電力電子系統(tǒng)仿真 結(jié)課作業(yè)

1、 電力電子系統(tǒng)仿真電力電子系統(tǒng)仿真結(jié)課作業(yè)結(jié)課作業(yè) 題 目：?jiǎn)蜗嚯妷盒?SPWM 逆變電路仿真 院 系： 電氣工程學(xué)院 班 級(jí)： 電氣 F1306 學(xué) 號(hào)： 201323010323 學(xué)生姓名： 王 宇 20162016 年年 4 4 月月 1818 目錄目錄第一章 緒論.2第二章 單相電壓型 SPWM 逆變電路.32.1 單相電壓型 SPWM 逆變電路的基本結(jié)構(gòu)圖 .32.2 單相電壓型 SPWM 逆變電路的工作原理 .32.2.1 逆變器 SPWM 調(diào)制原理 .32.2.2 SPWM 控制方式.52.3 單相逆變器 SPWM 調(diào)制電路的 SIMULINK模型.72.3.1 單極性 SPWM

2、 仿真的模型 .7(1)單極性 SPWM 仿真的主電路: .72.3.2 雙極性 SPWM 仿真的模型圖.92.4 模型參數(shù)的設(shè)定模型仿真圖及其分析 .102.4.1 單極性 SPWM 仿真 .102.4.2 雙極性 SPWM 仿真 .12（1）頻率為 50Hz,載波比為 15,調(diào)制深度為 0.5 仿真: .12第四章 總結(jié).14第五章 參考文獻(xiàn).152第一章第一章 緒論緒論20 世紀(jì) 60 年代發(fā)展起來(lái)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)量。但是在電力電子技術(shù)中有關(guān)電

3、能的變換與控制過(guò)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(yǔ)言編程仿真程序冗長(zhǎng)，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

4、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(kù)（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)計(jì)和仿真。MATLAB 環(huán)境（又稱 MATLAB 語(yǔ)言）是由美國(guó) New Mexico 大學(xué)的 Cleve Moler 于 1980 年開(kāi)始研究開(kāi)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(guò)幾十年 MATLAB 的發(fā)展，競(jìng)爭(zhēng)和完善，現(xiàn)已成為國(guó)際公認(rèn)最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件。MATLAB 語(yǔ)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

5、為國(guó)際控制界應(yīng)用最廣的首選計(jì)算機(jī)工具。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。在建成模型結(jié)構(gòu)后，就可以啟動(dòng)系統(tǒng)仿真功能來(lái)分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。電力電子電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的仿真，具有以下特點(diǎn)：（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（2）仿真結(jié)果直觀。通過(guò)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)。3第二章第二章 單相電壓型單相電壓型 SPWMSPWM 逆變電路逆變電路2.12.1 單相電壓型單相電壓型 S

6、PWMSPWM 逆變逆變電路電路的基本結(jié)構(gòu)圖的基本結(jié)構(gòu)圖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VT1VT4，直流側(cè)由兩個(gè)串聯(lián)電容，他們共同提供直流電壓 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)。圖 1 單相橋式 SPWM 型逆變電路2.22.2 單相電壓型單相電壓型 SPWMSPWM 逆變電路的工作原理逆變電路的工作原理2.2.1 逆變器逆變器 SPWM

7、調(diào)制原理調(diào)制原理PWM 控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用十分廣泛，目前中小功率的逆變電路幾乎都采用了 PWM 技術(shù)。常用的 PWM 技術(shù)主要包括：正弦脈寬調(diào)制(SPWM)、選擇諧波調(diào)制（SHEPWM） 、電流滯環(huán)調(diào)制（CHPWM）和電壓空間矢量調(diào)制（SVPWM） 。PWM（Pulse Width Modulation）控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要的波形。PWM 控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)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(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。圖 1 中各個(gè)形狀的窄脈沖在作用到逆4變器中電力電子器件時(shí)，其效果是相同的

8、，正是基于這個(gè)理論。 a)矩形脈沖 b)三角脈沖 c)正弦半波脈沖 d)單位脈沖函圖 2 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖圖 2 分析如何用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)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(gè)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(shù)量的等幅不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，就可得到圖 2 所示的脈沖序列，這就是 PWM 波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形，也稱為 SPWM 波。SPWM調(diào)制技術(shù)才孕育而生。OtUd-Ud圖

