基于pwm逆變器的設(shè)計(jì)與仿真(電力電子仿真)

1、<p><b>　　電力電子仿真</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目：基于PWM逆變器的設(shè)計(jì)與仿真</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電力電子技術(shù)的各種裝置在國民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。從電能轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)，電力電子的裝置涵蓋交流——直流變換、直流——交

2、流變換、直流——直流變換、交流——交流變換。比如在可控電路直流電動(dòng)機(jī)控制，可變直流電源等方面都得到了廣泛的應(yīng)用,而這些都是以逆變電路為核心。由于電力電子技術(shù)中有關(guān)電能的變換與控制過程，內(nèi)容大多涉及電力電子各種裝置的分析與大量的計(jì)算、電能變幻的波形分析、測(cè)量與繪制等，這些工作特別適合Matlab的使用。本次設(shè)計(jì)的題目是基于PWM逆變器的設(shè)計(jì)與仿真，所以在此次仿真就用的是Matlab軟件，建立了基于Matlab的單相橋式SPWM逆變電路,采

3、用IGBT作為開關(guān)器件，并對(duì)單相橋式電壓型逆變電路和PWM控制電路的工作原理進(jìn)行了分析，運(yùn)用MATLAB中的simulink/simupowersystems對(duì)電路進(jìn)行了仿真，給出了仿真波形，并運(yùn)用MATLAB提供的powergui模塊,分別用單極性SPWM和雙極性SPWM的動(dòng)態(tài)模型給出了仿真的實(shí)例與仿真結(jié)果，驗(yàn)證了模型的正確性，并展現(xiàn)了Matlab仿真具有的快捷，靈活，方便，直觀的以及Matlab繪制的圖</p><

4、;p>　　關(guān)鍵字：PWM逆變器 單極性SPWM 雙極性SPWM MATLAB仿真</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　緒論………………………………………………………………………1</p><p>　　第1章

5、 MATLAB軟件…………………………………………………3</p><p>　　1.1軟件的介紹………………………………………………………3</p><p>　　1.2 電力電子電路的Matlab仿真…………………………………4</p><p>　　1.2.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)………………………………………5</p><p>　　1.2.2電力

6、電子電路Simulink仿真d特點(diǎn)…………………5</p><p>　　逆變主電路的方案論證與選擇…………………………6</p><p>　　PWM逆變器的工作原理……………………………………9</p><p>　　3.1 PWM控制理論基礎(chǔ)……………………………………………9</p><p>　　3.1.1面積等效原理……………………………

7、………………9</p><p>　　3.2 PWM逆變電路及其控制方法………………………………11</p><p>　　3.2.1計(jì)算法……………………………………………………11</p><p>　　3.2.2調(diào)制法……………………………………………………11</p><p>　　3.2.3 SPWM控制方式……………………………………

8、……15</p><p>　　第4章 單相橋式PWM逆變器的仿真………………………………18</p><p>　　4.1單相橋式PWM逆變器調(diào)制電路的Simulink模型……………18</p><p>　　4.1.1單極性SPWM仿真模型圖………………………………18</p><p>　　4.1.2 雙極性SPWM仿真模型圖………………

9、……………19</p><p>　　4.2 仿真參數(shù)的設(shè)定及仿真圖的分析…………………………19</p><p>　　4.2.1 單極性SPWM的仿真及分析…………………………19</p><p>　　4.2.2 雙極性SPWM仿真及分析……………………………………26</p><p>　　總結(jié)………………………………………………………

10、……………32</p><p>　　參考文獻(xiàn)………………………………………………………………33</p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的電力電子技術(shù)，使電能可以交換和控制，生產(chǎn)了現(xiàn)在各種高效節(jié)能的新型電源和交直流調(diào)速裝置，為工業(yè)生產(chǎn)，交通運(yùn)輸?shù)忍峁┝爽F(xiàn)代化的高新技術(shù)，提高了生產(chǎn)效率和人們的生活質(zhì)

11、量，使人類社會(huì)生活發(fā)生了巨大的變化。但是在電力電子技術(shù)中有關(guān)電能的變換與控制過程，內(nèi)容大多涉及電力電子技術(shù)各種裝置的分析與大量計(jì)算，電能變換的波形分析，測(cè)量與繪圖等，隨著晶閘管所處狀態(tài)的不同，系統(tǒng)的參數(shù)形式也不同，因而傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)語言編程仿真程序冗長，可讀性差，調(diào)試費(fèi)時(shí)，大量的時(shí)間花在矩陣處理和圖形的生成分析等繁瑣易錯(cuò)的細(xì)節(jié)上，而這些工作特別適合MATLAB的使用。MATLAB運(yùn)算功能強(qiáng)大，計(jì)算準(zhǔn)確又快捷；同時(shí)MATLAB提供的動(dòng)態(tài)仿真

12、工具SIMULINK可直接建立電路仿真參數(shù)，并且可以立即得到參數(shù)修改后的仿真結(jié)果，直觀性強(qiáng)，省去了編程步驟，實(shí)體圖形化模型的仿真簡(jiǎn)單，方便，能節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間與降低成本。MATLAB繪制的圖形尤其準(zhǔn)確，清晰，精美。電力電子技術(shù)領(lǐng)域通常利用MATLAB中的SIMULINK其中的電氣系統(tǒng)模塊庫（Power System Blockser）建立電力電子裝置的簡(jiǎn)化模型并進(jìn)行控制器的設(shè)</p><p>　　現(xiàn)如今，逆變器的應(yīng)用

