基于matlab的單相逆變器設(shè)計

1、摘要逆變器是將原來的直流電轉(zhuǎn)換成所需交流電的一種裝置，其應(yīng)用范圍十分廣泛，而隨著高頻逆變技術(shù)的發(fā)展，逆變器性能和逆變技術(shù)的應(yīng)用都進入了嶄新的發(fā)展階段。作為逆變裝置中最為簡單的一種，單相電壓型逆變器也在電力電子領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用。本課程設(shè)計簡單地介紹了當(dāng)前逆變技術(shù)的應(yīng)用，分析了單相逆變器的結(jié)構(gòu)和工作原理，討論了用PWM調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)逆變的方法。構(gòu)建了基于開關(guān)模型的單相電壓型逆變電路的單極性和雙極性SPWM 調(diào)制，以及電流跟蹤逆變電路和雙環(huán)控制逆變電路，并進行了MATLAB/SIMULINK 的仿真，對仿真結(jié)果進行了分析，并得出相關(guān)結(jié)論。關(guān)鍵詞：逆變器； PWM 調(diào)制； MATLAB/SIMU

2、LINK 仿真第 1 章 單相逆變電路1. .1.1 概述11.2 逆變技術(shù)的應(yīng)用 1. .1.3 單相逆變電路 2. .1.3.1 單相電壓型逆變結(jié)構(gòu)及工作原理 2.1.3.2 單相電流型逆變結(jié)構(gòu)及工作原理 4.1.3.3 單相電流型和單相電壓型的比較 5.第 2 章 PWM 調(diào)制技術(shù)7. .2.1 概述72.2 PWM調(diào)制基本原理 7. .2.3 PWM調(diào)制的實現(xiàn) 8. .2.3.1 載波比和調(diào)制深度 9. .2.3.2 開關(guān)頻率和開關(guān)損耗 9. .2.3.3 調(diào)制方式1.0.2.3.4 采樣方式1.0.2.3.5 控制方式1.2.2.4 逆變電路的PWM 控制技術(shù)1.2.第 3 章 基于

3、 MATLAB 仿真及建模1.43.1 單相電壓型逆變電路雙極性SPWM 仿真 1.43.2 單相電壓型逆變電路單極性SPWM 仿真 1.53.3 單相跟蹤控制逆變器仿真1.7.3.4 單相全橋逆變電路仿真1.9.3.5 仿真結(jié)果分析2.3.總 結(jié) 2.4.參考文獻2.5.III第 1 章 單相逆變電路1.1 概述所謂“逆變”就是將直流電能變換成交流電能，逆變技術(shù)作為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的重要組成部分，正成為電力電子技術(shù)中發(fā)展最為活躍的領(lǐng)域之一，其應(yīng)用極其廣泛。特別是在近些年，隨著高頻逆變技術(shù)的發(fā)展，逆變器性能和逆變技術(shù)的應(yīng)用都進入了嶄新的發(fā)展階段1-2。隨著各個領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品性能要求的不斷提高，以及

4、越來越多的用電設(shè)備對供電電源要求的多元化，由交流電網(wǎng)提供工頻交流電源的單一供電方式已經(jīng)不能滿足產(chǎn)品和生產(chǎn)的實際需要。很多產(chǎn)品和電氣設(shè)備都要求將不同形式的原始輸入電能進行變換，以得到幅值和頻率等參數(shù)符合各自要求的電能形式，如通信電源、弧焊電源、醫(yī)用電源、感應(yīng)加熱電源、化工電源、汽車電源和電動機調(diào)速電源等。目前，這些電能的變換一般都是采用電力電子技術(shù)來實現(xiàn)，其中，應(yīng)用最多的是通過整流和逆變相組合的方式實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換。逆變技術(shù)的種類很多，分類方式也各有不同，常用分類有如下幾種：1）按輸入電量的形式：電壓型逆變；電流型逆變。2）按輸出電平的數(shù)目：兩電平逆變；三電平逆變；多電平逆變。3）按輸出交流的相數(shù)：

5、單相逆變；三相逆變；多相逆變。4）按輸出交流電量的波形：正弦波逆變；非非正弦波逆變。5）按輸出電能流向：有源逆變；無源逆變。6）按輸出交流電的頻率：工頻逆變；中頻逆變；高頻逆變。各種形式的逆變技術(shù)都各具特點和適合其應(yīng)用的領(lǐng)域，因此，針對特定的需求，研發(fā)出與其相適用的變頻裝置，顯得尤為關(guān)鍵。3.6 逆變技術(shù)的應(yīng)用逆變電路時將原來的直流電轉(zhuǎn)換成所需交流電的一種電力電子電路，其應(yīng)用范圍十分廣泛，在許多的領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用3。1）交流電機的變頻調(diào)速通過控制交流電機的電壓、電流和頻率來調(diào)節(jié)交流電機轉(zhuǎn)速的變頻調(diào)速技術(shù)和產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于風(fēng)機、水泵、機床、軋機等場合。在軌道交通牽引領(lǐng)域上，變頻調(diào)速技術(shù)解決了以

6、往交流電機調(diào)速性能不夠好等問題，使其在成本、功率質(zhì)量比維護性等方面優(yōu)于直流電機，使得交流牽引技術(shù)成為軌道交通牽引動力的重要發(fā)展方向。2）不間斷電源系統(tǒng)為了保證給用戶可靠的、優(yōu)質(zhì)的、持續(xù)不斷地供電，常使用不間斷電源。不間斷電源的核心技術(shù)就是將蓄電池中的直流電能逆變?yōu)榻涣麟娔艿哪孀兗夹g(shù)。3）感應(yīng)加熱由于逆變器通過控制開關(guān)管，能夠產(chǎn)生很高頻率的交流電，利用渦流效應(yīng)使金屬被感應(yīng)加熱，達到加熱的目的，其典型的應(yīng)用有中頻爐、高頻爐及電磁爐等。4）開關(guān)電源由一種直流電獲得其他形式的直流電，包括各種體積小重量輕的高頻開關(guān)電源，其中絕大多數(shù)包含了DC AC 高頻內(nèi)調(diào)制的中間過程。1西南交通大學(xué)本科生課程設(shè)計5）

