双极性模式PWM逆变电路

双极性模式PWM逆变电路 电力电子系统计算机仿真 题目:双极性模式PWM逆变电路 班级: 姓名: 学号: 指导老师: 日期: 摘 要 PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，现在大量应用的逆变电路中绝大部分都是PWM型逆变电路。 本为双极性PWM方式下的单相全桥逆变电路，主要包括双极性SPWM控制信号的发生电路和带反并联二极管的IGBT作为开关器件的单相全桥电路。设计的重点在于运用MATLAB中的SIMULINK建立电路模型，对电路进行仿真，并对仿真结果进行分析，得出系统参数对输出的影响规律。 关键字:双极性PWM控制 逆变电路 SIMULINK仿真 1 目录 一、主电路工作原理 ??????????????????????????????????????????????????????????3 1.1 PWM控制技术及SPWM波的生成???????????????????????????????????????????3 1.1.1 PWM控制的基本原理??????????????????????????????????????????????????????3 1.1.2 SPWM法的基本原理??????????????????????????????????????????????????? 4 1.1.3规则采样法????????????????????????????????????????????????????????? 4 1.2 单极性和双极性PWM控制逆变电路分析????????????????????????????????????? 5 1.2.1 单极性PWM控制方式????????????????????????????????????????????????? 6 1.2.2 双极性PWM控制方式????????????????????????????????????????????????? 6 二、MATLAB仿真及结论分析???????????????????????????????????????????????????? 7 2.1 建立仿真模型??????????????????????????????????????????????????????????? 7 2.1.1 双极性SPWM控制信号的仿真模型?????????????????????????????????????? 7 2.1.2 双极性模式PWM逆变电路仿真模型?????????????????????????????????????10 2.2 双极性模式PWM逆变电路仿真结果及分析???????????????????????????????????13 三、PSIM仿真及结论分析??????????????????????????????????????????????????????20 3.1 建立仿真模型???????????????????????????????????????????????????????????20 3.2 仿真结果及分析?????????????????????????????????????????????????????????21 四、与体会???????????????????????????????????????????????????????????????26 五、参考文献?????????????????????????????????????????????????????????????????27 2 一、主电路工作原理 1.1 PWM控制技术及SPWM波的生成 1.1.1 PWM控制的基本原理 PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻，PWM控制技术在逆变电路中的应用也最具代性。 面积等效原理是PWM控制技术的重要理论基础，即在采样控制中，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的同一环节上时，其效果基本相同。其中，冲量指的是窄脉冲的面积;效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。如图1.1.1(1)所示，三个窄脉冲形状不同，但是它们的面积都等于1，当它们分别加在如图1.1.1(2)(a)所示的R-L电路上时，并设其电流i(t)为电路的输出，则其输出响应波形基本相同且如图1.1.1(2)(b)所示。 (a) (b) (c) (d) 图1.1.1(1) 冲量相等、形状不同的窄脉冲 (a) (b) 图1.1.1(2) 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲及响应波形 3 1.1.2 SPWM法的基本原理 脉冲幅值相等而脉冲宽度按正弦规律变化而正弦波等效的PWM波称为SPWM(sinusoidal PWM)波形。 如图1.1.2所示，把正弦半波分成N等份，就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形，这些脉冲宽度都等于，但幅值不等，,/N且脉冲顶部不是水平直线，而是按正弦规律变化的曲线。