單相單,雙極性SPWM仿真課設

1、目錄引言TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6 單相SPWM結構及其工作原理2 HYPERLINK l bookmark8 1.1PWM控制的基本原理2 HYPERLINK l bookmark10 SPWM基本原理2 HYPERLINK l bookmark12 單相PWM逆變電路及其控制方法3 HYPERLINK l bookmark14 2.1單相SPWM逆變電路結構3 HYPERLINK l bookmark18 單相SPWM逆變電路的控制方法3 HYPERLINK l bookmark20 計算法和調(diào)制法3 HYPERLINK l bookmark4

2、調(diào)制度4 HYPERLINK l bookmark22 異步調(diào)制與同步調(diào)制4 HYPERLINK l bookmark24 采樣方法4 HYPERLINK l bookmark26 單極性與雙極性控制方式5 HYPERLINK l bookmark32 MATLAB仿真建模6 HYPERLINK l bookmark34 3.1單極性SPWM逆變電路建模6 HYPERLINK l bookmark38 3.1.1單極性PWM逆變主電路建模7 HYPERLINK l bookmark42 3.1.2單極性SPWM逆變控制電路建模8 HYPERLINK l bookmark46 3.2雙極性SPW

3、M逆變電路建模9 HYPERLINK l bookmark50 3.2.1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10 HYPERLINK l bookmark66 仿真結果11 HYPERLINK l bookmark68 4.1單極性SPWM仿真結果11 HYPERLINK l bookmark80 4.2雙極性SPWM仿真結果15 HYPERLINK l bookmark99 仿真結果分析18196.參考文獻200 引言隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，電力電子技術的各種裝置在國民經(jīng)濟各行各業(yè)中得到了廣泛應用。從電能轉(zhuǎn)換的觀點，電力電子的裝置涵蓋交流直流變換、直流

4、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機控制，可變直流電源等方面都得到了廣泛的應用,而這些都是以逆變電路為核心。由于電力電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各種裝置的分析與大量的計算、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SPWM逆變電路的動態(tài)模型給出了仿真的實例與仿真結果，驗證了模型的正確性，并展現(xiàn)了Matlab仿真具有的快捷，靈活，方便，直觀的以及Matlab繪制的圖形準確、清晰、優(yōu)美的優(yōu)點，可以用Matlab軟件來對電路的工作原理進行討論分析和仿真，從而為電力電子技術的分析及設計

5、提供了有效的工具。1單相SPWM結構及其工作原理1.1PWM控制的基本原理PWM控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術，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，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。低頻段常接近，僅在高頻段略有差異。1.2SPWM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/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，使矩形脈沖的中點與相應的正弦脈沖部分的中點

6、重合，且使矩形脈沖與相應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1-1PWM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逆變電路結構如圖2-1是單相PWM逆變電路VTVT4是四個IGBT管，VD1VD4是四個二極管，調(diào)制電路作為控制電路控制IGBT導通與關斷來得到所需要的波形foJ波2.2單相SPWM逆變電路的控制方法2.2.1計算法和調(diào)制法SPWM逆變電路主要有兩種控制方法:計算法和調(diào)制法。計算法是將PWM脈沖寬度的波形計算出來，顯然這種方法

7、是很繁瑣的，不采用。調(diào)制法是用一個三角波作為載波，將一正弦波作為調(diào)制信號進行調(diào)制。我們采用調(diào)制法。因為等腰三角波上下寬度與高度呈線性關系且左右對稱，當它與一個平緩變化的正弦調(diào)制信號波相交時，在交點時刻就可以得到寬度正比于正弦信號波幅度的脈沖 2.2.2調(diào)制度調(diào)制度用Ma表示,調(diào)制波幅值載波幅值2.2.3異步調(diào)制與同步調(diào)制載波頻率fc與調(diào)制信號頻率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)制波的交點處采樣，這要求解復雜的超越方程，難以在實時控制中在線計算，工程上不

