單相單,雙極性SPWM仿真課設(shè)

1、目錄引言11.單相SPWM結(jié)構(gòu)及其工作原理21.1PWM控制的基本原理21.2 SPWM基本原理22.單相PWM逆變電路及其控制方法32.1單相SPWM逆變電路結(jié)構(gòu)32.2單相SPWM逆變電路的控制方法32.2.1計(jì)算法和調(diào)制法32.2.2調(diào)制度42.2.3異步調(diào)制與同步調(diào)制42.2.4采樣方法42.2.5單極性與雙極性控制方式53.MATLAB仿真建模63.1單極性SPWM逆變電路建模63.1.1單極性PWM逆變主電路建模73.1.2單極性SPWM逆變控制電路建模83.2雙極性SPWM逆變電路建模93.2.1雙極性SPWM逆變主電路建模93.2.2雙極性SPWM逆變控制電路建模104.仿真結(jié)

2、果114.1單極性SPWM仿真結(jié)果114.2雙極性SPWM仿真結(jié)果154.3仿真結(jié)果分析185.總結(jié)196.參考文獻(xiàn)20引言隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電力電子技術(shù)的各種裝置在國民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。從電能轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)，電力電子的裝置涵蓋交流直流變換、直流交流變換、直流直流變換、交流交流變換。比如在可控電路直流電動(dòng)機(jī)控制，可變直流電源等方面都得到了廣泛的應(yīng)用,而這些都是以逆變電路為核心。由于電力電子技術(shù)中有關(guān)電能的變換與控制過程，內(nèi)容大多涉及電力電子各種裝置的分析與大量的計(jì)算、電能變幻的波形分析、測量與繪制等，這些工作特別適合Matlab的使用。本文建立了基于Matlab的單相橋式SP

3、WM逆變電路的動(dòng)態(tài)模型給出了仿真的實(shí)例與仿真結(jié)果，驗(yàn)證了模型的正確性，并展現(xiàn)了Matlab仿真具有的快捷，靈活，方便，直觀的以及Matlab繪制的圖形準(zhǔn)確、清晰、優(yōu)美的優(yōu)點(diǎn)，可以用Matlab軟件來對(duì)電路的工作原理進(jìn)行討論分析和仿真，從而為電力電子技術(shù)的分析及設(shè)計(jì)提供了有效的工具。1.單相SPWM結(jié)構(gòu)及其工作原理1.1PWM控制的基本原理PWM控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，其控制的基本原理是面積等效原理，即：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段常接近，僅在高頻段略有差異。1.2 SPWM

4、基本原理如圖1-1為PWM波等效為正弦波，1-1a中把正弦波分成N等分，就可以把正弦波看成是由N個(gè)彼此相連的脈沖序列組成的波形，這些脈沖的寬度相等，都為/N，但幅值不相等。如果把這一系列的窄脈沖用等幅而不等寬的矩形窄脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)與相應(yīng)的正弦脈沖部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖與相應(yīng)的正弦脈沖的面積相等，且寬度是按正弦規(guī)律變化的如圖1-1b，由面積等效原理可知，PWM波和正弦波是等效的。這種脈沖寬度按正弦規(guī)律變化和正弦波等效的PWM波形叫做SPWM。圖1-1 PWM波等效為正弦波2.單相PWM逆變電路及其控制方法2.1單相SPWM逆變電路結(jié)構(gòu)如圖2-1是單相PWM逆變電路VT1VT4是

5、四個(gè)IGBT管，VD1 VD4是四個(gè)二極管，調(diào)制電路作為控制電路控制IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷來得到所需要的波形圖2-1單相SPWM逆變電路2.2單相SPWM逆變電路的控制方法2.2.1計(jì)算法和調(diào)制法SPWM逆變電路主要有兩種控制方法：計(jì)算法和調(diào)制法。計(jì)算法是將PWM脈沖寬度的波形計(jì)算出來，顯然這種方法是很繁瑣的，不采用。調(diào)制法是用一個(gè)三角波作為載波，將一正弦波作為調(diào)制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。我們采用調(diào)制法。因?yàn)榈妊遣ㄉ舷聦挾扰c高度呈線性關(guān)系且左右對(duì)稱，當(dāng)它與一個(gè)平緩變化的正弦調(diào)制信號(hào)波相交時(shí)，在交點(diǎn)時(shí)刻就可以得到寬度正比于正弦信號(hào)波幅度的脈沖2.2.2調(diào)制度調(diào)制度用Ma表示， 2.2.3異步調(diào)制與同步調(diào)制

