专业课程设计电力电子系统的计算机仿真设计单极性模式PWM逆变电路的计算机仿真.doc

序言

PWM控制技术是逆变电路中应用最为广泛技术，现在大量应用逆变电路中，绝大部分全部是PWM型逆变电路。为了对PWM型逆变电路进行分析，首先建立了逆变器控制所需电路模型，采取IGBT作为开关器件，并对单相桥式电压型逆变电路和PWM控制电路工作原理进行了分析，利用MATLAB中SIMULINK对电路进行了仿真，给出了仿真波形，并利用MATLAB提供powergui模块对仿真波形进行了FFT分析（谐波分析）。经过仿真分析表明，利用PWM控制技术能够很好实现逆变电路运行要求。

目录

1 PWM技术介绍 3
1.1MATLAB介绍 3
1.2PWM技术 3
1.3PWM控制方法 4
2 主电路工作原理说明 8
2.1 PWM控制基础原理 8
2.2 PWM逆变电路及其控制方法 8
3 主电路设计具体过程 10
4 仿真模型建立及各模块参数设置 11
4.1单极性PWM控制发生电路模型图 11
4.2单极性PWM控制方法仿真结果 11
4.3 单极性PWM方法下单相桥式逆变电路 11
5 仿真结果分析 14
5.1单极性PWM控制方法单相桥式逆变电路仿真及分析 14
5.2单极性PWM方法下单相桥式逆变电路仿真（fc=300HZ,m=0.4） 14
5.3单极性PWM方法下单相桥式逆变电路仿真（fc=100HZ,m=0.4） 15
5.4单极性PWM方法下单相桥式逆变电路仿真（fc=2200HZ,m=0.4） 15
5.5单极性PWM方法下单相桥式逆变电路仿真（fc=200HZ,m=0.7） 15
5.6 FFT谐波分析 16
总结 18
参考文件 19
体会 20

1 PWM技术介绍
1.1MATLAB介绍
MATLAB (Matrix Laboratory)为美国Mathworks企业1983年首次推出一套高性能数值分析和计算软件，其功效不停扩充，版本不停升级，1992年推出划时代4.0版，1993年推出了能够配合Microsoft Windous使用微机版，95年4.2版，97年5.0版，99年5.3版，5.X版不管是界面还是内容全部有长足进展，其帮助信息采取超文本格式和PDF格式，能够方便浏览。至6月推出6.1版，6月推出6.5版，继而推出6.5.1版, 7月MATLAB7和Simulink6.0被推出，现在最新版本为7.1版。
    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。在欧美等国家高校，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。成为攻读学位本科、硕士、博士生必需掌握基础技能。在设计研究单位和工业开发部门，MMATLAB被广泛应用于研究和处理多种具体问题。在中国，MATLAB也已日益受到重视，短时间内就将盛行起来，因为不管哪个学科或工程领域全部能够从MATLAB中找到适宜功效。

1.2PWM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。

1.3PWM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,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(ωt)=ansinnωt,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,使其输出靠近正弦波,不过,对于像三相异步电动机这么三相无中线对称负载,逆变器输出无须追求相电压靠近正弦,而可着眼于使线电压趋于正弦.所以,提出了线电压控制PWM,关键有以下两种方法.
　　一 马鞍形波和三角波比较法
　　马鞍形波和三角波比较法也就是谐波注入PWM方法(HIPWM),其原理是在正弦波中加入一定百分比三次谐波,调制信号便展现出马鞍形,而且幅值显著降低,于是在调制信号幅值不超出载波幅值情况下,能够使基波幅值超出三角波幅值,提升了直流电压利用率.在三相无中线系统中,因为三次谐波电流无通路,所以三个线电压和线电流中均不含三次谐波[4].
　　除了能够注入三次谐波以外,还能够注入其它3倍频于正弦波信号其它波形,这些信号全部不会影响线
　　电压.这是因为,经过PWM调制后逆变电路输出相电压也肯定包含对应3倍频于正弦波信号谐波,但在合成线电压时,各相电压中这些谐波将相互抵消,从而使线电压仍为正弦波.
　　二 单元脉宽调制法[5]
　　因为,三相对称线电压有Uuv+Uvw+Uwu=0关系,所以,某一线电压任何时刻全部等于另外两个线电压负值之和.现在把一个周期等分为6个区间,每区间60°,对于某一线电压比如Uuv,半个周期两边60°区间用Uuv本身表示,中间60°区间用-(Uvw+Uwu)表示,当将Uvw和Uwu作一样处理时,就能够得到三相线电压波形只有半周内两边60°区间两种波形形状,而且有正有负.把这么电压波形作为脉宽调制参考信号,载波仍用三角波,并把各区间曲线用直线近似(实践表明,这么做引发误差不大,完全可行),就能够得到线电压脉冲波形,该波形是完全对称,且规律性很强,负半周是正半周对应脉冲列反相,所以,只要半个周期两边60°区间脉冲列一经确定,线电压调制脉冲波形就唯一地确定了.这个脉冲并不是开关器件驱动脉冲信号,但因为已知三相线电压脉冲工作模式,就能够确定开关器件驱动脉冲信号了.
　　该方法不仅能抑制较多低次谐波,还可减小开关损耗和加宽线性控制区,同时还能带来用微机控制方便,但该方法只适适用于异步电动机,应用范围较小.
（3） 电流控制PWM