如果把这些脉冲序列用相同数量的等幅值而不等宽的矩形脉冲来代替，使矩形脉冲的中点和相应的正弦波部分中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，则可得图所示的矩形脉冲序列，这就是SPWM波形。 图1.1.2 用PWM波来代替正弦半波 1.1.3 规则采样法 SPWM的控制就是根据三角载波与正弦调制波的交点来确定逆变器功率开关器件的通断时刻。规则采样法是一种应用较广的实用方法，一般采用三角波作为载波，其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断，从而实现SPWM法.当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期(即采样周期)内的位置是对称的，这种方法称为对称规则采样其原理如图1.1.3所示。 4 图1.1.3 规则采样法生成SPWM波的原理图 ur假设三角波的幅值为1,正弦函数为=M，M为调且0时，使导、V1V3V2V4 uououruc关断，=。当<时，使关断、导通，=0。 V3UdV4 ururucb)在的负半周时，保持断态，保持通态。当<时，使导通、V1V3V2 uououruc关断，=-。当>时，使关断、导通，=0。 V3V4UdV4 图1.2.1 单极性PWM控制方式波形 1.2.2 双极性PWM控制方式 uruc如图1.2.2所示，在调制信号和载波信号的交点的时刻控制各个开关器件的通断。 6 ura)在的半个周期内，三角波载波有正有负，所得的PWM波也有正有负，在ur的一个周期内，输出的PWM波只有?两种电平。 Ud ururucb)在的正负半周，对各个开关器件的控制规律相同。当>时，和V1V4导通，和关断，这时如果>0，则和导通，如果<0，则和V3V1V2V4VD1VD4ioio uouruc导通，但不管那种情况都是=。当<时，和导通，和关断，V3V1UdV2V4这时如果<0，则和导通，如果>0，则和导通，但是不管哪种V3V2VD2VD3ioio uo情况都是= -。 Ud 图1.2.2 双极性PWM控制方式波形 二、MATLAB仿真及结论分析 2.1 建立仿真模型 本设计为单相PWM逆变电路，工作方式为双极性PWM方式，开关器件选用IGBT，直流电压为300V,电阻负载，电阻1欧姆，电感2mh。 2.1.1 双极性SPWM控制信号的仿真模型 在Simulink的“Source”库中选择“Clock”模块，以提供仿真时间t，乘以2πf后，再通过一个“sin”模块即为sinwt,乘以调整深度m后可得所需的正弦调整信号;三角载波信号由“Source”库中的“Repeating Sequence”模块产生，双击其对话框，设置“Times Values”为[0 1/fc/4 3/fc/4 1/fc],设置“Output Values”为[0 -1 1 0]，便可生成频率为fc的三角载波:调制波和载波通过Simulink的“Logic and Bit Operations”库中的“Relational Operator”模块进行比较后所得信号，再通过适当处理便得四路开关信号，如图2.1.1所示。图中的“Boolean” 和“double” 为“Signal Attributes” 库中的“Data Type Conversion”模块进行相应设置后所得。 7 图2.1.1 双极性SPWM信号发生电路图 (1)主要参数设置 图2.1.1(a) Gain模块参数设置 8 图2.1.1(b) Relational Operator模块参数设置 (2) 双极性SPWM控制方式仿真结果 当调制深度m=0.5，载波频率fc=1500时，仿真结果如图2.1.1(c)所示。 图2.1.1(c) 双极性SPWM控制方式仿真波形图 为了使仿真界面简洁，仿真参数易于修改，可以对图2.1.1所示部分进行封装，使其成为一个便于调用的模块。用鼠标选中图中的所有部分，单击右键并选择“Create Subsystem”,则选中的部分全都放入一个子系统模块，只保留了对外的输入输出接口，子系统模块如图2.1.1(d)所示。右键单击该模块，选择“Mask Subsystem”中的Para可对其进行封装。如图2.1.1(e)所示，设置m、f和fc三个参数并确定后，再单击该子系统模块则会出现如图2.1.1(f)所示的对话框，此时可根据仿真需要填写参数的具体数值。 9 图2.1.1(d) 子系统模块图 图2.1.1(f)双极性SPWMM模块对话框示意图 图2.1.1(e) 双极性SPWMM模块封装设置示意图 2.1.2 双极性模式PWM逆变电路仿真模型 主电路中采用“Universal Bridge”模块,在对话框中选择桥臂数为2，即可构成单相全桥电路，开关器件选带反并联二极管的IGBT;直流电压源模块设置为300V;阻感负载分别设为1Ω和2MH。主电路仿真模型图如图2.1.2所示。 10 图2.1.2 双极性模式PWM逆变电路图 主要参数设置 图2.1.2(a) Universal Bridge模块参数设置 11 图2.1.2(b) Series RLC Branch模块参数设置 注:在选择电阻、电感时将电容的参数设为inf即可。 图2.1.2(c) Powergui模块参数设置 注:在powergui模块中选择Configure Parameters进行设置 12 图2.1.2(d) Multimeter模块参数设置 注:利用Multimeter模块，可以获得电压和电流的参数，等价于在模型内部连接一个电 压和电流测量模块。