PWM逆變器的設計與仿真

1、現(xiàn)代電力電子技術課程報告PWM 逆變器的設計與仿真姓 名：王多睿學 號：107551300869學科專業(yè)：控制科學與工程年 級：2013學 期：2013/2014學年第二學期完成時間：2014年 6月30日 綜合評語成 績學 分任課教師評卷時間PWM 逆變器的設計與仿真王多睿摘要：隨著電力電子技術，計算機技術，自動控制技術的迅速發(fā)展，PWM技術得到了迅速發(fā)展，SPWM正弦脈寬調(diào)制這項技術的特點是原理簡單，通用性強，具有開關頻率固定，控制和調(diào)節(jié)性好，能消除諧波使輸出電壓只含有固定頻率的高次諧波分量，設計簡單等一系列有點，是一種比較好的波形改善法。它的出現(xiàn)對中小型逆變器的發(fā)展起了重要的推動作用。S

2、PWM技術成為目前應用最為廣泛的逆變用PWM技術。因此，研究SPWM逆變器的基本工作原理和作用特性意義十分重大.本篇論文以IGBT構(gòu)成的逆變電路為基礎，討論PWM波的產(chǎn)生原理及不同的控制方法，并借助著名的科學計算軟件MATLAB/Simulink，對PWM逆變電路進行仿真設計，并進行結(jié)果分析。 關鍵詞：PWM SPWM 逆變 MATLAB/Simulink1.引言20世紀60年代發(fā)展起來的電力電子技術，使電能可以交換和控制，生產(chǎn)了現(xiàn)在各種高效節(jié)能的新型電源和交直流調(diào)速裝置，為工業(yè)生產(chǎn)，交通運輸?shù)忍峁┝爽F(xiàn)代化的高新技術，提高了生產(chǎn)效率和人們的生活質(zhì)量，使人類社會生活發(fā)生了巨大的變化。但是在電力電

3、子技術中有關電能的變換與控制過程，內(nèi)容大多涉及電力電子技術各種裝置的分析與大量計算，電能變換的波形分析，測量與繪圖等，隨著晶閘管所處狀態(tài)的不同，系統(tǒng)的參數(shù)形式也不同，因而傳統(tǒng)的計算機語言編程仿真程序冗長，可讀性差，調(diào)試費時，大量的時間花在矩陣處理和圖形的生成分析等繁瑣易錯的細節(jié)上，而這些工作特別適合MATLAB的使用。MATLAB運算功能強大，計算準確又快捷；同時MATLAB提供的動態(tài)仿真工具SIMULINK可直接建立電路仿真參數(shù)，并且可以立即得到參數(shù)修改后的仿真結(jié)果，直觀性強，省去了編程步驟，實體圖形化模型的仿真簡單，方便，能節(jié)省設計時間與降低成本。MATLAB繪制的圖形尤其準確，清晰，精美

4、。電力電子技術領域通常利用MATLAB中的SIMULINK其中的電氣系統(tǒng)模塊庫（Power System Blockser）建立電力電子裝置的簡化模型并進行控制器的設計和仿真。現(xiàn)如今，逆變器的應用非常廣泛，在已有的各種電源中，蓄電池，、干電池、天陽能電池都是直流電源，當需要這些電源向交流負載供電時，就需要逆變。另外，交流電機調(diào)速變頻，感應加熱電源等使用廣泛的電力電子設備，都是以逆變電路為核心。本次設計利用MATLAB仿真軟件PWM逆變電路進行仿真分析，并得出正確的仿真結(jié)果，而且改變了參數(shù)從而進行比較，更能清晰的了解PWM逆變器的工作原理及影響其工作特性的因素，從而達到學習的目的。2. PWM的

5、工作原理介紹2.1理論基礎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。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。2-1-1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖2.1.1面積等效原理分別將如圖2-1-1所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)（R-L電路）上，如圖2-1-2a所示。其輸出電流i(t)對不同窄脈沖時的響應波形如圖2-1-2b所示。從波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)響應波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應i(t)也是周期性的。用

