PWM-逆變器的設(shè)計(jì)及仿真

-.z.《現(xiàn)代電力電子技術(shù)》課程報(bào)告PWM逆變器的設(shè)計(jì)與仿真**：王多睿**：9學(xué)科專業(yè)：控制科學(xué)與工程年級(jí)：2013學(xué)期：2013/2014學(xué)年第二學(xué)期完成時(shí)間：2014年6月30日綜合評(píng)語(yǔ)成績(jī)學(xué)分任課教師評(píng)卷時(shí)間PWM逆變器的設(shè)計(jì)與仿真王多睿摘要：隨著電力電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，PWM技術(shù)得到了迅速發(fā)展，SPWM正弦脈寬調(diào)制這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，具有開(kāi)關(guān)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(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等一系列有點(diǎn)，是一種比較好的波形改善法。它的出現(xiàn)對(duì)中小型逆變器的發(fā)展起了重要的推動(dòng)作用。SPWM技術(shù)成為目前應(yīng)用最為廣泛的逆變用PWM技術(shù)。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(chǔ)，討論P(yáng)WM波的產(chǎn)生原理及不同的控制方法，并借助著名的科學(xué)計(jì)算軟件MATLAB/Simulink，對(duì)PWM逆變電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，并進(jìn)行結(jié)果分析。關(guān)鍵詞：PWMSPWM逆變MATLAB/Simulink1.引言20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的電力電子技術(shù)，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(yùn)輸?shù)忍峁┝爽F(xiàn)代化的高新技術(shù)，提高了生產(chǎn)效率和人們的生活質(zhì)量，使人類社會(huì)生活發(fā)生了巨大的變化。但是在電力電子技術(shù)中有關(guān)電能的變換與控制過(guò)程，容大多涉及電力電子技術(shù)各種裝置的分析與大量計(jì)算，電能變換的波形分析，測(cè)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(jì)算機(jī)語(yǔ)言編程仿真程序冗長(zhǎng)，可讀性差，調(diào)試費(fèi)時(shí)，大量的時(shí)間花在矩陣處理和圖形的生成分析等繁瑣易錯(cuò)的細(xì)節(jié)上，而這些工作特別適合MATLAB的使用。MATLAB運(yùn)算功能強(qiáng)大，計(jì)算準(zhǔn)確又快捷；同時(shí)MATLAB提供的動(dòng)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(qiáng)，省去了編程步驟，實(shí)體圖形化模型的仿真簡(jiǎn)單，方便，能節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間與降低成本。MATLAB繪制的圖形尤其準(zhǔn)確，清晰，精美。電力電子技術(shù)領(lǐng)域通常利用MATLAB中的SIMULINK其中的電氣系統(tǒng)模塊庫(kù)（PowerSystemBlockser）建立電力電子裝置的簡(jiǎn)化模型并進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)和仿真?，F(xiàn)如今，逆變器的應(yīng)用非常廣泛，在已有的各種電源中，蓄電池，、干電池、天陽(yáng)能電池都是直流電源，當(dāng)需要這些電源向交流負(fù)載供電時(shí)，就需要逆變。另外，交流電機(jī)調(diào)速變頻，感應(yīng)加熱電源等使用廣泛的電力電子設(shè)備，都是以逆變電路為核心。本次設(shè)計(jì)利用MATLAB仿真軟件PWM逆變電路進(jìn)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(jìn)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(dá)到學(xué)習(xí)的目的。2.PWM的工作原理介紹2.1理論基礎(chǔ)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(shí)，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(yīng)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(duì)不同窄脈沖時(shí)的響應(yīng)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(yīng)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅里葉級(jí)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(lái)代替一個(gè)正弦半波，正弦半波N等分，看成N個(gè)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(diǎn)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(shù)的重要理論基礎(chǔ)。下面分析用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)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(gè)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波形和正弦半波是等效的。2-1-2沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)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。2.2PWM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(shù)。逆變電路是PWM控制技術(shù)最為重要的應(yīng)用場(chǎng)合。PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實(shí)用的幾乎都是電壓型。計(jì)算法根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形。缺點(diǎn)：繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化調(diào)制法輸出波形作調(diào)制信號(hào)，進(jìn)行調(diào)制得到期望的PWM波；通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波；等腰三角波應(yīng)用最多，其任一點(diǎn)水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱；與任一平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交，在交點(diǎn)控制器件通斷，就得寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖，符合PWM的要求。調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，得到的就是SPWM波；調(diào)制信號(hào)不是正弦波，而是其他所需波形時(shí)，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(duì)調(diào)制法進(jìn)行說(shuō)明：設(shè)負(fù)載為阻感負(fù)載，工作時(shí)V1和V2通斷互補(bǔ)，V3和V4通斷也互補(bǔ)?？刂埔?guī)律：正半周，通，斷，和交替通斷，負(fù)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(fù)，負(fù)載電流為正區(qū)間，和導(dǎo)通時(shí)，等于，關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過(guò)和續(xù)流，=0，負(fù)載電流為負(fù)區(qū)間，為負(fù)，實(shí)際上從和流過(guò)，仍有=，斷，通后，從和續(xù)流，=0，總可得到和零兩種電平。負(fù)半周，讓保持通，保持?jǐn)?，和交替通斷，可?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(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷，正半周，保持通，保持?jǐn)啵?dāng)>時(shí)使通，斷，=，當(dāng)<時(shí)使斷，通，=0。負(fù)半周，保持?jǐn)?，保持通，?dāng)<時(shí)使通，斷，=-，當(dāng)>時(shí)使斷，通，=0，虛線表示的基波分量。波形見(jiàn)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(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，為防止上下臂直通造成短路，留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號(hào)的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短主要由器件關(guān)斷時(shí)間決定。死區(qū)時(shí)間會(huì)給輸出PWM波帶來(lái)影響，使其稍稍偏離正弦波。計(jì)算法中一種較有代表性的方法，圖2-2-3。輸出電壓半周期，器件通、斷各3次（不包括0和π），共6個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)刻可控。為減少諧波并簡(jiǎn)化控制，要盡量使波形對(duì)稱。首先，為消除偶次諧波，使波形正負(fù)兩半周期鏡對(duì)稱，即：(2.2.1)其次，為消除諧波中余弦項(xiàng)，使波形在半周期前后1/4周期以π/2為軸線對(duì)稱。(2.2.2)四分之一周期對(duì)稱波形，用傅里葉級(jí)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(dú)立控制、和共3個(gè)時(shí)刻。該波形的為式中n=1,3,5,…(3.2.4)確定的值，再令兩個(gè)不同的=0就可建三個(gè)方程，求得、和消去兩種特定頻率的諧波：在三相對(duì)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(yīng)改變。一般，在輸出電壓半周期器件通、斷各k次，考慮PWM波四分之一周期對(duì)稱，k個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)刻可控，除用一個(gè)控制基波幅值，可消去k－1個(gè)頻率的特定諧波，k越大，開(kāi)關(guān)時(shí)刻的計(jì)算越復(fù)雜。2.2.3SPWM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(gè)周期，三角載波只在正或負(fù)的一種極性圍變化，所得到的SPWM波也只處于一個(gè)極性的圍，叫做單極性控制方式。（2）如果在正弦調(diào)制波半個(gè)周期，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負(fù)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②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①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(shí)正弦調(diào)制波的振幅值，每半周期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(diǎn)，決定了SPWM脈沖系列的寬度和脈沖音的間隔寬度，每半周期的脈沖系列也是單極性的。單極性調(diào)制的工作特點(diǎn)：每半個(gè)周期，逆變橋同一橋臂的兩個(gè)逆變器件中，只有一個(gè)器件按脈沖系列的規(guī)律時(shí)通時(shí)通時(shí)斷地工作，另一個(gè)完全截止；而在另半個(gè)周期，兩個(gè)器件的工況正好相反，流經(jīng)負(fù)載ZL的便是正、負(fù)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①，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(shí)正弦波的振幅值相等。