雙極性模式PWM逆變電路

PAGE1電力電子系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真題目：雙極性模式PWM逆變電路班級：姓名：學(xué)號：指導(dǎo)老師：日期：摘要PWM控制就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形。PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最為廣泛，現(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路中絕大部分都是PWM型逆變電路。本設(shè)計(jì)為雙極性PWM方式下的單相全橋逆變電路，主要包括雙極性SPWM控制信號的發(fā)生電路和帶反并聯(lián)二極管的IGBT作為開關(guān)器件的單相全橋電路。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于運(yùn)用MATLAB中的SIMULINK建立電路模型，對電路進(jìn)行仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，得出系統(tǒng)參數(shù)對輸出的影響規(guī)律。關(guān)鍵字：雙極性PWM控制逆變電路SIMULINK仿真圖1.1.3規(guī)則采樣法生成SPWM波的原理圖假設(shè)三角波的幅值為1,正弦函數(shù)為=M，M為調(diào)制度且0<M<1，由圖中ΔABC∽ΔEDA得，AB/BC=ED/DA，代入后可得：其中，Tc為三角載波周期，t2為脈沖寬度。所以矩形波開通時(shí)間為：將上式離散化后可得：式中，為在波周期，I為第I個(gè)SPWM波，N為采樣的總個(gè)數(shù)1.2單極性和雙極性PWM控制逆變電路分析電路如圖1.2所示，該電路工作時(shí)，和通斷互補(bǔ)，和也通斷互補(bǔ)，如在正半周，導(dǎo)通，關(guān)斷，和交替通斷，且負(fù)載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負(fù)。在的負(fù)半周，讓保持通態(tài)，保持?jǐn)鄳B(tài)，和交替通斷，負(fù)載電壓可以得到-和零兩種電平。圖1.2單相橋式PWM逆變電路1.2.1單極性PWM控制方式如圖1.2.1所示，調(diào)制信號為正弦波，載波在的正半周為正極性的三角波，在的負(fù)半周為負(fù)極性的三角波。a)在的正半周時(shí)，保持通態(tài)，保持?jǐn)鄳B(tài)，當(dāng)>時(shí)，使導(dǎo)、關(guān)斷，=。當(dāng)<時(shí)，使關(guān)斷、導(dǎo)通，=0。b)在的負(fù)半周時(shí)，保持?jǐn)鄳B(tài)，保持通態(tài)。當(dāng)<時(shí)，使導(dǎo)通、關(guān)斷，=-。當(dāng)>時(shí)，使關(guān)斷、導(dǎo)通，=0。圖1.2.1單極性PWM控制方式波形1.2.2雙極性PWM控制方式如圖1.2.2所示，在調(diào)制信號和載波信號的交點(diǎn)的時(shí)刻控制各個(gè)開關(guān)器件的通斷。a)在的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)，所得的PWM波也有正有負(fù)，在的一個(gè)周期內(nèi)，輸出的PWM波只有±兩種電平。b)在的正負(fù)半周，對各個(gè)開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。當(dāng)>時(shí)，和導(dǎo)通，和關(guān)斷，這時(shí)如果>0，則和導(dǎo)通，如果<0，則和導(dǎo)通，但不管那種情況都是=。當(dāng)<時(shí)，和導(dǎo)通，和關(guān)斷，這時(shí)如果<0，則和導(dǎo)通，如果>0，則和導(dǎo)通，但是不管哪種情況都是=-。圖1.2.2雙極性PWM控制方式波形二、MATLAB仿真及結(jié)論分析2.1建立仿真模型本設(shè)計(jì)為單相PWM逆變電路，工作方式為雙極性PWM方式，開關(guān)器件選用IGBT，直流電壓為300V,電阻負(fù)載，電阻1歐姆，電感2mh。