7、變頻電源變頻電源輸出不同于電網(wǎng)頻率的的恒壓、恒頻交流電，它們?yōu)閺碾娋W(wǎng)向采用不同制式的設(shè)備供電提供了方便。比如飛機上設(shè)備供電制式為400HZ 的交流電，為了在地面對這些設(shè)備進行調(diào)試、實驗等工作，就必須采用輸出頻率為400HZ 的變頻電源。6）電子整流器普通日光燈整流器由于工作在工頻電壓下，不但功率因數(shù)差，效率低，而且體積大、重量重。采用逆變技術(shù)設(shè)計的電子整流器，能有效地提高效率和功率因數(shù)，并可以大幅度降低體積和重量，實現(xiàn)了綠色照明。7）家用電器為了節(jié)能和改善使用性能，在現(xiàn)代的家用電器中，無不滲透著電力電子技術(shù)的最新成就，一些技術(shù)含量很高的新產(chǎn)品不斷上市，如變頻空調(diào)、微波爐等。8）有源濾波和無功補

8、償為了消除電網(wǎng)的諧波污染，抑制諧波電流，提高供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，對工頻交流電網(wǎng)進行有源濾波和無功補償技術(shù)的核心是逆變技術(shù)。除此之外，逆變電路還有許多的應(yīng)用，如風(fēng)力發(fā)電機的變速恒頻勵磁、太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)以及高壓直流輸電技術(shù)。逆變技術(shù)除了完成將交流電轉(zhuǎn)換成交流電最為簡單的任務(wù)外，更為重要的在于其節(jié)能、高效和低耗的優(yōu)勢，在能源短缺的今天，逆變技術(shù)顯示出其強大的生命力和不容置疑的發(fā)展前景。3.7 單相逆變電路3.7.1 單相電壓型逆變結(jié)構(gòu)及工作原理單相電壓型逆變電路有單相半橋、單相橋式以及帶中心抽頭變壓器的逆變電路。單相半橋逆變電路由一對橋臂和一個帶中點的直流電源構(gòu)成。負載連接在直流電源中點與兩個橋

9、臂連接點之間，T1 與 T2 兩個開關(guān)管在導(dǎo)通和關(guān)斷控制上互補。如圖1-1 所示，負載為感性負載，負載電流為近似正弦波，工作波形如圖 1-2 所示 2-3 ：1-2 半橋電路工作波形1-1 單相半橋逆變電路結(jié)構(gòu)工作原理：在t 時刻前，T1 通、 T2 斷，io經(jīng) T1 和直流電源流動，輸出電壓uo為正。在t 時刻時，關(guān)斷T1 并給 T2 導(dǎo)通信號，由于感性負載不能立刻改變電流流動方向，于是D2 導(dǎo)通，io經(jīng)D2 與直流電源續(xù)流，直到io衰減到零T2 才真正導(dǎo)通，i o開始反向。在2 期間，無論是D2 導(dǎo)通還是T2 導(dǎo)通，輸出電壓uo均為負。同理，在t 2 時，關(guān)斷T2 并給 T1 導(dǎo)通信號，則

10、io先經(jīng)D1 續(xù)流，直到io變到零并改變方向后T1 才真正導(dǎo)通，在此期間uo為正。3西南交通大學(xué)本科生課程設(shè)計 單相半橋逆變電路的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，使用的器件少；但是輸出電壓的幅值很低，直流電壓利用率很低，且需要兩個直流電源若采用電容器，還必須控制中點的平衡。因此單相半橋逆變電路只適用于小功率的場合。由兩個單相半橋逆變電路組合，形成了單相橋式逆變電路，假設(shè)其負載仍是感性負載電流近似正弦波，電路結(jié)構(gòu)和工作波形分別如圖1-3 和1-4。圖 1-3 單相全橋逆變電路結(jié)構(gòu)圖圖 1-4 全橋電路工作波形工作原理：與單相半空橋逆變電路類似，只是電路中T1 與 T4、 T2 與 T3 的通、斷控制信號相同并且

11、互補，二極管用于續(xù)流作用。在阻感負載時，可以采用移相方式調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓，這稱為移相調(diào)壓，移相調(diào)壓實際上是調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度，從而調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值。全橋型電路的開關(guān)器件電壓不高，輸出功率大，但使用的開關(guān)器件多，驅(qū)動比較的復(fù)雜，一般適用于大功率的逆變器。若逆變電路輸出地功率較大時，可采用P MOSFET ， IGBT 等高頻自關(guān)斷器件；若輸出功率特別大時，氣開關(guān)器件GTO， IGCT 等。帶中心抽頭變壓器（零式電路）的逆變電路結(jié)構(gòu)圖如圖1-5 所示。1-5 帶中心抽頭變壓器逆變電路其輸出變壓器原邊繞組有中心抽頭，副邊輸出接負載，交替驅(qū)動兩個開關(guān)器件，經(jīng)變壓器耦合給負載加上矩形波交流

12、電壓，兩個二極管的作用是提供無功能量的反饋通道。在 U d 和負載相同，變壓器匝數(shù)比為1： 1： 1 時， uo和 io波形及幅值與全橋電路的完全相同。該逆變電路只用了兩個開關(guān)器件，是全橋電路的一半，且降低了對直流電源的要求，但是開關(guān)管在關(guān)斷時所承受的電壓應(yīng)力是全橋逆變電路的兩倍，而且必須采用有一個中心抽頭的變壓器，這種逆變電路適用于低壓小功率而又必須將直流電源與負載電氣隔離的場合。3.7.2 單相電流型逆變結(jié)構(gòu)及工作原理電流型逆變電路時在電壓型逆變電路之后出現(xiàn)的，隨著晶閘管耐壓水平的提高，電流型逆變電路得到了較快的發(fā)展。電流型逆變電路的結(jié)構(gòu)比較簡單，用于交流電動機調(diào)速時可以不附加其他電路而實

