單相逆變器SPWM調(diào)制技術(shù)的仿真

華東交通大學(xué)課程設(shè)計(jì)PAGE5-課程設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書電氣學(xué)院學(xué)院11電力牽引專業(yè)（3）班一、課程設(shè)計(jì)(論文)題目單相逆變器SPWM調(diào)制技術(shù)的仿真二、課程設(shè)計(jì)(論文)工作自2014年6月16日起至2014年6月20日止。三、課程設(shè)計(jì)(論文)地點(diǎn):電氣學(xué)院機(jī)房四、課程設(shè)計(jì)(論文)內(nèi)容要求：1．本課程設(shè)計(jì)的目的（1）熟練掌握MATLAB語(yǔ)言的基本知識(shí)和技能；（2）熟悉matlab下的simulink和simpowersystems工具箱；（3）熟悉構(gòu)建單相橋式逆變器SPWM單極性和雙極性調(diào)制的仿真模型；（4）培養(yǎng)分析、解決問(wèn)題的能力；提高學(xué)生的科技論文寫作能力。2．課程設(shè)計(jì)的任務(wù)及要求1）基本要求：（1）要求對(duì)主電路和脈沖電路進(jìn)行封裝，并對(duì)調(diào)制度和載波比參數(shù)進(jìn)行封裝；（2）仿真參數(shù)為：E=100-300V;Ma=0.8-0.95;N=9-21;h=0.0001s，其他參數(shù)自定；（3）給出調(diào)制波原理圖、相電壓、相電流、線電壓、不同器件所承受的電壓波形以及頻譜圖，要求采用subplot作圖；（4）選取不同參數(shù)進(jìn)行仿真，比較仿真結(jié)果有何變化，給出自己的結(jié)論。（5）利用matlab下的simulink和simpowersystems工具箱構(gòu)建單相橋式逆變器spwm單極性和雙極性調(diào)制的仿真模型。2）創(chuàng)新要求：封裝使仿真模型更加美觀、合理3）課程設(shè)計(jì)論文編寫要求（1）要按照課程設(shè)計(jì)模板的規(guī)格書寫課程設(shè)計(jì)論文（2）論文包括目錄、正文、心得體會(huì)、參考文獻(xiàn)等（3）課程設(shè)計(jì)論文用B5紙統(tǒng)一打印，裝訂按學(xué)校的統(tǒng)一要求完成4）答辯與評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：（1）完成原理分析：20分；（2）完成設(shè)計(jì)過(guò)程：40分；（3）完成調(diào)試：20分；（4）回答問(wèn)題：20分；5）參考文獻(xiàn)：[1]劉鳳君.現(xiàn)代逆變技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2006.[2]伍家駒,王文婷,李學(xué)勇,等.單相SPWM逆變橋輸出電壓的諧波分析[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2008,28(4):45-49,52.[3]王兆安，劉進(jìn)軍，電力電子技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，2009.5[4]湯才剛，朱紅濤，李莉，陳國(guó)橋，基于PWM的逆變電路分析，《現(xiàn)代電子技術(shù)》2008年第1期總第264期。[5]劉衛(wèi)國(guó).MATLAB程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用（第二版）.北京：高等教育出版社，2008.6）課程設(shè)計(jì)進(jìn)度安排內(nèi)容天數(shù)地點(diǎn)構(gòu)思及收集資料2圖書館編程設(shè)計(jì)與調(diào)試2實(shí)驗(yàn)室撰寫論文2圖書館、實(shí)驗(yàn)室學(xué)生簽名：2011年6月課程設(shè)計(jì)(論文)評(píng)審意見(jiàn)（1）完成原理分析（20分）：優(yōu)（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；（2）設(shè)計(jì)分析（20分）：優(yōu)（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；（3）完成調(diào)試（20分）：優(yōu)（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；（4）翻譯能力（20分）：優(yōu)（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；（5）回答問(wèn)題（20分）：優(yōu)（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；（6）格式規(guī)范性及考勤是否降等級(jí)：是（）、否（）(7)總評(píng)分?jǐn)?shù)優(yōu)（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；評(píng)閱人：職稱：年月日2.軟件介紹MATLAB環(huán)境（又稱MATLAB語(yǔ)言）是由美國(guó)NewMexico大學(xué)的CleveMoler于1980年開始研究開發(fā)的，1984年由CleveMoler等人創(chuàng)立的MathWorks公司推出的第一個(gè)商業(yè)版本。經(jīng)過(guò)幾十年ATLAB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。ATLAB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，使得它成為國(guó)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(zhǎng)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。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(wèn)題時(shí)調(diào)用。SIMULINK是MATLAB提供的一個(gè)用來(lái)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(guò)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(lái)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)。SIMULINK允許用戶定制和創(chuàng)建自己的模塊。