电力电子系统仿真 结课作业

电力电子系统仿真

结课作业

题

目：单相电压型SPWM逆变电路仿真 院 系： 电气工程学院 班 级： 电气F1306 学 号： 201323010323 学生姓名： 王 宇

2016年4月18

目录

第一章 绪论 .............................................. 2 第二章 单相电压型SPWM逆变电路 .......................... 3

2.1 单相电压型SPWM逆变电路的基本结构图 .......................... 3 2.2 单相电压型SPWM逆变电路的工作原理 ............................ 3 2.2.1 逆变器SPWM调制原理 ...................................... 3 2.2.2 SPWM控制方式............................................. 5 2.3 单相逆变器SPWM调制电路的SIMULINK模型.......................... 7 2.3.1 单极性SPWM仿真的模型 ..................................... 7 (1)单极性SPWM仿真的主电路: ..................................... 7 2.3.2双极性SPWM仿真的模型图.................................... 8 2.4 模型参数的设定模型仿真图及其分析 ............................. 9 2.4.1 单极性SPWM仿真 ........................................... 9 2.4.2 双极性SPWM仿真 .......................................... 11 （1）频率为50Hz,载波比为15,调制深度为0.5仿真: ................ 11

第四章 总结 ............................................ 13

第五章 参考文献 ........................................ 14

第一章 绪论

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。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（Power System Blockser）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。

MATLAB环境（又称MATLAB语言）是由美国New Mexico 大学的Cleve Moler 于1980年开始研究开发的，1984年由Cleve Moler 等人创立的Math Works 公司推出的第一个商业版本。经过几十年MATLAB的发展，竞争和完善，现已成为国际公认最优秀的科技应用软件。MATLAB语言的两个最著名特点，即其强大的矩阵运算能力和完善的图形可视化功能，使得它成为国际控制界应用最广的首选计算机工具。MATLAB具有对应学科极强的适应能力，很快成为应用学科计算机辅助分析，设计，仿真，教学甚至科技文字处理不可缺少的基础软件。

在建成模型结构后，就可以启动系统仿真功能来分析系统的动态特性。电力电子电路实验系统的仿真，具有以下特点：（1）仿真研究方法简单、灵活、多样。该仿真实验在仿真时还可以任意参数调整，体现了仿真研究和数学的方便性和灵活性（2）仿真结果直观。通过仿真研究可以得到有关系统设计的大量、充分而且直观的曲线与数据，方便对系统进行分析、改进。

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第二章 单相电压型SPWM逆变电路

2.1 单相电压型SPWM逆变电路的基本结构图

单相桥式逆变器有四个带反并联续流二极管的IGBT组成，分别为VT1~VT4，直流侧由两个串联电容，他们共同提供直流电压Ud，负载为阻感负载，调制电路分别由单相交流正弦调制波形和三角载波组成，其中三角载波和正弦调制波的幅值和频率之比分别被称为调制度和载波频率，这是SPWM调制中的两个重要参数。三角载波和正弦调制波相互调制产生四路脉冲信号分别给六个IGBT提供触发信号。

图1 单相桥式SPWM型逆变电路

2.2 单相电压型SPWM逆变电路的工作原理

2.2.1 逆变器SPWM调制原理

PWM控制技术在逆变电路中的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM技术。常用的PWM技术主要包括：正弦脉宽调制(SPWM)、选择谐波调制（SHEPWM）、电流滞环调制（CHPWM）和电压空间矢量调制（SVPWM）。

PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。PWM控制技术的重要理论基础是面积等效原理，即：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。图1中各个形状的窄脉冲在作用到逆变器中电力电子器件时，其效果是相同的，正是基于这个理论。

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a)矩形脉冲 b)三角脉冲 c)正弦半波脉冲 d)单位脉冲函

图2 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

图2分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。把正弦半波分成N等分，就可以把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。如果把这些脉冲序列用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就可得到图2所示的脉冲序列，这就是PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM波。SPWM调制技术才孕育而生。

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上图所示的波形称为单极性SPWM波形，根据面积等效原理，正弦波还可等效为图3中所示的PWM波，这种波形称为双极性SPWM波形，而且这种方式在实际应用中更为广泛。

d 图3 单极性SPWM控制方式波形

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2.2.2 SPWM控制方式

(a)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 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. (b)单极性SPWM法:

(1)调制波和载波：SPWM采用的调制波为频率为fs的正弦波

载波uc是幅值为Ucm,频率为fc的三角波.调制波每半个周期对载波进行一次极性反转,载波为单极性不对称三角波.如图4所示为批p=15时的单相全桥单极性SPWM基本波形.

图4 单极性SPWM示意图

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(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。

其中：载波比——载波频率 fc与调制信号频率 fs之比p，即 p = fc / fs； 调制深度――调制波幅值Usm与载波幅值Ucm之比，即m＝Usm/Ucm. (c)双极性SPWM法

(1)调制波和载波：SPWM采用的调制波为频率为fs的正弦波

载波uc是幅值为Ucm,频率为fc的三角波.如图5 所示为批p=15时的单相全桥双极性SPWM基本波形.