13、現(xiàn)再生制動，發(fā)生短路時危險較小，對晶閘管關(guān)斷時間要求不高。電流型逆變電路對晶閘管的耐壓要求比較高，適用于對動態(tài)特性要求較高，調(diào)速范圍較大的交流調(diào)速系統(tǒng)。電流型逆變電路一般在直流側(cè)串聯(lián)大電感，電流脈動很小，可近似看成直流電流源。電流型逆變電路突出的特點是直流側(cè)串大電感，電流基本沒有脈動，相當(dāng)于恒流源；可以直接確定交流側(cè)輸出的電流波形，與負載無關(guān)；直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用因此無需反并聯(lián)二極管。電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應(yīng)用較多，器換流方式有負載換流、強迫換流。與單相電壓型逆變電路相比，單相電流型逆變電路可控開關(guān)上不需要反并聯(lián)無功反饋二極管，這是因為電流源的強制作用，電流不可能反

14、向流動之故。單相電流型逆變電路采用較多的是橋式電路。單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路結(jié)構(gòu)原理圖如1-6 所示：1-6 單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路工作原理：此電流型逆變電路由4 個橋臂組成，每個橋臂的晶閘管各串一個電抗器LT 以限制晶閘管開通時的 di /dt ，使橋臂1、 4 和2、 3以 10002500HZ 的中頻輪流導(dǎo)通，可得到中頻交流電。它采用負載換相方式工作，要求負載電流超前于電壓。因為是電流型逆變電路，輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠小于基波。因基波頻率接近負載電路諧振頻率，故負載對基波呈高阻抗，對諧波呈低阻抗，諧波在負載上產(chǎn)生的壓降很小，因此

15、負載電壓波形接近正弦波。工作波形如圖1 7 所示。在一個周期內(nèi)，有兩個穩(wěn)定導(dǎo)通階段和兩個換流階段。t1 t2 時段為晶閘管T1 和 T4 穩(wěn)定導(dǎo)通時段，負載電流io Id，在 t2時刻前電容C 上建立了左正右負的電壓。t2 t4 時段為換流階段。時刻觸發(fā)晶閘管T2 和 T3 開通，進入換流階段。換流電抗器LT 使 T1 、 T4 不能立刻關(guān)斷，其電流由I d 逐漸減小，T2、 T3 電流也由零逐漸增大。t2 時刻后，4 個晶閘管全部導(dǎo)通，負載電壓經(jīng)兩個并聯(lián)的放電回路同時放電。一個回路是經(jīng)LT1、T1、T3、LT3到C；另一個回路是經(jīng)LT2、T2、T4 、 LT1 到 C。當(dāng) t t4 時， T

16、1 、 T4 上的電流減小至零關(guān)斷，直流側(cè)電流全部從T1 、 T4 移到 T2、 T3，換流階段結(jié)束。其中t4 t2稱為換流時間。晶閘管在電流減小到零時，還需要一段時間才能恢復(fù)正向阻斷能力。因此，為了保證晶閘管的可靠關(guān)斷，在換流結(jié)束后還要使T1 、 T4 承受一段反壓時間t ， tt5 t4應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時間tq 。如果 T1 、T4 尚未恢復(fù)阻斷能力就被加上正向電壓，會重新導(dǎo)通，這樣 4 個晶閘管同時穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通，逆變電路處于短路狀態(tài)，造成逆變失敗。1-7 并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形單相并聯(lián)諧振電路常用于感應(yīng)加熱，而電路中等效的L、 R 值都在不斷變化，為使電路始終保持并聯(lián)諧振，控制電路必須

17、跟隨主電路參數(shù)的變化調(diào)節(jié)逆變頻率。當(dāng)逆變電路頻率不變時，通過調(diào)節(jié)直流側(cè)電流可以調(diào)節(jié)逆變電路的輸出功率。有時也可以通過調(diào)節(jié)逆變頻率，使其略偏離諧振頻率，從而實現(xiàn)其輸出功率的調(diào)節(jié)。3.7.3 單相電流型和單相電壓型的比較單相電壓型和單相電流型逆變電路主電路的拓撲結(jié)構(gòu)不同，它們的應(yīng)用領(lǐng)域也有較大的區(qū)別，總結(jié)幾點如下 3：1 ）電壓源型逆變器采用大電容作儲能（濾波）元件，逆變器呈現(xiàn)低內(nèi)阻特性，直流電壓大小和極性不能改變，能將負載電壓箝在電源電壓水平上，浪涌過電壓低，適合于穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源，不可逆電力拖動系統(tǒng)、多臺電機協(xié)同調(diào)速和快速性要求不高的應(yīng)用場合。電流源型逆變器電流方向不變，可通過逆變器和整流器的工作

18、狀態(tài)變化，實現(xiàn)能量流向改變，實現(xiàn)電力拖動系統(tǒng)的電動、制動運行，故可應(yīng)用于頻繁加、減速，正、反轉(zhuǎn)的單機拖動系統(tǒng)。2 ）電流源型逆變器因用大電感儲能（濾波），主電路抗電流沖擊能力強，能有效抑制電流突變、延緩故障電流上升速率，過電流保護容易。電壓源型逆變器輸出電壓穩(wěn)定，一旦出現(xiàn)短路電流上升極快，難以5西南交通大學(xué)本科生課程設(shè)計 獲得保護處理所需時間，過電流保護困難。3 ）采用晶閘管元件的電流源型逆變器依靠電容與負載電感的諧振來實現(xiàn)換流，負載構(gòu)成換流回路的一部分，不接入負載系統(tǒng)不能運行。4 ）電壓源型逆變器必須設(shè)置反饋（無功）二極管來給負載提供感性無功電流通路，主電路結(jié)構(gòu)較電流源逆變器復(fù)雜。電流源型逆

