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，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載下的輸出波形分析。并以此為基礎(chǔ)掌握 MATLAB/Simulink 對一個動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的基本方法2。Simulink 是 MATLAB 最重要的組件之一，它提供一個動態(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、貼近實際、效率高、 靈活等優(yōu)點, 并基于以上優(yōu)點Simulink

2、已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號的復(fù)雜仿真和設(shè)計。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)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(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)字信號處理的建模和仿真中。Simulink 可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，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)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink 提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口，它提供了一種更快捷、直

3、接明了的方式，而且用戶可以直接看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果, 這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成。同時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)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。構(gòu)架在 Simulink 基礎(chǔ)之上提供了用于設(shè)計、執(zhí)行、驗證和確認任務(wù)的相應(yīng)工具同時其他產(chǎn)品擴展了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)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(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。進行電力電子仿真時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

4、件構(gòu)建。這些電力電子器件中含有電感，如果電感值不是設(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，因為在沒有連接緩沖電路時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，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，是對電能進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

5、和數(shù)字電子技術(shù)、PWM 技術(shù)、頻率及相位控制技術(shù)等一門實用技術(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、電動機調(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)知識就能容易的從事電力電子各方面的設(shè)計和研究工作。由于功率半導(dǎo)體元件的進步、微機處理機的快速發(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、制作與測試，對實驗室的實驗設(shè)備來說是一種重大的考驗。逆變電路是通用變頻器核心部件之一

6、，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、電網(wǎng)和蓄電池等均屬于電壓源，在儲能效率和儲能元件的體積、價格方面，VIS 中的儲能元件電容器與CSI 中的儲能元件電感器相比都具有明顯的優(yōu)勢。隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，電流型逆變器中的儲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。雖然電流型逆變器相關(guān)理論的研究相對較少應(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際應(yīng)用中也有其獨特性，尤其適用于大功率變流系統(tǒng)已經(jīng)有特

7、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)上的一門實用技術(shù)，是研究現(xiàn)代逆變電路的理論和應(yīng)用設(shè)計方法的一門學(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)都有一個發(fā)展的過程。這不僅是因為采用逆變技術(shù)有很多優(yōu)越性，更重要的還是現(xiàn)代電力

8、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。最后逆變電路動態(tài)響應(yīng)快，控制性能好，電氣性能指標好，保護快，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機調(diào)速，電動機制動再生能量回饋，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

9、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)Si、S4斷開時，負載電壓uo為負；負載電流和電壓當(dāng)開關(guān) Si、S4閉合，開關(guān)S2、S3斷開的時候，負載電壓uo為正，其波形如圖1 (

10、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的頻率。這就是逆變電路的工作原理。(b)圖1逆變電路原理圖及其波形舉例當(dāng)負載為電阻時，負載電流io和負載電壓Uo的波形形狀和相位均相同。當(dāng)負載為阻 感時，負載電流io相位滯后于負載電壓uo,二者波形的形狀也不同，圖1 (b)給出的 就是阻感負載時的io波形。設(shè)t1時刻以前S1、S4導(dǎo)通，uo和io均為正。在t1時刻斷開 S1、S4,同時合上S2、S3,則uo的極性立刻變?yōu)樨?。但是其電流方向不能立即改變只能維持原方向，因為負載中有電感。這時負載電流從直流電源負極流出，經(jīng)、負載和流 回正極，負載電流逐漸減小，到時刻降為

11、零，之后才反向并逐漸增大，于此同時負載電感中儲存的能量向直流電源反饋。開關(guān) S2、S3斷開，Si、S4閉合時的情況類似。電流從一個支路向另一個支路轉(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、負載換流等、強迫換流等。本文進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行分

