三相電壓型逆變器的仿真設(shè)計(jì)

1、1 引言1.1 課題由來(lái)和探究的意義在近幾十年的發(fā)展中，逆變電路的應(yīng)用變的越來(lái)越廣泛。但是現(xiàn)實(shí)中如蓄電池、太陽(yáng)能電池等都是直流電，而在工廠、家庭、交通等領(lǐng)域所用的電中交流電占據(jù)了很大的比例，為了能夠給這些負(fù)載提供所需電源，就需要使用逆變電路1。隨著電力電子學(xué)以及微電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新，相對(duì)于傳統(tǒng)的電壓型逆變電路，采用了脈沖調(diào)制技術(shù)不僅可以把直流變成交流，同時(shí)還能夠進(jìn)行調(diào)壓、調(diào)頻。作為一個(gè)不斷創(chuàng)新的革命力量，憑借著可靠性、成本性能和高效節(jié)能等優(yōu)勢(shì)，逆變電路擁有廣闊的市場(chǎng)和發(fā)展前景2?？梢哉f(shuō)正是由于逆變電路的不斷發(fā)展，脈沖寬度調(diào)制技術(shù)才有了長(zhǎng)足的發(fā)展，并在電力電子技術(shù)領(lǐng)域中取得了至關(guān)重要的地位。又由

2、于大功率電子設(shè)備結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，如果直接對(duì)裝置進(jìn)行逆變實(shí)驗(yàn)，費(fèi)用是相當(dāng)昂貴而且很費(fèi)時(shí)間，因此在發(fā)展的過(guò)程中，我們需要利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行機(jī)制和特點(diǎn)進(jìn)行有效性的試驗(yàn)，以達(dá)到預(yù)測(cè)問(wèn)題并解決問(wèn)題的同時(shí)縮短研制時(shí)間的目的。而Matlab軟件擁有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能以及直觀的Simulink仿真平臺(tái)，使得復(fù)雜電力電子裝置在建模仿真方面成為可能。1.2 研究方法和內(nèi)容本課題將針對(duì)現(xiàn)今社會(huì)對(duì)逆變式電源的需求，按照設(shè)計(jì)思路對(duì)逆變過(guò)程進(jìn)行剖析，然后利用Matlab仿真軟件對(duì)逆變系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)、建模、 Matlab 的仿真與諧波分析等。在此之前還會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程所需要的原理進(jìn)行一定的分析，以及對(duì)所要用的元器件

3、的也會(huì)簡(jiǎn)要介紹一下。1.3 本章小結(jié)本次設(shè)計(jì)根據(jù)選題表中的要求，對(duì)系統(tǒng)和最終成果進(jìn)行大體的描述。闡述了本課題的由來(lái)與研究意義以及所要實(shí)現(xiàn)的目的和要求。2 SPWM逆變器原理與分析2.1 SPWM原理在逆變電力系統(tǒng)中尤其是在中、小型的逆變電力系統(tǒng)中，PWM調(diào)制技術(shù)的使用是非常廣泛的。然所謂的PWM控制技術(shù)就是脈寬調(diào)制控制技術(shù)，其原理就是利用全控型電力電子器件(本課題選用的是IGBT)的通斷，把直流電壓逆變成具有一定形狀的能夠滿足輸出需求的電壓脈沖序列，從而在慣性電路中實(shí)現(xiàn)輸出電壓的變壓、變頻控制的目的，同時(shí)還會(huì)在一定程度上消除諧波，這種技術(shù)簡(jiǎn)稱為PWM控制技術(shù)。其中面積等效原則是脈沖控制技術(shù)最為

4、基本的理論依據(jù)。當(dāng)沖量相等但是形狀卻不相同的窄脈沖如果加在了相同且具有慣性環(huán)節(jié)的電路上時(shí)，其效果即輸出波形基本相似。其中沖量是指窄脈沖的面積。如若用傅立葉變換對(duì)各沖量所對(duì)應(yīng)的輸出波形進(jìn)行相關(guān)分析，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它們是非常的接近，僅僅在高頻段有略微的差異。所謂的SPWM僅僅是在脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)上以正弦波作為調(diào)制波，從而在經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臑V波之后便能夠得到類似于正弦波的輸出波形。其中用來(lái)控制開(kāi)關(guān)通斷的正弦矩形脈沖波時(shí)往往使用的是正弦波與三角波相交的方式，以此來(lái)確定每個(gè)矩形脈沖的寬度。一般我們會(huì)使用等腰三角波作為載波，這是因?yàn)樵诘妊遣ㄉ系娜我庖粋€(gè)點(diǎn)的水平寬度是與其所對(duì)應(yīng)的高度成線性相關(guān)的，并且能保證