9、3 單極性 SPWM 控制方式波形上圖所示的波形稱為單極性 SPWM 波形，根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為圖 3 中所示的 PWM 波，這種波形稱為雙極性 SPWM 波形，而且這種方式在實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。52.2.22.2.2 SPWMSPWM 控制方式控制方式(a)SPWM(a)SPWM 包括單極性和雙極性兩種調(diào)制方法，包括單極性和雙極性兩種調(diào)制方法，（1）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。（2）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

10、變化，叫做雙極性控制方式.(b)(b)單極性單極性SPWMSPWM法法: :(1)調(diào)制波和載波：SPWM采用的調(diào)制波為頻率為fs的正弦波 載波uc是幅值為Ucm,頻率為fc的三角波.調(diào)制波每半個(gè)周期對(duì)載波進(jìn)行一次極性反轉(zhuǎn),載波為單極性不對(duì)稱三角波.如圖4所示為批p=15時(shí)的單相全橋單極性SPWM基本波形. 6 圖 4 單極性 SPWM 示意圖 (2)單極性調(diào)制的工作特點(diǎn)：每半個(gè)周期內(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)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。 其中：載波比載波頻率 fc 與調(diào)

11、制信號(hào)頻率 fs 之比 p，即 p = fc / fs； 調(diào)制深度調(diào)制波幅值 Usm 與載波幅值 Ucm 之比，即 mUsm/Ucm.(c)(c)雙極性雙極性 SPWMSPWM 法法 (1)調(diào)制波和載波：SPWM采用的調(diào)制波為頻率為fs的正弦波 載波uc是幅值為Ucm,頻率為fc的三角波.如圖5 所示為批p=15時(shí)的單相全橋雙極性SPWM基本波形. 7 圖 5 雙極性 PWM 示意圖(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(guò)負(fù)載 ZL 的是按線電壓規(guī)律變化的交變電流。 其中：載波比載波頻率 fc 與調(diào)制信號(hào)頻率

12、 fs 之比 p，即 p = fc / fs； 調(diào)制深度調(diào)制波幅值 Usm 與載波幅值 Ucm 之比，即mUsm/Ucm。2.32.3 單相逆變器單相逆變器 SPWMSPWM 調(diào)制電路的調(diào)制電路的 SimulinkSimulink 模型模型2.3.12.3.1 單極性單極性 SPWMSPWM 仿真仿真的模型的模型(1)(1)單極性單極性 SPWMSPWM 仿真的主電路仿真的主電路: : 8圖 6 單極性 SPWM 仿真的主電路(2)(2)單極性單極性 SPWMSPWM 仿真的觸發(fā)脈沖電路仿真的觸發(fā)脈沖電路: : 全橋電路兩個(gè)橋臂之一,例如 S1 和 S4 組成方向臂,當(dāng)調(diào)制信號(hào) us0 時(shí),S

13、1導(dǎo)通而 S4 關(guān)斷,輸出的平均電壓大于零,當(dāng)調(diào)制信號(hào) usuc 時(shí),S3 導(dǎo)通而 S2 關(guān)斷,當(dāng) usuc 時(shí),功率開(kāi)關(guān) S1,S3 導(dǎo)通,逆變電路輸出電壓 uo=ud;當(dāng) usfs，且調(diào)制深度 0m1 時(shí)，基波電壓幅值與直流側(cè)電壓滿足一下關(guān)系：。仿真電路中，m=0.5 時(shí)，輸dumu*1出電壓基波約為 150v，m=1 時(shí)，輸出電壓基波約為 300v，它表明 SPWM 逆變輸出電壓的基波幅值與調(diào)制深度成線性變化。因此通過(guò)調(diào)節(jié)控制信號(hào)，可以方便的調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓的頻率和幅值。2.4.22.4.2 雙極性雙極性 SPWMSPWM 仿真仿真（1 1）頻率為）頻率為 50Hz,50Hz,載波比