調(diào)制波與載波的交點(diǎn)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(shí)，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(diǎn)：逆變橋在工作時(shí)，同一橋臂的兩個(gè)逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規(guī)律交替地導(dǎo)通和關(guān)斷，毫不停息，而流過(guò)負(fù)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)果及分析單極性SPWM仿真在simulink中建立如下模型。設(shè)計(jì)中不采用IGBT元件模型，而是采用“UniversalBridge”模塊，開(kāi)關(guān)器件選反并聯(lián)二極管的IGBT；阻感負(fù)載.設(shè)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。單極性SPWM仿真結(jié)果及分析當(dāng)負(fù)載R=3Ω，L=2e-2H時(shí)，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3-1-1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3-1-1R=3Ω，L=2e-2H當(dāng)負(fù)載R=3Ω，L=2e-3H時(shí)，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3-1-1R=3Ω，L=2e-3H當(dāng)負(fù)載R=10Ω，L=2e-2H時(shí)，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3-1-3R=10Ω，L=2e-2H當(dāng)負(fù)載R=10Ω，L=2e-2H時(shí)，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3-1-4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3-1-4R=10Ω，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(dāng)系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)電流波形不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生震蕩，當(dāng)電感相同的情況下，電阻較小時(shí)（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(dāng)電阻一定時(shí)，減小電感，會(huì)發(fā)現(xiàn)電流波形在正弦波的基礎(chǔ)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(duì)于阻感性負(fù)載不能使電感過(guò)小。圖3-1-3和圖3-1-4可以看出，載波頻率越高，在一個(gè)周期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(yīng)注意到頻率過(guò)高有可能對(duì)整流橋器件產(chǎn)生影響，所以也不能過(guò)于高。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。雙極性SPWM仿真結(jié)果及分析當(dāng)負(fù)載R=3Ω，L=2e-2H時(shí)，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3-2-1R=3Ω，L=2e-2H當(dāng)負(fù)載R=3Ω，L=2e-3H時(shí)，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3-2-2R=3Ω，L=2e-3H當(dāng)負(fù)載R=10Ω，L=2e-2H時(shí)，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3-2-3R=10Ω，L=2e-2H當(dāng)負(fù)載R=10Ω，L=2e-2H時(shí)，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3-2-4R=10Ω，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(dāng)系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)電流波形不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生震蕩，當(dāng)電感相同的情況下，電阻較小時(shí)（R=3），電流波形震蕩的更厲害，震蕩完以后才趨于穩(wěn)定。圖3-2-1和圖3-2-2可以看出,當(dāng)電阻一定時(shí)，減小電感，會(huì)發(fā)現(xiàn)電流波形在正弦波的基礎(chǔ)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(duì)于阻感性負(fù)載不能使電感過(guò)小。圖3-2-3和圖3-2-4可以看出，載波頻率越高，在一個(gè)周期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(yīng)注意到頻率過(guò)高有可能對(duì)整流橋器件產(chǎn)生影響，所以也不能過(guò)于高。3.3.1三相逆變SPWM仿真在simulink中建立如下模型：設(shè)置仿真時(shí)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(zhǎng)，并設(shè)置最大步長(zhǎng)為，最小步長(zhǎng)為，算法為默認(rèn)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(shè)計(jì)方案，每種方案有其特點(diǎn)和適用圍。在進(jìn)行課題設(shè)計(jì)的過(guò)程中，加深了我對(duì)逆變電路、PWM控制等知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。此次作業(yè)同樣也綜合應(yīng)用了很多以前的知識(shí)，只有能夠綜合應(yīng)用才能做好本課程設(shè)計(jì)，同時(shí)通過(guò)本次設(shè)計(jì)也對(duì)其他知識(shí)有了一次很好的溫習(xí)。其中，重點(diǎn)用到了MATL