6、傅里葉級數(shù)分解后將可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波，正弦半波N等分，看成N個相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。上述原理可以稱為面積等效原理，它是PWM控制技術的重要理論基礎。下面分析用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波。圖2-1-3可以看到把半波分成N等份，就可以把正弦半波看成N個彼此相連的脈沖序列組成的波形，然后把脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使它們面積相等，就可以得到脈沖序列。根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦

7、半波是等效的。2-1-2沖量相同的各種窄脈沖的響應波形2-1-3 用PWM波代替正弦半波要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。2.2 PWM逆變電路及其控制方法目前中小功率的逆變電路幾乎都采用PWM技術。逆變電路是PWM控制技術最為重要的應用場合。PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實用的幾乎都是電壓型。2.2.1計算法根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準確計算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關器件的通斷，就可得到所需PWM波形。缺點：繁瑣，當輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結(jié)果都要變化3.2.2調(diào)制法輸出波形作調(diào)制信號，進行調(diào)制得到期望的PWM波

8、；通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波；等腰三角波應用最多，其任一點水平寬度和高度成線性關系且左右對稱；與任一平緩變化的調(diào)制信號波相交，在交點控制器件通斷，就得寬度正比于信號波幅值的脈沖，符合PWM的要求。調(diào)制信號波為正弦波時，得到的就是SPWM波；調(diào)制信號不是正弦波，而是其他所需波形時，也能得到等效的PWM波。結(jié)合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對調(diào)制法進行說明：設負載為阻感負載，工作時V1和V2通斷互補，V3和V4通斷也互補?？刂埔?guī)律：正半周，通，斷，和交替通斷，負載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段為正，一段為負，負載電流為正區(qū)間，和導通時，等于，關斷時，負載電流通過和續(xù)流，=0，負載

9、電流為負區(qū)間，為負，實際上從和流過，仍有=，斷，通后，從和續(xù)流，=0，總可得到和零兩種電平。負半周，讓保持通，保持斷，和交替通斷，可得-和零兩種電平。2-2-1 單相橋式逆變電路單極性PWM控制方式（單相橋逆變）：在和的交點時刻控制IGBT的通斷，正半周，保持通，保持斷，當>時使通，斷，=，當<時使斷，通，=0。負半周，保持斷，保持通，當<時使通，斷，=-，當>時使斷，通，=0，虛線表示的基波分量。波形見圖2-2-2。圖2-2-2 單極性PWM控制方式波形同一相上下兩臂的驅(qū)動信號互補，為防止上下臂直通造成短路，留一小段上下臂都施加關斷信號的死區(qū)時間。死區(qū)時間的長短主要由

10、器件關斷時間決定。死區(qū)時間會給輸出PWM波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波。計算法中一種較有代表性的方法，圖2-2-3。輸出電壓半周期內(nèi)，器件通、斷各3次（不包括0和），共6個開關時刻可控。為減少諧波并簡化控制，要盡量使波形對稱。首先，為消除偶次諧波，使波形正負兩半周期鏡對稱，即： (2.2.1) 其次，為消除諧波中余弦項，使波形在半周期內(nèi)前后1/4周期以/2為軸線對稱。 (2.2.2)四分之一周期對稱波形，用傅里葉級數(shù)表示為： (2.2.3)圖2-2-3 特定諧波消去法的輸出PWM波形 式中，an為 圖2-2-3，能獨立控制、和共3個時刻。該波形的為 式中n=1,3,5, (3.2.4) 確定的

11、值，再令兩個不同的=0就可建三個方程，求得、和消去兩種特定頻率的諧波：在三相對稱電路的線電壓中，相電壓所含的3次諧波相互抵消，可考慮消去5次和7次諧波，得如下聯(lián)立方程： （2-5） （2-6） （2-7）給定，解方程可得、和。變，、和也相應改變。一般，在輸出電壓半周期內(nèi)器件通、斷各k次，考慮PWM波四分之一周期對稱，k個開關時刻可控，除用一個控制基波幅值，可消去k1個頻率的特定諧波，k越大，開關時刻的計算越復雜。2.2.3 SPWM控制方式一SPWM包括單極性和雙極性兩種調(diào)制方法，（1）如果在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)，三角載波只在正或負的一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的SPWM波也只處于一個極性的范

