180時(shí)正好是正負(fù)半周的分界點(diǎn)。由于波形左右對(duì)稱，諧波中就不會(huì)有偶次諧波。在實(shí)際逆變情況中，載波頻率遠(yuǎn)高于調(diào)制波頻率時(shí)，由于不對(duì)稱產(chǎn)生的諧波影響非常小，可以忽略不計(jì)。spwm波的傅里葉級(jí)數(shù)也是利用貝塞爾函數(shù)推導(dǎo)出來的。在線性調(diào)制區(qū)域內(nèi)，三相spwm逆變電路輸出線電壓的基波有效值為6mud/4，幅值為3m ud/2，直流電壓利用率為0.866，是方波逆變電路的0.785。所以，如果使用二極管整流橋?yàn)槟孀冸娐诽峁┲?/p>

29、流電源，逆變器的輸出電壓很可能不能滿足負(fù)載額定電壓的需求，這也是spwm逆變電路的主要不足之處。輸出電壓主要集中在ncks=npks處，其中n為奇數(shù)時(shí)，k=3(2m-1)1, n為偶數(shù)時(shí)，k=6m+1，其中m為正整數(shù)。由上述數(shù)學(xué)分析可知，載波頻率整數(shù)倍處不再存在高次諧波，spwm波形的諧波分布帶有明顯的“集簇”分布特性，也就是一簇一簇的集中分布于頻率是載波頻率的整數(shù)倍的兩側(cè)，并且每一簇諧波中，距離諧波中心越遠(yuǎn)，也就是k值越大，諧波幅值也就越小，影響最大的低次諧波就是p-2次。此外，由于3的整數(shù)倍次諧波是零序分量，所以逆變器輸出線電壓中將不存在3的整數(shù)次倍諧波。4.2.2三相spwm逆變電路的仿

30、真分析4.2.2.1建立仿真模型第一步建立主電路及控制電路仿真模型。在simpowersystems的“electrical sources”庫中選擇直流電壓源模塊，在對(duì)話框中將直流電壓設(shè)置為530v；然后在“power electronics”庫中選擇“universal bridge”模塊，橋臂數(shù)設(shè)置為3，構(gòu)成三相電路，開關(guān)器件為帶有反并聯(lián)二極管的igbt；在“elements”庫中選擇三相串聯(lián)的串聯(lián)rlc支路模塊，在設(shè)置為星形連接，額定電壓為413v、額定頻率50hz，有功功率為1kw，感性無功功率為500var，容性無功功率為0；在simpowersystem的“sink”庫中選擇“s

31、cope”示波器模塊；在的“simulink”的“signal routing”庫中選擇“demux”模塊，demux模塊的輸出接口設(shè)為3。按照如圖18所示將各模塊連接，spwm控制信號(hào)由simpowersystems中的“discrete spwm generator”產(chǎn)生，選擇三橋六脈沖模式，這樣就完成了三相方波逆變電路的主電路和控制電路部分，如圖18所示。 圖18 三相spwm逆變電路仿真模型第二步進(jìn)行運(yùn)行仿真。將串聯(lián)rlc支路模塊的設(shè)置為測(cè)量電壓和電流，再利用“measurements”庫中的“multimeter”模塊就可以觀察逆變器的輸出電壓、電流。4.2.2.2分析仿真結(jié)果調(diào)制深

32、度m設(shè)為1，基波輸出頻率仍為50hz，載波頻率為基波頻率的30倍，即1500hz。仿真時(shí)間設(shè)為0.06s。仍將采用上節(jié)用到的powergui模塊對(duì)波形進(jìn)行fft分析。選擇ode45的仿真算法，在“powergui”的對(duì)話框中選擇離散仿真模式，采樣時(shí)間為10-7s，運(yùn)行后可得仿真結(jié)果，交流相電壓、相電流、線電壓和直流電流波形如圖19所示。圖19三相spwm逆變電路波形圖由輸出電壓諧波分析觀察到輸出電壓幅值為0.866 ud，諧波分布主要在開關(guān)頻率的整數(shù)倍附近，相電流的諧波畸變率為3.56%。待添加的隱藏文字內(nèi)容3結(jié)論經(jīng)過上述一系列單相、三相以及方波逆變電路和spwm逆變電路的一系列的數(shù)學(xué)分析與仿