8、采用。工程上采用規(guī)則采樣法，如圖2-2-4所示在三角波的負峰時刻tD對正弦信號波采樣得D點，過D作水平直線和三角波分別交于A、B點，在A點時刻tA和B點時刻tB控制開關器件的通斷，脈沖寬度d和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。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的交點時刻控制IGBT的通斷ur正半周，VT保持通，VT2保持斷當uru時使VT4通，VT3斷，u=Ud當urvu時使VT4斷，VT3通，u=0c43odc43our負半周，VT保持斷，VT2保持通當uruc時使VT3斷，VT4通，u=0

9、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的半個周期內(nèi)，三角波載波有正有負，所得PWM波也有正有負，在ur一周期內(nèi)，輸出PWM波只有土Ud兩種電平，仍在調(diào)制信號ur和載波信號uc的交點控制器件的通斷，ur正負半周，對各開關器件的控制規(guī)律相同。當uruc時，給VT和VT4導通信號，給VT2和VT3關斷信號，如i0,VT,和VT4通，如i0，VD2和VD3通，uo=-Ud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，為了方便采用通用橋universalbridge其內(nèi)部結構如圖3-1AEC圖3-1在此我們用到了

10、兩個橋臂，當四列PWM信號輸入通用橋的g端口時，通用橋會自動分配每一列的信號給每一個管子，控制該管子的開閉。其輸入的順序是，第一列信號輸入到Q1,第二列信號輸入到Q2，第三列信號輸入到Q3，第四列信號輸入到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pow&rsuiOtftlOirt2Out3Ont4zukboSubsystwnnDiscrete,Ts=1e-006s.tntMEBurEmtn1SpritsRLCBlani.:_=j；.：=：s圖3-23.1.2單極性SPWM逆變控制電路建模對控制電路進行封裝，封裝的參數(shù)為輸出頻率f,載波比N,調(diào)制度Ma,由

11、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現(xiàn)方法如下：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交替占空比為50%的脈沖用得到的正負脈沖與三角載波相乘得到正負交替的三角載波相比較。參數(shù)QKQ：=itlch1HalpApply圖3-4apulsegenerator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321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3-6 圖3-6 4JnivarsaIBr

12、izigOutlOlftSDm3Qirt4zlWho9Vahslenthi5RLCC3SUF!：BrsnciiMesl&mEnt：-?.1圖3-5322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&in&WhvewvREpestingSenuepceRelstinnslCp-erstwAMDL旳心丨Cp&ratixl.STLzgicaICp-BJStETCDOLt1GDOutZOutSCDCut4zuh-Ebr圖3-8b 圖3-8b EE1基參數(shù)設置如圖3-7話BlockParameters:RepeatingSequen匚嚴Repeat

13、ingtable：_3ask5(11nk?Outputatj;-eating1seqllsncecfnuzabeTEspcifiedinatableo-ftizi-vaj.LLepairs.ValuesoftizneeIlquIdbeZKrncton5qa12yinc=reaEing-.PsTametBrETizaevs.1tlee:|-01/CrLLtputValUEE:HelpApplykpr-ly圖3-7a三角波發(fā)生器參數(shù)f為正弦波頻率N為載波比曲忑品d|U業(yè)圖3-7b正弦波發(fā)生器參數(shù)f為頻率圖3-74仿真結果4.1單極性SPWM仿真結果仿真時設置仿真時間為0.04s,仿真最大步長為10

14、-5S，電源電壓Ud=220V負載電阻R=1K，電感L=0.1H00.0050.01訕50.020.0250.030,035圖3-8a為f=50,N=18,Ma=0.9時的波形結果圖（u為輸出電壓i為輸出電流）t/s500-D.5nriimuTonniiiiiEH1iiinnnnnrhnnmnnnr丨丨i丨丨iD.0C50.010.0150.02D.0250.03G.Q350.041r丨iIIIII.0.04Un0-5G00.5Idt/s0.0050.01仙50.020.0250.0350.04t/s0圖3-8aFundamentalt50Hz)=197.9nTHD=44.73%-ElLIa-

