1、電力電子系統的計算機仿真設計題目：單極性模式PWM逆變電路的計算機仿真學院：電信學院班級：電氣工程及其自動化3班學號：XXXXX姓名：XX指導老師：XX日期：2010年12月3號前言PWM控制技術是逆變電路中應用最為廣泛的技術，現在大量應用的逆變電路中，絕大部分都是PWM型逆變電路。為了對PWM型逆變電路進行分析，首先建立了逆變器控制所需的電路模型，采用IGBT作為開關器件，并對單相橋式電壓型逆變電路和PWM控制電路的工作原理進行了分析，運用MATLAB中的SIMULINK對電路進行了仿真，給出了仿真波形，并運用MATLAB提供的powergui模塊對仿真波形進行了FFT分析（諧波分析）。通過

2、仿真分析表明，運用PWM控制技術可以很好的實現逆變電路的運行要求。 目錄一 概述 3二 主電路工作原理說明 8三 主電路設計的詳細過程 10四 仿真模型的建立及各模塊參數設置 11五 仿真結果分析 14六 總結 18七 參考文獻 19八 體會 20 一 概述1.1MATLAB的介紹MATLAB(Matrix Laboratory)為美國Mathworks公司1983年首次推出的一套高性能的數值分析和計算軟件，其功能不斷擴充，版本不斷升級，1992年推出劃時代的4.0版，1993年推出了可以配合Microsoft Windous使用的微機版，95年4.2版，97年5.0版，99年5.3版，5.X

3、版無論是界面還是內容都有長足的進展，其幫助信息采用超文本格式和PDF格式，可以方便的瀏覽。至2001年6月推出6.1版，2002年6月推出6.5版，繼而推出版, 2004年7月MATLAB7和Simulink6.0被推出，目前的最新版本為7.1版。     MATLAB將矩陣運算、數值分析、圖形處理、編程技術結合在一起，為用戶提供了一個強有力的科學及工程問題的分析計算和程序設計工具，它還提供了專業水平的符號計算、文字處理、可視化建模仿真和實時控制等功能，是具有全部語言功能和特征的新一代軟件開發平臺。     MATLAB 已發展成為適

4、合眾多學科，多種工作平臺、功能強大的大型軟件。在歐美等國家的高校，MATLAB已成為線性代數、自動控制理論、數理統計、數字信號處理、時間序列分析、動態系統仿真等高級課程的基本教學工具。成為攻讀學位的本科、碩士、博士生必須掌握的基本技能。在設計研究單位和工業開發部門，MMATLAB被廣泛的應用于研究和解決各種具體問題。在中國，MATLAB也已日益受到重視，短時間內就將盛行起來，因為無論哪個學科或工程領域都可以從MATLAB中找到合適的功能。1.2PWM技術PWM技術的的應用十分廣泛，它使電力電子裝置的性能大大提高，因此它在電力電子技術的發展史上占有十分重要的地位。PWM控制技術正是有賴于在逆變電

5、路中的成功應用，才確定了它在電力電子技術中的重要地位。脈寬調制(PWM（Pulse Width Modulation）是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。簡而言之，PWM是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷

6、的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。1.3PWM控制方法采樣控制理論中有一個重要結論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時,其效果基本相同.PWM控制技術就是以該結論為理論基礎,對半導體開關器件的導通和關斷進行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的規則對各脈沖的寬度進行調制,既可改變逆變電路輸出電壓的大小,也可改變輸出頻率.PWM控制的基本原理很早就已經提出,但是受電力電子器件發展水平的制約,在上世紀80年代以前一直未能實現.直到進入上世紀80年代,隨著全控型電力電子器件的出現

7、和迅速發展,PWM控制技術才真正得到應用.隨著電力電子技術,微電子技術和自動控制技術的發展以及各種新的理論方法,如現代控制理論,非線性系統控制思想的應用,PWM控制技術獲得了空前的發展.到目前為止,已出現了多種PWM控制技術,根據PWM控制技術的特點,到目前為止主要有以下8類方法. (1) 相電壓控制PWM 1 等脈寬PWM法 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)裝置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技術來實現的,其逆變器部分只能輸出頻率可調的方波電壓而不能調壓.等脈寬PWM法正是為了克服PAM法的這個缺