　　电流控制PWM基础思想是把期望输出电流波形作为指令信号,把实际电流波形作为反馈信号,经过二者瞬时值比较来决定各开关器件通断,使实际输出随指令信号改变而改变

2主电路工作原理说明
2.1 PWM控制基础原理
PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲宽度进行调制技术，即经过对一系列脉冲宽度进行调制，来等效地取得所需要波形。PWM控制技术关键理论基础是面积等效原理，即：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。下面分析怎样用一系列等幅不等宽脉冲来替换一个正弦半波。把正弦半波分成N等分，就能够把正弦半波看成由N个相互相连脉冲序列所组成波形。假如把这些脉冲序列用相同数量等幅不等宽矩形脉冲替换，使矩形脉冲中点和对应正弦波部分中点重合，且使矩形脉冲和对应正弦波部分面积（冲量）相等，就可得到下图b所表示脉冲序列，这就是PWM波形。像这种脉冲宽度按正弦规律改变而和正弦波等效PWM波形，也称为SPWM波形。SPWM波形图2-1所表示：

t

O
w
U
d
-U
d

图（2-1）:单极性PWM控制方法波形
上图波形称为单极性PWM波形，依据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中PWM波，即双极性PWM波形，而且这种方法在实际应用中更为广泛。

O
w
t
U
d
-
U
d

图（2-2）:双极性PWM控制方法波形

2.2 PWM逆变电路及其控制方法
PWM逆变电路可分为电压型和电流型两种，现在实际应用几乎全部是电压型电路，所以本节关键分析电压型逆变电路控制方法。要得到需要PWM波形有两种方法，分别是计算法和调制法。依据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，正确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件通断，就可得到所需PWM波形，这种方法称为计算法。因为计算法较繁琐，当输出正弦波频率、幅值或相位改变时，结果全部要改变。和计算法相对应是调制法，即把期望调制波形作为调制信号，把接收调制信号作为载波，经过信号波调制得到所期望PWM波形。通常采取等腰三角波作为载波，在调制信号波为正弦波时，所得到就是SPWM波形。下面具体分析单相桥式逆变电路单极性控制方法和双极性控制方法。图（2-3）是采取IGBT作为开关器件单相桥式电压型逆变电路。

图（2-3）：单相桥式PWM逆变电路
（１） 单极性PWM控制方法：在ur和uc交点时刻控制IGBT通断。ur正半周，V1保持通，V2保持断。当ur>uc时使V4通，V3断，uo=Ud 。当ur<uc时使V4断，V3通，uo=0 。ur负半周，V2保持通，V1保持断。当ur<uc时使V3通，V4断，uo=-Ud ;当ur>uc时使V3断，V4通，uo=0 。这么就得到图一所表示单极性SPWM波形。
（２） 双极性PWM控制方法：在ur半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有±Ud两种电平。一样在调制信号ur和载波信号uc交点时刻控制器件通断。ur正负半周，对各开关器件控制规律相同。当ur >uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通， uo=Ud 。当ur<uc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号。如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud 。这么就得到图二所表示双极性SPWM波形。

3 主电路设计具体过程
依据设计要求，采取单相全桥PWM逆变电路，工作方法为单极性PWM方法，开关器件选择IGBT，直流电源电压为300V,电阻电感负载。设计主电路图图（3-1）所表示。

图（3-1）单相桥式PWM逆变电路

采取IGBT作为开关器件单相桥式电压型逆变电路。采取负载为阻感负载，工作时V1和V2通断状态互补，V3和V4通断状态也互补。在输出电压u0正半周，让V1保持通态，V2保持断态，V3和V4交替通断。
当uco>utri，且-uco<utri ，触发VTA+和VTB-导通，输入电源Ud经过VTA+、负载和VTB-组成电流回路，uo=-Ud，电流上升；
当uco<utri，使VTA+断开，触发VTA-，但因为是感性负载，电流不能突变，所以负载电流经VDA-和VTB-续流，使VTA-不能导通，uo=0，同时电流下降；
当uco>utri，且-uco<utri ，触发VTA+和VTB-导通，输入电源Ud经过VTA+、负载和VTB-组成电流回路，uo=-Ud，电流上升；
当-uco>utri，使VTB-断开，触发VTB+，因为是感性负载，电流不能突变，所以负载电流经VTA+和VDB+续流，使VTB+不能导通，uo=0，同时电流下降；直至下一个周期触发VTA+和VTB-导通。由此循环往复周期性工作。

