雙極性模式PWM逆變電路

PAGE1電力電子系統(tǒng)計算機仿真題目：雙極性模式PWM逆變電路班級：姓名：學號：指導老師：日期：摘要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)在逆變電路中的應用最為廣泛，現(xiàn)在大量應用的逆變電路中絕大部分都是PWM型逆變電路。本設計為雙極性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。設計的重點在于運用MATLAB中的SIMULINK建立電路模型，對電路進行仿真，并對仿真結(jié)果進行分析，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。所以矩形波開通時間為：將上式離散化后可得：式中，為在波周期，I為第I個SPWM波，N為采樣的總個數(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，和通斷互補，和也通斷互補，如在正半周，導通，關(guān)斷，和交替通斷，且負載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負。在的負半周，讓保持通態(tài)，保持斷態(tài)，和交替通斷，負載電壓可以得到-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，在的負半周為負極性的三角波。a)在的正半周時，保持通態(tài)，保持斷態(tài)，當>時，使導、關(guān)斷，=。當<時，使關(guān)斷、導通，=0。b)在的負半周時，保持斷態(tài)，保持通態(tài)。當<時，使導通、關(guān)斷，=-。當>時，使關(guān)斷、導通，=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的時刻控制各個開關(guān)器件的通斷。a)在的半個周期內(nèi)，三角波載波有正有負，所得的PWM波也有正有負，在的一個周期內(nèi)，輸出的PWM波只有±兩種電平。b)在的正負半周，對各個開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。當>時，和導通，和關(guān)斷，這時如果>0，則和導通，如果<0，則和導通，但不管那種情況都是=。當<時，和導通，和關(guān)斷，這時如果<0，則和導通，如果>0，則和導通，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建立仿真模型本設計為單相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，以提供仿真時間t，乘以2πf后，再通過一個“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，設置“TimesValues”為[01/fc/43/fc/41/fc],設置“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”模塊進行比較后所得信號，再通過適當處理便得四路開關(guān)信號，如圖2.1.1所示。圖中的“Boolean”和“double”為“SignalAttributes”庫中的“DataTypeConversion”模塊進行相應設置后所得。圖2.1.1雙極性SPWM信號發(fā)生電路圖（1）主要參數(shù)設置圖2.1.1（a）Gain模塊參數(shù)設置圖2.1.1（b）RelationalOperator模塊參數(shù)設置(2)雙極性SPWM控制方式仿真結(jié)果當調(diào)制深度m=0.5，載波頻率fc=1500時，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所示部分進行封裝，使其成為一個便于調(diào)用的模塊。用鼠標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可對其進行封裝。如圖2.1.1（e）所示，設置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2.1.1(f)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。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;直流電壓源模塊設置為300V;阻感負載分別設為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)設置圖2.1.2（a）UniversalBridge模塊參數(shù)設置圖2.1.2（b）SeriesRLCBranch模塊參數(shù)設置注：在選擇電阻、電感時將電容的參數(shù)設為inf即可。圖2.1.2（c）Powergui模塊參數(shù)設置注：在powergui模塊中選擇ConfigureParameters進行設置圖2.1.2（d）Multimeter模塊參數(shù)設置注：利用Multimeter模塊，可以獲得電壓和電流的參數(shù)，等價于在模型內(nèi)部連接一個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載的電壓和電流波形，所以在SeriesRLCBranch模塊參數(shù)設置時Measurements參數(shù)設置要如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設為0.5，輸出基波頻率設為50HZ，載波頻率設為基頻的15倍，即750HZ。將仿真時間設為0.06s,運行后可得仿真結(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時的仿真波形圖圖2.2（1）（a）fc=750HZm=0.5時的交流電壓諧波分析圖圖2.2（1）（b）fc=750HZm=0.5時的交流電流諧波分析圖圖2.2（1）（c）fc=750HZm=0.5時的直流電流諧波分析圖對輸出的交流電壓進行FFT分析，可得頻譜圖如圖2.2(1)(a)所示?；ǚ导s為151V,最嚴重的15次諧波分量達到基波的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時的THD達到261.66%。（2）將調(diào)制深度設為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時的仿真波形圖圖2.2（2）（a）fc=750HZm=1時的交流電壓諧波分析圖圖2.2（2）（b）fc=750HZm=1時的交流電流諧波分析圖圖2.2（2）（c）fc=750HZm=1時的直流電流諧波分析圖對輸出的交流電壓和交流電流進行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m=1,fc=1500HZ時,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時的仿真波形圖圖2.2（3）（a）fc=1500HZm=1時的交流電壓諧波分析圖圖2.2（2）（b）fc=1500HZm=1時的交流電流諧波分析圖圖2.2（3）（c）fc=1500HZm=1時的直流電流諧波分析圖通過比較不同載波頻率時的波形圖得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%，負載電流的正弦度更好。若進一步提高載波頻率，則負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)設置圖3.1(a)主要參數(shù)設置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)制比時的仿真波形圖調(diào)制比N=1000/50=20時輸出電壓經(jīng)濾波后THD=1.681輸出電壓幅值=108.911V調(diào)制比N=5000/50=100時THD=1.222輸出電壓幅值=108.497V調(diào)制比N=10000/50=200時調(diào)制比N=50/50時調(diào)制比N=500/50時由上面的比較可知，在調(diào)制比較小時,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)與體會本次課程設計為雙極性模式PWM逆變電路的計算機仿真，此次課設使我加深了對逆變電路、PWM控制等知識點的理解和掌握，同時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(shù)。在今后的學習中，我會發(fā)揮積極主動的精神，把所學知識與實踐結(jié)合起來，努力掌握MATLAB的使用方法，鞏固電力電子技術(shù)等已學知識。同時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，運用自己的能力解決自己所遇到的問題。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，才能提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。通過課程設計，使我們把所學得理論知識學以致用，使我們的知識掌握的更加的牢固，在設計過程中也遇到了很多的的問題，加強了我思考和解決問題的能力。同時在設計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。在整