8、點發展而來的,是PWM法中最為簡單的一種.它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為PWM波,通過改變脈沖列的周期可以調頻,改變脈沖的寬度或占空比可以調壓,采用適當控制方法即可使電壓與頻率協調變化.相對于PAM法,該方法的優點是簡化了電路結構,提高了輸入端的功率因數,但同時也存在輸出電壓中除基波外,還包含較大的諧波分量. 2 隨機PWM 在上世紀70年代開始至上世紀80年代初,由于當時大功率晶體管主要為雙極性達林頓三極管,載波頻率一般不超過5kHz,電機繞組的電磁噪音及諧波造成的振動引起了人們的關注.為求得改善,隨機PWM方法應運而生.其原理是隨機改變開關頻率使電機電磁噪音近似為限帶白噪聲(在線性

9、頻率坐標系中,各頻率能量分布是均勻的),盡管噪音的總分貝數未變,但以固定開關頻率為特征的有色噪音強度大大削弱.正因為如此,即使在IGBT已被廣泛應用的今天,對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合,隨機PWM仍然有其特殊的價值;另一方面則說明了消除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率,隨機PWM技術正是提供了一個分析,解決這種問題的全新思路. 3 SPWM法 SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的,目前使用較廣泛的PWM法.前面提到的采樣控制理論中的一個重要結論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時,其效果基本相同.SPWM法就是以該結論為理論基礎,用脈沖

10、寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關器件的通斷,使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區間內的面積相等,通過改變調制波的頻率和幅值則可調節逆變電路輸出電壓的頻率和幅值.該方法的實現有以下幾種方案. 一 等面積法 該方案實際上就是SPWM法原理的直接闡釋,用同樣數量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波,然后計算各脈沖的寬度和間隔,并把這些數據存于微機中,通過查表的方式生成PWM信號控制開關器件的通斷,以達到預期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發點,可以準確地計算出各開關器件的通斷時刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在計算繁

11、瑣,數據占用內存大,不能實時控制的缺點. 二 硬件調制法 硬件調制法是為解決等面積法計算繁瑣的缺點而提出的,其原理就是把所希望的波形作為調制信號,把接受調制的信號作為載波,通過對載波的調制得到所期望的PWM波形.通常采用等腰三角波作為載波,當調制信號波為正弦波時,所得到的就是SPWM波形.其實現方法簡單,可以用模擬電路構成三角波載波和正弦調制波發生電路,用比較器來確定它們的交點,在交點時刻對開關器件的通斷進行控制,就可以生成SPWM波.但是,這種模擬電路結構復雜,難以實現精確的控制. 三 軟件生成法 由于微機技術的發展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易,因此,軟件生成法也就應運而生.軟件生

12、成法其實就是用軟件來實現調制的方法,其有兩種基本算法,即自然采樣法和規則采樣法.四 自然采樣法 以正弦波為調制波,等腰三角波為載波進行比較,在兩個波形的自然交點時刻控制開關器件的通斷,這就是自然采樣法.其優點是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波與正弦波交點有任意性,脈沖中心在一個周期內不等距,從而脈寬表達式是一個超越方程,計算繁瑣,難以實時控制. 五 規則采樣法 規則采樣法是一種應用較廣的工程實用方法,一般采用三角波作為載波.其原理就是用三角波對正弦波進行采樣得到階梯波,再以階梯波與三角波的交點時刻控制開關器件的通斷,從而實現SPWM法.當三角波只在其頂點(或底點)位置對正弦波進行采樣