19、變器無功功率由濾波電感儲存，無需二極管續(xù)流，主電路結(jié)構(gòu)更簡單。7第 2 章 PWM 調(diào)制技術(shù)2.1 概述在許多應(yīng)用領(lǐng)域中，都要求逆變器的輸出電壓與頻率能夠同時、連續(xù)、平滑地調(diào)節(jié)。過去由于受電力半導(dǎo)體開關(guān)的限制，逆變器主要為方波逆變器。電壓控制多采用脈沖幅值調(diào)制（PAM ）控制方式，即電壓控制與頻率控制分開進行，通過調(diào)節(jié)直流測電源電壓來改變逆變器的輸出電壓的大小。PAM 控制的主要問題： 一是輸出電壓是方波，其諧波成分大；二是由于是通過改變直流側(cè)電壓來改變輸出的交流電壓的大小，而中間直流電路中有大的電容，其電壓的改變需要較長的時間，故動態(tài)響應(yīng)特性較差；三是由于有兩個功率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，所以系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與

20、控制比較復(fù)雜，效率低。脈沖寬度調(diào)制（PWM 調(diào)制）完全不同于PAM ，它將電壓控制與頻率控制集中在逆變器上同時完成。其主要的特點是：通過對逆變器開關(guān)器件的通、斷控制，使逆變器輸出一系列幅值相等而寬度不同的脈沖，用它來代替正弦波；利用一定的規(guī)則控制各脈沖的寬度，可實現(xiàn)逆變器輸出電壓與頻率的同時調(diào)節(jié)；系統(tǒng)簡單，動態(tài)響應(yīng)好。在脈沖寬度調(diào)（SPWM） 的諧波分量最少，應(yīng)用最廣。1964 年，德國的A.Schonung 等人吧通信系統(tǒng)中的調(diào)制概念推廣應(yīng)用于變頻調(diào)速系統(tǒng)，為現(xiàn)代逆變技術(shù)的實用化和發(fā)展開辟了嶄新的道路。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，PWM 就似乎日益成熟并被廣泛應(yīng)用于各種逆變裝置中。近年來，隨著微處理器

21、技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化PWM 技術(shù)又為傳統(tǒng)的PWM 技術(shù)注入了新的內(nèi)涵，使得PWM 方法和實現(xiàn)不斷優(yōu)化和翻新，從早期的追求電壓波形正弦，到電流波形正弦，再到電流波形正弦，再到控制負載電機的磁通正弦，并進而發(fā)展到提高系統(tǒng)效率、降低電機轉(zhuǎn)矩脈動和減小諧波噪聲等， PWM 技術(shù)正處于一個不斷創(chuàng)新、不斷發(fā)展的階段，在該領(lǐng)域的研究和發(fā)展也方興未艾3。2.2 PWM 調(diào)制基本原理利用半導(dǎo)體器件將直流輸入變換成交流輸出的方法，根據(jù)半導(dǎo)體器件的工作模式可以分為兩類：線性工作模式和開關(guān)工作模式。線性工作模式中，半導(dǎo)體器件必須長期同時承受較高的電壓和負載電流，從而產(chǎn)生較大的功耗，不但使得設(shè)備的效率低下，而且對于如

22、何散熱也是一個非常難解決的問題，因此在逆變裝置中應(yīng)用較少。但工作在線性模式中時，其輸出信號的失真很小、動態(tài)響應(yīng)速度非常的快，因此在一些對輸出波形畸變和動態(tài)響應(yīng)要求較高的場合也得到了應(yīng)用，最典型的應(yīng)用就是音響設(shè)備中的功放。工作在線性區(qū)的半導(dǎo)體之所以沒得到廣泛的應(yīng)用，其主要是因為同時承受較高的電壓和電流，使得功耗較大，不適合在大功率逆變裝置中應(yīng)用，但開關(guān)工作模式卻很好的避免了這個問題，因此也得到了更廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)以單相電壓型半橋式逆變電路的正弦脈寬調(diào)制為例，其拓撲結(jié)構(gòu)圖和工作波形分別如圖2-1、 2-2 所示。在斷態(tài)時，由于器件中電流為零，損耗也就等于零，而通態(tài)時損耗的大小則取決于開關(guān)器件通態(tài)壓降

23、和通態(tài)電流，由于開關(guān)器件的通態(tài)壓降一般較小，再加上開關(guān)過程中的開關(guān)損耗，開關(guān)模式的損耗也遠遠小于線性工作模式的損耗，因此，包括逆變裝置在內(nèi)的各種電力電子裝置基本都會采用開關(guān)模式。正弦波脈寬調(diào)制的控制思想是利用逆變器的開關(guān)元件，由控制線路按一定的規(guī)律控制開關(guān)元件是否通斷，從而在逆變器的輸出端獲得一組等幅、等距而不等寬的脈沖序列。其脈寬基本上按正弦分布，可以此脈沖列來等效正弦電壓波形，圖 2-2a 所示的uoU om sin t 即正弦波的的波形圖. 而電壓型逆變電路的輸出電壓是方波，如果將一個正弦半波電壓分成N 等份， 并把正弦曲線每一等份所包圍的面積都用一個與其面積相等的等幅矩形的脈沖來代替，