12、圍內(nèi)，叫做單極性控制方式。（2）如果在正弦調(diào)制波半個周期內(nèi)，三角載波在正負極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負之間變化，叫做雙極性控制方式。(a)單極性SPWM法 (1)調(diào)制波和載波：曲線是正弦調(diào)制波，其周期決定于需要的調(diào)頻比kf，振幅值決定于ku,曲線是采用等腰三角波的載波，其周期決定于載波頻率，振幅不變，等于ku=1時正弦調(diào)制波的振幅值，每半周期內(nèi)所有三角波的極性均相同(即單極性)。 調(diào)制波和載波的交點，決定了SPWM脈沖系列的寬度和脈沖音的間隔寬度，每半周期內(nèi)的脈沖系列也是單極性的。 (2) 單極性調(diào)制的工作特點：每半個周期內(nèi)，逆變橋同一橋臂的兩個逆變器件中，只有一個器件按脈沖系列的

13、規(guī)律時通時通時斷地工作，另一個完全截止；而在另半個周期內(nèi)，兩個器件的工況正好相反，流經(jīng)負載ZL的便是正、負交替的交變電流。 圖2-2-4單極性PWM控制方式(b)雙極性SPWM法 (1)調(diào)制波和載波： 調(diào)制波仍為正弦波，其周期決定于kf，振幅決定于ku,中曲線，載波為雙極性的等腰三角波，其周期決定于載波頻率，振幅不變，與ku=1時正弦波的振幅值相等。 調(diào)制波與載波的交點決定了逆變橋輸出相電壓的脈沖系列，此脈沖系列也是雙極性的，但是，由相電壓合成為線電壓(uab=ua-ub;ubc=ub-uc;uca=uc-ua)時，所得到的線電壓脈沖系列卻是單極性的。 (2)雙極性調(diào)制的工作特點：逆變橋在工作

14、時，同一橋臂的兩個逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規(guī)律交替地導通和關斷，毫不停息，而流過負載ZL的是按線電壓規(guī)律變化的交變電流。 圖2-2-5雙極性PWM控制方式3. PWM逆變器的仿真結(jié)果及分析3.1.1單極性SPWM仿真 在simulink中建立如下模型。 設計中不采用IGBT元件模型，而是采用“Universal Bridge”模塊，開關器件選反并聯(lián)二極管的IGBT；阻感負載.設定輸出電壓頻率50HZ，載波頻率1080HZ，調(diào)制深度m=0.4。直流電壓源V=200V。3.1.2單極性SPWM仿真結(jié)果及分析當負載R=3，L=2e-2H時，直流側(cè)電流、交流側(cè)電流、交流側(cè)電壓的波形示波器顯示如圖

15、3-1-1所示，上圖為直流側(cè)電流，中圖為交流側(cè)電流，下圖為交流側(cè)電壓。圖3-1-1 R=3，L=2e-2H當負載R=3，L=2e-3H時，直流側(cè)電流、交流側(cè)電流、交流側(cè)電壓的波形示波器顯示如圖3-1-2所示，上圖為直流側(cè)電流，中圖為交流側(cè)電流，下圖為交流側(cè)電壓。圖3-1-1 R=3，L=2e-3H當負載R=10，L=2e-2H時，直流側(cè)電流、交流側(cè)電流、交流側(cè)電壓的波形示波器顯示如圖3-1-3所示，上圖為直流側(cè)電流，中圖為交流側(cè)電流，下圖為交流側(cè)電壓。圖3-1-3 R=10，L=2e-2H當負載R=10，L=2e-2H時，改變載波頻率為3240HZ，直流側(cè)電流、交流側(cè)電流、交流側(cè)電壓的波形示波

