PWM_逆变器的设计与仿真

《现代电力电子技术》课程报告PWM逆变器的设计与仿真姓名：王多睿学号：107551300869学科专业：控制科学与工程年级：2013学期：2013/2014学年第二学期完成时间：2014年6月30日综合评语成绩学分任课教师评卷时间PWM逆变器的设计与仿真王多睿摘要：随着电力电子技术，计算机技术，自动控制技术的迅速发展，PWM技术得到了迅速发展，SPWM正弦脉宽调制这项技术的特点是原理简单，通用性强，具有开关频率固定，控制和调节性好，能消除谐波使输出电压只含有固定频率的高次谐波分量，设计简单等一系列有点，是一种比较好的波形改善法。它的出现对中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。SPWM技术成为目前应用最为广泛的逆变用PWM技术。因此，研究SPWM逆变器的基本工作原理和作用特性意义十分重大.本篇论文以IGBT构成的逆变电路为基础，讨论PWM波的产生原理及不同的控制方法，并借助著名的科学计算软件MATLAB/Simulink，对PWM逆变电路进行仿真设计，并进行结果分析。关键词：PWMSPWM逆变MATLAB/Simulink1.引言20世纪60年代发展起来的电力电子技术，使电能可以交换和控制，生产了现在各种高效节能的新型电源和交直流调速装置，为工业生产，交通运输等提供了现代化的高新技术，提高了生产效率和人们的生活质量，使人类社会生活发生了巨大的变化。但是在电力电子技术中有关电能的变换与控制过程，内容大多涉及电力电子技术各种装置的分析与大量计算，电能变换的波形分析，测量与绘图等，随着晶闸管所处状态的不同，系统的参数形式也不同，因而传统的计算机语言编程仿真程序冗长，可读性差，调试费时，大量的时间花在矩阵处理和图形的生成分析等繁琐易错的细节上，而这些工作特别适合MATLAB的使用。MATLAB运算功能强大，计算准确又快捷；同时MATLAB提供的动态仿真工具SIMULINK可直接建立电路仿真参数，并且可以立即得到参数修改后的仿真结果，直观性强，省去了编程步骤，实体图形化模型的仿真简单，方便，能节省设计时间与降低成本。MATLAB绘制的图形尤其准确，清晰，精美。电力电子技术领域通常利用MATLAB中的SIMULINK其中的电气系统模块库（PowerSystemBlockser）建立电力电子装置的简化模型并进行控制器的设计和仿真。现如今，逆变器的应用非常广泛，在已有的各种电源中，蓄电池，、干电池、天阳能电池都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变。另外，交流电机调速变频，感应加热电源等使用广泛的电力电子设备，都是以逆变电路为核心。本次设计利用MATLAB仿真软件PWM逆变电路进行仿真分析，并得出正确的仿真结果，而且改变了参数从而进行比较，更能清晰的了解PWM逆变器的工作原理及影响其工作特性的因素，从而达到学习的目的。2.PWM的工作原理介绍2.1理论基础冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。2-1-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲2.1.1面积等效原理分别将如图2-1-1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图2-1-2a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图2-1-2b所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。上述原理可以称为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。下面分析用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。图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个彼此相连的脉冲序列组成的波形，然后把脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使它们面积相等，就可以得到脉冲序列。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。2-1-2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形2-1-3用PWM波代替正弦半波要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。2.2PWM逆变电路及其控制方法目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术。逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的几乎都是电压型。2.2.1计算法根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形。缺点：繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化3.2.2调制法输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波；通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波；等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称；与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求。调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波；调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波。结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明：设负载为阻感负载，工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。