13、時,由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬,在一個載波周期(即采樣周期)內的位置是對稱的,這種方法稱為對稱規則采樣.當三角波既在其頂點又在底點時刻對正弦波進行采樣時,由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬,在一個載波周期(此時為采樣周期的兩倍)內的位置一般并不對稱,這種方法稱為非對稱規則采樣. 規則采樣法是對自然采樣法的改進,其主要優點就是是計算簡單,便于在線實時運算,其中非對稱規則采樣法因階數多而更接近正弦.其缺點是直流電壓利用率較低,線性控制范圍較小. 以上兩種方法均只適用于同步調制方式中. 4 低次諧波消去法低次諧波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次諧波為目的的方法.其原理是對輸出電壓波形

14、按傅氏級數展開,表示為u(t)=ansinnt,首先確定基波分量a1的值,再令兩個不同的an=0,就可以建立三個方程,聯立求解得a1,a2及a3,這樣就可以消去兩個頻率的諧波. 該方法雖然可以很好地消除所指定的低次諧波,但是,剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會相當大,而且同樣存在計算復雜的缺點.該方法同樣只適用于同步調制方式中. 5梯形波與三角波比較法 前面所介紹的各種方法主要是以輸出波形盡量接近正弦波為目的,從而忽視了直流電壓的利用率,如SPWM法,其直流電壓利用率僅為86.6%.因此,為了提高直流電壓利用率,提出了一種新的方法-梯形波與三角波比較法.該方法是采用梯形波作為調制信號,三角波為

15、載波,且使兩波幅值相等,以兩波的交點時刻控制開關器件的通斷實現PWM控制. 由于當梯形波幅值和三角波幅值相等時,其所含的基波分量幅值已超過了三角波幅值,從而可以有效地提高直流電壓利用率.但由于梯形波本身含有低次諧波,所以輸出波形中含有5次,7次等低次諧波. （2） 線電壓控制PWM 前面所介紹的各種PWM控制方法用于三相逆變電路時,都是對三相輸出相電壓分別進行控制的,使其輸出接近正弦波,但是,對于像三相異步電動機這樣的三相無中線對稱負載,逆變器輸出不必追求相電壓接近正弦,而可著眼于使線電壓趨于正弦.因此,提出了線電壓控制PWM,主要有以下兩種方法. 一 馬鞍形波與三角波比較法 馬鞍形波與三角波

16、比較法也就是諧波注入PWM方式(HIPWM),其原理是在正弦波中加入一定比例的三次諧波,調制信號便呈現出馬鞍形,而且幅值明顯降低,于是在調制信號的幅值不超過載波幅值的情況下,可以使基波幅值超過三角波幅值,提高了直流電壓利用率.在三相無中線系統中,由于三次諧波電流無通路,所以三個線電壓和線電流中均不含三次諧波4. 除了可以注入三次諧波以外,還可以注入其他3倍頻于正弦波信號的其他波形,這些信號都不會影響線 電壓.這是因為,經過PWM調制后逆變電路輸出的相電壓也必然包含相應的3倍頻于正弦波信號的諧波,但在合成線電壓時,各相電壓中的這些諧波將互相抵消,從而使線電壓仍為正弦波. 二 單元脈寬調制法5 因

17、為,三相對稱線電壓有Uuv+Uvw+Uwu=0的關系,所以,某一線電壓任何時刻都等于另外兩個線電壓負值之和.現在把一個周期等分為6個區間,每區間60°,對于某一線電壓例如Uuv,半個周期兩邊60°區間用Uuv本身表示,中間60°區間用-(Uvw+Uwu)表示,當將Uvw和Uwu作同樣處理時,就可以得到三相線電壓波形只有半周內兩邊60°區間的兩種波形形狀,并且有正有負.把這樣的電壓波形作為脈寬調制的參考信號,載波仍用三角波,并把各區間的曲線用直線近似(實踐表明,這樣做引起的誤差不大,完全可行),就可以得到線電壓的脈沖波形,該波形是完全對稱,且規律性很強,負