4仿真模型建立及各模块参数设置
4.1单极性PWM控制发生电路模型图图（4-1）所表示。

图（4-1）：单极性PWM逆变器触发脉冲发生电路
为了得到PWM输出电压，能够采取将期望输出电压波形（称为调制波）和载波信号（通常为三角波或锯齿波）相比较，即用调制波对载波进行调制，然后用比较产生信号去控制电力电子器件开通和关断，能够得到所需PWM控制发生电路。
4.2单极性PWM控制方法仿真结果

图（4-2）单极性PWM控制方法仿真结果
4.3 单极性PWM方法下单相桥式逆变电路
采取单相全桥PWM逆变电路，工作方法为单极性PWM方法，开关器件选择IGBT，直流电源电压为300V,电阻电感负载，电阻1欧姆，电感2毫安。

图（4-3）单极性PWM方法下单相桥式逆变电路
参数说明：（1）图（4-4）是对IGBT个参数说明。

图（4-4）

（2）图（4-5）是对PWM Generator参数说明。

图（4-5）
（3）图（4-6）是对算法参数设置。

图（4-6）

5仿真结果分析
5.1单极性PWM控制方法单相桥式逆变电路仿真及分析
单极性PWM方法，开关器件选择IGBT,直流电压300V，电阻负载，电阻1欧姆，电感2mh，载波频率fc=1080HZ,调制信号频率fr=50HZ。将调制深度m设置为0.4.

图（5-1）单极性PWM控制方法单相桥式逆变电路仿真

5.2单极性PWM方法下单相桥式逆变电路仿真，fc=300HZ,fr=50HZ,m=0.4。

图（5-2）单相桥式PWM单相桥式逆变电路仿真
将调制深度m设置为0.5，输出基波频率设为50Hz，载波频率设为基波6倍，即300Hz，仿真时间设为0.03s，采样时间设为1e-005s，运行后可得仿真结果，输出电压，电流。
5.3单极性PWM方法下单相桥式逆变电路仿真，fc=100HZ,fr=50HZ,m=0.4。

图（5-3）
5.4单极性PWM方法下单相桥式逆变电路仿真，fc=2200HZ,fr=50HZ,m=0.4。

图（5-4）

5.5单极性PWM方法下单相桥式逆变电路仿真，fc=200HZ,f=50HZ,m=0.7

图(5-5)
5.6 FFT谐波分析
1）对电压进行FFT分析，得以下分析结果：

图（5-6）：单极性控制方法下输出电压FFT分析

由FFT分析可知：在m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz，即N=15时，输出电压基波电压幅值为U1m=150.9V，基础满足理论上U1m=m*Ud(即300*0.5=150)。谐波分布中最高为29次和31次谐波，分别为基波71.75%和72.36%，考虑最高频率为4500Hz时THD达成106.50%。
2）对电流进行FFT分析，得以下分析结果：

图（5-7）：单极性控制方法下输出电流FFT分析
由FFT分析可知：在m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz，即N=15时，输出电流基波幅值为128.2A，考虑最高频率为4500Hz时THD=13.77%，输出电流近似为正弦波。
改变调制比m和载波比N，如增大m和N，能够有效减小输出电压和输出电流谐波分量。

总结

经过对电力电子技术计算机仿真，首先让我初步掌握Matlab基础应用，包含数据结构，数值运算，程序设计和绘图等。第二熟悉了Simulink系统仿真环境，包含Simulink工作环境，基础操作，仿真模型，仿真模型子系统，关键模块库等。第三初步掌握Simpowersystems模型库及其应用。第四能够使用Simpowersystems模型库惊醒电力电子电路仿真分析。第五能够使用Matlab完成单极性PWM逆变电路计算机仿真。对于PWM控制方法单相桥式逆变电路，即能够选择单极性PWM控制方法，也能够选择双极性PWM控制方法。单极性PWM信号发生电路比双极性复杂部分，但和双极性PWM控制方法相比，单极性PWM在线性调制情况下谐波性能显著优于双极性调制。经过合适参数设置，利用PWM控制技术能够很好实现逆变电路运行要求。

参考文件

1. 王兆安,黄俊 .电力电子技术。北京：机械工业出版社，。
2. 王贵兴,陈伟等。现代电力电子技术。北京：机械工业出版社，。
3. 李传琦。电力电子技术计算机仿真试验。北京：机械工业出版社，.
4. 赵良炳。现代电力电子技术基础。北京：北京大学出版社，1995.

体会

电力电子技术综合了电子电路，电机拖动，计算机控制等多学科知识，是一门实践性和应用形很强课程。因为电力电子器件本身开关非线性，给电力电子电路分析带来了一定复杂性和困难，通常常见波形分析方法来研究。仿真技术为电力电子电路分析提供了暂新方法。经过对单极性PWM电路仿真，使我对PWM原理及波形有了深入了解，更对这门课了解有了新了解，同时对我们创新能力有所提升，加强了我们动手能力，在以后学习工作中会受益匪浅。和此同时，也培养了我们团体精神，合作精神，有利于我们以后能够愈加快适应工作，适应社会。我相信经过这次电力电子技术综合训练会给我在以后学习中更大帮助。最终感谢在这次综合训练中给我帮助老师和同学。