13、非常廣泛，在已有的各種電源中，蓄電池，、干電池、天陽能電池都是直流電源，當(dāng)需要這些電源向交流負(fù)載供電時(shí)，就需要逆變。另外，交流電機(jī)調(diào)速變頻，感應(yīng)加熱電源等使用廣泛的電力電子設(shè)備，都是以逆變電路為核心。本次設(shè)計(jì)利用MATLAB仿真軟件對(duì)單相橋式逆變雙極性SPWM和單極性SPWM電路進(jìn)行仿真分析，并得出正確的仿真結(jié)果，而且改變了參數(shù)從而進(jìn)行比較，更能清晰的了解PWM逆變器的工作原理及影響其工作特性的因素，從而達(dá)到學(xué)習(xí)的目的。</p&g

14、t;<p>　　第1章 MATLAB軟件</p><p><b>　　1.1 軟件的介紹</b></p><p>　　MATLAB環(huán)境（又稱MATLAB語言）是由美國New Mexico 大學(xué)的Cleve Moler 于1980年開始研究開發(fā)的，1984年由Cleve Moler 等人創(chuàng)立的Math Works 公司推出的第一個(gè)商業(yè)版本。經(jīng)過幾十

15、年ATLAB的發(fā)展，競(jìng)爭(zhēng)和完善，現(xiàn)已成為國際公認(rèn)最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件。ATLAB語言的兩個(gè)最著名特點(diǎn)，即其強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力和完善的圖形可視化功能，使得它成為國際控制界應(yīng)用最廣的首選計(jì)算機(jī)工具。在控制界，很多知名學(xué)者都能為其擅長的領(lǐng)域?qū)懗隽斯ぞ呦?，而其中很多工具箱已成為該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。MATLAB具有對(duì)應(yīng)學(xué)科極強(qiáng)的適應(yīng)能力，很快成為應(yīng)用學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助分析，設(shè)計(jì)，仿真，教學(xué)甚至科技文字處理不可缺少的基礎(chǔ)軟件。</p><

16、p>　　MATLAB命令和矩陣函數(shù)是分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)經(jīng)常采用的。MATLAB具有很多預(yù)定含義的函數(shù)，供用戶在求解許多不同類型的控制問題時(shí)調(diào)用。SIMULINK是MATLAB提供的一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模，仿真和分析的軟件包。Simulink界面友好，他為用戶提供了用方框圖進(jìn)行建模的圖形接口，用戶建模通過簡(jiǎn)單的單擊和拖運(yùn)就能實(shí)現(xiàn)，使得建模就像用紙和筆來畫面一樣容易。他與傳統(tǒng)的仿真軟件包相比，具有更直觀，方便，靈活的優(yōu)點(diǎn)。SIM

17、ULINK允許用戶定制和創(chuàng)建自己的模塊。</p><p>　　Matlab命令和矩陣函數(shù)是分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)經(jīng)常采用的。Simulink是Matlab提供的一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模，仿真和分析的軟件包。Simulink模塊庫內(nèi)資源相當(dāng)豐富，基本模塊庫包括連續(xù)系統(tǒng)，離散系統(tǒng)非線性系統(tǒng)，信號(hào)與函數(shù)，輸入模塊，接收模塊等等，使用方便。由基本模塊又形成了其他的一些專業(yè)庫，使仿真起來簡(jiǎn)單快捷，尤其是其中的電氣系統(tǒng)模塊庫

18、（Power System Blockser）和SimPowerSystems模塊，可以使電力電子技術(shù)的仿真變得更加容易。</p><p>　　在建成模型結(jié)構(gòu)后，就可以啟動(dòng)系統(tǒng)仿真功能來分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。啟動(dòng)仿真后，SIMULINK通過鼠標(biāo)操作就可以實(shí)現(xiàn)在線修改參數(shù)，改變仿真算法，暫停/繼續(xù)或停止仿真，不需要其他的復(fù)雜操作。</p><p>　　Matlab的SimPowerSystem

19、s模塊實(shí)體圖形化模型系統(tǒng)，把代表晶閘管，觸發(fā)器，電阻，電容，電源，電壓表，電流表等實(shí)物的特有圖形符號(hào)，連成一個(gè)蒸餾裝置電路，一個(gè)逆變裝置或者是一個(gè)系統(tǒng)，它不是一個(gè)真實(shí)的物體，而是世紀(jì)物體的圖形化模型。這種實(shí)體模型的仿真具有簡(jiǎn)單方便節(jié)省設(shè)計(jì)制作時(shí)間和低成本等特點(diǎn)。再者，Matlab界面友好，是的從事自動(dòng)控制的科技工作者樂于接觸它，愿意使用它。最后，逆變技術(shù)討論的電能轉(zhuǎn)換與控制，需要對(duì)各種電壓與電流波形進(jìn)行測(cè)量，繪制與分析，Matlab提供