15、LWPLILfo笊芝圖3-8b為f=50,N=18,Ma=0.9時輸出電壓u的頻譜圖3025201510500200400GOO8001000Frequency(Hz)圖3-9a #圖3-9a 圖3-8c為f=50,N=18,Ma=0.9時輸出電流i的頻譜圖Fundamental50Hz=0.1&78.THD=39.2&%(-E1UHEEPunLL.J.口也濃忑200400GOOFrequency(Hz)8001000圖3-8cUovjWVTYTVWj0D.0050.01i丨丨i!t/s0.015C1.02W50.030.0350.34mm0.0050.010.05t/sQ.0350陰圖3-9

16、b為f=50,N=24,Ma=0.9時的輸出電壓u的頻譜圖0 0 Fun-damental(50Hz)=198.THD-2.34%625z1.(豆umuu-suLfBe芝5oo.=EUJauuEPIJrlLLJo牢)ee1002003004005006007008009001000Frequency(Hz圖3-9b圖3-9c為f=50,N=24,Ma=0.9時輸出電流i。的頻譜圖Fundamental=0.1.THD=20221.510.5&020Q400&008001000Frequency(H上)圖3-9c4.2雙極性SPWM仿真結果仿真時設置仿真時間為0.04s,仿真最大步長為10-5S

17、圖3-10a為f=50,N=18,Ma=0.9時的波形結果圖（u為輸出電壓i為輸出電流）Fundamental(50H2)=90.02.THD=84.63%_ErHEEPLJnLE_口眾)Be芝圖3-10a圖3-10b為f=50,N=18,Ma=0.9時輸出電壓u的頻譜圖SO6040200200400E008001000FrequencyiHz)圖3-10b DjOOSO.O10.0150.020.0250.030.035圖3-lla為f=50,N=24,Ma=0.9時的波形結果圖（u為輸出電壓i為輸出電流）0.0050.010H4t/S0.0150.020.0250.03加策DfHt/s11

18、1川川卩川mIIIjlOHU0IuLi.Mb0.0059.010.3150.0200250.030.0350.(14t/s圖3-lla圖3-llb為f=50,N=24,Ma=0.9時輸出電壓u的頻譜圖FundamentalOHz)=9001THD=0.19%圖3-llb(-3匸mElmLL-0%)尺芝02004006008001000Frequency(Hz)輸出電壓io為輸出電流)與輸出電流頻譜圖00.0050.010.0150.020.0256.030.035O.it/s圖3-12a負載變化后的輸出結果/圖3-llc為f=50,N=24,Ma=0.9時輸出電流i的頻譜圖Fundamenta

19、l6OH2=0.08957,THD=3.50%10.80.60.40.20圖3-llc圖3-12為f=50,N=24,Ma=0.9時，負載L=0.5H時的波形結果圖(u為Fundamental(50Hz=008892.THD=3J0%(-2U2UUEPUL?洋)主.21SG.4.210,0.csc；Hl200400GOOFrequency(Hz)8001000圖3-12b負載變化后的輸出電流i。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).

20、values)subplot(3,1,3)plot(a.time,a.signals(3).values)4.3仿真結果分析由結果圖可以看出對于同一類型的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：當N=18，THD=44.73%.當N=24時，THD=2.34%.雙極性時：當N=18,THD=84.53%，當N=24，THD=0.19%.由圖3-lla和圖3-12還可得出但負載電阻R不變時，電感L越大輸出的電流的波動越小，越接近正弦波。從這倆個圖可以看出負載的變化對輸出電壓uo的波形沒有影響通過對單極性與雙極性SPWM結果的比較可以看出單極性的輸出電流的波動幅值更小，諧波頻率高，畸變率THD小，更接近正弦波。對各輸出電壓u。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.總結通過一周的課程設計，我對本課程的內(nèi)