24、且矩形脈沖的中點與相應(yīng)正弦等份的中點重合，得到如圖2-2b 所示的脈沖列，這就是PWM 波形。正弦波的另外一個半波可以用相同的辦法來等效?？梢钥闯?，該PWM 波形的脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化，稱為SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation) 波形。根據(jù)采樣控制理論，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，其效果基本相同。脈沖頻率越高，SPWM 波形越接近正弦波。逆變電路輸出電壓為SPWM 波形時，其低次諧波得到很好的抑制和消除，高次諧波又能很容易濾去，從而可獲得畸變率很低的正弦輸出電壓。2-1 電壓型單相半橋逆變電路2-2 脈沖寬度調(diào)制的脈沖波形由上述

25、分析可知，半導(dǎo)體器件工作在開關(guān)狀態(tài)，避免了器件同時承受高電壓和大電流，因此其損耗要比線性模式小很多，設(shè)備的利用率得以提高，但也會發(fā)生波形失真現(xiàn)象。進一步分析可知，通過選取不同的調(diào)制波形(參考波形)，可以改變輸出波形的變化規(guī)律，而通過按比例改變脈沖寬度的方法則可以改變輸出電壓的大小。2.3 PWM 調(diào)制的實現(xiàn)9西南交通大學(xué)本科生課程設(shè)計PWM 輸出脈沖串的寬度，理論上可以根據(jù)所需的調(diào)制規(guī)律準(zhǔn)確地用計算的方法求得，并以此作為決定逆變器個功率開關(guān)器件導(dǎo)通或管段時刻的依據(jù)。但是，用這種方法說明PWM 的原理比較的困難，也很抽象。為此，在大多數(shù)情況下都采用如下更加直觀和更易理解的方法來說明PWM 控制的

26、基本原理3-4。將所希望得到的逆變器輸出電壓波形（調(diào)制波）與載波信號相比較，然后用比較的控制信號去激勵功率開關(guān)器件的導(dǎo)通或關(guān)斷，就能得到所需要的PWM 輸出電壓。這種方法如圖2-3 所示。2-3 PWM 脈沖的產(chǎn)生原理圖其核心思想是：正弦波為希望輸出的波形，而三角波為載波信號，調(diào)制波與載波信號分別被送入一個比較器的兩個輸入端。當(dāng)um uc 時輸出為高電平；當(dāng)um uc時輸出為低電平。通過這種方式就得到了正弦脈沖序列。顯然，當(dāng)載波信號不變時，輸出信號受控于調(diào)制信號的波形和幅值。利用這種方式產(chǎn)生PWM的方法，載波信號的選擇有多種，不同的載波對PWM 的性能影響很大，其中尤以等腰三角波應(yīng)用得最多。2

27、.3.1 載波比和調(diào)制深度載波信號頻率fc與調(diào)制信號頻率fm之比稱為載波比，用 P 表示為：P fc/ fm， 調(diào)制信號的幅值與載波信號的幅值之比稱為調(diào)制深度，用M 表示為：M Ump /Ucp 。在大多數(shù)情況下，提高載波比能改善逆變器的輸出波形的質(zhì)量，在調(diào)制頻率不變的情況下，提高載波比意味著提高了載波的頻率，這會使得輸出信號的頻率集中在載波頻率附近，諧波的頻率提高，而高次諧波的影響將遠小于低次諧波的影響；不僅如此，提高載波比還有利于降低負載運行的噪聲。但提高載波比的代價是增加了開關(guān)損耗，而且受開關(guān)器件固有頻率的約束，開關(guān)頻率都有一定的限制，因此，選擇一個合適的載波比顯得極為重要。在進行脈寬調(diào)

28、制的時候，一般載波的幅值不變，通過改變調(diào)制波信號的幅值來調(diào)節(jié)輸出脈沖的寬度，從而達到調(diào)節(jié)逆變輸出波形的幅值。當(dāng)調(diào)制深度小于1 時，輸出波形完全受控于載波比，在這一調(diào)節(jié)區(qū)域稱為線性調(diào)制區(qū)，輸出波形的大小與調(diào)制深度呈正比的關(guān)系；當(dāng)調(diào)制深度大于1 時，輸出波形不在完全受控于載波比，不再遵循脈寬調(diào)制規(guī)律，這一調(diào)節(jié)區(qū)域稱為非線性調(diào)制區(qū)；當(dāng)繼續(xù)增大調(diào)制深度時，趨近于方波控制，輸出波形所含諧波的分量會明顯增大。因此，一般在確定PWM 控制策略時，都會盡量的擴大調(diào)制區(qū)的控制范圍。2.3.2 開關(guān)頻率和開關(guān)損耗在線性調(diào)制區(qū)域，半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)頻率等于載波信號的頻率，因此開關(guān)器件的損耗主要取決于 載波頻率。基

29、于這樣的考慮，因此在選擇半導(dǎo)體開關(guān)器件時，一般基于以下幾點考慮：2.3.3 ）不同類型和不同功率等級的開關(guān)管都有最高允許工作頻率，根據(jù)電路的需要，選擇合適的開關(guān)器件；2）功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)損耗和開關(guān)頻率呈正比，因此還應(yīng)充分考慮逆變裝置的散熱能力對器件的影響；3）開關(guān)器件的開關(guān)頻率還會受到微處理器處理速度的影響，因此選擇的時候也應(yīng)考慮其中；4）開關(guān)器件的頻率越高，逆變裝置工作時產(chǎn)生的電磁干擾也越嚴重，因此，容易對弱電電路造成不良的影響。因此，考慮到各種因素，在逆變器的控制方案中，開關(guān)頻率是一個需要綜合考慮和評價的重要技術(shù)參2.3.3 調(diào)制方式根據(jù)載波信號和調(diào)制波信號是否同步及載波比的變化情況，