20、的功能強(qiáng)大且使用方便的圖形函數(shù)，特別適合完成此項(xiàng)任務(wù)。坐標(biāo)體系完整，線形類型豐富，色彩絢麗多彩，Matlab繪制的圖形尤其準(zhǔn)確，清晰，精美，可以用來對(duì)電路的工作原理進(jìn)行討論和分析。</p><p>　　1.2 電力電子電路的Matlab仿真</p><p>　　實(shí)驗(yàn)軟件中提供了典型電力電子電路（如整流電路、觸發(fā)電路、</p><p>　　有源逆變電路、交流變換電路、

21、直流斬波電路等）的數(shù)學(xué)模型，可供實(shí)驗(yàn)使用，同時(shí)也可以自己設(shè)計(jì)模型完成不同功能的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。</p><p>　　1.2.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)</p><p>　　電力電子電路的Simulink仿真流程如下：</p><p>　　數(shù)學(xué)建模階段——模型轉(zhuǎn)換階段——運(yùn)行仿真階段——分析仿真結(jié)果</p><p>　　數(shù)學(xué)建模階段：將實(shí)際對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性用微

22、分方程、傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程或結(jié)構(gòu)圖等方式描述出來。</p><p>　　模型轉(zhuǎn)換階段：在Matlab環(huán)境下選擇仿真算法將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化成能被計(jì)算機(jī)接受的離散化模型，即仿真模型。建立模型后，設(shè)定每個(gè)模塊參數(shù)。</p><p>　　運(yùn)行仿真階段：在Simulink環(huán)境下設(shè)置仿真參數(shù)，包括仿真時(shí)間，仿真步長，誤差值等，采取快速仿真算法，既能達(dá)到實(shí)時(shí)仿真的目的，又能滿足一定的精度要求。</p&

23、gt;<p>　　分析仿真結(jié)果：使用Scopes可以觀察仿真結(jié)果。并且能在仿真運(yùn)行過程中隨時(shí)改變參數(shù)，觀察變化情況。</p><p>　　1.2.2電力電子電路Simulink仿真的特點(diǎn)</p><p>　　電力電子電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的Simulink仿真，具有以下特點(diǎn)：</p><p>　　（1）仿真研究方法簡(jiǎn)單、靈活、多樣。該仿真實(shí)驗(yàn)在仿真時(shí)還可以任意參

24、數(shù)調(diào)整，體現(xiàn)了仿真研究和數(shù)學(xué)的方便性和靈活性</p><p>　?。?）仿真結(jié)果直觀。通過仿真研究可以得到有關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大量、充分而且直觀的曲線與數(shù)據(jù)，方便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析、改進(jìn)。</p><p>　　第2章 逆變主電路的方案論證與選擇</p><p>　　方案一：半橋式逆變電路。在驅(qū)動(dòng)電壓的輪流開關(guān)作用下,半橋電路兩只晶體管交替導(dǎo)通和截止。半橋電路輸入電壓只有

25、一半加在變壓器一次側(cè)，這導(dǎo)致電流峰值增加，因此半橋電路只在較低輸出功率場(chǎng)合下使用，同時(shí)它具有抗不平衡能力，從而得到廣泛應(yīng)用。半橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖如圖所示。</p><p><b>　　半橋式逆變電路</b></p><p>　　方案二：?jiǎn)蜗鄻蚴侥孀冸娐?。單相橋式逆變器有四個(gè)帶反并聯(lián)續(xù)流二極管的IGBT組成，分別為VT1~VT4，直流側(cè)由兩個(gè)串聯(lián)電容，他們共同提供直流電

26、壓Ud，負(fù)載為阻感負(fù)載，調(diào)制電路分別由單相交流正弦調(diào)制波形和三角載波組成，其中三角載波和正弦調(diào)制波的幅值和頻率之比分別被稱為調(diào)制度和載波頻率，這是SPWM調(diào)制中的兩個(gè)重要參數(shù)。三角載波和正弦調(diào)制波相互調(diào)制產(chǎn)生四路脈沖信號(hào)分別給六個(gè)IGBT提供觸發(fā)信號(hào)。</p><p><b>　　單相橋式逆變電路</b></p><p>　　方案三：三相橋式PWM逆變電路。當(dāng)時(shí)，給V

27、1導(dǎo)通信號(hào)，給V4關(guān)斷信號(hào)，；當(dāng)時(shí)，給V4導(dǎo)通信號(hào)，給V1關(guān)斷信號(hào)，。 當(dāng)給V1(V4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是VD1 ( VD4 )導(dǎo)通。、和的PWM波形只有兩種電平。波形可由、得出，當(dāng)1和6通時(shí)，=，當(dāng)3和4通時(shí)，=，當(dāng)1和3或4和6通時(shí)，=0。、的波形可同理得出。</p><p><b>　　三相橋式逆變電路</b></p><p>　　方

28、案四：推挽式逆變電路。推挽電路的工作是由兩路相位相反的驅(qū)動(dòng)脈沖分別加到逆變開關(guān)管Q1、Q2的基極，控制它們交替斷通，使輸入直流電壓變換成高頻的方波交流電壓從變壓器輸出。</p><p><b>　　推挽式逆變電路</b></p><p>　　方案選擇：橋式電路和推挽電路的電壓利用率是一樣的，均比半橋電路大一倍。再基于橋式結(jié)構(gòu)的控制方式比較靈活，我選用橋式電路，對(duì)于單相