18、半周是正半周相應脈沖列的反相,因此,只要半個周期兩邊60°區間的脈沖列一經確定,線電壓的調制脈沖波形就唯一地確定了.這個脈沖并不是開關器件的驅動脈沖信號,但由于已知三相線電壓的脈沖工作模式,就可以確定開關器件的驅動脈沖信號了. 該方法不僅能抑制較多的低次諧波,還可減小開關損耗和加寬線性控制區,同時還能帶來用微機控制的方便,但該方法只適用于異步電動機,應用范圍較小. （3） 電流控制PWM 電流控制PWM的基本思想是把希望輸出的電流波形作為指令信號,把實際的電流波形作為反饋信號,通過兩者瞬時值的比較來決定各開關器件的通斷,使實際輸出隨指令信號的改變而改變二 主電路工作原理說明2.1 P

19、WM控制的基本原理PWM（Pulse Width Modulation）控制就是對脈沖的寬度進行調制的技術，即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要的波形。PWM控制技術的重要理論基礎是面積等效原理，即：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。下面分析如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波。把正弦半波分成N等分，就可以把正弦半波看成由N個彼此相連的脈沖序列所組成的波形。如果把這些脈沖序列用相同數量的等幅不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應的正弦波部分面積（沖量）相等，就可得到下圖b所示的脈沖序列，這就

20、是PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱為SPWM波形。SPWM波形如圖2-1所示：tOwUd-Ud圖（2-1）:單極性PWM控制方式波形上圖波形稱為單極性PWM波形，根據面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，即雙極性PWM波形，而且這種方式在實際應用中更為廣泛。OwtUd-Ud圖（2-2）:雙極性PWM控制方式波形2.2 PWM逆變電路及其控制方法PWM逆變電路可分為電壓型和電流型兩種，目前實際應用的幾乎都是電壓型電路，因此本節主要分析電壓型逆變電路的控制方法。要得到需要的PWM波形有兩種方法，分別是計算法和調制法。根據正弦波頻率、幅值和半周期脈

21、沖數，準確計算PWM波各脈沖寬度和間隔，據此控制逆變電路開關器件的通斷，就可得到所需PWM波形，這種方法稱為計算法。由于計算法較繁瑣，當輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結果都要變化。與計算法相對應的是調制法，即把希望調制的波形作為調制信號，把接受調制的信號作為載波，通過信號波的調制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，在調制信號波為正弦波時，所得到的就是SPWM波形。下面具體分析單相橋式逆變電路的單極性控制方式和雙極性控制方式。圖（2-3）是采用IGBT作為開關器件的單相橋式電壓型逆變電路。圖（2-3）：單相橋式PWM逆變電路（） 單極性PWM控制方式：在ur和uc的交點時刻

22、控制IGBT的通斷。ur正半周，V1保持通，V2保持斷。當ur>uc時使V4通，V3斷，uo=Ud 。當ur<uc時使V4斷，V3通，uo=0 。ur負半周，V2保持通，V1保持斷。當ur<uc時使V3通，V4斷，uo=-Ud;當ur>uc時使V3斷，V4通，uo=0 。這樣就得到圖一所示的單極性的SPWM波形。（） 雙極性PWM控制方式：在ur的半個周期內，三角波載波有正有負，所得PWM波也有正有負，其幅值只有±Ud兩種電平。同樣在調制信號ur和載波信號uc的交點時刻控制器件的通斷。ur正負半周，對各開關器件的控制規律相同。當ur >uc時，給V1和V

23、4導通信號，給V2和V3關斷信號。如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通， uo=Ud 。當ur<uc時，給V2和V3導通信號，給V1和V4關斷信號。如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud 。這樣就得到圖二所示的雙極性的SPWM波形。三 主電路設計的詳細過程 根據設計要求，采用單相全橋PWM逆變電路，工作方式為單極性PWM方式，開關器件選用IGBT，直流電源電壓為300V,電阻電感負載。設計主電路圖如圖（3-1）所示。圖（3-1）單相橋式PWM逆變電路 采用IGBT作為開關器件的單相橋式電壓型逆變電路。采用負載為阻感負