6、載波頻率fc與調(diào)制信號(hào)頻率fr之比N=fc/fr叫載波比。在調(diào)制過程中N變化的叫異步調(diào)制，N不變的叫同步調(diào)制。我們采用同步調(diào)制。2.2.4采樣方法采樣方法包括自然采樣法與規(guī)則采樣法。自然采樣法在載波與調(diào)制波的交點(diǎn)處采樣，這要求解復(fù)雜的超越方程，難以在實(shí)時(shí)控制中在線計(jì)算，工程上不采用。工程上采用規(guī)則采樣法，如圖2-2-4所示在三角波的負(fù)峰時(shí)刻tD對(duì)正弦信號(hào)波采樣得D點(diǎn)，過D作水平直線和三角波分別交于A、B點(diǎn)，在A點(diǎn)時(shí)刻tA和B點(diǎn)時(shí)刻tB控制開關(guān)器件的通斷，脈沖寬度d 和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。 圖2-2-4規(guī)則采樣法由于我們用的是MATLAB仿真，我們采用自然采樣法。2.2.5單極性

7、與雙極性控制方式單極性PWM控制方式：如圖2-2所示，在ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷ur正半周，VT1保持通，VT2保持?jǐn)喈?dāng)ur>uc時(shí)使VT4通，VT3斷，uo=Ud當(dāng)ur<uc時(shí)使VT4斷，VT3通，uo=0ur負(fù)半周，VT1保持?jǐn)啵琕T2保持通當(dāng)ur<uc時(shí)使VT3通，VT4斷，uo=- Ud當(dāng)ur>uc時(shí)使VT3斷，VT4通，uo=0虛線uof表示uo的基波分量圖2-2單極性SPWM控制方式波形雙極性PWM控制方式：如圖2-3所示，在ur的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)，所得PWM波也有正有負(fù)，在ur一周期內(nèi)，輸出PWM波只有±Ud兩種電平，

8、仍在調(diào)制信號(hào)ur和載波信號(hào)uc的交點(diǎn)控制器件的通斷，ur正負(fù)半周，對(duì)各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。當(dāng)ur >uc時(shí)，給VT1和VT4導(dǎo)通信號(hào)，給VT2和VT3關(guān)斷信號(hào)，如io>0，VT1和VT4通，如io<0，VD1和VD4通， uo=Ud當(dāng)ur<uc時(shí)，給VT2和VT3導(dǎo)通信號(hào)，給VT1和VT4關(guān)斷信號(hào)，如io<0，VT2和VT3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud單相橋式電路既可采取單極性調(diào)制，也可采用雙極性調(diào)制圖2-3雙極性SPWM控制方式波形3.MATLAB仿真建模3.1單極性SPWM逆變電路建模建模時(shí)，為了方便采用通用橋universal b

9、ridge其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-1 圖3-1在此我們用到了兩個(gè)橋臂，當(dāng)四列PWM信號(hào)輸入通用橋的g端口時(shí)，通用橋會(huì)自動(dòng)分配每一列的信號(hào)給每一個(gè)管子，控制該管子的開閉。其輸入的順序是，第一列信號(hào)輸入到Q1，第二列信號(hào)輸入到Q2，第三列信號(hào)輸入到Q3，第四列信號(hào)輸入到Q4.。 3.1.1單極性PWM逆變主電路建模如圖3-2是單極性SPWM逆變主電路圖3-23.1.2單極性SPWM逆變控制電路建模單極性SPWM逆變控制電路建模圖如圖3-3圖3-3 單極性控制電路圖對(duì)控制電路進(jìn)行封裝，封裝的參數(shù)為輸出頻率f，載波比N，調(diào)制度Ma，由于要保持各控制脈沖輸出的數(shù)據(jù)類型相同，在輸出端均加有邏輯門控制電路的實(shí)現(xiàn)方

10、法如下：將幅值為2，占空比為50%的脈沖減去幅值為1的直流電壓得到正負(fù)交替占空比為50%的脈沖用得到的正負(fù)脈沖與三角載波相乘得到正負(fù)交替的三角載波相比較。參數(shù)-圖3-4a pulse generator參數(shù) f為正弦波頻率圖3-4b三角波發(fā)生器參數(shù) f為正弦波頻率 N為載波比圖3-4c正弦波發(fā)生器參數(shù) f為頻率圖3-43.2雙極性SPWM逆變電路建模3.2雙極性SPWM逆變電路建模3.2.1雙極性SPWM逆變主電路建模雙極性SPWM逆變主電路建模如圖3-5圖3-53.2.2雙極性SPWM逆變控制電路建模雙極性SPWM逆變控制電路建模如圖3-6直接將正弦波與三角載波相交即可圖3-6參數(shù)設(shè)置如圖3

11、-7圖3-7a三角波發(fā)生器參數(shù) f為正弦波頻率 N為載波比圖3-7b 正弦波發(fā)生器參數(shù) f為頻率圖3-74.仿真結(jié)果4.1單極性SPWM仿真結(jié)果仿真時(shí)設(shè)置仿真時(shí)間為0.04s，仿真最大步長為10-5s，電源電壓Ud=220V負(fù)載電阻R=1K，電感L=0.1H圖3-8a為f=50，N=18，Ma=0.9時(shí)的波形結(jié)果圖（uo為輸出電壓io為輸出電流）t/st/st/s圖3-8a 圖3-8b為f=50，N=18，Ma=0.9時(shí)輸出電壓uo的頻譜圖圖3-8b圖3-8c為f=50，N=18，Ma=0.9時(shí)輸出電流io的頻譜圖圖3-8c圖3-9a為f=50，N=24，Ma=0.9時(shí)的波形結(jié)果圖（uo為輸出

