建筑电气与智能化毕业论文.doc

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1、安徽建筑工业学院 毕 业 设 计(论 文)系 别 电子与信息工程学院 专 业 建筑电气与智能化 班 级 08建筑电气与智能化（1）班 学生姓名 学 号 082060120 设计课题 电力电子电路仿真研究 - 逆变电路（DC-AC）仿真研究 指导教师 2012年6月12 摘 要随着电力电子技术的不断发展，可控电路直流电动机控制，可变直流电源等方面得到了广泛的应用,而这些都是以逆变电路为核心。本文建立了基于MATLAB的单相和三相电压型SPWM逆变电路的动态模型给出了仿真的实例与仿真结果，验证了模型的正确性，并展现了MATLAB仿真具有的快捷，灵活，方便，直观的优点，从而为电力电子电力的数学及设计

2、提供了有效的工具。关键词：单、三相逆变；SPWM技术；MATLAB；SIMULINK；仿真；分析abstractWith the power electronics technology, computer technology, the rapid development ofautomaticcontrol technology, PWM technology is developing rapidly, SPWM sine pulse width modulation principle of this technology is characterized by simple, ver

3、satile, with a fixed switching frequency, control and regulation performance, eliminate harmonics thatcontain only a fixed output voltage of high frequency harmonic components, simple design and a series of advantages, is a good waveform improvement Act. It was a smallinverter played an important ro

4、le. SPWM technology become the most widely usedinverter with PWM technology. Therefore, the study of SPWM inverter characteristics ofthe basic working principle and the role of great significance.Key words:Sinusoidal pulse width modulation；inverters；matlab simulation 目录第一章 绪论1第二章 单相电压型SPWM逆变电路42.1 单

5、相电压型SPWM逆变电路的基本结构图42.2 单相电压型SPWM逆变电路的工作原理52.2.1 逆变器SPWM调制原理52.2.2 SPWM控制方式62.3 单相逆变器SPWM调制电路的Simulink模型92.3.1 单极性SPWM仿真92.3.2 双极性SPWM仿真102.4 模型参数的设定模型仿真图及其分析122.4.1 单极性SPWM仿真122.4.2 双极性SPWM仿真13第三章 三相电压型SPWM逆变电路16 3.1 三相逆变器SPWM调制电路的基本结构图16 3.2.三相逆变器SPWM调制电路的工作原理16 3.3 三相逆变器SPWM调制电路的SIMULINK模型16 3.3.1

6、 三相电压型逆变器SPWM仿真的模型图16 3.3.2 模型参数的设定模型仿真图及其分析17 3.4 死区时间的影响193.4.1 模型参数的设定模型仿真图及其分析21第四章 总结22第五章 致谢22第六章 参考文献23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，使人类社会生活发生了巨大的变化。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

7、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

8、子装置的简化模型并进行控制器的设计和仿真。现如今，逆变器的应用非常广泛，在已有的各种电源中，蓄电池，、干电池、天阳能电池都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变。另外，交流电机调速变频，感应加热电源等使用广泛的电力电子设备，都是以逆变电路为核心。本文利用MATLAB仿真软件对单、三相电压型逆变SPWM电路进行仿真分析，并得出正确的仿真结果。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MATLA

9、B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。在控制界，很多知名学者都能为其擅长的领域写出了工具箱，而其中很多工具箱已成为该领域的标准。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。MATLAB命令和矩阵函数是分析和设计控制系统时经常采用的。MATLAB具有很多预定含义的函数，供用户在求解许多不同类型的控制问题时调用。SIMULINK是MATLAB提供的一个用来对动态系统进行建模

10、，仿真和分析的软件包。Simulink界面友好，他为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，用户建模通过简单的单击和拖运就能实现，使得建模就像用纸和笔来画面一样容易。他与传统的仿真软件包相比，具有更直观，方便，灵活的优点。SIMULINK允许用户定制和创建自己的模块。SIMULINK模块库内资源相当丰富，基本模块库包括连续系统，离散系统非线性系统，信号与函数，输入模块，接收模块等等，使用方便。由基本模块又形成了其他的一些专业库，使仿真起来简单快捷，尤其是其中的电气系统模块库（Power System Blockser），可以使电力电子技术的仿真变得更加容易。在建成模型结构后，就可以启动系统仿真功