2.1.1雙極性SPWM控制信號的仿真模型在Simulink的“Source”庫中選擇“Clock”模塊，以提供仿真時(shí)間t，乘以2πf后，再通過一個(gè)“sin”模塊即為sinwt,乘以調(diào)整深度m后可得所需的正弦調(diào)整信號；三角載波信號由“Source”庫中的“RepeatingSequence”模塊產(chǎn)生，雙擊其對話框，設(shè)置“TimesValues”為[01/fc/43/fc/41/fc],設(shè)置“OutputValues”為[0-110]，便可生成頻率為fc的三角載波：調(diào)制波和載波通過Simulink的“LogicandBitOperations”庫中的“RelationalOperator”模塊進(jìn)行比較后所得信號，再通過適當(dāng)處理便得四路開關(guān)信號，如圖2.1.1所示。圖中的“Boolean”和“double”為“SignalAttributes”庫中的“DataTypeConversion”模塊進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置后所得。圖2.1.1雙極性SPWM信號發(fā)生電路圖（1）主要參數(shù)設(shè)置圖2.1.1（a）Gain模塊參數(shù)設(shè)置圖2.1.1（b）RelationalOperator模塊參數(shù)設(shè)置(2)雙極性SPWM控制方式仿真結(jié)果當(dāng)調(diào)制深度m=0.5，載波頻率fc=1500時(shí)，仿真結(jié)果如圖2.1.1（c）所示。圖2.1.1（c）雙極性SPWM控制方式仿真波形圖為了使仿真界面簡潔，仿真參數(shù)易于修改，可以對圖2.1.1所示部分進(jìn)行封裝，使其成為一個(gè)便于調(diào)用的模塊。用鼠標(biāo)選中圖中的所有部分，單擊右鍵并選擇“CreateSubsystem”,則選中的部分全都放入一個(gè)子系統(tǒng)模塊，只保留了對外的輸入輸出接口，子系統(tǒng)模塊如圖2.1.1（d）所示。右鍵單擊該模塊，選擇“MaskSubsystem”中的Para可對其進(jìn)行封裝。如圖2.1.1（e）所示，設(shè)置m、f和fc三個(gè)參數(shù)并確定后，再單擊該子系統(tǒng)模塊則會出現(xiàn)如圖2.1.1(f)所示的對話框，此時(shí)可根據(jù)仿真需要填寫參數(shù)的具體數(shù)值。圖2.1.1（d）子系統(tǒng)模塊圖圖2.1.1（f）雙極性SPWMM模塊對話框示意圖圖2.1.1（e）雙極性SPWMM模塊封裝設(shè)置示意圖2.1.2雙極性模式PWM逆變電路仿真模型主電路中采用“UniversalBridge”模塊,在對話框中選擇橋臂數(shù)為2，即可構(gòu)成單相全橋電路，開關(guān)器件選帶反并聯(lián)二極管的IGBT;直流電壓源模塊設(shè)置為300V;阻感負(fù)載分別設(shè)為1Ω和2MH。主電路仿真模型圖如圖2.1.2所示。圖2.1.2雙極性模式PWM逆變電路圖主要參數(shù)設(shè)置圖2.1.2（a）UniversalBridge模塊參數(shù)設(shè)置圖2.1.2（b）SeriesRLCBranch模塊參數(shù)設(shè)置注：在選擇電阻、電感時(shí)將電容的參數(shù)設(shè)為inf即可。圖2.1.2（c）Powergui模塊參數(shù)設(shè)置注：在powergui模塊中選擇ConfigureParameters進(jìn)行設(shè)置圖2.1.2（d）Multimeter模塊參數(shù)設(shè)置注：利用Multimeter模塊，可以獲得電壓和電流的參數(shù)，等價(jià)于在模型內(nèi)部連接一個(gè)電壓和電流測量模塊。配合示波器，被測信號可通過此模塊得到仿真波形。因此處需要獲得阻感負(fù)載的電壓和電流波形，所以在SeriesRLCBranch模塊參數(shù)設(shè)置時(shí)Measurements參數(shù)設(shè)置要如2.1.2（b）所示。2.2雙極性模式PWM逆變電路仿真結(jié)果及分析圖2.2雙極性模式PWM逆變電路圖（1）將調(diào)制深度m設(shè)為0.5，輸出基波頻率設(shè)為50HZ，載波頻率設(shè)為基頻的15倍，即750HZ。將仿真時(shí)間設(shè)為0.06s,運(yùn)行后可得仿真結(jié)果，輸出交流電壓、交流電流和直流電流波形如圖2.2（1）所示。輸出電壓為雙極性PWM型電壓，脈沖寬度符合正弦變化規(guī)律。直流電流除含有直流分量外，還含有兩倍基頻的交流分量以及與開關(guān)頻率有關(guān)的更高次諧波分量。其中的直流部分是向負(fù)載提供有功功率，其余部分使得直流電源周期性吞吐能量，為無功電流。