电力电子课程设计

《电力电子系统综合训练》课程设计任务书题目：单极性模式PWM逆变电路的仿真学生姓名：单兴银班级：电气工程及其自动化8班学号：13230803指导教师：魏祥林一、设计目的《电力电子技术系统综合训练》是自动化、电气工程及其自动化专业的一门重要的专业实践课，要求学生综合运用电子技术、微机原理、自动控制原理、电力电子技术、计算机仿真技术等课程知识，完成某一电力电子系统系的设计和仿真验证。通过该综合训练培养学生以下几个方面的能力：1．综合运用所学知识，进行电力电子电路和系统设计的能力；2．了解与熟悉常用的电力电子电路的电路拓扑、控制方法；3．掌握常用的电力电子电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，掌握元器件的选择计算方法；4．具有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力。二、设计内容本综合训练要达到综合运用所学知识，培养和提高学生的分析问题和解决问题的能力的目的。本综合训练包括如下几个内容：1.介绍常用的电力电子系统计算机仿真方法（小信号分析、离散时域仿真方法、等效电路法、Laplace变换法、周期时间序列分析法）；2．进行仿真软件（MATLAB/PSPICE/Saber）的基础训练；3．掌握电力电子基本单元电路的设计、分析和仿真方法；4．完成一些典型电力电子系统的计算机仿真（三相桥式全控整流电路、桥式直流PWM变流器、三相电压源型SPWM逆变器、电流跟踪型逆变器、三相交流调压器、斩波器供电的直流电机传动系统、逆变器供电的感应电机传动系统等），掌握电力电子系统基本的设计方法、分析方法和相关仿真软件（MATLAB/PSPICE/Saber）的使用方法。三、设计要求及工作量1．设计部分设计一单相PWM逆变电路，工作方式为单极性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。根据上述要求完成主电路设计。2．仿真部分完成上述单相PWM逆变电路的计算机仿真，观察输出电压波形、系统输入电流波形、电压电流波形的谐波情况、不同仿真条件时系统输入输出的变化情况、死区时间的影响、和理论分析的结果进行比较。四、要提交的成果1.综合训练总结报告（不少于20页，约1万字左右）需包括：1)前言。2)目录。3)主电路工作原理说明。4)主电路设计详细过程。5)仿真模型的建立、各模块参数的设置。6)仿真结果分析。7)总结。8)参考文献。9)体会。2.综合训练总结报告要求采用A4页面打印，小四宋体，单倍行距，采用word默认的页边距，仿真模型、模块参数设置、仿真结果等都要在总结报告中进行详细说明。五、设计进度计划及时间安排序号工作内容时间1布置任务书、审题1天2仿真软件基础训练1天3主电路设计及参数计算1.5天4仿真模型搭建1天5仿真模型调试与分析3天7撰写综合训练报告2天8答辩0.5天六、主要参考资料1．王兆安等。电力电子技术（M）。北京：机械工业出版社，2001。2．李传琦。电力电子技术计算机仿真实验（M）。北京：机械工业出版社，2006。3．李维波。MATLAB在电气工程中的应用（M）。北京：中国电力出版社，2007。4．洪乃刚。电力电子、电机控制系统的建模和仿真（M）。北京：机械工业出版社，2010。前言逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。这里在研究单相桥式PWM逆变电路的理论基础上，采用Matlab的可视化仿真工具Simulink建立单相桥式单极性控制方式下PWM逆变电路的仿真模型，通过动态仿真，研究了调制深度、载波频率对输出电压、负载上电流的影响；并分析了输出电压、负载上电流的谐波特性。仿真结果表明建模的正确性，并证明了该模型具有快捷、灵活、方便、直观等一系列特点，从而为电力电子技术教学和研究中提供了一种较好的辅助工具。关键词:Matlab/Simulink；PWM逆变电路；动态仿真；建模；目录1逆变电路相关概述.......................................11.1MATLAB的介绍.......................................11.2PWM技术............................................11.3PWM控制方法........................................12主电路工作原理说明.....................................52.1PWM控制的基本原理..................................52.2PWM逆变电路及其控制方法............................53主电路设计的详细过程...................................64仿真模型的建立及各模块参数设置.........................74.1单极性PWM控制发生电路模型..........................74.2单极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路.................95总结..................................................16参考文献................................................17体会....................................................181逆变电路相关概述1.1MATLAB的介绍MATLAB将矩阵运算、数值分析、图形处理、编程技术结合在一起，为用户提供了一个强有力的科学及工程问题的分析计算和程序设计工具，它还提供了专业水平的符号计算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制等功能，是具有全部语言功能和特征的新一代软件开发平台。MATLAB已发展成为适合众多学科，多种工作平台、功能强大的大型软件。MATLAB已成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具。1.2PWM技术PWM技术的的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。