33、真特點(diǎn)，現(xiàn)主要從諧波含量，諧波畸變率和直流電壓利用率等方面將各電路的仿真優(yōu)劣之處總結(jié)如下(1)單相方波逆變電路。單相方波逆變電路輸出的電壓是交變方波，交流端頻率可以通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率來改變，電壓的形狀和幅值的調(diào)節(jié)只可以通過改變直流母線的電壓或者通過移相進(jìn)行調(diào)節(jié)。輸出電壓包含基波和奇次諧波，諧波的頻率與幅值之間成反比。方波逆變電路的諧波畸變率較高，不能滿足相當(dāng)部分負(fù)載的要求。直流電壓利用率是波逆變電路的一個(gè)重要指標(biāo)，而方波逆變器輸出電壓的基波峰值是直流電壓的1.273倍，它的直流電壓利用率在逆變器中是相對(duì)較高的，這也是方波逆變器的最大優(yōu)點(diǎn)。(2)三相方波逆變電路。從配電負(fù)載平衡的要求和用電設(shè)

34、備本身的特性兩方面來考慮，較大容量的逆變器大都采用三相結(jié)構(gòu)。輸出電壓中除含有基波外，還含有高階的奇次諧波，但不含有3的整數(shù)倍諧波，諧波階數(shù)越高幅值越小，整體來說輸出電壓諧波含量高，尤其低次諧波成分含量豐富，輸出電壓的諧波畸變率較單相方波逆變率低，但仍處于較高水平。輸出電壓頻率可調(diào)但幅值不可調(diào)，可以通過改變直流電壓來調(diào)節(jié)輸出交流電壓。直流電壓利用率(3)單相spwm逆變電路。正弦脈沖寬度調(diào)制是目前應(yīng)用較多的一種逆變控制技術(shù)，spwm逆變電路輸出電壓的基波幅值隨調(diào)制深度線性變化，通過控制調(diào)制信號(hào)即可調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的頻率和幅值。諧波尤其是低次諧波和直流電壓利用率不是一成不變的而是與調(diào)制深度密切相

35、關(guān)。提高載波比將有效提高輸出電壓的質(zhì)量。(4)三相spwm逆變電路。三相spwm逆變電路與單相spwm逆變電路相類似，波形中沒有偶次諧波，載波頻率倍的高次諧波不再存在，也不存在3的整數(shù)倍次諧波。輸出電壓的諧波畸變率低，這也是spwm逆變電路德爾主要優(yōu)點(diǎn)。仿真過程中對(duì)于matlab軟件的應(yīng)用可以總結(jié)出如下優(yōu)點(diǎn)，采用matlab/simulink對(duì)逆變電路進(jìn)行仿真分析,使得電路分析運(yùn)算更加方便快捷避免了常規(guī)實(shí)物連接分析方法中繁瑣的繪圖和計(jì)算過程。同時(shí),用matlab/simulink進(jìn)行仿真,在仿真過程中可以靈活改變仿真參數(shù)并且能直觀地觀察到仿真結(jié)果隨參數(shù)的變化情況,便于分析和比較，用scope隨

36、時(shí)的觀察仿真波形，使得仿真更具有快捷直觀性，適合電力電子技術(shù)的研究工作。本文利用simulink 對(duì)逆變電路的仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析, 與采用常規(guī)電路分析方法所得到的輸出電壓波形進(jìn)行比較, 進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。致謝通過這次課程設(shè)計(jì)，使我對(duì)于電力電子中逆變電路有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，并且能夠?qū)imulink熟練應(yīng)用于逆變的仿真研究。畢業(yè)設(shè)計(jì)不同于以往的課程設(shè)計(jì)，這是一個(gè)在我們這個(gè)階段相對(duì)非常龐大的任務(wù)，但這是我們作為電氣專業(yè)學(xué)生所必須掌握和的，這次設(shè)計(jì)工作真正打開了我進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的大門。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)綜合了大學(xué)學(xué)習(xí)課程中的很多知識(shí)，不僅是對(duì)于我的專業(yè)知識(shí)的考驗(yàn)，也是對(duì)于我綜合能力的考驗(yàn)。大學(xué)四年，我在努力學(xué)習(xí)和實(shí)踐中充實(shí)的度過，爭取能夠?qū)肀M快適應(yīng)這個(gè)多元化的社會(huì)并且奉獻(xiàn)社會(huì)、造福社會(huì)。盡管在專業(yè)課的學(xué)習(xí)中已經(jīng)掌握逆變電路的原理和matlab的應(yīng)用，但是將這二者真正相互滲入進(jìn)行分析的時(shí)候，仍會(huì)遇到很多細(xì)節(jié)問題，尤其是仿真運(yùn)行中遇到的問題，所