30、PWM 逆變電路可以分為異步調(diào)制、同步調(diào)制、分段同步調(diào)制三大類。a 異步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號不保持同步關(guān)系的調(diào)制方式，稱為異步調(diào)制。在異步調(diào)制方式中，調(diào)制信號頻率fT變化時，通常保持裁波頻率fc固定不變，因而載波比是變化的。這樣，在調(diào)制信號的1/2 個周期內(nèi)，輸出脈沖的個數(shù)不固定，脈沖相位也不固定，正、負1/2 周期的脈沖不對稱，同時，1/2 周期內(nèi)，前后1/4周期的脈沖也不對稱。三相異步調(diào)制SPWM 逆變電壓波形當(dāng)調(diào)制信號頻率輕低時，載波比較大，1/2 周期內(nèi)的脈沖數(shù)苗鄉(xiāng)，波形接近正弦波。當(dāng)調(diào)制信號頻率增高時，載波比就減小，1/2 周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少。輸出脈沖的不對稱性影響就變大，還會出現(xiàn)

31、脈沖跳動。同時，輸出波形和正炫波之間的差異也交大，電路輸出特性變壞。對于三相PWM 型逆變電躋來說，三相輸出的對稱性也變差。因此， 在采用異步調(diào)制方式時，希望盡量提高載波頻率，以使在調(diào)制信號頻率較高時仍能保持較大的載波比，改善輸出特性。b 同步調(diào)制載波比等于常數(shù)，并在變頻時使載波信號與調(diào)制信號保持同步的調(diào)制方式稱為同步調(diào)制。在基本同步調(diào)制方式中，調(diào)制信號頻率變化時載波比不變。調(diào)制信號1/2 個周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的。在三相PWM 逆變器中，通常公用1 個三角載波信號，且取載波比為3 的整數(shù)倍，以使三相輸出波形嚴格對稱。同時，為了使一相的波形正、負1/2 周期鏡像對稱，載波

32、比應(yīng)取為奇數(shù)。當(dāng)逆變電路輸出地頻率很低時，因為1/2 周期內(nèi)輸出脈沖的數(shù)目是固定的，所以由PWM 調(diào)制產(chǎn)生的諧波頻率也相應(yīng)的很低。這種頻率較低的諧波通常不易濾除掉，例如負載為電機時，就會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲，給電機的正常工作帶來不利的影響。c 分段同步調(diào)制為了克服上述缺點，通常采用分段同步調(diào)制的方法，即把逆變電路的輸出頻率范圍劃分為若干個頻段。每個頻段內(nèi)都保持載波比為恒定，不同頻段的調(diào)制比不同。在輸出頻率的高頻段采用較低的載波比，以使載波頻率不致過高；在輸出頻率的低頻段采用較高的載波比，以使載波頻率不致過低，而對負載產(chǎn)生不利的影響。各頻段的載波比應(yīng)該取為3 的整數(shù)倍，且為奇數(shù)。分段同步調(diào)制

33、在不同的頻段內(nèi)，載波頻率的變化范圍應(yīng)該保持一致，載波頻率在2kHz 以上，提高載波頻率可以使得輸出地波形更加的接近正弦波。2.3.4 采樣方式采用調(diào)制方法產(chǎn)生PWM 脈沖的關(guān)鍵問題之一就是如何計算得到每個PWM 脈沖的起始和終止時刻，而這與調(diào)制控制的采樣策略相關(guān)，常用的采樣策略可以分為自然采樣和規(guī)則采樣兩大類。1 ）自然采樣法按照 SPWM 控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交點時刻，控制功率開關(guān)器件的通斷，這種生成SPWM 波形的方法，稱為自然采樣法。正弦波不同相位角時其值不同，因而與三角波相交所得的脈沖寬度也不同。另外，當(dāng)正弦波頻率變化或幅值變化時，各脈沖的寬度也相應(yīng)變化，要準(zhǔn)確生成S

34、PWM 波形，就應(yīng)準(zhǔn)確地算出正弦波和三角渡的交點。圖 2 4 中取三角波的相鄰2 個峰值之間為1 個周期，為了簡化計算，可設(shè)三角波峰值為標(biāo)幺值l，正弦調(diào)制渡為ur M sin r ，式中 M 為調(diào)制系數(shù)，r 為正弦調(diào)制信號的角頻率。從圖2-4 可以看出，在三角載波的 1 個周期 T 內(nèi)，其下降段和上升段各和正弦調(diào)制渡有1 個交點，圖中的交點分別為A 和 B。 這兩個交點即為開關(guān)導(dǎo)通和斷開的時刻。2-4 自然采樣通斷圖13這種方法在實際應(yīng)用中不多見，主要是要花費較多的時間去計算電力電子開關(guān)器件的通斷點，占用計算機較大的內(nèi)存，而且很難實現(xiàn)超越方程的實時求解，故而應(yīng)用場合有限。2）規(guī)則采樣自然采樣法

35、是最基本的SPWM 渡形生成法，它以SPWM 控制的基本原理為出發(fā)點，可以準(zhǔn)確地計算出各功率器件的通斷時刻，所得的波形接近于正弦渡，但是這種方法計算量過大，因而在工程上實際使用不多。相比較于自然采樣，規(guī)則采樣與上述原理基本不同。但優(yōu)點甚多。規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實用方法，它的效果接近于自然采樣法，但計算量卻遠小于自然采樣法。圖 2-6 所示為采用鋸齒波作為載波的規(guī)則采樣法。由于鋸齒波的一邊是垂直的，因而它和正弦調(diào)制波交點時刻是確定的，所需的計算只是鋸齒渡斜邊和正弦調(diào)制波的交點時刻，使計算量明顯減少。在自然采樣法中，每個脈沖的中點并不和三角波中點（負峰點）重臺，規(guī)則采樣法使兩者重合，即使