脉宽调制(PWM（PulseWidthModulation）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。1.3PWM控制方法采样控制理论中有一个重要结论: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.PWM控制技术就是以该结论为理论基础,对半导体开关器件的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。PWM控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件发展水平的制约,在上世纪80年代以前一直未能实现.直到进入上世纪80年代,随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展,PWM控制技术才真正得到应用.随着电力电子技术,微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法,如现代控制理论,非线性系统控制思想的应用,PWM控制技术获得了空前的发展.到目前为止,已出现了多种PWM控制技术,根据PWM控制技术的特点,到目前为止主要有以下8类方法。1相电压控制PWM（1）等脉宽PWM法VVVF(VariableVoltageVariableFrequency)装置在早期是采用PAM(PulseAmplitudeModulation)控制技术来实现的,其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压。等脉宽PWM法正是为了克服PAM法的这个缺点发展而来的,是PWM法中最为简单的一种。它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波,通过改变脉冲列的周期可以调频,改变脉冲的宽度或占空比可以调压,采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。相对于PAM法,该方法的优点是简化了电路结构,提高了输入端的功率因数,但同时也存在输出电压中除基波外,还包含较大的谐波分量。（2)随机PWM在上世纪70年代开始至上世纪80年代初,由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管,载波频率一般不超过5kHz,电机绕组的电磁噪音及谐波造成的振动引起了人们的关注。为求得改善,随机PWM方法应运而生.其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声(在线性频率坐标系中,各频率能量分布是均匀的),尽管噪音的总分贝数未变,但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱.正因为如此,即使在IGBT已被广泛应用的今天,对于载波频率必须限制在较低频率的场合,随机PWM仍然有其特殊的价值；另一方面则说明了消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率,随机PWM技术正是提供了一个分析,解决这种问题的全新思路。（3）SPWM法SPWM(SinusoidalPWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论: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。SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。该方法的实现有以下几种方案：(一)等面积法该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释,用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波,然后计算各脉冲的宽度和间隔,并把这些数据存于微机中,通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断,以达到预期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点,可以准确地计算出各开关器件的通断时刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在计算繁琐,数据占用内存大,不能实时控制的缺点。(二)硬件调制法硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的,其原理就是把所希望的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过对载波的调制得到所期望的PWM波形.通常采用等腰三角波作为载波,当调制信号波为正弦波时,所得到的就是SPWM波形。其实现方法简单,可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路,用比较器来确定它们的交点,在交点时刻对开关器件的通断进行控制,就可以生成SPWM波.但是,这种模拟电路结构复杂,难以实现精确的控制。（三）软件生成法由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易,因此,软件生成法也就应运而生.软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法,其有两种基本算法,即自然采样法和规则采样法。（四）自然采样法以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较,在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断,这就是自然采样法.其优点是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波与正弦波交点有任意性,脉冲中心在一个周期内不等距,从而脉宽表达式是一个超越方程,计算繁琐,难以实时控制。五．规则采样法规则采样法是一种应用较广的工程实用方法,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