控制规律：0u正半周，1V通，2V断，3V和4V交替通断，负载电流比电压滞后，在电压u正半周，电流有一段为正，一段为负，负载电流为正区间，1V和4V导通时，0u等于dU，4V关断时，负载电流通过1V和3DV续流，0u=0，负载电流为负区间，0i为负，实际上从1DV和4DV流过，仍有0u=dU，4V断，3V通后，0i从3V和1DV续流，0u=0，0u总可得到dU和零两种电平。0u负半周，让2V保持通，1V保持断，3V和4V交替通断，0u可得-dU和零两种电平。2-2-1单相桥式逆变电路单极性PWM控制方式（单相桥逆变）：在ru和cu的交点时刻控制IGBT的通断，ru正半周，1V保持通，2V保持断，当rucu时使4V通，3V断，0u=dU，当rucu时使4V断，3V通，0u=0。ru负半周，1V保持断，2V保持通，当rucu时使3V通，4V断，0u=-dU，当rucu时使3V断，4V通，0u=0，虚线fu0表示0u的基波分量。波形见图2-2-2。图2-2-2单极性PWM控制方式波形同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由器件关断时间决定。死区时间会给输出PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。计算法中一种较有代表性的方法，图2-2-3。输出电压半周期内，器件通、断各3次（不包括0和π），共6个开关时刻可控。为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称。首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，即：)()(tutu(2.2.1)其次，为消除谐波中余弦项，使波形在半周期内前后1/4周期以π/2为轴线对称。)()(tutu(2.2.2)四分之一周期对称波形，用傅里叶级数表示为：,...5,3,1nsin)(ntnatu(2.2.3)图2-2-3特定谐波消去法的输出PWM波形式中，an为20nsin)(4ttdntua图2-2-3，能独立控制1a、2a和3a共3个时刻。该波形的na为)cos2cos2cos21(2])sin2(sin2)sin2(sin2[4321d23d0n32211nnnnUtdtnUttdnUtdtnUttdnUaadaadaaad式中n=1,3,5,…(3.2.4)确定1a的值，再令两个不同的na=0就可建三个方程，求得1a、2a和3a消去两种特定频率的谐波：在三相对称电路的线电压中，相电压所含的3次谐波相互抵消，可考虑消去5次和7次谐波，得如下联立方程：)cos2cos2cos21(2321d1Ua（2-5）0)5cos25cos25cos21(52321d5Ua（2-6）0)7cos27cos27cos21(72321d7Ua（2-7）给定1a，解方程可得1a、2a和3a。1a变，1a、2a和3a也相应改变。一般，在输出电压半周期内器件通、断各k次，考虑PWM波四分之一周期对称，k个开关时刻可控，除用一个控制基波幅值，可消去k－1个频率的特定谐波，k越大，开关时刻的计算越复杂。2.2.3SPWM控制方式一．SPWM包括单极性和双极性两种调制方法，（1）如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。（2）如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。(a)单极性SPWM法(1)调制波和载波：曲线②是正弦调制波，其周期决定于需要的调频比kf，振幅值决定于ku,曲线①是采用等腰三角波的载波，其周期决定于载波频率，振幅不变，等于ku=1时正弦调制波的振幅值，每半周期内所有三角波的极性均相同(即单极性)。调制波和载波的交点，决定了SPWM脉冲系列的宽度和脉冲音的间隔宽度，每半周期内的脉冲系列也是单极性的。(2)单极性调制的工作特点：每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时通时断地工作，另一个完全截止；而在另半个周期内，两个器件的工况正好相反，流经负载ZL的便是正、负交替的交变电流。图2-2-4单极性PWM控制方式(b)双极性SPWM法(1)调制波和载波：调制波仍为正弦波，其周期决定于kf，振幅决定于ku,中曲线①，载波为双极性的等腰三角波，其周期决定于载波频率，振幅不变，与ku=1时正弦波的振幅值相等。调制波与载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此脉冲系列也是双极性的，但是，由相电压合成为线电压(uab=ua-ub;ubc=ub-uc;uca=uc-ua)时，所得到的线电压脉冲系列却是单极性的。(2)双极性调制的工作特点：逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断，毫不停息，而流过负载ZL的是按线电压规律变化的交变电流。图2-2-5双极性PWM控制方式3.PWM逆变器的仿真结果及分析3.1.1单极性SPWM仿真在simulink中建立如下模型。设计中不采用IGBT元件模型，而是采用“UniversalBridge”模块，开关器件选反并联二极管的IGBT；阻感负载.设定输出电压频率50HZ，载波频率1080HZ，调制深度m=0.4。直流电压源V=200V。3.1.2单极性SPWM仿真结果及分析当负载R=3Ω，L=2e-2H时，直流侧电流、交流侧电流、交流侧电压的波形示波器显示如图3-1-1所示，上图为直流侧电流，中图为交流侧电流，下图为交流侧电压。图3-1-1R=3Ω，L=2e-2H当负载R=3Ω，L=2e-3H时，直流侧电流、交流侧电流、交流侧电压的波形示波器显示如图3-1-2所示，上图为直流侧电流，中图为交流侧电流，下图为交流侧电压。图3-1-1R=3Ω，L=2e-3H当负载R=10Ω，L=2e-2H时，直流侧电流、交流侧电流、交流侧电压的波形示波器显示如图3-1-3所示，上图为直流侧电流，中图为交流侧电流，下图为交流侧电压。图3-1-3R=10Ω，L=2e-2H当负载R=10Ω，L=2e-2H时，改变载波频率为3240HZ，直流侧电流、交流侧电流、交流侧电压的波形示波器显示如图3-1-4所示，上图为直流侧电流，中图为交流侧电流，下图为交流侧电压。图3-1-4R=10Ω，L=2e-2H载波频率为3240HZ仿真结果分析：图3-