12、電壓io為輸出電流）t/st/st/s圖3-9a圖3-9b為f=50，N=24，Ma=0.9時(shí)的輸出電壓uo的頻譜圖圖3-9b圖3-9c為f=50，N=24，Ma=0.9時(shí)輸出電流io的頻譜圖圖3-9c4.2雙極性SPWM仿真結(jié)果仿真時(shí)設(shè)置仿真時(shí)間為0.04s，仿真最大步長為10-5s圖3-10a為f=50，N=18，Ma=0.9時(shí)的波形結(jié)果圖（uo為輸出電壓io為輸出電流）t/st/st/s圖3-10a圖3-10b為f=50，N=18，Ma=0.9時(shí)輸出電壓uo的頻譜圖圖3-10b圖3-11a為f=50，N=24，Ma=0.9時(shí)的波形結(jié)果圖（uo為輸出電壓io為輸出電流）t/st/st/s圖

13、3-11a圖3-11b為f=50，N=24，Ma=0.9時(shí)輸出電壓uo的頻譜圖圖3-11b圖3-11c為f=50，N=24，Ma=0.9時(shí)輸出電流io的頻譜圖圖3-11c圖3-12為f=50，N=24，Ma=0.9時(shí)，負(fù)載L=0.5H時(shí)的波形結(jié)果圖（uo為輸出電壓io為輸出電流）與輸出電流頻譜圖t/s/V/At/st/s圖3-12a 負(fù)載變化后的輸 出結(jié)果圖3-12b 負(fù)載變化后的輸出電流io頻譜圖Subplot繪圖語句為：subplot(3,1,1)plot(a.time,a.signals(1).values)subplot(3,1,2)plot(a.time,a.signals(2).v

14、alues)subplot(3,1,3)plot(a.time,a.signals(3).values)4.3仿真結(jié)果分析由結(jié)果圖可以看出對(duì)于同一類型的SPWM電路載波比N越大，畸變率THD越小，說明波形效果越好。單極性時(shí)：當(dāng)N=18，THD=44.73%.當(dāng)N=24時(shí)，THD=2.34%.雙極性時(shí)：當(dāng)N=18，THD=84.53%，當(dāng)N=24，THD=0.19%.由圖3-11a和圖3-12還可得出但負(fù)載電阻R不變時(shí)，電感L越大輸出的電流的波動(dòng)越小，越接近正弦波。從這倆個(gè)圖可以看出負(fù)載的變化對(duì)輸出電壓uo的波形沒有影響通過對(duì)單極性與雙極性SPWM結(jié)果的比較可以看出單極性的輸出電流的波動(dòng)幅值更小

15、，諧波頻率高，畸變率THD小，更接近正弦波。對(duì)各輸出電壓uo的頻譜分析可看出PWM波不含有低次諧波，只含有高次諧波，其中8001000HZ的諧波含量較多。5.總結(jié)通過一周的課程設(shè)計(jì)，我對(duì)本課程的內(nèi)容有著一個(gè)比較連貫綜合的認(rèn)識(shí)，學(xué)到了很多的新東西，發(fā)現(xiàn)了自己在計(jì)算機(jī)仿真在電力電子實(shí)驗(yàn)中的理論實(shí)踐知識(shí)上面的不足和缺陷，覺得自己應(yīng)該有必要把老師所說的重要知識(shí)點(diǎn)真正學(xué)通學(xué)透。 這次課設(shè)有一周，由于課設(shè)安排在期末考試之后，對(duì)我們來說，在時(shí)間上是比較充裕的，壓力沒有那么大，我做的題目是單相逆變器SPWM的控制技術(shù)的仿真，老師講解了相關(guān)的內(nèi)容。這也是我對(duì)題目有所了解。但是要實(shí)際操作起來還是出現(xiàn)了很多的問題，列如搭好電路后，MATLAB不能進(jìn)行仿真，后來發(fā)現(xiàn)真并不是邏輯的問題，而是仿真輸出的數(shù)據(jù)類型不能不同，所以我在做脈沖控制電路時(shí)，在沒一個(gè)輸出端口前加了一個(gè)邏輯門。我做的課設(shè)有一個(gè)最大的不足是采用了自然采樣法，而這在工程上是不實(shí)用的，所以還可以加以改進(jìn)。此次課設(shè)還著重培養(yǎng)了我的Word的操作能力，在排版過程中我遇到了很多的困難，在同學(xué)們和老師的幫助下我順利完成報(bào)告。通過這次課設(shè)以后，我受益匪淺，覺得我在獨(dú)立的動(dòng)手能力和分析解決問題的能力等方面有著很大的提高，具體說有以下幾點(diǎn)：1）更加熟練地使用Matlab