12、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，是由一個大小為Ud的直流電壓源和兩個橋臂 組成，每個橋臂包括兩個全控器件。圖 2 (b)為該電路的基本波形，兩路頻率為f,占 空比為50%的周期互補信號分別控制全橋電路的兩組斜對角功率開關(guān)S1、S4和S2、S3。當(dāng)S1、S4導(dǎo)通時，逆變電路輸出電壓 u0等于Ud,當(dāng)開關(guān)S2、S3導(dǎo)通時，u0 等于-Ud ,因此u0為一個與驅(qū)動信號同頻率，正負幅值均為 Ud的交變方波電壓。IhQ 5” 工工-u ZR2I T 八_| 3一(a)單相全橋逆變電路(b)全橋方波逆變

13、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圖2 (a)所示的參考方向，假定電路已進入穩(wěn)態(tài)，在 心時刻，SS4的們驅(qū)動信號到達，同時S2、S3因門驅(qū)動信號撤除而關(guān)斷，輸出電壓為 Ud。由于負載的電感 性質(zhì)，負載電流之后負載電壓一個角度，在此期間負載電壓為負的，這意味著在 to時刻 負載電流從S2、S3切換到橋臂對管Si、S4的反并聯(lián)二極管Di、D4,這一過程稱為強 制換流。此后負載電感的磁場儲能向直流母線饋送，負載電流的絕對值指數(shù)下降，直到負載電流過零。在ti時刻，負載電流達到零值并開始轉(zhuǎn)變方向與 U0同向，電流從二極管Di、D4自然轉(zhuǎn)移到同橋臂的Si、S4這一過程稱為自然換流。此后能量

14、由負載向母線傳遞，負載電流指數(shù)上升，直到開關(guān)狀態(tài)改變。對逆變電路輸出電壓u。進行傅里葉展開，得口惘 、VL - > sin r = 1,3,5,J rm n式中 w = o輸出電壓基波峰值為4%其有效值為%,I =而看0叫由上述分析可知，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TH D大約為45.2% ,這一諧波水平不能滿足相當(dāng)部分的交流負載的要求。直流電壓利用率是逆變電路的一個重要指標，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i.27

15、3倍，其直流電壓利用率相對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。3.i.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，在對話框中將直流電壓設(shè)置為300V ；然后在“PowerElectronics ”庫中選擇四個 “ 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 Q和2mH ;在Simpowersystem 的“ Sink ”庫中選擇“Scope

16、 ”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；按照圖 2(a) 所示將各模塊相連，便完成了單相全橋方波逆變器的主電路部分。第二步再來構(gòu)造控制部分。在Simulink 的“ Sources ”庫中選擇四個“PulseGenerator ”模塊，幅值為 1 。周期為0.02s ，頻率為50Hz ，占空比為50% 。其中兩個滯后 0s, 其輸出加在開關(guān)1 和 3 的門極，另外兩個滯后設(shè)為0.01s ，其輸出加在2 和4 的門極。第三步完成波形觀測及分析部分。將串聯(lián)RLC 支路模塊的設(shè)置為測量電壓和電流

17、，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 Harmonic 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)果將仿真時間設(shè)為0.1s,選;f¥ ode45的仿真算法，將絕對誤差設(shè)為1e-5 ,運行后

18、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300V方波電壓，周期與驅(qū)動信號頻率同為 50Hz。交流電流和直流電流波形有阻 感負載的特性所決定。直流電流為負的期間，電流通過反并聯(lián)二極管流向電源，負載電 感的磁場儲能向直流母線饋送；直流電流為負的期間，電流通過IGBT流向負載。若為純電阻負載，則直流電流無波動。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%?？梢姡瑔蜗喾讲孀冸娐份敵鲭妷旱幕ǚ荡笥谥绷麟妷?，其中電壓利用率較高，但同時諧波利用率

19、較高，但同時諧波含量較大，難以滿足多數(shù)負載的要求。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，由直流電源和三個橋臂組成，負載為星形連接。當(dāng)Si導(dǎo)通時，a點接在直流電源正極，當(dāng)S4導(dǎo)通時，a點接在直流電源負極，b、c點電位是由其上下管的導(dǎo)通狀態(tài)決定的。每個橋臂的上下驅(qū)動脈沖互補，是占空比為50%的方波，每個開關(guān)導(dǎo)通時間為180 0 o三相方波逆變電路的基本波形如圖 5,每個時刻都有三個開關(guān)導(dǎo)通，并按照 1、2、 3、4、