29、橋式電路和三相橋式電路，我選擇單相橋式電路來實(shí)現(xiàn)PWM逆變器的實(shí)現(xiàn)，所以選用方案二。</p><p>　　第3章 PWM逆變器的工作原理</p><p><b>　　3.1理論基礎(chǔ)</b></p><p>　　沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同

30、。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。</p><p>　　3-1-1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖</p><p>　　3.1.1面積等效原理</p><p>　　分別將如圖3-1-1所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)（R-L電路）上，如圖3-1-2a所示。其輸出電流i(t)對(duì)不同窄脈沖時(shí)的響應(yīng)波形如圖3-1-2b所示。從波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)

31、的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)響應(yīng)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅里葉級(jí)數(shù)分解后將可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波，正弦半波N等分，看成N個(gè)相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。</p><

32、p>　　上述原理可以稱為面積等效原理，它是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。</p><p>　　下面分析用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波。圖3-1-3可以看到把半波分成N等份，就可以把正弦半波看成N個(gè)彼此相連的脈沖序列組成的波形，然后把脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使它們面積相等，就可以得到脈沖序列。根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。</p><

33、p>　　3-1-2沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形</p><p>　　3-1-3 用PWM波代替正弦半波</p><p>　　要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。</p><p>　　3.2 PWM逆變電路及其控制方法</p><p>　　目前中小功率的逆變電路幾乎都采用PWM技術(shù)。逆變電路是PWM控制技術(shù)最為重

34、要的應(yīng)用場(chǎng)合。PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實(shí)用的幾乎都是電壓型。</p><p><b>　　3.2.1計(jì)算法</b></p><p>　　根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形。</p><p>　　缺點(diǎn)：繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相

35、位變化時(shí)，結(jié)果都要變化</p><p><b>　　3.2.2調(diào)制法</b></p><p>　　輸出波形作調(diào)制信號(hào)，進(jìn)行調(diào)制得到期望的PWM波；通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波；等腰三角波應(yīng)用最多，其任一點(diǎn)水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱；與任一平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交，在交點(diǎn)控制器件通斷，就得寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖，符合PWM的要求。</p>

36、<p>　　調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，得到的就是SPWM波；調(diào)制信號(hào)不是正弦波，而是其他所需波形時(shí)，也能得到等效的PWM波。</p><p>　　結(jié)合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對(duì)調(diào)制法進(jìn)行說明：設(shè)負(fù)載為阻感負(fù)載，工作時(shí)V1和V2通斷互補(bǔ)，V3和V4通斷也互補(bǔ)。控制規(guī)律：正半周，通，斷，和交替通斷，負(fù)載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段為正，一段為負(fù)，負(fù)載電流為正區(qū)間，和導(dǎo)通時(shí)，等于，關(guān)斷時(shí)，負(fù)載

37、電流通過和續(xù)流，=0，負(fù)載電流為負(fù)區(qū)間，為負(fù)，實(shí)際上從和流過，仍有=，斷，通后，從和續(xù)流，=0，總可得到和零兩種電平。負(fù)半周，讓保持通，保持?jǐn)?，和交替通斷，可?和零兩種電平。</p><p>　　3-2-1 單相橋式逆變電路</p><p>　　單極性PWM控制方式（單相橋逆變）：在和的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷，正半周，保持通，保持?jǐn)?，?dāng)>時(shí)使通，斷，=，當(dāng)<時(shí)使斷

38、，通，=0。負(fù)半周，保持?jǐn)?，保持通，?dāng)<時(shí)使通，斷，=-，當(dāng)>時(shí)使斷，通，=0，虛線表示的基波分量。波形見圖3-2-2。</p><p>　　圖3-2-2 單極性PWM控制方式波形</p><p>　　同一相上下兩臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，為防止上下臂直通造成短路，留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號(hào)的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的長短主要由器件關(guān)斷時(shí)間決定。死區(qū)時(shí)間會(huì)給輸出PWM波帶來影響，使其稍稍偏

39、離正弦波。</p><p>　　計(jì)算法中一種較有代表性的方法，圖3-2-3。輸出電壓半周期內(nèi)，器件通、斷各3次（不包括0和π），共6個(gè)開關(guān)時(shí)刻可控。為減少諧波并簡(jiǎn)化控制，要盡量使波形對(duì)稱。首先，為消除偶次諧波，使波形正負(fù)兩半周期鏡對(duì)稱，即：</p><p><b>　　(3.2.1)</b></p><p>　　其次，為消除諧波中余弦項(xiàng)，使波形

40、在半周期內(nèi)前后1/4周期以π/2為軸線對(duì)稱。</p><p><b>　　(3.2.2)</b></p><p>　　四分之一周期對(duì)稱波形，用傅里葉級(jí)數(shù)表示為：</p><p><b>　　(3.2.3)</b></p><p>　　圖3-2-3 特定諧波消去法的輸出PWM波形</p&g

41、t;<p><b>　　式中，an為 </b></p><p>　　圖3-2-3，能獨(dú)立控制、和共3個(gè)時(shí)刻。該波形的為</p><p>　　式中n=1,3,5,… (3.2.4)</p><p>　　確定的值，再令兩個(gè)不同的=0就可建三個(gè)方程，求得、和消去兩種特定頻率的諧