SIMULINK模塊庫(kù)內(nèi)資源相當(dāng)豐富，基本模塊庫(kù)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(kù)，使仿真起來(lái)簡(jiǎn)單快捷，尤其是其中的電氣系統(tǒng)模塊庫(kù)（PowerSystemBlockser），可以使電力電子技術(shù)的仿真變得更加容易。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。啟動(dòng)仿真后，SIMULINK通過(guò)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。3.電力電子電路的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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、有源逆變電路、交流變換電路、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)。3.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)電力電子電路的Simulink仿真流程如下：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)果數(shù)學(xué)建模階段：將實(shí)際對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性用微分方程、傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程或結(jié)構(gòu)圖等方式描述出來(lái)。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)。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(zhǎng)，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。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(guò)程中隨時(shí)改變參數(shù)，觀察變化情況。3.2電力電子電路Simulink仿真，具有以下特點(diǎn)電力電子電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的Simulink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)。4.單相逆變器SPWM調(diào)制技術(shù)的仿真4.1單相逆變器SPWM調(diào)制電路的基本結(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VT1~VT4，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4.2單相逆變器SPWM調(diào)制電路的工作原理4.2.1逆變器SPWM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（PulseWidthModulation）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變器中電力電子器件時(shí)，其效果是相同的，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圖3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。OOtUd-Ud圖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。OOtUd-Ud圖4雙極性SPWM控制方式波形4.2.2SPWM控制方式(a)SPWM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。（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)之間變化，叫做雙極性控制方式。(b)單極性SPWM法(1)調(diào)制波和載波：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)。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。(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)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。(c)雙極性SPWM法(1)調(diào)制波和載波：調(diào)制波仍為正弦波，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。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。(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。圖5單極性PWM控制方式圖6雙極性PWM控制方式其中：載波比——載波頻率fc與調(diào)制信號(hào)頻率fr之比N，既N=fc/fr調(diào)制度――調(diào)制波幅值A(chǔ)r與載波幅值A(chǔ)c之比，即Ma＝Ar/Ac同步調(diào)制——N等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和信號(hào)波保持同步?；就秸{(diào)制方式，fr變化時(shí)N不變，信號(hào)波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定；三相電路中公用一個(gè)三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對(duì)稱；為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對(duì)稱，N應(yīng)取奇數(shù)；fr很低時(shí)，fc也很低，由調(diào)制帶來(lái)的諧波不易濾除；fr很高時(shí)，fc會(huì)過(guò)高，使開關(guān)器件難以承受。異步調(diào)制***——載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式。