20、5、6的順序?qū)?，所以在一個周期內(nèi)有六種導(dǎo)通模式。線電壓為正負幅值，者B 是Ud、寬度為180。的方波，三個線電壓間各差120 °。以5、6、1三個管子導(dǎo)通時 的模式為例，此時負載的 a、b與電源正極接通，負載 b與電源負極接通，故相電壓 Ubn=-2/3U d,u an=Ucn=1/3 Ud,以此類推，可分析出其他導(dǎo)通模式下逆變器各橋臂的工 作情況以及工作波形，如圖5所示。相電壓每60 0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相電壓瞬時值分別為sin (mt + -1- -sin 5(wt + 3 - -s

21、in+ -1 + sin llfwc + 3I G 5 I 7 I 11 I 6= (/jlsin(x)t + -sin+ sin 7wt + 一sin+flTijt d5711J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,八2 /1.1t1.,n次諧波的幅值為基波幅值的1/n線電壓基波幅值為Uablm=Ud =當(dāng)逆變電路接的是純電阻負載時，三個橋臂中的反并聯(lián)二極管由于不用反饋無功功 率，都不用導(dǎo)通，逆變器從直流母線中吸收直流電流。當(dāng)逆變器接感性負載時，逆變 器將會與母線之間交換無功功率，直流電流脈動頻率是輸出電壓頻率的6倍，而純電阻負載時則沒有脈動。3.2.2三相

22、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，在對話框中將直流電壓設(shè)置為530V ;然后在“ PowerElectronics ”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100Var ,容性無功功率為 0;在Simpowe

23、rsystem 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" PulseGenerator ”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71后0.02/6s ,即相差60°。采用“ Mux ”模塊將六路信號合成后加在門極上。第三步完成波形觀測及分析部分。利用

24、“ Measurements ”庫中的“Multimeter ” 模塊并且將負載的測量量設(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 ”，可對所得波形進行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，仿真運行前，選擇參數(shù)設(shè)置菜單，在“ Date History ”中選擇選中 數(shù)據(jù)并保存到工作區(qū)的選項。程序運行完成以后，

25、選擇 powergui的FFT分析功能， 選擇要分析的信號，設(shè)置起始時間，分析的周期數(shù)及基波頻率即可。此次仿真過程中將 仿真時間設(shè)為0.1s,選才¥ ode45的仿真算法，在“ powergui ”的對話框中選擇離散仿 真模式，采樣時間為10-5s,運行以后點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載有關(guān)。由圖7可知, 直流電流波動的頻率是逆變器輸出電壓的 6倍。相電壓基波峰值是337.3V ,線電壓的基波峰值為584.6V,與上述

26、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控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列脈沖的寬度進行調(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，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)的波形基本相同。若采用正弦波作為PWM調(diào)制波

27、，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)動信號是采用SPWM控制，將寬度變化的窄脈沖作為驅(qū)動信號。PWM控制包括計算法和調(diào)制法SPWM采用頻率為fs的正弦波為調(diào)制波也=Winjsin 田 J % = 2嘰載波Uc是幅值為Ucm頻率為fc的三角波。載波信號頻率fc和調(diào)制信號頻率f的比值稱為載波比，可以用P來表示即調(diào)制深度m定義為正弦調(diào)制信號與三角波載波信號的幅值之間的比值通常采用信號波Us與載波Uc相比較的方法生成PWM信號：當(dāng)Us> Uc時，功率