36、每卜脈沖的中點都以相應(yīng)的三角波中點對稱，這樣就使計算簡化。速種方法的示意圖，如圖2-5 所示，在三角渡的負峰時刻t D 對正弦調(diào)制波采樣而得到D 點，過 D 點作水平直線和三角波分別交于A點和 B 點，在 A 點的時刻tA和 B 點的時刻控t 制功率開關(guān)器件的通斷?？梢钥闯?，用這種規(guī)則采樣法所得到的脈沖寬度和用自然采樣法所得到的脈沖寬度非常接近。2-5 規(guī)則采樣原理圖2-6 鋸齒波采樣原理圖西南交通大學(xué)本科生課程設(shè)計2.3.5控制方式PWM 可以分為單極性控制和雙極性控制兩種模式。所謂單極性控制模式，就是調(diào)制信號和載波信號始終保持相同的極性，兩者絕對值相比較就可以得到單極性脈沖，將單極性脈沖與

37、極性信號相乘就得到逆變器控制所需的正、負半周對稱的PWM 脈沖信號，原理圖如2-7 所示：172-7 單極性 PWM 控制原理相較于單極性控制，雙極性控制的調(diào)制波和載波都采用雙極性信號，與單極性控制模式相比，雙極性控制在 PWM 信號產(chǎn)生和主電路的結(jié)構(gòu)方面都比較的簡單，因此應(yīng)用更為廣泛，其原理圖如圖2-8 所示：2-8 雙極性 PWM 控制原理由圖比較得知，單極性模式的交流輸出較雙極性模式的交流輸出更加的接近正弦波，所包含的高次諧 波含量也低于后則，因此，在對輸出波形諧波含量有嚴格控制的場合，可以使用單極性調(diào)制。2.4 逆變電路的PWM 控制技術(shù)由于逆變器應(yīng)用場合的不同，負載特性和要求也各不相

38、同，到目前為止并沒有一種PWM 方法能夠兼顧各方面的要求。常用的PWM 逆變控制技術(shù)有：正弦脈寬調(diào)制、準(zhǔn)最優(yōu)正弦脈寬調(diào)制、消除特定諧波脈寬調(diào)制等3。1 ）正弦脈寬調(diào)制當(dāng)采用正弦波作為調(diào)制信號來控制輸出PWM 脈沖的寬度，使其按照正弦波的規(guī)律變化，這種策略稱為正弦脈寬調(diào)制。其中載波采用得較多的是等腰三角波；既可以采用自然采樣也可以采用規(guī)則采樣；既可以采用單極性模式又可以采用雙極性模式。這種方法應(yīng)用最為廣泛，原因是SPWM 調(diào)制原理通俗直觀、實現(xiàn)方便、諧波特性優(yōu)良等，但它也存在直流電壓利用率低的缺陷，例如對于三相SPWM 調(diào)制，其電壓利用率僅有87%，所以為了提高直流電壓的利用率，發(fā)展出了準(zhǔn)正弦波

39、脈沖寬度調(diào)制。2）準(zhǔn)最優(yōu)正弦脈寬調(diào)制由于正弦脈寬調(diào)制的直流電壓利用率較低，如果進一步增大調(diào)制波的幅值，雖然可以在一定程度上提高直流電壓的利用率，但是這樣就會出現(xiàn)過調(diào)制，導(dǎo)致諧波的含量增多，所以提出了向正弦波中注入三次諧波的準(zhǔn)正弦脈寬調(diào)制。向正弦波中注入三次諧波，二者疊加而成馬鞍形的調(diào)制波，這種方法就是三次諧波注入正弦脈寬調(diào)制。雖然調(diào)制波含有三次諧波分量，在逆變器輸出相電壓中也會出現(xiàn)三次諧波分量，但由于它們是零序分量，所以實際上不會在負載上產(chǎn)生三次諧波電流，因此理論上對負載特性并沒有實質(zhì)上的影響。通過這種方式，使得在不出現(xiàn)過調(diào)制的情況下，輸出電壓基波產(chǎn)生約15%的增量，從而調(diào)高了直流電壓的利用率

40、。3）消除特定諧波脈寬調(diào)制對 SPWM 的諧波特性進行分析可知，當(dāng)開關(guān)頻率變低時，各次諧波的頻率也相應(yīng)的降低，導(dǎo)致低頻諧波的含量增大。低頻諧波幅值偏大且不受調(diào)制方法控制的缺陷成為限制SPWM 在低開關(guān)頻率場合應(yīng)用的最直接因素。因此，為了消除低次諧波，提出了一種消除特定諧波的方法，稱為消除特定諧波法。消除特定諧波法的核心思想是：通過對電壓波形脈沖缺口位置的合理安排和設(shè)置，以求達到既能控制輸出電壓基波大小，又能有選擇地消除逆變輸出電壓中某些特定諧波的目的，其中的缺口位置需要通過輸出諧波特性的數(shù)學(xué)表達式來求解。對于電壓型橋式逆變電路，其輸出電壓波形的數(shù)學(xué)表達式為：4U d4U d m2-1)An0

41、u( t)sin( n t)d t 1 2 ( 1) cos(n i )n i1通過合理的設(shè)計，在留一個自由度用于基波幅值控制的前提下，剩余（m1 ）個自由度就可用于消除（ m1）個指定的諧波，這就是消除特定諧波法的基本原理。顯然，對于（2-1 ）式這樣一個超越方程，求解將會相當(dāng)困難。因此消除特定諧波法的計算和控制過程非常的繁瑣，開關(guān)頻率的變化也會導(dǎo)致m 的變化，當(dāng)開關(guān)頻率很高時，超越方程的維數(shù)也會也會增大，因此在開關(guān)頻率較高時不適宜采用此方法。但在開關(guān)頻率相對較低的場合則可以采用此方法，其優(yōu)點是消除了特定的低次諧波，從而有效地提高了系統(tǒng)的運行性能。除上述幾種基于輸出電壓控制的方法外，還有基于