16、器顯示如圖3-1-4所示，上圖為直流側(cè)電流，中圖為交流側(cè)電流，下圖為交流側(cè)電壓。圖3-1-4 R=10，L=2e-2H載波頻率為3240HZ仿真結(jié)果分析：圖3-1-1和圖3-1-3可以看出,當系統(tǒng)剛啟動時電流波形不穩(wěn)定，會發(fā)生震蕩，當電感相同的情況下，電阻較小時（R=3），電流波形震蕩的更厲害，震蕩完以后才趨于穩(wěn)定。圖3-1-1和圖3-1-2可以看出,當電阻一定時，減小電感，會發(fā)現(xiàn)電流波形在正弦波的基礎上發(fā)生大幅度的震蕩，波形的峰值電壓增大，影響系統(tǒng)的特性，所以對于阻感性負載不能使電感過小。圖3-1-3和圖3-1-4可以看出，載波頻率越高，在一個周期內(nèi)PWM脈沖越密。載波頻率直接影響了波形的光

17、滑度，載波頻率越大波紋越小仿正弦效果越好。但也應注意到頻率過高有可能對整流橋器件產(chǎn)生影響，所以也不能過于高。3.2.1雙極性SPWM仿真在simulink中建立如下模型。其中參數(shù)與單極性SPWM一致。3.2.1雙極性SPWM仿真結(jié)果及分析當負載R=3，L=2e-2H時，直流側(cè)電流、交流側(cè)電流、交流側(cè)電壓的波形示波器顯示如圖3-2-1所示，上圖為直流側(cè)電流，中圖為交流側(cè)電流，下圖為交流側(cè)電壓。圖3-2-1 R=3，L=2e-2H當負載R=3，L=2e-3H時，直流側(cè)電流、交流側(cè)電流、交流側(cè)電壓的波形示波器顯示如圖3-2-2所示，上圖為直流側(cè)電流，中圖為交流側(cè)電流，下圖為交流側(cè)電壓。圖3-2-2

18、R=3，L=2e-3H當負載R=10，L=2e-2H時，直流側(cè)電流、交流側(cè)電流、交流側(cè)電壓的波形示波器顯示如圖3-2-3所示，上圖為直流側(cè)電流，中圖為交流側(cè)電流，下圖為交流側(cè)電壓。圖3-2-3 R=10，L=2e-2H當負載R=10，L=2e-2H時，改變載波頻率為3240HZ，直流側(cè)電流、交流側(cè)電流、交流側(cè)電壓的波形示波器顯示如圖3-2-4所示，上圖為直流側(cè)電流，中圖為交流側(cè)電流，下圖為交流側(cè)電壓。圖3-2-4 R=10，L=2e-2H 載波頻率為3240HZ仿真結(jié)果分析：圖3-2-1和圖3-2-3可以看出,當系統(tǒng)剛啟動時電流波形不穩(wěn)定，會發(fā)生震蕩，當電感相同的情況下，電阻較小時（R=3），

19、電流波形震蕩的更厲害，震蕩完以后才趨于穩(wěn)定。圖3-2-1和圖3-2-2可以看出,當電阻一定時，減小電感，會發(fā)現(xiàn)電流波形在正弦波的基礎上發(fā)生大幅度的震蕩，波形的峰值電壓增大，影響系統(tǒng)的特性，所以對于阻感性負載不能使電感過小。圖3-2-3和圖3-2-4可以看出，載波頻率越高，在一個周期內(nèi)PWM脈沖越密。載波頻率直接影響了波形的光滑度，載波頻率越大波紋越小仿正弦效果越好。但也應注意到頻率過高有可能對整流橋器件產(chǎn)生影響，所以也不能過于高。3.3.1 三相逆變SPWM仿真在simulink中建立如下模型：設置仿真時間為0.08s，調(diào)制比為0.8，載波比為24，仿真類型選可變步長，并設置最大步長為，最小步長為，算法為默認算法ode45。仿真結(jié)果中的上圖均為初相位為0的正弦波形。線電壓、波形如下：4.總結(jié)此次作業(yè)首先讓我明白了PWM逆變器各功能模塊可以擁有不同設計方案，每種方案有其特點和適用范圍。在進行課題設計的過程中，加深了我對逆變電路、PWM控制等知識點的理解和掌握。此次作業(yè)同樣也綜合應用了很多以前的知識，只有能夠綜合應用才能做好本課程設計，同時通過本次設計也對其他知識有了一次很好的溫習。其中，重點用到了MATLAB仿真、電力電子技術等等。在今后的學習