24、載，工作時V1和V2的通斷狀態互補，V3和V4的通斷狀態也互補。在輸出電壓u0的正半周，讓V1保持通態，V2保持斷態，V3和V4交替通斷。當uco>utri，且-uco<utri ，觸發VTA+和VTB-導通，輸入電源Ud經過VTA+、負載和VTB-構成電流回路，uo=-Ud，電流上升；當uco<utri，使VTA+斷開，觸發VTA-，但由于是感性負載，電流不能突變，因此負載電流經VDA-和VTB-續流，使VTA-不能導通，uo=0，同時電流下降；當uco>utri，且-uco<utri ，觸發VTA+和VTB-導通，輸入電源Ud經過VTA+、負載和VTB-構成電

25、流回路，uo=-Ud，電流上升；當-uco>utri，使VTB-斷開，觸發VTB+，由于是感性負載，電流不能突變，因此負載電流經VTA+和VDB+續流，使VTB+不能導通，uo=0，同時電流下降；直至下一個周期觸發VTA+和VTB-導通。由此循環往復周期性的工作。 四 仿真模型的建立及各模塊參數設置4.1 單極性PWM控制發生電路模型圖如圖（4-1）所示。圖（4-1）：單極性PWM逆變器觸發脈沖發生電路為了得到PWM輸出電壓，可以采用將期望輸出的電壓波形（稱為調制波）與載波信號（通常為三角波或鋸齒波）相比較，即用調制波對載波進行調制，然后用比較產生的信號去控制電力電子器件的開通與關斷，可

26、以得到所需的PWM控制發生電路。42單極性PWM控制方式仿真結果圖（4-2）單極性PWM控制方式仿真結果4.3 單極性PWM方式下的單相橋式逆變電路 采用單相全橋PWM逆變電路，工作方式為單極性PWM方式，開關器件選用IGBT，直流電源電壓為300V,電阻電感負載，電阻1歐姆，電感2毫安。圖（4-3）單極性PWM方式下的單相橋式逆變電路參數說明：（1）圖（4-4）是對IGBT的個參數說明。圖（4-4） （2）圖（4-5）是對PWM Generator的參數說明。圖（4-5）（3）圖（4-6）是對算法參數設置。 圖（4-6）五 仿真結果分析5.1單極性PWM控制方式的單相橋式逆變電路仿真及分析單

27、極性PWM方式，開關器件選用IGBT,直流電壓300V，電阻負載，電阻1歐姆，電感2mh，載波頻率fc=1080HZ,調制信號頻率fr=50HZ。將調制深度m設置為0.4. 圖（5-1）單極性PWM控制方式的單相橋式逆變電路仿真5.2單極性PWM方式下的單相橋式逆變電路仿真，fc=300HZ,fr=50HZ,m=0.4。圖（5-2）單相橋式PWM單相橋式逆變電路仿真 將調制深度m設置為0.5，輸出基波頻率設為50Hz，載波頻率設為基波的6倍，即300Hz，仿真時間設為0.03s，采樣時間設為1e-005s，運行后可得仿真結果，輸出電壓，電流。5.3單極性PWM方式下的單相橋式逆變電路仿真，fc

28、=100HZ,fr=50HZ,m=0.4。圖（5-3）54單極性PWM方式下的單相橋式逆變電路仿真，fc=2200HZ,fr=50HZ,m=0.4。 圖（5-4） 55單極性PWM方式下的單相橋式逆變電路仿真，fc=200HZ,f=50HZ,m=0.7 圖(5-5)5.6 FFT諧波分析1）對電壓進行FFT分析，得如下分析結果：圖（5-6）：單極性控制方式下輸出電壓的FFT分析由FFT分析可知：在m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz，即N=15時，輸出電壓的基波電壓的幅值為U1m=150.9V，基本滿足理論上的U1m=m*Ud(即300*0.5=150)。諧波分布中最高的為29次和31次諧波，分別為基波的71.75%和72.36%，考慮最高頻率為4500Hz時的THD達到106.50%。2）對電流進行FFT分析，得如下分析結果：圖（5-7）：單極性控制方式下輸出電流的FFT分析由FFT分析可知：在m=0.5,fc=750Hz,fr=50