电力电子优秀课程设计.docx
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1、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 指导老师: 魏祥林 一、 设计目标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一门关键专业实践课,要求学生综合利用电子技术、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设计和仿真验证。经过该综合训练培养学生以下多个方面能力:1综合利用所学知识,进行电力电子电路和系统设计能力;2了解和熟悉常见电力电子电路电路拓扑、控制方法;3掌握常见电力电子电路及系统主电路、控制电路和保护电路设计方法,掌握元
2、器件选择计算方法;4含有一定电力电子电路及系统试验和调试能力。二、 设计内容本综合训练要达成综合利用所学知识,培养和提升学生分析问题和处理问题能力目标。本综合训练包含以下多个内容:1. 介绍常见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)基础训练;3掌握电力电子基础单元电路设计、分析和仿真方法;4完成部分经典电力电子系统计算机仿真(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、斩波器供电直流电机传动系统、逆
3、变器供电感应电机传动系统等),掌握电力电子系统基础设计方法、分析方法和相关仿真软件(MATLAB/PSPICE/Saber)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,工作方法为单极性PWM方法,开关器件选择IGBT,直流电压为300V,电阻负载,电阻1欧姆,电感2mh。依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、电压电流波形谐波情况、不一样仿真条件时系统输入输出改变情况、死区时间影响、和理论分析结果进行比较。四、 要提交结果1. 综合训练总结汇报(不少于20页,约1万字左右)需包含:1)序言。2)
4、目录。3)主电路工作原理说明。4)主电路设计具体过程。5)仿真模型建立、各模块参数设置。6)仿真结果分析。7)总结。8)参考文件。9)体会。2. 综合训练总结汇报要求采取A4页面打印,小四宋体,单倍行距,采取word默认页边距,仿真模型、模块参数设置、仿真结果等全部要在总结汇报中进行具体说明。五、设计进度计划立即间安排序号工作内容时 间1部署任务书、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仿真模型调试和分析3天7撰写综合训练汇报2天8答辩0.5天六、关键参考资料1王兆安等。电力电子技术(M)。北京:机械工业出版社,。2李传琦。电力电子技术计算机仿真试验(
5、M)。北京:机械工业出版社,。3李维波。MATLAB在电气工程中应用(M)。北京:中国电力出版社,。4洪乃刚。电力电子、电机控制系统建模和仿真(M)。北京:机械工业出版社,。序言逆变电路是PWM控制技术最为关键应用场所。这里在研究单相桥式PWM逆变电路理论基础上,采取Matlab可视化仿真工具Simulink建立单相桥式单极性控制方法下PWM逆变电路仿真模型,经过动态仿真,研究了调制深度、载波频率对输出电压、负载上电流影响;并分析了输出电压、负载上电流谐波特征。仿真结果表明建模正确性,并证实了该模型含有快捷、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个很好辅助工具。关
6、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11.1 MATLAB介绍11.2 PWM技术11.3 PWM控制方法12 主电路工作原理说明52.1 PWM控制基础原理52.2 PWM逆变电路及其控制方法53 主电路设计具体过程64 仿真模型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方法下单相桥式逆变电路95总结16参考文件17体会181 逆变电路相关概述1.1 MATLAB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科学及工程问题分析计算和程序设计工具,它还提供
7、了专业水平符号计算、文字处理、可视化建模拟真和实时控制等功效,是含有全部语言功效和特征新一代软件开发平台。 MATLAB 已发展成为适合众多学科,多个工作平台、功效强大大型软件。 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基础教学工具。 1.2 PWM技术 PWM技术应用十分广泛,它使电力电子装置性能大大提升,所以它在电力电子技术发展史上占有十分关键地位。PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中成功应用,才确定了它在电力电子技术中关键地位。脉宽调制(PWM(Pulse Width Modulation)是利用微处理器数字输出来对模拟电路进
8、行控制一个很有效技术,广泛应用在从测量、通信到功率控制和变换很多领域中。 简而言之,PWM是一个对模拟信号电平进行数字编码方法。经过高分辨率计数器使用,方波占空比被调制用来对一个具体模拟信号电平进行编码。PWM信号仍然是数字,因为在给定任何时刻,满幅值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个通(ON)或断(OFF)反复脉冲序列被加到模拟负载上去。通时候即是直流供电被加到负载上时候,断时候即是供电被断开时候。只要带宽足够,任何模拟值全部能够使用PWM进行编码。 1.3 PWM控制方法 采样控制理论中有一个关键结论:冲量相等而形状不一样窄脉冲加在含有惯性步骤上时,其效
9、果基础相同.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脉冲,用这些脉冲来替换正弦波或其它所需要波形.按一定规则对各脉冲宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压大小,也可改变输出频率。PWM控制基础原理很早就已经提出,不过受电力电子器件发展水平制约,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,伴随全控型电力电子器件出现和快速发展,PWM控制技术才真正得到应用.伴随电力电子技术,微电子技术和自动控制技术发展和多种新理论方法,如现代控制理论,非线性系统控制思想应用,PWM控制技术取得了空前发展.到现在为止,已出现了多个