28、開關(guān)S1、S3就會導(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)Us<Uc時,S2、S4導(dǎo)通，等于逆變電路交流端輸出電壓U0仍等于直流電壓源電壓幅值只是符號相反。隨著開關(guān)管以載波頻率fc輪番導(dǎo)通，逆變器交流端輸出電壓U0不斷在正負直流電壓幅值之間切換。由于在這種調(diào)制方式下，每個開關(guān)在一個周期內(nèi)輸出電壓的波形都會 出現(xiàn)正負兩種電平，因此成為雙極性SPWM調(diào)制。圖9 所示為p=15時的單相全橋雙極 性SPWM信號波及載波的基本波形。n圖9雙極性SPWM逆變示意圖工程上通常對SPWM逆變器采用電壓平均值模型來進行輸出基波電壓的計算，當(dāng)載波遠高于輸出電壓基波頻率且調(diào)制深度小于 1時

29、，可知基波電壓Ui的幅值滿足如下關(guān)系%摑=叫上述等式是SPWM的一個重要關(guān)系，它表明調(diào)制深度小于1和載波信號頻率遠大于調(diào)制波信號的條件下，SPWM逆變電路輸出電壓的基波幅值隨調(diào)制深度線性變化。因此通 過控制調(diào)制信號的頻率和幅值，可方便的調(diào)節(jié) SPWM逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。在線性控制區(qū)內(nèi)，調(diào)制深度m等于1時輸出電壓的基波幅值達到最大，即直流電壓 源幅值Ud與單相方波逆變器相比，SPWM逆變器的直流電壓逆變率只有單相方波逆變 器的0.7854倍，實際上，SPWM并沒有一定要求調(diào)制深度要小于1,調(diào)制深度的增長可 以使輸出電壓“鋸齒”減少，基波電壓幅值增大。但是提高調(diào)制深度并不能無限提升直 流

30、電壓利用率，而是以方波逆變工作的情況為上限。當(dāng)調(diào)制深度大于1時稱為過調(diào)制。當(dāng)調(diào)制深度趨于無窮大時，電路工作情況實際就是方波逆變的情況。因此，過調(diào)制除了 造成直流電壓利用率的有限增加的結(jié)果外，還會導(dǎo)致輸出電壓的低次諧波的大量出現(xiàn)， 這與SPWM的初衷是有相當(dāng)部分的矛盾的。因此，過調(diào)制只能是在某些強調(diào)直流電壓利 用率并且對諧波畸變要求不高的場合有所應(yīng)用。SPWM逆變電路可以使輸出電壓、輸出電流比方波逆變電路更接近正弦波， 但由于 使用了載波和調(diào)制波對正弦波進行調(diào)制，故一定會產(chǎn)生和載波有關(guān)的諧波分量。產(chǎn)生諧 波分量的頻率和幅值是衡量SPWM逆變電路性能的重要指標之一。以載波周期為基礎(chǔ)， 再利用貝塞爾

31、函數(shù)便可推導(dǎo)出PWM波的傅里葉級數(shù)表達式。雙極性調(diào)制方式下，單相 全橋逆變電路輸出電壓包含的諧波角頻率為S ± 弧=(np + k)(A)s其中，n=1,3,5,，時，k=0,2,4,；n=2,4,6,，時，k=1,3,5,。各次諧波 對應(yīng)賦值為式中Jk為k次貝塞爾函數(shù)。SPWM調(diào)制波中含有載波頻率的整數(shù)倍諧波和它附近的諧波。隨著調(diào)制深度的增 加，其幅值的相對值逐漸減小，幅值最高并且影響最大的是p次諧波分量。因為n=1時的下邊帶衰減很快，因為這一邊帶輸出電壓中最靠近基波頻率的低次諧波，所以值得考慮的低次諧波大致在p-2 次。由此可見，載波比越高，也就越容易進行濾波，最低次 諧波離基波

32、越遠，因此，提高載波比就會有效改善輸出電壓的質(zhì)量。但載波比的提高首先受制于開關(guān)器件的開關(guān)速度，另外，由于開關(guān)能量損耗等原因，開關(guān)頻率在逆變器的設(shè)計和運行中還會受到其他多種因素的影響，相應(yīng)的載波比的大小也有一定限制。除此此外，在過調(diào)制情況下輸出的電壓還包含比較豐富的低次諧波，其極限運行方式就是方波逆變的輸出情況。4.1.2 單相 SPWM 逆變電路的仿真分析4.1.2.1 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，在對話框中將直流電壓設(shè)置為300V ； 橋臂模塊選用“PowerElectronic