42、波：</p><p>　　在三相對(duì)稱電路的線電壓中，相電壓所含的3次諧波相互抵消，可考慮消去5次和7次諧波，得如下聯(lián)立方程：</p><p>　?。?-5） （2-6） </p><p><b>　　（2-7）</b></p><p>　　給定，解方程可得、和。變，、和

43、也相應(yīng)改變。</p><p>　　一般，在輸出電壓半周期內(nèi)器件通、斷各k次，考慮PWM波四分之一周期對(duì)稱，k個(gè)開關(guān)時(shí)刻可控，除用一個(gè)控制基波幅值，可消去k－1個(gè)頻率的特定諧波，k越大，開關(guān)時(shí)刻的計(jì)算越復(fù)雜。</p><p>　　3.2.3 SPWM控制方式</p><p>　　一．SPWM包括單極性和雙極性兩種調(diào)制方法，</p><p>　

44、?。?）如果在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)，三角載波只在正或負(fù)的一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的SPWM波也只處于一個(gè)極性的范圍內(nèi)，叫做單極性控制方式。</p><p>　?。?）如果在正弦調(diào)制波半個(gè)周期內(nèi)，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負(fù)之間變化，叫做雙極性控制方式。</p><p>　　(a)單極性SPWM法 </p><p>　　(1)調(diào)制波和載波

45、：曲線②是正弦調(diào)制波，其周期決定于需要的調(diào)頻比kf，振幅值決定于ku,曲線①是采用等腰三角波的載波，其周期決定于載波頻率，振幅不變，等于ku=1時(shí)正弦調(diào)制波的振幅值，每半周期內(nèi)所有三角波的極性均相同(即單極性)。 </p><p>　　調(diào)制波和載波的交點(diǎn)，決定了SPWM脈沖系列的寬度和脈沖音的間隔寬度，每半周期內(nèi)的脈沖系列也是單極性的。 </p><p>　　單極性調(diào)制的工作特點(diǎn)：每半個(gè)周

46、期內(nèi)，逆變橋同一橋臂的兩個(gè)逆變器件中，只有一個(gè)器件按脈沖系列的規(guī)律時(shí)通時(shí)通時(shí)斷地工作，另一個(gè)完全截止；而在另半個(gè)周期內(nèi)，兩個(gè)器件的工況正好相反，流經(jīng)負(fù)載ZL的便是正、負(fù)交替的交變電流。</p><p>　　單極性PWM控制方式</p><p>　　(b)雙極性SPWM法 </p><p>　　(1)調(diào)制波和載波： </p><p>　　調(diào)制波

47、仍為正弦波，其周期決定于kf，振幅決定于ku,中曲線①，載波為雙極性的等腰三角波，其周期決定于載波頻率，振幅不變，與ku=1時(shí)正弦波的振幅值相等。 </p><p>　　調(diào)制波與載波的交點(diǎn)決定了逆變橋輸出相電壓的脈沖系列，此脈沖系列也是雙極性的，但是，由相電壓合成為線電壓(uab=ua-ub;ubc=ub-uc;uca=uc-ua)時(shí)，所得到的線電壓脈沖系列卻是單極性的。 </p><p>

48、;　　(2)雙極性調(diào)制的工作特點(diǎn)：逆變橋在工作時(shí)，同一橋臂的兩個(gè)逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規(guī)律交替地導(dǎo)通和關(guān)斷，毫不停息，而流過負(fù)載ZL的是按線電壓規(guī)律變化的交變電流。 </p><p>　　雙極性PWM控制方式</p><p>　　第四章 單相橋式PWM逆變器的仿真</p><p>　　4.1單相橋式PWM逆變器調(diào)制電路的Simulink模型</p&

49、gt;<p>　　4.1.1單極性SPWM仿真模型圖</p><p>　　設(shè)計(jì)中不采用IGBT元件模型，而是采用“Universal Bridge”模塊，在對(duì)話框中選擇橋臂數(shù)為2，即可構(gòu)成單相全橋電路，開關(guān)器件選反并聯(lián)二極管的IGBT；阻感負(fù)載.直流電壓模塊設(shè)置為E=220其模塊設(shè)置如下圖所示</p><p>　　4-1-1 單極性SPWM仿真主電路</p>

50、;<p>　　通用橋?yàn)镾imulink中的Universal bridge模塊。參數(shù)設(shè)置：其中Number of bridge arms（橋臂個(gè)數(shù)）為2，Power Electronic device（電力電子器件）選用IGBT/Diodes（晶閘管），從而構(gòu)成了逆變器。</p><p>　　產(chǎn)生SPWM的脈沖信號(hào)發(fā)生器，使用的是Matlab中的Discrete PWM Generator模塊。該模

51、塊的作用即為為產(chǎn)生PWM而用以控制IGBTs等電橋的脈沖信號(hào)。在Generator mode選項(xiàng)中選擇2-arms bridge(4 pulse),即兩橋臂共需要4個(gè)脈沖信號(hào)用以控制開關(guān)管。Carrier frequency為載波頻率，該頻率的大小決定了一個(gè)周期內(nèi)SPWM脈沖的密度。Frequency of output voltage是輸出電壓的頻率，此處設(shè)置為國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的50Hz。另外用到powergui模塊，其設(shè)置為離散仿真模式，采