5、波形的左右對(duì)稱。當(dāng)它與任意一個(gè)幅值變化不是很大的調(diào)制波相交時(shí)，在交叉口開(kāi)關(guān)電路對(duì)其進(jìn)行導(dǎo)通和關(guān)斷，所得到的脈沖寬度與信號(hào)的振幅是成正比例關(guān)系的，這種方法稱為自然采樣法3。如果使用正弦波進(jìn)行調(diào)制時(shí)，其所輸出的波也就是SPWM波了。如果改變調(diào)制信號(hào)波的頻率或者幅值其電路中所要輸出電壓的頻率或者幅值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。2.2 SPWM逆變電路控制方法目前電源電壓型SPWM逆變器使用是最廣泛的，脈沖寬度的控制方法也很多，但主要的有計(jì)算方法和調(diào)制方法兩種，但計(jì)算法在計(jì)算過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，當(dāng)所要輸出的電壓波的頻率、幅值或者相位只要有一個(gè)因素發(fā)生了變化時(shí)，其計(jì)算結(jié)果就會(huì)都相應(yīng)發(fā)生改變。而調(diào)制法就很好的克服了這個(gè)

6、缺點(diǎn)，并且還擁有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。因此，現(xiàn)今調(diào)制法應(yīng)用的最為廣泛。在調(diào)制方法中，一個(gè)周期內(nèi)的載波與正弦波會(huì)相交兩次，在交點(diǎn)處控制電路會(huì)控制逆變系統(tǒng)中與之相應(yīng)開(kāi)關(guān)元件各通斷一次。而為了精確的輸出SPWM波，就必須計(jì)算出這兩個(gè)交匯點(diǎn)的確切時(shí)間。當(dāng)正弦波大于載波時(shí)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，其脈沖寬度則為開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通時(shí)間，相對(duì)應(yīng)的，關(guān)斷時(shí)間則稱為脈沖間隙。當(dāng)載波的頻率和幅值發(fā)生變化時(shí)，脈沖寬度和脈沖間隙時(shí)間也會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化。如果使用計(jì)算機(jī)的話，當(dāng)處理好調(diào)制算法之后，時(shí)間的控制再由定時(shí)軟件來(lái)完成時(shí)就會(huì)變得很方便，一般的調(diào)制方法往往采取自然采樣法或者規(guī)則采樣法。自然采樣法是最為基本的一種采樣方法，所得到的波也

7、是非常接近正弦波的，但是在其求解的過(guò)程中，依然要解決復(fù)雜的超越方程，這在采用微機(jī)控制時(shí)需要花費(fèi)很多的計(jì)算時(shí)間，因此在工程中應(yīng)用的不是很廣泛。而規(guī)則采樣法是一種比較容易實(shí)現(xiàn)并很實(shí)用的一種方法，其方法與自然采樣法相似，但計(jì)算量卻大大的減少了。與自然采樣法不同之處就是規(guī)則采樣法的每一個(gè)脈沖的中點(diǎn)都被要求與相應(yīng)的三角波的中點(diǎn)相對(duì)稱。而對(duì)于三相橋式逆變器電路來(lái)說(shuō)，就應(yīng)該要形成三相的SPWM波形，一般來(lái)說(shuō)三相的三角波載波是同一個(gè)載波，只是其相位依次相差120。在PWM調(diào)制電路中，載波為接受調(diào)制的信號(hào)波，設(shè)其頻率為fc，而把想要得到的輸出波形視為調(diào)制信號(hào)，設(shè)其頻率為fr，兩者之比稱為載波比，用N來(lái)表示。在P

8、WM調(diào)制方式中，往往跟據(jù)載波比N的數(shù)值是否不變即載波與調(diào)制信號(hào)波同步與否，我們將其分為異步調(diào)制和同步調(diào)制兩種。2.2.1 同步調(diào)制同步調(diào)節(jié)fr和fc，但是載波比N始終為一個(gè)常數(shù)，即為同步調(diào)制。采用同步調(diào)制有很多優(yōu)點(diǎn)，其中不但可以保證在輸出的電壓半個(gè)周期內(nèi)的矩形脈沖個(gè)數(shù)是固定不變的，還可以保證每個(gè)周期內(nèi)信號(hào)波輸出的脈沖個(gè)數(shù)以及脈沖相位也基本不發(fā)生改變。在三相PWM逆變系統(tǒng)中，人們通常只會(huì)采用一個(gè)載波，此時(shí)我們一般會(huì)取數(shù)值為3的整數(shù)倍作為三相PWM逆變系統(tǒng)的載波比，目的是為了保證三相PWM逆變器輸出的波形是三相對(duì)稱的。如果載波比為奇數(shù)時(shí)，則經(jīng)過(guò)同步調(diào)制后，系統(tǒng)輸出的波形的正半波與負(fù)半波將會(huì)始終保持