配合示波器，被测信号可通过此模块得到仿真波形。因此处需 要获得阻感负载的电压和电流波形，所以在Series RLC Branch模块参数设置时 Measurements参数设置要如2.1.2(b)所示。 2.2 双极性模式PWM逆变电路仿真结果及分析 图2.2 双极性模式PWM逆变电路图 13 (1)将调制深度m设为0.5，输出基波频率设为50HZ，载波频率设为基频的15倍，即750HZ。将仿真时间设为0.06s,运行后可得仿真结果，输出交流电压、交流电流和直流电流波形如图2.2(1)所示。输出电压为双极性PWM型电压，脉冲宽度符合正弦变化规律。直流电流除含有直流分量外，还含有两倍基频的交流分量以及与开关频率有关的更高次谐波分量。其中的直流部分是向负载提供有功功率，其余部分使得直流电源周期性吞吐能量，为无功电流。 图2.2(1) fc=750HZ m=0.5时的仿真波形图 图2.2(1)(a) fc=750HZ m=0.5时的交流电压谐波分析图 14 图2.2(1)(b) fc=750HZ m=0.5时的交流电流谐波分析图 图2.2(1)(c) fc=750HZ m=0.5时的直流电流谐波分析图 15 对输出的交流电压进行FFT分析，可得频谱图如图2.2(1)(a)所示。基波幅值约为151V,最严重的15次谐波分量达到基波的2.12倍，值得考虑的最低次谐波为13次，幅值为基波的18.78%，最高分析频率为3.5KHZ时的THD达到261.66%。 (2)将调制深度设为1，则仿真波形如图2.2(2)所示。交流电压的中心部分明显加宽。 图2.2(2) fc=750HZ m=1时的仿真波形图 图2.2(2)(a) fc=750HZ m=1时的交流电压谐波分析图 16 图2.2(2)(b) fc=750HZ m=1时的交流电流谐波分析图 图2.2(2)(c) fc=750HZ m=1时的直流电流谐波分析图 17 对输出的交流电压和交流电流进行FFT分析，可得频谱图如图2.2(2)(a)和2.2(2)(b)所示。基波幅值增加到299V。其谐波特性也有较大变化，15次谐波明显降低，只有基波的59.81%，但13次谐波有所增大，THD为100.28%交流电流的THD也降低到9.91%。 (3)当m=1,fc=1500HZ时, 输出交流电压、交流电流和直流电流仿真波形图如图2.2(3)所示。 图2.2(3) fc=1500HZ m=1时的仿真波形图 图2.2(3)(a) fc=1500HZ m=1时的交流电压谐波分析图 18 图2.2(2)(b) fc=1500HZ m=1时的交流电流谐波分析图 图2.2(3)(c) fc=1500HZ m=1时的直流电流谐波分析图 19 通过比较不同载波频率时的波形图得PWM逆变器的谐波特性与载波频率有着密切的关系。通过FFT分析可知，输出电压的最低次谐波增加到28次。交流电流的THD 只有4.93%，负载电流的正弦度更好。若进一步提高载波频率，则负载电流更加接近于正弦波形。 三、PSIM仿真及结论分析 3.1 建立仿真模型 双极性模式PWM逆变电路PSIM仿真电路包括主电路和调制电路两部分，其仿真电路图如图3.1所示。 图3.1 双极性模式PWM逆变电路图 20 主要参数设置 图3.1(a) 主要参数设置 3.2 仿真结果及分析 调制电路仿真波形图如图3.2所示 图3.2 调制电路仿真波形图 21 以下为不同调制比时的仿真波形图 调制比N=1000/50=20时 输出电压经滤波后 THD=1.681 输出电压幅值=108.911V 22 调制比N=5000/50=100时 THD=1.222 输出电压幅值=108.497V 调制比N=10000/50=200时 23 调制比N=50/50时 24 调制比N=500/50时 由上面的比较可知，在调制比较小时,输出电压幅值较大，随着调制比增大，输出电压有所减小，最后稳定在一定值。从中可以看到选择合适的调制比可以得到较好的波形。 25 四、总结与体会 本次课程设计为双极性模式PWM逆变电路的计算机仿真，此次课设使我加深了对逆变电路、PWM控制等知识点的理解和掌握，同时也对其他知识有了一次很好的温习。其中，重点用到了MATLAB仿真、电力电子技术。 在今后的学习中，我会发挥积极主动的精神，把所学知识与实践结合起来，努力掌握MATLAB的使用方法，巩固电力电子技术等已学知识。同时也深刻体会到了遇到不懂的问题要自己先找资料翻阅有关书籍，运用自己的能力解决自己所遇到的问题。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。 通过课程设计，使我们把所学得理论知识学以致用，使我们的知识掌握的更加的牢固，在设计过程中也遇到了很多的的问题，加强了我思考和解决问题的能力。同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。 在整个课程设计的过程中，我明白了，只要用心去做，认真去做，持之以恒，就会有新的发现，有意外的收获。 ， 26 五、参考文献 1.王兆安、黄俊 电力电子技术 北京机械工业出版社 2007 2.王兴贵、陈伟 现代电力电子技术 北京机械工业出版社 2010 3.赵良炳 现代电力电子技术基础 北京大学出版社 1995 4.李传琦 电力电子技术计算机仿真实验 北京机械工业出版社 2006 27