52、樣時(shí)間為2e-005.</p><p>　　4.1.2 雙極性SPWM仿真模型圖</p><p>　　4-1-2 雙極性SPWM仿真主電路</p><p>　　對(duì)于雙極性的電路來說設(shè)置基本與單極性的相同，只是雙極性的產(chǎn)生SPWM的脈沖信號(hào)發(fā)生器，使用的是Matlab中的Discrete PWM Generator模塊，此時(shí)在Generator mode選

53、項(xiàng)中選擇1-arms bridge(2pulse),即兩橋臂共需要2個(gè)脈沖信號(hào)用以控制開關(guān)管.</p><p>　　4.2 仿真參數(shù)的設(shè)定及仿真圖的分析</p><p>　　4.2.1 單極性SPWM的仿真及分析</p><p><b>　　一. 負(fù)載的變化</b></p><p>　　設(shè)定輸出電壓頻率50HZ，載波

54、頻率1080HZ，調(diào)制深度m=0.4</p><p>　　1. 當(dāng)電阻R=3，L=2e-2時(shí)的直流側(cè)電流、交流側(cè)電壓、交流側(cè)電流的波形（仿真時(shí)間T=0.05）</p><p>　　圖4-2-1 R=3，L=2e-2的波形</p><p>　　當(dāng)電阻R=5，L=2e-2時(shí)的直流側(cè)電流、交流側(cè)電壓、交流側(cè)電流的波形（仿真時(shí)間T=0.05）</p><

55、;p>　　圖4-2-2 R=5，L=2e-2時(shí)的波形</p><p>　　分析：從圖4-2-1和圖4-2-2可以看出,當(dāng)系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)電流波形不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生震蕩，當(dāng)電感相同的情況下，電阻較小時(shí)（R=3），電流波形震蕩的更厲害，震蕩完以后才趨于穩(wěn)定。</p><p>　　當(dāng)電阻R=10，L=2e-1時(shí)的直流側(cè)電流、交流側(cè)電壓、交流側(cè)電流的波形（仿真時(shí)間T=0.05）</p>

56、;<p>　　圖4-2-3 R=10，L=2e-1時(shí)的波形</p><p>　　當(dāng)電阻R=10，L=2e-3時(shí)的直流側(cè)電流、交流側(cè)電壓、交流側(cè)電流的波形（仿真時(shí)間T=0.05）</p><p>　　圖4-2-4 R=10，L=2e-3時(shí)的波形 </p><p>　　分析：從圖4-2-3和圖4-2-4可以看出,當(dāng)電阻一定時(shí)，減小

57、電感，會(huì)發(fā)現(xiàn)電流波形在正弦波的基礎(chǔ)上發(fā)生大幅度的震蕩，波形的峰值電壓增大，影響系統(tǒng)的特性，所以對(duì)于阻感性負(fù)載不能使電感過小。</p><p>　　通過仿真，比較分析，得出改變負(fù)載對(duì)輸出的影響的結(jié)論：</p><p>　?。?）負(fù)載有功功率越大，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的時(shí)間越快，較小的負(fù)載有 功率會(huì)在暫態(tài)時(shí)產(chǎn)生很大的波動(dòng)。</p><p>　?。?）負(fù)載的感性功率

58、會(huì)影響峰值電壓。</p><p>　　二.輸出電壓頻率和載波頻率的變化</p><p>　　設(shè)定R=10,L=2e-2，調(diào)制深度m=0.4</p><p>　　當(dāng)輸出電壓頻率為50HZ，載波頻率1080HZ時(shí)的直流側(cè)電流、交流 側(cè)電壓、交流側(cè)電流波形 </p><p>　　仿真時(shí)間 T=0.02s </p>&l

59、t;p>　　圖4-2-5 輸出電壓頻率為50HZ，載波頻率1080HZ 時(shí)的波形 </p><p>　　仿真時(shí)間 T=0.05s </p><p>　　圖4-2-6

60、 輸出電壓頻率為50HZ，載波頻率1080HZ 時(shí)的波形 </p><p>　　當(dāng)輸出電壓頻率為50HZ，載波頻率3240HZ時(shí)的直流側(cè)電流、交流側(cè)電壓、交流側(cè)電流的波形</p><p>　　仿真時(shí)間T=0.02 </p><p>　　圖4-2-7 輸出電壓頻率為50HZ，載波頻率3240HZ 時(shí)的波形 </p><p>　

61、　仿真時(shí)間T=0.05</p><p>　　圖4-2-8 輸出電壓頻率為50HZ，載波頻率3240HZ 時(shí)的波形</p><p>　　分析：從圖4-2-5和圖4-2-7可以看出，載波頻率直接影響了波形的光滑度，載波頻率越大波紋越小仿正弦效果越好。但也應(yīng)注意到頻率過高有可能對(duì)整流橋器件產(chǎn)生影響，所以也不能過于高。另外載波頻率越高，在一個(gè)周期內(nèi)PWM脈沖越密。</p><