33、s ”庫中的“Universal Bridge ”模塊，橋臂數(shù)設(shè)置為 2，開關(guān)器件選擇帶有反并聯(lián)二極管的IGBT, 即可構(gòu)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 Q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；利用“Measurements ”庫中的“ Multimeter ”模塊并且將負載的測量量設(shè)置為電流和電壓。第二步再來構(gòu)造雙極性SPWM 的控

34、制信號的發(fā)生部分。在 Simulink 的 “ Source ”庫中選擇“ Clock ”模塊，用以提供仿真時間t,乘以2 f后在通過一個“ sin”模塊即 為sin成乘以調(diào)整深度 m后可得所需的正弦調(diào)整信號；由“ Source ”庫中的” Repeating Sequence ”模塊產(chǎn)生三角載波信號， 雙擊其對話框，設(shè)置 “ Time Values ”為0 1/fc/4 1/fc, 設(shè)置“Output values ”為0 -1 1 0,便可生成頻率為fc三角載波；”庫中的“Relational Operator ”模通過 Simulink 的“ Logic and Bit Operatio

35、ns塊進行比較后所得信號即為調(diào)制波和載波，再通過適當(dāng)?shù)奶幚肀憧傻盟穆烽_關(guān)信號，如圖 11 所示。 “Signal Attributrd ” 庫中的 “ Data Type Conbersion ” 模塊進行相 應(yīng)的設(shè)置后得到“ Boolean "和“ double ”模塊，“NOT”則使用“ Longic and Bit Operations ” 庫中的 “ Logical Opearator ” 模塊。為了使仿真界面簡潔明了，仿真參數(shù)易于修改，可以對圖【11】所示部分進行封裝， 使其成為一個便于分析和更改參數(shù)的模塊。有鼠標選中圖中的所有部分，單擊右鍵現(xiàn)在“Crea Subsyste

36、m ”，則選中的部分全都放入一個子系統(tǒng)模塊，僅留下對外的輸入輸出接口。右鍵單擊該模塊，選擇“ Mask Subsystem ”可對其進行封裝。設(shè)置 m、f 和fc三個參數(shù)并確定后，再單擊該子系統(tǒng)模塊則會出現(xiàn)如圖12所示的對話框，此時可根據(jù)仿真需要填寫參數(shù)的具體數(shù)值。W Block Parameters: Subsystem停 及Suh syst em. (naslc)Parameters m 575 f&0 -f c icaokJ圖12子系統(tǒng)模塊對話框?qū)㈦p極性SPWM模塊的輸出端連接到已連接好主電路的門極輸入，最后的仿真模型如圖13所示Out1SubsystemScopeDiscret

37、e,Ts= 1e-005 s.powergui圖13單相SPWM逆變電路模型圖4.1.2.2分析仿真結(jié)果首先調(diào)制深度設(shè)為0.5 ,輸出基波頻率設(shè)置為 50Hz ,載波頻率設(shè)置為基波的15倍，也就是750 Hz o將仿真時間設(shè)置為0.06s。仍將采用上節(jié)用到的powergui模塊對波形進行FFT分析。選擇ode45的仿真算法，在“powergui ”的對話框中選擇離散仿真模式，采樣時間為10-5s,運行后可得仿真結(jié)果，觀察到交流電壓、交流電流和直流電流的波形如圖14所示，輸出電壓即為雙極性 SPWM型電壓，脈沖寬度按正弦規(guī)律變化。由圖可以觀察到 SPWM逆變電路輸出交流電流比方波逆變器輸出交流電