9、對(duì)稱，且使輸出的三相波形之間保持120的對(duì)稱關(guān)系。但是當(dāng)調(diào)制信號(hào)為低頻率時(shí)，相鄰的兩個(gè)脈沖之間的間距就會(huì)變大，諧波相應(yīng)的也會(huì)變大。若逆變器輸出頻率很高時(shí)，相應(yīng)的載波頻率又會(huì)變得過(guò)高，開(kāi)關(guān)器件就會(huì)無(wú)法正常工作，從而無(wú)法得到所要輸出的波形。2.2.2 異步調(diào)制如果采用異步調(diào)制方式就可以彌補(bǔ)同步調(diào)制的不足之處。與同步調(diào)制相反，在異步調(diào)制中，在變頻系統(tǒng)的變頻范圍內(nèi)，載波和調(diào)制信號(hào)相異步。一般在調(diào)節(jié)調(diào)制波頻率fr時(shí)我們會(huì)保持載波頻率fc為一個(gè)常數(shù)，這樣在低頻段時(shí)就會(huì)提高載波比。從而在輸出電壓半個(gè)周期波內(nèi)，脈沖個(gè)數(shù)隨著調(diào)制信號(hào)的降低反而有所增加，相應(yīng)地還會(huì)減少負(fù)載轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)及噪音，有利于改善系統(tǒng)的工作性能

10、。但異步調(diào)制方式在低頻工作時(shí)，卻失去了同步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)調(diào)制信號(hào)頻率變大時(shí)，即載波比N反而變小，半個(gè)周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)就會(huì)減少，這樣SPWM脈沖反而會(huì)更加不對(duì)稱，這時(shí)信號(hào)波的一個(gè)很小的變化都會(huì)引起SPWM脈沖的波動(dòng)，使得輸出的SPWM波與想要輸出的正弦波相差甚遠(yuǎn)。如果是三相SPWM型逆變器，三相輸出的波形對(duì)稱性也會(huì)變的更糟，因此異步調(diào)制方式一般都工作在較高的載波頻率段中。2.3 單相電壓型SPWM逆變器原理分析主電路為單相全橋逆變電路如圖2.1所示。它有四個(gè)橋臂，我們把橋臂T1和橋臂T4視為一對(duì)，剩下的橋臂T2和T3視為一對(duì)，每一對(duì)上的兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通或者同時(shí)關(guān)斷，不為一對(duì)的橋臂是相互交替導(dǎo)通的

11、，其導(dǎo)通寬度為180。其輸出的電壓與電流波形圖如圖2.2所示。當(dāng)負(fù)載如果為阻感性負(fù)載時(shí)，我們可以使用移相調(diào)壓的方式來(lái)改變所希望輸出電壓的幅值。單相全橋逆變電路如圖2.1所示。絕緣柵雙極型晶體管的觸發(fā)信號(hào)仍然是180正偏、180反偏。T1與T2的柵極交替觸發(fā)，但是T3的基極觸發(fā)信號(hào)比T1落后。也就是說(shuō)T3、T4的柵極信號(hào)與T2、T1的柵極觸發(fā)信號(hào)相位是不同的，T3或者T4導(dǎo)通時(shí)，T2或者T1的導(dǎo)通時(shí)間向前移動(dòng)了180-。這樣輸出的電壓的正負(fù)脈沖寬度變?yōu)?。只要改變便可以改變輸出的電壓?shù)值。在純電阻的負(fù)載時(shí)，這種移相調(diào)壓方式依然適用4。圖2.1 逆變器主電路 圖2.2 輸出波形單相電壓型逆變電路的特

12、點(diǎn)是：(1) 直流側(cè)為電壓源或大電容，這樣直流側(cè)電壓基本上就沒(méi)有波動(dòng)。(2) 輸出電壓為等幅但不等寬的矩形波，負(fù)載的阻抗大小決定輸出的電流值。(3) 當(dāng)負(fù)載為阻性或感性時(shí)需提供無(wú)用功。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功功率提供通道，逆變橋各橋臂應(yīng)并聯(lián)反饋二極管。在Simulink的元件模塊中IGBT各有一個(gè)續(xù)流二極管反向與之并聯(lián)。在主電路后加了一個(gè)濾波電路，其目的是用于濾除高次諧波，消除諧波對(duì)輸出電壓波形、幅值的影響5。2.4 三相SPWM逆變器的原理分析作為應(yīng)用最為廣泛的三相逆變電路。三相SPWM橋式逆變電路一般可以認(rèn)作為是由三個(gè)單相的逆變電路所組成如圖2.3所示。圖2.3 三相電壓型橋式逆變電