14、為載波比為 15,15,調(diào)制深度為調(diào)制深度為 0.50.5 仿真仿真: :調(diào)制深度 m 設(shè)為 0.5，輸出基波頻率設(shè)為 50Hz，載波頻率設(shè)為基頻的 15 倍，即 750Hz。將仿真時(shí)間設(shè)為 0.06 是，在 powergui 中設(shè)置為離散仿真模式，采樣時(shí)間為 0.00001 秒，運(yùn)行后可得仿真結(jié)果，輸出交流電壓、交流電流和直流電流波形如圖 12 所示。13圖 12 雙極性 SPWM 單向逆變器 m=0.5 時(shí)的仿真波形圖 輸出電壓為雙極性 PWM 型電壓，脈沖寬度符合正弦變化規(guī)律。交流電流較方波逆變器更接近正弦波形。直流電流除含直流分量外，還還有兩倍基頻的交流分量以及與開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)的更高次諧

15、波分量。其中的直流部分是向負(fù)載提供有功功率，其余部分使得直流電源周期性吞吐能量，為無(wú)功電流。（2 2）頻率為頻率為 50Hz,50Hz,載波比為載波比為 15,15,調(diào)制深度為調(diào)制深度為 1 1 仿真仿真: :將調(diào)制深度設(shè)為 1，則仿真波形如圖 13 所示。交流電壓的中心部分明顯加寬。如前所述，PWM 逆變器的諧波特性與載波頻率有著密切關(guān)系。若將載波頻率提高到 1500Hz,則仿真波形如圖示。若進(jìn)一步提高載波頻率，則負(fù)載電流更加接近正弦波性。14圖 13 SPWM 方式下的雙性逆變電路輸出波形由上面變載波比，變調(diào)制深度可以有下述結(jié)論：輸出電壓基波幅值與調(diào)制深度成正比。當(dāng)載波比一定，變化調(diào)制深度

16、時(shí)，當(dāng)載波頻率遠(yuǎn)大于輸出電壓基波頻率即 fcfs，且調(diào)制深度 0m=1 時(shí)，基波電壓幅值與直流側(cè)電壓滿足一下關(guān)系：。仿真電路中，m=0.5 時(shí)，輸dumu*1出電壓基波約為 150v，m=1 時(shí)，輸出電壓基波約為 300v，它表明，spwm 逆變輸出電壓的基波幅值與調(diào)制深度成線性變化。因此通過(guò)調(diào)節(jié)控制信號(hào)，可以方便的調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓的頻率和幅值。第四章第四章 總結(jié)總結(jié) 通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我可以更加熟練使用 Matlab 軟件中的 Simulink 和SimPowerSystem 模塊庫(kù)，熟悉掌握了基本電力電子電路的仿真方法，掌握了對(duì)電力電子器件各種參數(shù)的設(shè)定，同時(shí)也學(xué)會(huì)了運(yùn)用理論知識(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)

17、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。此外，通過(guò)扎實(shí)的學(xué)習(xí)和深入細(xì)致做課題，我的自身能力有了很大的提高，并且對(duì)問(wèn)題的觀察比以前更加敏15銳了，考慮問(wèn)題也更加全面了。它加深了我對(duì)論文設(shè)計(jì)所涉及東西的了解，提高了自我學(xué)習(xí)能力和獲取新知識(shí)的能力，更考驗(yàn)了我的實(shí)際綜合能力。因此，我覺(jué)得此次論文設(shè)計(jì)對(duì)我以后會(huì)有很大幫助，大大提高了我的適應(yīng)能力，使自己在以后的工作學(xué)習(xí)中表現(xiàn)得更加出色。第五章第五章 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1電力電子技術(shù)與 MATLAB 仿真.周淵深.中國(guó)電力出版社,2005 年 12 月2電力電子技術(shù)的 MATLAB 實(shí)踐.黃忠霖等.國(guó)防工業(yè)出版社，2008 年 12月3電力電子變

18、流技術(shù) 王兆安/黃俊編著機(jī)械工業(yè)出版社，2005 年 09 月4電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版） 陳堅(jiān)編著.高等教育出版社2007年05月165電力電子技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn).李傳琦主編.電子工業(yè)出版社.2006 年 6月6 基于 MATLAB/SIMULINK 的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用.薛定宇/陳陽(yáng)泉著.清華大學(xué)出版社.2002 年 4 月7 電力電子應(yīng)用的技術(shù) MATLAB 仿真.林飛/杜飛編著中國(guó)電力出版社，2009 年 01 月tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60e

19、o8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGtgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGtgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3P