圖2.2（1）fc=750HZm=0.5時(shí)的仿真波形圖圖2.2（1）（a）fc=750HZm=0.5時(shí)的交流電壓諧波分析圖圖2.2（1）（b）fc=750HZm=0.5時(shí)的交流電流諧波分析圖圖2.2（1）（c）fc=750HZm=0.5時(shí)的直流電流諧波分析圖對輸出的交流電壓進(jìn)行FFT分析，可得頻譜圖如圖2.2(1)(a)所示?；ǚ导s為151V,最嚴(yán)重的15次諧波分量達(dá)到基波的2.12倍，值得考慮的最低次諧波為13次，幅值為基波的18.78%，最高分析頻率為3.5KHZ時(shí)的THD達(dá)到261.66%。（2）將調(diào)制深度設(shè)為1，則仿真波形如圖2.2（2）所示。交流電壓的中心部分明顯加寬。圖2.2（2）fc=750HZm=1時(shí)的仿真波形圖圖2.2（2）（a）fc=750HZm=1時(shí)的交流電壓諧波分析圖圖2.2（2）（b）fc=750HZm=1時(shí)的交流電流諧波分析圖圖2.2（2）（c）fc=750HZm=1時(shí)的直流電流諧波分析圖對輸出的交流電壓和交流電流進(jìn)行FFT分析，可得頻譜圖如圖2.2(2)(a)和2.2（2）（b）所示?；ǚ翟黾拥?99V。其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次諧波有所增大，THD為100.28%交流電流的THD也降低到9.91%。（3）當(dāng)m=1,fc=1500HZ時(shí),輸出交流電壓、交流電流和直流電流仿真波形圖如圖2.2（3）所示。圖2.2（3）fc=1500HZm=1時(shí)的仿真波形圖圖2.2（3）（a）fc=1500HZm=1時(shí)的交流電壓諧波分析圖圖2.2（2）（b）fc=1500HZm=1時(shí)的交流電流諧波分析圖圖2.2（3）（c）fc=1500HZm=1時(shí)的直流電流諧波分析圖通過比較不同載波頻率時(shí)的波形圖得PWM逆變器的諧波特性與載波頻率有著密切的關(guān)系。通過FFT分析可知，輸出電壓的最低次諧波增加到28次。交流電流的THD只有4.93%，負(fù)載電流的正弦度更好。若進(jìn)一步提高載波頻率，則負(fù)載電流更加接近于正弦波形。三、PSIM仿真及結(jié)論分析3.1建立仿真模型雙極性模式PWM逆變電路PSIM仿真電路包括主電路和調(diào)制電路兩部分，其仿真電路圖如圖3.1所示。圖3.1雙極性模式PWM逆變電路圖主要參數(shù)設(shè)置圖3.1(a)主要參數(shù)設(shè)置3.2仿真結(jié)果及分析調(diào)制電路仿真波形圖如圖3.2所示圖3.2調(diào)制電路仿真波形圖以下為不同調(diào)制比時(shí)的仿真波形圖調(diào)制比N=1000/50=20時(shí)輸出電壓經(jīng)濾波后THD=1.681輸出電壓幅值=108.911V調(diào)制比N=5000/50=100時(shí)THD=1.222輸出電壓幅值=108.497V調(diào)制比N=10000/50=200時(shí)調(diào)制比N=50/50時(shí)調(diào)制比N=500/50時(shí)由上面的比較可知，在調(diào)制比較小時(shí),輸出電壓幅值較大，隨著調(diào)制比增大，輸出電壓有所減小，最后穩(wěn)定在一定值。從中可以看到選擇合適的調(diào)制比可以得到較好的波形。四、總結(jié)與體會本次課程設(shè)計(jì)為雙極性模式PWM逆變電路的計(jì)算機(jī)仿真，此次課設(shè)使我加深了對逆變電路、PWM控制等知識點(diǎn)的理解和掌握，同時(shí)也對其他知識有了一次很好的溫習(xí)。其中，重點(diǎn)用到了MATLAB仿真、電力電子技術(shù)。在今后的學(xué)習(xí)中，我會發(fā)揮積極主動的精神，把所學(xué)知識與實(shí)踐結(jié)合起來，努力掌握MATLAB的使用方法，鞏固電力電子技術(shù)等已學(xué)知識。同時(shí)也深刻體會到了遇到不懂的問題要自己先找資料翻閱有關(guān)書籍，運(yùn)用自己的能力解決自己所遇到的問題。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來，才能提高自己的實(shí)際動手能力和獨(dú)立思考的能力。通過課程設(shè)計(jì)，使我們把所學(xué)得理論知識學(xué)以致用，使我們的知識掌握的更加的牢固，在設(shè)計(jì)過程中也遇到了很多的的問題，加強(qiáng)了我思考和解決問題的能力。同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。在整