13、路三相電壓型橋式逆變電路一般采用180導(dǎo)通的工作方式，即同一相上的兩個(gè)橋臂的導(dǎo)通寬度都為180，同一相位的兩個(gè)橋臂為交替導(dǎo)通，非同一相的橋臂導(dǎo)通的角度相互依次相差120，這樣在不管何時(shí)都將會(huì)有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。三個(gè)橋臂的導(dǎo)通情況比較復(fù)雜，有可能是上面一個(gè)橋臂與下面兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，也有可能是上面兩個(gè)橋臂與下面一個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。由于都是在同一相的上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行換流的，因此有時(shí)也被稱為縱向換流。在三相橋式逆變電路中，各晶閘管的導(dǎo)通次序是T1、T2、T3、T4、T5、T6、T1每個(gè)橋臂依次相距60觸發(fā)導(dǎo)通。根據(jù)橋臂的導(dǎo)通時(shí)間，我們將三相橋式逆變系統(tǒng)分為180和120兩種導(dǎo)通型。當(dāng)逆變電路為18

14、0導(dǎo)通型時(shí)，在任意時(shí)間點(diǎn)都將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)間寬度為180，同一相的兩個(gè)橋臂是相互交替導(dǎo)通的。而在120導(dǎo)通型逆變電路中，橋臂導(dǎo)通時(shí)間變?yōu)?20，且每個(gè)瞬間只有兩個(gè)不同相的橋臂導(dǎo)通，同一相上的上下兩個(gè)橋臂不再是互補(bǔ)導(dǎo)通，而是之間有60的時(shí)間間隔，當(dāng)某一相上下兩個(gè)橋臂都沒(méi)導(dǎo)通時(shí)，其感性電流將從該橋臂中與晶閘管反并聯(lián)的二極管中續(xù)流導(dǎo)通。在三相導(dǎo)通的SPWM橋式逆變電路中，其調(diào)制方法往往使用的是雙極性調(diào)制方法。U、V、W三相同時(shí)公用一個(gè)載波Uc用來(lái)對(duì)SPWM進(jìn)行控制，三相調(diào)制信號(hào)波正弦電壓波依次設(shè)為Uru、Urv和Urw，它們的相位分別為0、120、240。由于U、V、W各個(gè)相的元件的控制

15、規(guī)律是完全相同的，現(xiàn)以U相為例進(jìn)行簡(jiǎn)要詮釋。當(dāng)UruUc時(shí)，導(dǎo)通T1，由于T4與其同相，是互補(bǔ)導(dǎo)通的，所以T4是不，則以U相為基準(zhǔn)相對(duì)于直流電源假設(shè)的中點(diǎn)N的電壓UUN就為Ud/2。當(dāng)UruUc時(shí)，T4導(dǎo)通，同理T1處于關(guān)斷狀態(tài)，UUN的值則為-Ud/2。當(dāng)負(fù)載為感性負(fù)載時(shí)，由于電感的延遲作用，電流的方向及大小變化與純電阻負(fù)載時(shí)的變化是不同的，因此在控制過(guò)程中，當(dāng)給T1一個(gè)導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是T4導(dǎo)通，也有可能是續(xù)流二極管VD1導(dǎo)通。線電壓UUV的輸出波形是由UUN-UUN決定的，當(dāng)臂T1和T6導(dǎo)通時(shí)，UUV正向加在電源上，UUV=Ud；當(dāng)T3和T4導(dǎo)通時(shí)，UUV反向加在電源上，UUV=-Ud；

16、當(dāng)臂T1和T3或臂T4和T6導(dǎo)通時(shí)，兩相之間形成環(huán)流，電流不經(jīng)過(guò)電源，UUV=0V。因此SPWM線電壓的輸出波形幅值分別有Ud、-Ud和0三種。負(fù)載相電壓UUV、UUW、UVW可由下面的公式得到： (2.1)設(shè)負(fù)載的中點(diǎn)為N，其與直流電源的設(shè)想中點(diǎn)N之間的電壓設(shè)為UUN，則負(fù)載每一相的相電壓分別為 (2.2)把上面的公式進(jìn)行整理后，又由于三相電路三相是對(duì)稱的，UUV+UUW+UVW=0，我們可以得到UUN=UUN-(UUN+UVN+UWN)/3。負(fù)載所輸出的SPWM相電壓波由(2/3)Ud、(-2/3)Ud、(1/3)Ud、(-1/3)Ud和0五種電平所構(gòu)成如圖2.4所示。圖2.4 三相電壓型

17、橋式逆變電路的工作波形2.5 逆變器的諧波分析2.5.1 諧波分析伴隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力電子裝置日益在各個(gè)用電領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，與此同時(shí)諧波所造成的危害也隨之變得更加明顯，各國(guó)對(duì)諧波問(wèn)題都非常的關(guān)注。諧波不僅會(huì)降低電能在生產(chǎn)、傳輸和使用過(guò)程中的利用率，還會(huì)使電氣設(shè)備過(guò)熱，減少設(shè)備的使用壽命，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的燒毀。同樣的也會(huì)使得電氣設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)與噪音，導(dǎo)致控制器件的自啟動(dòng)，因此消除諧波迫在眉睫。而消除諧波的前提是要掌握諧波的特性，因此就要對(duì)其進(jìn)行分析。在電力系統(tǒng)的諧波分析中，人們主要采用各種諧波分析儀對(duì)諧波進(jìn)行分析。但是當(dāng)而所需分析的諧波次數(shù)與基波頻率是相互聯(lián)系的，當(dāng)輸出為