62、p>　　當(dāng)輸出電壓頻率為100HZ，載波頻率1080HZ時(shí)的直流側(cè)電流、交流側(cè)電壓、交流側(cè)電流的波形</p><p>　　仿真時(shí)間T=0.05</p><p>　　圖4-2-9 輸出電壓頻率為100HZ，載波頻率1080HZ 時(shí)的波形</p><p>　　當(dāng)輸出電壓頻率為100HZ，載波頻率3240HZ時(shí)的直流側(cè)電流、交流側(cè)電壓、交流側(cè)電流的波形（仿真時(shí)間T

63、=0.05）</p><p>　　圖4-2-10 輸出電壓頻率為100HZ，載波頻率3240HZ 時(shí)的波形</p><p>　　分析a：從圖4-2-9和圖4-2-5以及圖4-2-8和4-2-10可以看出，當(dāng)載波頻率不變時(shí)，輸出電壓頻率改變后可以注意到，波紋相對(duì)于輸出電壓頻率為50Hz時(shí)比較小，但是輸出電壓頻率為50HZ時(shí)每個(gè)周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)比100HZ時(shí)的減小了一半，所以仿正弦的效果大大

64、下降了，可見如若提高輸出電壓的頻率后，不改變載波頻率，逆變效果會(huì)打折扣。 </p><p>　　分析b：從圖4-2-6和4-2-10可以看出，即輸出電壓頻率為50HZ，載波頻率1080HZ時(shí)的波形和輸出電壓頻率為100HZ，載波頻率3240HZ 時(shí)的波形進(jìn)行比較，可以看出：在提高了輸出電壓頻率的同時(shí)，成比例的提高載波頻率，既可以使波紋更小，而且可以增加每個(gè)周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，使得仿正弦的效果更好。</p>

65、;<p>　　通過仿真，比較分析，得出載波頻率與輸出電壓頻率改變對(duì)輸出的影響的結(jié)論：</p><p>　　在電壓輸出頻率一定的情況下，載波頻率的大小影響了仿正弦波的光滑度，即決定了正弦波形的仿制質(zhì)量。當(dāng)載波頻率一定時(shí)，電壓輸出頻率的大小決定每個(gè)周期內(nèi)的仿正弦的個(gè)數(shù)。</p><p>　　4.2.2 雙極性SPWM仿真及分析</p><p><b

66、>　　負(fù)載的變化</b></p><p>　　設(shè)定輸出電壓頻率50HZ，載波頻率1080HZ</p><p>　　當(dāng)電阻R=1，L=0.5時(shí)的直流側(cè)電流、交流側(cè)電流、交流側(cè)電壓的波形 </p><p>　　仿真時(shí)間T=0.05</p><p>　　圖4-2-11 R=1，L=0.5的波形<

67、;/p><p>　　當(dāng)電阻R=10，L=1時(shí)的直流側(cè)電流、交流側(cè)電流、交流側(cè)電壓的波形（仿真時(shí)間T=0.05）</p><p>　　圖4-2-12 R=10，L=1的波形</p><p>　　當(dāng)電阻R=10，L=0.5時(shí)的直流側(cè)電流、交流側(cè)電流、交流側(cè)電壓的波形（仿真時(shí)間T=0.05）</p><p>　　圖4-2-13 R=10，L=0.5

68、的波形</p><p>　　分析a：從圖4-2-11和圖4-2-13可以看出,當(dāng)電感相同的情況下，電阻較大時(shí)（R=10），電流波形發(fā)生震蕩，震蕩完以后才趨于穩(wěn)定。</p><p>　　分析b：從圖4-2-11和圖4-2-13可以看出,當(dāng)電阻不變時(shí)，電感越大波形的峰值電壓越小。</p><p>　　通過仿真，比較分析，得出改變負(fù)載對(duì)輸出的影響的結(jié)論：</p>

69、;<p>　　負(fù)載有功功率越小系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的時(shí)間越快，較大的有功</p><p>　　功率會(huì)在暫態(tài)時(shí)產(chǎn)生很大的波動(dòng)。</p><p>　?。?）載的感性功率會(huì)影響峰值電壓，電感越大波形的峰值電壓越小。</p><p>　　二．電壓頻率和載波頻率的變化 </p><p>　　設(shè)定R=10,L=0.5H</p>&l

70、t;p>　　當(dāng)輸出電壓頻率為50HZ，載波頻率1080HZ時(shí)的直流側(cè)電流、交流側(cè)電流、交流側(cè)電壓的波形（仿真時(shí)間T=0.05） </p><p>　　圖4-2-14 輸出電壓頻率為50HZ，載波頻率1080HZ的波形</p><p>　　當(dāng)輸出電壓頻率為50HZ，載波頻率4320HZ時(shí)的直流側(cè)電流、交流側(cè)電流、交流側(cè)電壓的波形（仿真時(shí)間T=0.05） </p>&l

71、t;p>　　圖4-2-15 輸出電壓頻率為50HZ，載波頻率4320HZ的波形</p><p>　　當(dāng)輸出電壓頻率為100HZ，載波頻率1080HZ時(shí)的直流側(cè)電流、交流側(cè)電流、交流側(cè)電壓的波形（仿真時(shí)間T=0.05） </p><p>　　圖4-2-16 輸出電壓頻率為100HZ，載波頻率1080HZ的波形</p><p>　　當(dāng)輸出電壓頻率為100HZ