通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時(shí)，載波比N是變化的；在信號(hào)波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對(duì)稱；當(dāng)fr較低時(shí)，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)稱產(chǎn)生的不利影響都較??；當(dāng)fr增高時(shí)，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對(duì)稱的影響就變大。4.3單相逆變器SPWM調(diào)制電路的Simulink模型4.3.1單極性SPWM仿真的模型圖圖7單極性SPWM仿真的主電路圖8單極性SPWM仿真的觸發(fā)脈沖電路4.3.1雙極性SPWM仿真的模型圖圖9雙極性SPWM仿真主電路圖10雙極性SPWM仿真的觸發(fā)脈沖電路4.4模型參數(shù)的設(shè)定模型仿真圖及其分析4.3.1單極性SPWM仿真（1）頻率為50hz；載波比為15；調(diào)制深度為0.85仿真分析負(fù)載電壓傅里葉分析：負(fù)載電流傅里葉分析：（2）頻率為50hz；載波比為15；調(diào)制深度為0.95仿真分析負(fù)載電壓傅里葉分析：負(fù)載電流傅里葉分析： （3）頻率為50hz；載波比為20；調(diào)制深度為0.95仿真分析負(fù)載電壓傅里葉分析：負(fù)載電流傅里葉分析：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)制深度時(shí)，當(dāng)載波頻率遠(yuǎn)大于輸出電壓基波頻率即fc>>fs，且調(diào)制深度0＜m≤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=0.85時(shí)，輸出電壓基波約為85v，m=0.95時(shí)，輸出電壓基波約為95v，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。載波比越高，最低次諧波離基波越遠(yuǎn)，也就越容易濾波。例如：調(diào)制深度都為0.95，載波比為15時(shí)，負(fù)載電流諧波失真THD=8.22%；載波比為20時(shí)，負(fù)載電流諧波失真THD=7.30%，即載波比越高，負(fù)載電流中的諧波越少。故提高載波比將有效改善輸出電壓的質(zhì)量。4.3.2雙極性SPWM仿真（1）頻率為50hz；載波比為15；調(diào)制深度為0.85仿真分析負(fù)載電壓傅里葉分析：負(fù)載電流傅里葉分析：（2）頻率為50hz；載波比為15；調(diào)制深度為0.95仿真分析負(fù)載電壓傅里葉分析：負(fù)載電流傅里葉分析：（3）頻率為50hz；載波比為20；調(diào)制深度為0.95仿真分析負(fù)載電壓傅里葉分析：負(fù)載電流傅里葉分析：由上面變載波比，變調(diào)制深度可以有下述結(jié)論，1）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)制深度時(shí)，當(dāng)載波頻率遠(yuǎn)大于輸出電壓基波頻率即fc>>fs，且調(diào)制深度0<m<=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=0.85時(shí)，輸出電壓基波約為85v，m=0.95時(shí)，輸出電壓基波約為95v，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）pwm電壓波形中含有載波頻率的整數(shù)倍及其附近的諧波。幅值最高影響最大的是k次諧波分量，隨調(diào)制深度的增加，其幅值的相對(duì)值逐漸減小。由于pwm電壓波形中含有載波頻率的整數(shù)倍及其附近的諧波，可見(jiàn)載波比越高，最低次諧波離基波越遠(yuǎn)，也就越容易濾波。例如：調(diào)制深度都為0.95時(shí)，載波比為15時(shí)，負(fù)載電流諧波失真THD=9.68%；載波比為20時(shí)，負(fù)載電流諧波失真THD=9.23%，即載波比越高，負(fù)載電流中的諧波越少。故提高載波比將有效改善輸出電壓的質(zhì)量。但是另外，由于開關(guān)損耗等原因，開關(guān)頻率在逆變器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中還會(huì)受到多種因素的影響，相應(yīng)的對(duì)載波比大小也有一定的限制。3）輸出頻率：50hz；載波比：20；調(diào)制深度：0.95時(shí)，單極性電壓總諧波失真THD=57.43%，負(fù)載電流諧波失真THD=7.30%；雙極性，電壓總諧波失真THD=109.74%，負(fù)載電流諧波失真THD=9.23%?？梢?jiàn)，就基波性能而言，單極性pwm和雙極性pwm完全一致，但在線性調(diào)制的情況下單極性pwm諧波性能明顯優(yōu)于雙極性pwm，開關(guān)次整數(shù)倍諧波消除，最低次諧波幅值比雙極性調(diào)制小的多，容易濾波。5.結(jié)束語(yǔ)Matlab仿真技術(shù)在這次電力電子電路仿真的設(shè)計(jì)中已經(jīng)很好的體現(xiàn)了他在這個(gè)領(lǐng)域中的優(yōu)點(diǎn)，本文通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的出來(lái)的結(jié)果與理論分析的結(jié)果波形可以說(shuō)是基本一致，這更進(jìn)一步說(shuō)明了Matlab在電力電子系統(tǒng)仿真研究的實(shí)用性和有效性。通過(guò)這次本學(xué)期這次一周的課程設(shè)計(jì)，使我對(duì)本課程所學(xué)的內(nèi)容有了一個(gè)連貫性，綜合性的認(rèn)識(shí)，通過(guò)自己的摸索和研究加深了我對(duì)理論的理解，同時(shí)也提高了我獨(dú)立的動(dòng)手能力和分析解決問(wèn)題的能力，具體說(shuō)通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)使我更加熟練的使用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)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。在這次課程設(shè)計(jì)的撰寫中，我嚴(yán)格按照老師規(guī)定的格式，以畢業(yè)論文的要求嚴(yán)格的要求自己。通過(guò)這次為期一周的課設(shè)使我獲益匪淺，同時(shí)也為我以后畢業(yè)論文的撰寫工作打下了