18、低基波頻率時(shí)，分析的諧波次數(shù)會(huì)變的很高。一般應(yīng)當(dāng)采用頻帶較寬，運(yùn)算能力強(qiáng)、存儲(chǔ)量大的諧波分析儀表，但是在選擇諧波分析儀表時(shí)，還要考慮選擇合適的傳感器，而傳感器的帶寬也會(huì)使得輸入到儀表的信號(hào)的有效帶寬與理想的有效寬帶有偏差。而Matlab軟件中FFT Analysis不僅能夠提供諧波分析的平臺(tái)，而且很好的避免了此類偏差6。2.5.2 Powergui FFT使用方法現(xiàn)在利用Simulink中的FFT Analysis對(duì)逆變系統(tǒng)的輸出波形進(jìn)行諧波分析7。Powergui的功能較為豐富，但是它只能對(duì)已經(jīng)保存在工作界面(Workspace)里的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該格式是一種時(shí)間結(jié)構(gòu)體，所以要使用到Scop

19、e模塊。按格式要求將想要進(jìn)行分析的數(shù)據(jù)保存在工作空間，保存完畢后，打開(kāi)Powergui FFT Analysis Tool，然后在Available Signals選項(xiàng)上選擇將要分析的相關(guān)量。再對(duì)Fundamental frequency、Max frequency的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，點(diǎn)擊“Display”后便可以得到想要的輸出頻譜分析圖。如果想要保存頻譜分析圖，只需要使用“Save as”，并且可以按照你所要的圖片格式進(jìn)行保存，可以看到Powergui FFT Analysis Tool是一個(gè)非常方便的工具。2.6 本章小結(jié)本章中簡(jiǎn)要的介紹了SPWM的原理，以及單相、三相逆變器的原理，并描述了諧

20、波分析的意義與Matlab中的FFT工具的使用方法。為第4章的仿真提供了可靠的理論依據(jù)。3 Matlab/Simulink與元件簡(jiǎn)介3.1 Matlab/Simulink簡(jiǎn)介Matlab所用的是第四代計(jì)算機(jī)語(yǔ)言系統(tǒng)，其編程運(yùn)算方式與進(jìn)行科學(xué)運(yùn)算方式是完全一致的8。由于它在科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)建模與仿真等擁有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，因此目前Matlab受到各研究領(lǐng)域的關(guān)注，并廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。而Simulink僅僅是Matlab的一個(gè)小部件，是一個(gè)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真與分析的軟件工具包。由于它的許多功能都是基于Matlab軟件平臺(tái)，而且又必須要在Matlab平臺(tái)上才能運(yùn)行，因此有時(shí)也將Simulin

21、k稱為Matlab的一個(gè)工具箱9。它能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真環(huán)境的有機(jī)結(jié)合，同時(shí)還可以根據(jù)設(shè)計(jì)及要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改與優(yōu)化，從而提高系統(tǒng)工作的性能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效開(kāi)發(fā)。Simulink的中文含義是仿真與鏈接，是simulation與link兩個(gè)單詞的組合縮寫(xiě)10。Simulink具有如下特點(diǎn)：(1) 它是按照設(shè)計(jì)功能的層次性對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模型分割的，能夠?qū)?fù)雜設(shè)計(jì)進(jìn)行分割并進(jìn)行有效的管理。以框圖表示的系統(tǒng)包含輸入、輸出，框圖中以調(diào)用的模塊作為程序，以連成的模塊模擬系統(tǒng)11。(2) 只要搭建系統(tǒng)模型，設(shè)置好仿真參數(shù)，便可啟動(dòng)仿真。這時(shí)Simulink會(huì)自動(dòng)初始化，并將系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)方程進(jìn)行仿真

22、。(3) 系統(tǒng)運(yùn)行后的結(jié)果可以直接通過(guò)仿真波形進(jìn)行觀察，其效果與在實(shí)驗(yàn)室中利用示波器進(jìn)行觀察的結(jié)果是等效的。(4) 系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)可以以*.Mat格式的文件保存，這樣其它相關(guān)軟件也能處理。(5) 模型分析和診斷工具能夠保證模型與電路系統(tǒng)的一致性，并指出模型中的錯(cuò)誤所在12。3.2 絕緣柵雙極晶體管IGBT簡(jiǎn)介及分析絕緣柵雙極晶體管IGBT是現(xiàn)今發(fā)展最為迅速、應(yīng)用最為廣泛的第三代電壓驅(qū)動(dòng)型電力電子器件。晶閘管GTR由于電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得其擁有很好的通流能力，但是它也有著雙極型電流驅(qū)動(dòng)器件的相應(yīng)缺陷，比如開(kāi)關(guān)速度卻比較慢，且所需驅(qū)動(dòng)功率也很大，電路比較復(fù)雜。而電力MOSFET與晶閘管GTR的特性是相互