72、，載波頻率4320HZ時(shí)的直流側(cè)電流、交流側(cè)電流、交流側(cè)電壓的波形（仿真時(shí)間T=0.05） </p><p>　　圖4-2-17 輸出電壓頻率為100HZ，載波頻率4320HZ的波形 </p><p>　　分析a：從圖4-2-14和圖4-2-15可以看出，載波頻率直接影響了波形的光滑度，載波頻率越大波紋越小仿正弦效果越好。但也應(yīng)注意到頻率過高有可能對(duì)整流橋器件產(chǎn)生影響，所以也

73、不能過于高。另外載波頻率越高，在一個(gè)周期內(nèi)PWM脈沖越密。</p><p>　　分析b：從圖4-2-14和圖4-2-16以及圖4-2-15和4-2-17可以看出，當(dāng)載波頻率不變時(shí)，輸出電壓頻率改變后可以注意到，波紋相對(duì)于輸出電壓頻率為50Hz時(shí)比較小，但是輸出電壓頻率為50HZ時(shí)每個(gè)周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)比100HZ時(shí)的減小了一半，所以仿正弦的效果大大下降了，可見如若提高輸出電壓的頻率后，不改變載波頻率，逆變效果會(huì)打折

74、扣。 </p><p>　　分析c：從圖4-2-6和4-2-10可以看出，即輸出電壓頻率為50HZ，載波頻率1080HZ時(shí)的波形和輸出電壓頻率為100HZ，載波頻率3240HZ 時(shí)的波形進(jìn)行比較，可以看出：在提高了輸出電壓頻率的同時(shí)，成比例的提高載波頻率，既可以使波紋更小，而且可以增加每個(gè)周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，使得仿正弦的效果更好。</p><p>　　通過仿真，比較分析，得出載波頻率與輸出電

75、壓頻率改變對(duì)輸出的影響的結(jié)論：</p><p>　　在電壓輸出頻率一定的情況下，載波頻率的大小影響了仿正弦波的光滑度，即決定了正弦波形的仿制質(zhì)量。當(dāng)載波頻率一定時(shí)，電壓輸出頻率的大小決定每個(gè)周期內(nèi)的仿正弦的個(gè)數(shù)。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　這次的課程設(shè)計(jì)的題目是《基于PWM的逆變器的設(shè)計(jì)與仿真》，經(jīng)過兩周的設(shè)

76、計(jì)與仿真，使我對(duì)本課程的內(nèi)容有著一個(gè)比較連貫綜合的認(rèn)識(shí)，學(xué)到了很多的新東西，而且這次課程設(shè)計(jì)同樣也綜合應(yīng)用了很多以前的知識(shí)，只有能夠綜合應(yīng)用才能做好本課程設(shè)計(jì)，同時(shí)通過本次設(shè)計(jì)也對(duì)其他知識(shí)有了一次很好的溫習(xí)。其中，重點(diǎn)用到了MATLAB仿真、電力電子技術(shù)等等。并且發(fā)現(xiàn)了自己在計(jì)算機(jī)仿真在電力電子實(shí)驗(yàn)中的理論實(shí)踐知識(shí)上面的不足和缺陷。</p><p>　　通過這次課設(shè)以后，我受益匪淺，覺得我在獨(dú)立的動(dòng)手能力和分析解

77、決問題的能力等方面有著很大的提高，具體說有以下幾點(diǎn)：（1）更加熟練地使用Matlab軟件中的Simulink和SimPowerSystem模塊庫;（2)熟悉了基本電力電子電路的仿真方法;（3)掌握了對(duì)電力電子器件各種參數(shù)的設(shè)定（4）學(xué)會(huì)了運(yùn)用理論知識(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、結(jié)果進(jìn)行分析和處理，增強(qiáng)了我對(duì)仿真的學(xué)習(xí)興趣，另外我還學(xué)習(xí)如何對(duì)SCOPE中圖像底色修改方法，相信計(jì)算機(jī)仿真這一工具可以在自己以后的學(xué)習(xí)工作中發(fā)揮作用。</p>&

78、lt;p>　　在今后的學(xué)習(xí)中，我會(huì)發(fā)揮積極主動(dòng)的精神，把所學(xué)知識(shí)與實(shí)踐結(jié)合起來，努力掌握MATLAB的使用方法，鞏固電力電子技術(shù)、模電等已學(xué)知識(shí)。深刻體會(huì)到了，遇到不懂的問題要自己先找資料翻閱有關(guān)書籍。運(yùn)用自己的能力解決自己所遇到的問題。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]楊蔭福、段善旭、朝澤云.電力電子裝置及系統(tǒng).清華大學(xué)

79、出版社，2006</p><p>　　[2]李愛文、張承慧.現(xiàn)代逆變技術(shù)及其應(yīng)用.科學(xué)出版社.2000</p><p>　　[3]劉勝利.現(xiàn)代高頻開關(guān)電源實(shí)用技術(shù).電子工業(yè)出版社.2001</p><p>　　[4]王兆安.電力電子技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社.2000</p><p>　　[5]童詩白、華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）.高等教育出