42、電機電壓空間矢量（磁鏈模型）和基于電機電流跟蹤的控制模型，電壓空間矢量調(diào)制技術(shù)能提高直流電壓的利用率，減小電機的諧波電流和脈動轉(zhuǎn)矩，能同時控制電壓和頻率，實現(xiàn)方式簡單的優(yōu)點。因此在電機控制領(lǐng)域應(yīng)用較多。而電流跟蹤型PWM 調(diào)制技術(shù)則可實現(xiàn)對電機定子電流的自適應(yīng)控制，因此，動態(tài)響應(yīng)速度快，系統(tǒng)運行受負載參數(shù)的影響小，逆變器結(jié)構(gòu)簡單，電流諧波小，因此這種控制方式特別適合于高性能的交流電機調(diào)速系統(tǒng)。第 3章基于 MATLA仿真及建模3.1 單相電壓型逆變電路雙極性SPWM 仿真單相電壓型橋式逆變電路雙極性調(diào)制的仿真圖如圖3-1 所示， SPWM 控制模塊如圖3-2 所示。通過控制 T1 和 T3、

43、T2和 T4互補，使得電路輸出的電壓波形與單相半橋電路完全相同幅值增大一倍，由于輸出的電壓在半個周期內(nèi)，電壓極性在兩個極性間變化，所以稱為“雙極性調(diào)制”2。213-1 單相電壓型逆變電路雙極性SPWM 仿真圖3-2 雙極性 SPWM 控制模塊仿真參數(shù)設(shè)置如下：直流側(cè)電壓Ud=500V ，負載電阻R=10 ，調(diào)制波為正弦波u 0.6sin( t) ，載波f 1250 Hz 。調(diào)制波形及交流側(cè)電壓波形如圖3-3 所示。圖 3-3 單相橋式逆變電路雙極性調(diào)制波形和輸出電壓波形由仿真波形可以看出，當(dāng)正弦波的值大于三角載波的時候，輸出電壓為正；當(dāng)正弦波的值小于三角載500V500V 之間兩種幅值之間變化

44、，驗證了3.2 單相電壓型逆變電路單極性SPWM 仿真單相電壓型橋式逆變電路單極性調(diào)制的仿真圖如圖3-4 所示， SPWM 控制模塊如圖3-5 所示。通過分T1 和 T2 互補， T3 和 T4 互補，與半橋相比，這種控制方式輸出電壓的2。3-4 單相電壓型逆變電路單極性SPWM 仿真圖3-5 單極性 SPWM 控制模塊仿真參數(shù)設(shè)置如下：直流側(cè)電壓Ud=500V ，負載電阻R=10 ，調(diào)制波為正弦波u 0.6sin( t) ，載波頻率為 f 1250 Hz 。調(diào)制波形及交流側(cè)電壓波形如圖3-6 所示。圖 3-6 單相橋式逆變電路單極性調(diào)制波形和輸出電壓波形由仿真波形可以看出，當(dāng)正弦波的值大于三

45、角載波的時候，上橋臂導(dǎo)通；當(dāng)正弦波的值小于三角載波u0在 +ud0 或 0-ud 之間變化，從輸出電壓波形看，其通、3.3 單相跟蹤控制逆變器仿真單相電流跟蹤型逆變器使逆變器的輸出電流跟隨給定的電流波形變化，電流跟蹤采用滯環(huán)控制，當(dāng)逆3-7 所示 5-8：353-7 單相電流跟蹤逆變仿真框圖U d1 U d2 50V ，負載電阻為R 0.5 ， L 0.5 mH ，仿真參數(shù)設(shè)置如下：兩個完全相同的直流電源參考正弦波為i 10sin( t) 。3-8；3-9。1)設(shè)置滯環(huán)寬度為0.15，留有0.05 的死區(qū)，仿真波形如圖2)設(shè)置滯環(huán)寬度為0.75，留有0.05 的死區(qū)，仿真波形如圖(a) 交流輸

46、出電壓波形(b) 交流輸出電壓波形(c) 參考電流波形和實際電流波形(d) 參考電流波形和實際電流波形(e) 參考電流與實際電流放大波形圖 3-8 滯環(huán)寬度I 0.15(f) 參考電流與實際電流放大波形圖 3-9 滯環(huán)寬度I 0.75單相跟蹤控制逆變器的輸出電壓為兩電平(U d 、 U d )等效的正弦波，輸出為正時為上橋臂導(dǎo)通，3.4 單相全橋逆變電路仿真單相全橋逆變電路等效電路如圖3-10 所示 9-10。其中 L 為輸出濾波電感，C 為濾波電容，R 為包括了E 通過功率開關(guān)器件在每個開關(guān)周期內(nèi)開ui由三電平電壓組成的等效正弦波，uc為負載電壓。3-10 單相電壓型PWM 逆變器等效電路根

47、據(jù)基爾霍夫電壓定理、電流定理以及拉普拉斯變換，可得交流側(cè)數(shù)學(xué)模型：3-1)P(s)uuci (ss)LCs2rCs 1圖 3-11 單相電壓型PWM 逆變器等效框圖單相電壓型PWM 逆變器采用雙環(huán)控制，電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)進行控制。通過采樣濾波電感電流或濾波電容電流和濾波電容電壓，用外環(huán)電壓誤差的控制信號去控制電流，通過調(diào)節(jié)電流使得輸出電壓跟蹤參考電壓值變化。電流內(nèi)環(huán)能夠擴大逆變器控制系統(tǒng)的帶寬，使得逆變器動態(tài)響應(yīng)加快，輸出電壓的諧波含量減小。單相電壓型PWM 逆變器的雙環(huán)控制框圖如圖3-12 所示：圖 3-12 雙環(huán)控制框圖仿真參數(shù)設(shè)置：直流側(cè)母線電壓E 500V ，交流側(cè)輸出電壓頻率為fr 50HZ ，開關(guān)頻率為20kHz，二L 9mH ，二次濾波電容為C 1200uF ，電阻 r 0.05 ，負載采用純電阻，其值為2 。單相電壓型