23、互補(bǔ)。絕緣柵雙極型晶體管IGBT就是將晶閘管GTR與電力MOSFET兩者的優(yōu)秀特性綜合在了一起，因此其擁有簡(jiǎn)易的驅(qū)動(dòng)方式、較大的峰值電流容量、能夠自行關(guān)斷、開(kāi)關(guān)頻率比較高等特性13。IGBT有如下幾個(gè)特性：(1) IGBT開(kāi)關(guān)速度快，開(kāi)關(guān)損耗小，且無(wú)二次擊穿現(xiàn)象。(2) 在電壓以及電流為相同額定值的情況下，IGBT擁有比較大的安全工作區(qū)，且抗脈沖電流沖擊的能力也很大。(3) IGBT在通態(tài)時(shí)的電壓壓降往往要比電力MOSFET要低，尤其是在電流較大的情況下。(4) IGBT的耐壓和通流能力高，開(kāi)關(guān)頻率也很高。(5) 高輸入阻抗，類似于MOSFET的輸入特性。3.3 整流橋模型整流橋是交流-直流變

24、換的核心部件，在Simulink中有Universal Bridge元件模塊14，該模塊有4個(gè)輸入端子和2個(gè)輸出端子。雙擊后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框，其各個(gè)參數(shù)如下：(1) Number of bridge arms：橋臂的數(shù)量。(2) Port configuration：端口形式，即輸入與輸出端口的設(shè)置。(3) Snubber resistance Rs (Ohms)：緩沖電阻Rs，如若消除緩沖電阻，可將其值設(shè)為inf。(4) Snubber capacitance Cs (F)：緩沖電容Cs，單位F，以消除緩沖電容，設(shè)為0；若設(shè)為純電阻，則設(shè)置為inf。(5) Resistance Ron (O

25、hms)：用來(lái)設(shè)置晶閘管單元的內(nèi)阻值，單位為。(6) Inductance Lon (H)：用來(lái)設(shè)置晶閘管單元的內(nèi)電感值，單位為H。(7) Forward voltage Vf (V)：用來(lái)設(shè)置晶閘管單元的正向管壓降，單位為V。3.4 PWM發(fā)生器PWM發(fā)生器是采用PWM技術(shù)的控制電路的核心部件。PWM發(fā)生器有一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，其功能如下：(1) Signal (s)：當(dāng)調(diào)制信號(hào)作為內(nèi)部產(chǎn)生模式時(shí)，此端子不需要連接；當(dāng)作為外部產(chǎn)生模式時(shí)，此端子則需連接由用戶定義的調(diào)制信號(hào)。(2) Pulses：主要根據(jù)主電路橋臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇，定向的產(chǎn)生2、4、6、12路的PWM脈沖。雙擊PWM發(fā)生器模

26、塊會(huì)出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框，各參數(shù)定義如下：(1) Generator Mode：根據(jù)仿真系統(tǒng)的主電路構(gòu)成選擇所對(duì)應(yīng)的橋式電路。(2) Carrier frequency (Hz)：載波頻率，單位Hz。(3) Internal generation of modulating signal (s)：用來(lái)選擇調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生方式，分為內(nèi)產(chǎn)生方式和外產(chǎn)生方式。(4) Modulation index (0m1)：調(diào)制索引值m，為載波的幅值與調(diào)制信號(hào)波的幅值之比，只有在內(nèi)產(chǎn)生的方式下才可以選擇，按要求取值在0到1之間。(5) Frequency of output voltage (Hz)：輸出的頻率，單位Hz

27、，只有在調(diào)制信號(hào)為內(nèi)產(chǎn)生的方式時(shí)才可以選擇。(6) Phase of output voltage (degrees)：輸出電壓的初始相位。3.5 本章小結(jié)在本章中簡(jiǎn)要的介紹了仿真所需的關(guān)鍵元件的相關(guān)設(shè)置，并對(duì)Matlab進(jìn)行了描述，為第4章的Matlab的建模提供理論依據(jù)，從而便于相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。4 SPWM逆變電路的仿真與分析4.1 單相SPWM逆變電路的仿真與分析單相SPWM逆變電路的仿真模型如圖4.1所示。圖4.1 單相SPWM逆變電路的仿真模型相關(guān)參數(shù)的設(shè)定：電路的輸入直流電壓為100V，輸出交流電的頻率為50Hz，電阻R=1，電感為1e-6H。使直流電壓為100V，調(diào)制信號(hào)頻率為5