38、流更加接近正弦波。直流電流除含有直流分量以外，還含有兩倍于基頻的交流分量和與開關(guān) 頻率密切相關(guān)的更高次諧波分量。其中，直流電流部分向負載提供有功分量，交流電流 分量和諧波電流分量向負載提供無功分量，即直流電源周期性吞吐的能量。圖14單相SPWM逆變電路波形圖對輸出地交流電壓分量進行進行 FFT分析，可得頻譜圖，基波幅值為152V ,與上 述數(shù)學(xué)分析值接近，諧波分布符合規(guī)律，最大的 15次諧波分量是基波的2.12倍，輸 出電壓的最低次諧波為13次,幅值為基波的18.78% ,最高分析頻率為3.5 kHz時的 諧波畸變率達到245.82% 。載波比為奇數(shù)時不含有偶次諧波，由于感性負載的濾波作 用，

39、負載上交流電流的諧波畸變率為 27.57%圖15單相SPWM逆變電路波形圖將調(diào)制深度設(shè)為1 ,其他條件保持不變，則仿真圖形如圖 15所示，交流電壓的中間部分明顯加寬，交流電流比調(diào)制深度為 0.5時更加接近正弦波，波形更加平滑，“缺失”減少。對輸出地交流電壓分量進行進行 FFT分析，可得頻譜圖，基波幅值為300V ,相對 大幅增加，除此之外諧波特性也有較大變化，15次諧波明顯降低，只有基波的59.81% , 但13次諧波有所增加，諧波畸變率為 92.36% ,交流電流的諧波畸變率也降低到9.81% 。將載波頻率升至1500 Hz ,則仿真波形如圖16所示，交流電壓分布更加細密，交流電流波形更加平

40、滑，幾乎接近正弦波，缺失更加不明顯。對輸出地交流電壓分量進行進行FFT分析，可得頻譜圖，輸出電壓的最低次諧波為 28次，交流電流的諧波畸變率為4.88% ,負載電流正弦度更好。圖16單相SPWM逆變電路波形圖通過上述一系列仿真分析得到如下結(jié)論：SPWM逆變器的諧波特性與載波頻率有 密切關(guān)系。4.2三相SPWM逆變電路的仿真研究4.2.1 三相SPWM逆變電路的數(shù)學(xué)分析三相SPWM逆變電路的主電路與三相方波逆變電路的主電路相同，只是控制信號的時序分布不同，如圖5。三相SPWM逆變電路與單相SPWM逆變電路原理相類似， 載波信號Uc仍然采用對稱三角波，賦值頻率分別為Ucm和fc,調(diào)制信號幅值和頻率

41、分別為Usm和fs的三相正弦波Usa、Usb和Usc。以a相橋臂為例，當(dāng)Usa>Uc時，S4導(dǎo)通Si 關(guān)斷，另外兩個橋臂依此類推。如圖 17為載波比p=3時的三相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方式輪流導(dǎo)通， 所以各相相又t于中性點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)動信號同步變化。輸 出地線電壓即為相應(yīng)兩相對于 N點的電壓的向量差，線電壓在土 Ud和0之間變化，但 總體呈現(xiàn)單極性形狀，負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)制波與逆變

42、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，并且這個倍數(shù)必須是奇數(shù)倍來保證雙極性調(diào) 制時每相波形是正負對稱的半波，這樣在信號波的180 0時正好是正負半周的分界點。由于波形左右對稱，諧波中就不會有偶次諧波。在實際逆變情況中，載波頻率遠高于調(diào) 制波頻率時，由于不對稱產(chǎn)生的諧波影響非常小，可以忽略不計。SPWM波的傅里葉級數(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，6mU d/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

43、二極管整流橋為逆變電 路提供直流電源，逆變器的輸出電壓很可能不能滿足負載額定電壓的需求，這也是SPWM逆變電路的主要不足之處。輸出電壓主要集中在 血%上*M =(即土幻見處，其中n為奇數(shù)時，k=3(2m-1) ±1, n 為偶數(shù)時，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，也就是 k值越大，諧波幅值也就 越小，影響最大白氐次諧波就是p-2次。止匕外，由于3的整數(shù)倍次諧波是零序分量，所 以逆變器輸出線