图5 双极性PWM示意图

(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。

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其中：载波比——载波频率 fc与调制信号频率 fs之比p，即 p = fc / fs； 调制深度――调制波幅值Usm与载波幅值Ucm之比，即m＝Usm/Ucm。

2.3 单相逆变器SPWM调制电路的Simulink模型 2.3.1 单极性SPWM仿真的模型

(1)单极性SPWM仿真的主电路:

图6 单极性SPWM仿真的主电路

(2)单极性SPWM仿真的触发脉冲电路:

全桥电路两个桥臂之一,例如S1和S4组成方向臂,当调制信号us>0时,S1导通而S4关断,输出的平均电压大于零,当调制信号us<0时,S4导通而S1关断,输出的平均电压小于零.另一个桥臂为斩波臂,采用载波频率的互补控制信号,当us>uc时,S3导通而S2关断,当us

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图7 单极性SPWM仿真的触发脉冲电路

2.3.2双极性SPWM仿真的模型图

(1)双极性SPWM仿真主电路:

图8 双极性SPWM仿真主电路

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(2)双极性SPWM仿真的触发脉冲电路:

采用us与uc相比较的方法生成PWM信号:当us>uc时,功率开关S1,S3导通,逆变电路输出电压uo=ud;当us

图9 双极性SPWM仿真的触发脉冲电路

2.4 模型参数的设定模型仿真图及其分析 2.4.1 单极性SPWM仿真

（1）频率为50Hz,载波比为15,调制深度为0.5仿真:

调制深度m设为0.5，输出基波频率设为50Hz，载波频率设为基频的15倍，即750Hz。将仿真时间设为0.06秒，在powergui中设置为离散仿真模式，采样时间为0.00001秒，运行后可得仿真结果，输出交流电压、交流电流和直流电流波形如图10所示。

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图10 SPWM方式下的单极性逆变电路输出波形

输出电压为双极性PWM型电压，脉冲宽度符合正弦变化规律。交流电流较方波逆变器更接近正弦波形。直流含直流分量外，还有两倍基频的交流分量以及与开关频率有关的更高次谐波分量。但负载电流以开关频率向直流电源回馈的情况较双极性调制时大大减少，因此直流电源的开关次谐波大大小于双极性情况。 （2）频率为50Hz,载波比为15,调制深度为1仿真:

调制深度m设为1，输出基波频率设为50Hz，载波频率设为基频的15倍， 即750Hz。将仿真时间设为0.06秒，在powergui中设置为离散仿真模式，采样时间为0.00001秒，运行后可得仿真结果，输出交流电压、交流电流和直流电流波形如图11所示。

图11 SPWM方式下的单极性逆变电路输出波形

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由上面变载波比，变调制深度可以有下述结论:

输出电压基波幅值与调制深度成正比。当载波比一定，变化调制深度时，当载波频率远大于输出电压基波频率即fc>>fs，且调制深度0＜m≤1时，基波电压幅值与直流侧电压满足一下关系：u1?m*ud。仿真电路中，m=0.5时，输出电压基波约为150v，m=1时，输出电压基波约为300v，它表明SPWM逆变输出电压的基波幅值与调制深度成线性变化。因此通过调节控制信号，可以方便的调节逆变器的输出电压的频率和幅值。

2.4.2 双极性SPWM仿真

（1）频率为50Hz,载波比为15,调制深度为0.5仿真:

调制深度m设为0.5，输出基波频率设为50Hz，载波频率设为基频的15倍，即750Hz。将仿真时间设为0.06是，在powergui中设置为离散仿真模式，采样时间为0.00001秒，运行后可得仿真结果，输出交流电压、交流电流和直流电流波形如图12所示。

图12 双极性SPWM单向逆变器m=0.5时的仿真波形图

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输出电压为双极性PWM型电压，脉冲宽度符合正弦变化规律。交流电流较方波逆变器更接近正弦波形。直流电流除含直流分量外，还还有两倍基频的交流分量以及与开关频率有关的更高次谐波分量。其中的直流部分是向负载提供有功功率，其余部分使得直流电源周期性吞吐能量，为无功电流。

（2）频率为50Hz,载波比为15,调制深度为1仿真:

将调制深度设为1，则仿真波形如图13所示。交流电压的中心部分明显加宽。如前所述，PWM逆变器的谐波特性与载波频率有着密切关系。若将载波频率提高到1500Hz,则仿真波形如图示。若进一步提高载波频率，则负载电流更加接近正弦波性。

图13 SPWM方式下的双性逆变电路输出波形

由上面变载波比，变调制深度可以有下述结论：

输出电压基波幅值与调制深度成正比。当载波比一定，变化调制深度时，当载波频率远大于输出电压基波频率即fc>>fs，且调制深度0

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第四章 总结

通过本次毕业设计，我可以更加熟练使用Matlab软件中的Simulink和SimPowerSystem模块库，熟悉掌握了基本电力电子电路的仿真方法，掌握了对电力电子器件各种参数的设定，同时也学会了运用理论知识对实验现象、结果进行分析和处理，增强了我对仿真的学习兴趣。此外，通过扎实的学习和深入细致做课题，我的自身能力有了很大的提高，并且对问题的观察比以前更加敏锐了，考虑问题也更加全面了。它加深了我对论文设计所涉及东西的了解，提高了自我学习能力和获取新知识的能力，更考验了我的实际综合能力。因此，我觉得此次论文设计对我以后会有很大帮助，大大提高了我的适应能力，使自己在以后的工作学习中表现得更加出色。

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第五章 参考文献

[1]《电力电子技术与MATLAB仿真》.周渊深.中国电力出版社,2005年12月 [2]《电力电子技术的MATLAB实践》.黄忠霖等.国防工业出版社，2008年12月 [3]《电力电子变流技术》．王兆安/黄俊编著．机械工业出版社，2005年09月 [4]《电力电子学—电力电子变换和控制技术（第二版）》．陈坚编著.高等教育出版社．2007年05月

[5]《电力电子技术计算机仿真实验》.李传琦主编.电子工业出版社.2006年6月

[6] 《基于MATLAB/SIMULINK的系统仿真技术与应用》.薛定宇/陈阳泉著.清华大学出版社.2002年4月

[7] 《电力电子应用的技术MATLAB仿真》.林飞/杜飞编著．中国电力出版社，2009年01月

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