28、0Hz，載波比N=30，其仿真波形如圖4.2所示。圖4.2 仿真波形圖當(dāng)頻率為50Hz時(shí)，其一個(gè)周期的時(shí)間為0.02s，本文中為了方便觀察對(duì)比，取時(shí)間為0.06s，也就是三個(gè)周期，由仿真圖我們可以看出，其電壓電流輸出波形正好為三個(gè)周期，仿真與理論相符。直流電壓為100V，調(diào)制信號(hào)頻率設(shè)為50Hz，載波比N=60，其仿真波形圖如圖4.3所示。圖4.3 仿真波形圖直流電壓為200V，調(diào)制信號(hào)頻率為50Hz，載波比N=30，其仿真波形圖如圖4.4所示。圖4.4 仿真波形圖直流電壓為100V，調(diào)制信號(hào)頻率為100Hz，載波比N=30，其仿真波形圖如圖4.5所示。時(shí)間(s)圖4.5 仿真波形圖從上面的波

29、形圖的對(duì)比我們不難發(fā)現(xiàn)，輸出的交流電壓的幅值與輸入的直流電壓的值成正相關(guān)，而與載波比無(wú)關(guān)。輸出的交流頻率由調(diào)制信號(hào)的頻率決定，輸出的交流電流與輸入的電壓、電感、電阻有關(guān)。而載波比決定輸出交流電的精度，載波比越大交流電的精度越好。一方面，由于LC濾波電路的電阻上存在壓降，開(kāi)關(guān)管也有一定的電壓降，所以得出的電壓幅值要小于期望值。另一方面，又由于采用SPWM電壓型逆變電路中的晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間一般都會(huì)小于關(guān)斷時(shí)間，于是為避免同一橋臂上的兩管子發(fā)生同時(shí)導(dǎo)通的事故，通常會(huì)將理想SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)過(guò)零點(diǎn)時(shí)的上升沿延遲一段時(shí)間，但是這樣又會(huì)產(chǎn)生死區(qū)效應(yīng)15。因此逆變器的實(shí)際輸出電壓波形與理論上的電壓波形相比會(huì)有

30、一定的偏差。當(dāng)調(diào)制索引值即m=0.7，載波比N=30時(shí)的諧波如圖4.6所示。我們可以看到，基次諧波的的幅值最大，諧波隨著次數(shù)的變大幅值越來(lái)越小，在15次諧波的幅值會(huì)突然變大，對(duì)系統(tǒng)中的元器件會(huì)有很大的干擾，THD(諧波失真)值為94.84%。圖4.6 諧波分析圖當(dāng)調(diào)制索引值即m=1，載波比N=60時(shí)如圖4.7所示。圖4.7 諧波分析圖我們可以看見(jiàn)奇次諧波變大了，其他規(guī)律沒(méi)有發(fā)生太大的變化。但是其THD(諧波失真)變?yōu)?2.31%，可見(jiàn)隨著載波比的變大，諧波失真越來(lái)越小，即輸出的交流波形精度越來(lái)越好，與之前的波形圖分析的結(jié)論相一致。當(dāng)調(diào)制索引值即m=1，載波比N=30時(shí)其諧波分析圖4.8所示。圖

31、4.8 諧波分析圖我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)其中的THD變成53.48%，諧波失真變小了。所以調(diào)制索引值、載波比對(duì)SPWM逆變器的諧波特性有很大的影響。提高調(diào)制深度和載波比都可以很好的改善逆變器的輸出的波形。但是由于載波比的提高的前提是要開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)速度能夠承受的住，當(dāng)載波比太高時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)無(wú)法正常工作。另外再加上開(kāi)關(guān)的損耗等因素，開(kāi)關(guān)頻率不會(huì)太高。4.2 三相SPWM逆變器的仿真與分析三相SPWM逆變電路的仿真模型如圖4.9所示。圖4.9 三相逆變電路主電路在仿真電路圖中，雙擊元件，可以對(duì)相關(guān)元件的特性進(jìn)行設(shè)置。改變相關(guān)的數(shù)值，運(yùn)行并通過(guò)Scope模塊來(lái)顯示各個(gè)量的波形變化，以便比較和研究。相關(guān)參數(shù)的設(shè)

32、定如圖4.10、圖4.11所示。圖4.10 LC濾波器圖4.11 PWM IGBT Inverter參數(shù)設(shè)置三相SPWM逆變器的分析方法與單相逆變器的分析方法相似。當(dāng)直流電源電壓為200V，載波比N=30，調(diào)制索引值m=0.7，電阻R=1，電感L=1e-3H，調(diào)制信號(hào)的頻率為50Hz。運(yùn)行Matlab仿真軟件，并雙擊Scope即可得到實(shí)際輸出的交流電壓波形和交流電流的波形如圖4.12所示。圖4.12 三相輸出波形頻率為50Hz時(shí)，一個(gè)時(shí)間周期為0.02s，由此可以看出三相中的每一相的仿真圖與理論相符合。再由三相依次相差120，即一個(gè)周期的三分之一時(shí)間，約為0.007s，從上面的仿真圖的分析可以