10、PWM控制技术,依据PWM控制技术特点,到现在为止关键有以下8类方法。 1 相电压控制PWM(1)等脉宽PWM法VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置在早期是采取PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技术来实现,其逆变器部分只能输出频率可调方波电压而不能调压。等脉宽PWM法正是为了克服PAM法这个缺点发展而来,是PWM法中最为简单一个。它是把每一脉冲宽度均相等脉冲列作为PWM波,经过改变脉冲列周期能够调频,改变脉冲宽度或占空比能够调压,采取合适控制方法即可使电压和频率协调改变。相对于PAM法,该方法优点是简化了电路结构
11、,提升了输入端功率因数,但同时也存在输出电压中除基波外,还包含较大谐波分量。 (2)随机PWM 在上世纪70年代开始至上世纪80年代初,因为当初大功率晶体管关键为双极性达林顿三极管,载波频率通常不超出5kHz,电机绕组电磁噪音及谐波造成振动引发了大家关注。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),尽管噪音总分贝数未变,但以固定开关频率为特征有色噪音强度大大减弱.正因为如此,即使在IGBT已被广泛应用今天,对于载波频率必需限制在较低频率场所,随机PWM仍然有其特殊价值;其次则说明了消除机械和电磁噪音最好
12、方法不是盲目地提升工作频率,随机PWM技术正是提供了一个分析,处理这种问题全新思绪。 (3)SPWM法 SPWM(Sinusoidal PWM)法是一个比较成熟,现在使用较广泛PWM法.前面提到采样控制理论中一个关键结论:冲量相等而形状不一样窄脉冲加在含有惯性步骤上时,其效果基础相同。SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律改变而和正弦波等效PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件通断,使其输出脉冲电压面积和所期望输出正弦波在对应区间内面积相等,经过改变调制波频率和幅值则可调整逆变电路输出电压频率和幅值。该方法实现有以下多个方案: (一)等面积法 该方案实际上就是SPWM法
13、原理直接阐释,用一样数量等幅而不等宽矩形脉冲序列替换正弦波,然后计算各脉冲宽度和间隔,并把这些数据存于微机中,经过查表方法生成PWM信号控制开关器件通断,以达成预期目标。因为此方法是以SPWM控制基础原理为出发点,能够正确地计算出各开关器件通断时刻,其所得波形很靠近正弦波,但其存在计算繁琐,数据占用内存大,不能实时控制缺点。 (二) 硬件调制法 硬件调制法是为处理等面积法计算繁琐缺点而提出,其原理就是把所期望波形作为调制信号,把接收调制信号作为载波,经过对载波调制得到所期望PWM波形.通常采取等腰三角波作为载波,当调制信号波为正弦波时,所得到就是SPWM波形。其实现方法简单,能够用模拟电路组成
14、三角波载波和正弦调制波发生电路,用比较器来确定它们交点,在交点时刻对开关器件通断进行控制,就能够生成SPWM波.不过,这种模拟电路结构复杂,难以实现正确控制。 (三)软件生成法 因为微机技术发展使得用软件生成SPWM波形变得比较轻易,所以,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方法,其有两种基础算法,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,在两个波形自然交点时刻控制开关器件通断,这就是自然采样法.其优点是所得SPWM波形最靠近正弦波,但因为三角波和正弦波交点有任意性,脉冲中心在一个周期内不等距,从而脉宽表示式是一个超越方程,计
15、算繁琐,难以实时控制。 五 规则采样法 规则采样法是一个应用较广工程实用方法,通常采取三角波作为载波.其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波,再以阶梯波和三角波交点时刻控制开关器件通断,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,由阶梯波和三角波交点所确定脉宽,在一个载波周期(即采样周期)内位置是对称,这种方法称为对称规则采样.当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时,由阶梯波和三角波交点所确定脉宽,在一个载波周期(此时为采样周期两倍)内位置通常并不对称,这种方法称为非对称规则采样。规则采样法是对自然采样法改善,其关键优点就是是计算简单,便于在线实时运
16、算,其中非对称规则采样法因阶数多而更靠近正弦.其缺点是直流电压利用率较低,线性控制范围较小。 以上两种方法均只适适用于同时调制方法中。 (4)低次谐波消去法低次谐波消去法是以消去PWM波形中一些关键低次谐波为目标方法.其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开,表示为u(t)=ansinnt,首先确定基波分量a1值,再令两个不一样an=0,就能够建立三个方程,联立求解得a1,a2及a3,这么就能够消去两个频率谐波。 该方法即使能够很好地消除所指定低次谐波,不过,剩下未消去较低次谐波幅值可能会相当大,而且一样存在计算复杂缺点.该方法一样只适适用于同时调制方法中。 (5)梯形波和三角波比较法 前面所介绍
17、多种方法关键是以输出波形尽可能靠近正弦波为目标,从而忽略了直流电压利用率,如SPWM法,其直流电压利用率仅为86.6%.所以,为了提升直流电压利用率,提出了一个新方法-梯形波和三角波比较法.该方法是采取梯形波作为调制信号,三角波为载波,且使两波幅值相等,以两波交点时刻控制开关器件通断实现PWM控制。 因为当梯形波幅值和三角波幅值相等时,其所含基波分量幅值已超出了三角波幅值,从而能够有效地提升直流电压利用率.但因为梯形波本身含有低次谐波,所以输出波形中含有5次,7次等低次谐波。 2 线电压控制PWM 前面所介绍多种PWM控制方法用于三相逆变电路时,全部是对三相输出相电压分别进行控制,使其输出靠近
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