44、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“ElectricalSources ”庫中選擇直流電壓源模塊，在對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 ”庫中選擇三相申聯(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

45、功功率為 500Var ,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“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行運行仿真。將串聯(lián)RLC支路模塊的設(shè)置為測量電壓和電流，再利用

46、“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 。仿真時間設(shè)為0.06s。仍將采用上節(jié)用到的powergui模塊對波形進行FFT 分析。選擇ode45的仿真算法，在“ powergui ”的對話框中選擇離散仿真模式，采樣 時間為10-7s,運行后可得仿真結(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 U d,諧波分布主要在開關(guān)頻

47、率的整數(shù)倍附近，相電流的諧波畸變率為 3.56%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)分析與仿真特點，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)動信號的頻率來改變，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)部分負載的要求。直流電壓利用率是波逆變電路的一個重要指標，而方波逆變器輸出電壓的基波峰值是直流電壓的1

48、.273 倍， 它的直流電壓利用率在逆變器中是相對較高的，這也是方波逆變器的最大優(yōu)點。(2)三相方波逆變電路。從配電負載平衡的要求和用電設(shè)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

49、波幅值隨調(diào)制深度線性變化，通過控制調(diào)制信號即可調(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。仿真過程中對于MATLAB 軟件的應(yīng)用可以總結(jié)出如下優(yōu)點，采用Matlab/Simulink 對逆變電路進行仿真分析,使得電路分析運算更加方便快捷避免了常規(guī)實物連接分析方法中繁瑣的繪圖和計算

50、過程。同時, 用 Matlab/Simulink 進行仿真 ,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 隨時的觀察仿真波形，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 對逆變電路的仿真結(jié)果進行了詳細分析與采用常規(guī)電路分析方法所得到的輸出電壓波形進行比較, 進一步驗證了仿真結(jié)果的正確性。致謝通過這次課程設(shè)計，使我對于電力電子中逆變電路有了更加深刻的認識，并且能夠?qū)?Simulink 熟練應(yīng)用于逆變的仿真研究。畢業(yè)設(shè)計不同于以往的課程設(shè)計，這是一個在我們這個階段相對非常龐大的任務(wù)，但這是我們作為電氣專

51、業(yè)學(xué)生所必須掌握和的，這次設(shè)計工作真正打開了我進行電路設(shè)計的大門。這次畢業(yè)設(shè)計綜合了大學(xué)學(xué)習(xí)課程中的很多知識，不僅是對于我的專業(yè)知識的考驗，也是對于我綜合能力的考驗。大學(xué)四年，我在努力學(xué)習(xí)和實踐中充實的度過，爭取能夠?qū)肀M快適應(yīng)這個多元化的社會并且奉獻社會、造福社會。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行分析的時候，仍會遇到很多細節(jié)問題，尤其是仿真運行中遇到的問題，所以這次課程設(shè)計能夠最后順利完成要非常感謝郭英軍老師的精心指導(dǎo)和大力支持。同時，也要感謝同組同學(xué)的幫助，通過和同學(xué)的交流，使我在他們身上學(xué)到了很多有用的知識，使這次畢業(yè)設(shè)計做的

52、更加完滿。最后，再次感謝郭老師對于我這次畢業(yè)設(shè)計的諄諄教誨和耐心指導(dǎo)。謝謝！參考文獻1 王兆安 , 黃俊 . 電力電子技術(shù).北京: 機械工業(yè)出版社, 2004.2 張志涌 . 精通 MATLAB 6. 5 版 .北京 : 北京航空航天大學(xué)出版社, 2003.3 周淵深 . 電力電子與MATLAB 仿真 .北京 : 中國電力出版社, 2004.4 華亮 , 沈申生 . Matlab/ Simulink 在單相交流調(diào)壓電路仿真中的應(yīng)用.電力學(xué)報 , 2005, 20( 4) : 350- 352.5 朱曉東 ,高繼賢 .SIMULINK 在電力電子中的應(yīng)用.東北電力學(xué)院學(xué)報 ,2005,24(4)

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