33、知道仿真圖是與理論相符。當(dāng)直流電源電壓為400V，載波比N=30，調(diào)制索引值m=0.7，電阻R=1，電感L=1e-3H，調(diào)制信號(hào)的頻率為50Hz如圖4.13所示。圖4.13 三相輸出波形當(dāng)直流電源電壓為200V，載波比N=30，調(diào)制索引值m=0.7，電阻R=1，電感L=1e-3H，調(diào)制信號(hào)的頻率為100Hz如圖4.14所示。圖4.14 三相輸出波形由上面的波形圖對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，輸出的相電壓的幅度有輸入的直流值決定，而輸出的交流頻率由調(diào)制信號(hào)決定。當(dāng)其他參數(shù)不變是，載波比變?yōu)镹=60如圖4.15所示。圖4.15 三相輸出波形同圖4.14對(duì)比，變化不是很明顯，于是我們利用Powergui中的FFT分

34、析。由于三相逆變器各相的是對(duì)稱的，每一相分析的結(jié)果是一樣的，我們就單一從U相著手。當(dāng)載波比N=30，調(diào)制索引值=0.7時(shí)的諧波分析如圖4.16所示。圖4.16 諧波分析當(dāng)載波比N=60，調(diào)制索引值=0.7時(shí)諧波分析如圖4.17所示。圖4.17 諧波分析從諧波分析中我們可以發(fā)現(xiàn)，隨著載波比值的變大，諧波失真THD值變小，即精度變好。當(dāng)其他參數(shù)不變，調(diào)制索引值m=1時(shí)如圖4.18所示。圖4.18 諧波分析對(duì)比圖4.16，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)隨著調(diào)制索引值m的增大，諧波失真THD會(huì)不斷變小。所以諧波失真THD與載波比N、調(diào)制索引值m成負(fù)相關(guān)。與單相SPWM逆變系統(tǒng)的結(jié)論相一致。從上面的諧波分析可知，當(dāng)逆變電路

35、工作在足夠高的載波比的情況下，利用正弦信號(hào)波對(duì)三角波載波進(jìn)行調(diào)制時(shí)，所得到的SPWM波中就不會(huì)含有低次諧波，只含有與載波頻率成整數(shù)倍的高次諧波。在輸出的波形中往往用所含有的諧波的多少來(lái)衡量SPWM控制方法好壞，但這卻不是唯一的，比如直流電壓利用率、開(kāi)關(guān)次數(shù)的多少也都是很重要的標(biāo)準(zhǔn)。4.3 本章小結(jié)本章通過(guò)Matlab對(duì)單相、三相逆變電路的輸出電壓波形進(jìn)行是仿真，并通過(guò)改變相關(guān)參數(shù)的數(shù)值后進(jìn)行波形對(duì)比，同時(shí)還對(duì)波形進(jìn)行了諧波失真分析，從而得出哪些因素對(duì)輸出波形有哪些影響的結(jié)論。使得理論與實(shí)際相結(jié)合，用實(shí)踐去檢驗(yàn)理論。由于正弦調(diào)制信號(hào)的幅值受到三角波的幅值的影響，只能小于等于三角波的幅值。 而且在

36、實(shí)際電路的工作中，還需要考慮功率器件的開(kāi)通和關(guān)斷所需要的時(shí)間，因此在不采取其他的修正措施的情況下，調(diào)制索引值是不可能達(dá)到1的。因此在使用正弦波與等腰三角波相比較的調(diào)制方法時(shí)，實(shí)際上所得到的直流電壓利用率往往都會(huì)比較低。結(jié)束語(yǔ)本課題的仿真設(shè)計(jì)是在利用Matlab軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，當(dāng)使用了Matlab軟件后，SPWM逆變電路的仿真分析便變得更加簡(jiǎn)結(jié)明了，而且還節(jié)省了很多時(shí)間。此次設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了SPWM信號(hào)的生成與驅(qū)動(dòng)，只是簡(jiǎn)要的介紹了其產(chǎn)生的原理。而把重點(diǎn)放在了逆變電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建模與仿真，在此基礎(chǔ)上對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析與總結(jié)。這次歷時(shí)半個(gè)學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)我是一次很好的磨練，我發(fā)現(xiàn)了自身的很多不足之處，知識(shí)體系可謂是漏洞百出，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也是相當(dāng)?shù)娜狈?，理論?lián)系實(shí)際的能力有待提高?；仡櫘厴I(yè)設(shè)計(jì)的這半學(xué)期，我感慨頗多。從一開(kāi)始設(shè)計(jì)的思緒全無(wú)、舉步維艱到現(xiàn)在的畢業(yè)設(shè)計(jì)的