11、能来分析系统的动态特性。电力电子电路实验系统的Simulink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。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VT1VT4，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

12、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

13、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。 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

14、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。OwtUd-Ud图3 单极性SPWM控制方式波形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。OwtUd-Ud图4 双极性SPWM控制方式波形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

15、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5所示为批p=15时的单相全桥单极性SPWM基本波形. 图5 单极性SPWM示意图 (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

16、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mUsm/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6所示为批p=15时的单相全桥双极性SPWM基本波形. 图6 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。

17、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mUsm/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7 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us0时,S1导通而S4关断,输出的平均电压大于零,当调制信号usuc时,S3导通而S2关断,当usuc时,功率开关S1,S3导通,逆变电路输出电压uo=ud;当usfs，且调制深度0m1

18、时，基波电压幅值与直流侧电压满足一下关系：。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13所示。图1

19、3 双极性SPWM单向逆变器m=0.5时的仿真波形图 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14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1

20、4 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fcfs，且调制深度0mUc时，s1导通s4关断，当UsaUc时，s4导通S1关断，b相和c相类似。如图示为载波比p=3时的三相SPWM逆变电路基本波形。由于各相上下桥壁功率器件以互补方式轮流导通，故各相对N点的电压为双极性SPWM波形，该波形与各相上下桥壁器件的驱动信号同步变化。输出的线电压可由相应两相对N点的电压相减而得，线电压在正负Ud和0之间变动，总体呈现单极性形状。星型连接负载的相电压较为复杂，可能的电平为

21、0、正负Ud/3和正负2Ud/3。逆变电路输出相电压的基波与调制波同相位，线电压与之相差30度。为了保证三相之间的相位差，载波比应为3的整数倍。而且为了保证双极性调制时每相波形的正负半波对称,上述倍数须为奇数,这样在信号波的180度处,载波的正负半周恰好分布在两侧.由于波形的左右对称,就不会出现偶次谐波.但实际中载波频率往往远高于调制波频率,此时载波的不对称对输出电流的影响甚微,可忽略不计.3.3 三相逆变器SPWM调制电路的Simulink模型3.3.1三相电压型逆变器 SPWM仿真的模型图(1)三相电压型SPWM仿真的主电路:图16 三相电压型SPWM仿真的主电路(2)三相电压型SPWM仿

22、真的触发脉冲电路: 图17 三相电压型SPWM仿真的触发脉冲电路3.3.2 模型参数的设定模型仿真图及其分析(1) 频率为50Hz,载波比为30,调制深度为1仿真:图18 SPWM方式下的三相逆变电路输出波形调制深度m设为1，输出基波频率为50Hz,载波频率设为基频的30倍，即1500Hz。将仿真时间设为0.06s，在powergui中设置为离散仿真模式，采样时间为0.0000005s，运行后可得仿真结果，交流相电压、相电流、线电压和直流电流波形如图示。当m=1时，输出线电压的幅值为0.866Ud.若进一步提高开关频率，则电流波形更接近正弦波。3.4 死区时间的影响 桥式电路是大量实际逆变电路

23、的基本结构，在理想情况下，每个桥壁的上下开关管严格轮流导通和关断。但实际情况是每个开关管的通断都需要一定时间，尤其是关断时间比导通时间更长。在一个开关管的关断过程中，若另一个开关管已经导通，则必然引起桥壁短路。为了防止这种情况发生，通常都让触发信号推迟一段时间，称为死区时间。在此期间内，桥壁上下开关管都没有触发信号，该峭壁的工作状态将取决于两个续流二极管和该相电流的方向。 在图19中,Ug*1和Ug*4分别是无死区时a相桥壁上下管的互补驱动信号，U过和Ug4分别是将理想互补信号的各上升沿均推迟了死区时间td的实际SPWM驱动脉冲。当电流ia为负值时，电流由桥壁上管的反并联二极管D1和下管S4承

24、载，因此在上下脉冲都不存在的死区时间里D1工作，输出电压为正；当ia为负值时，电流由桥壁上管的反并联二极管D1和下管S4承载，因此在上下脉冲都不存在的死区时间里D4工作，输出电压为正.综上所述，图20中画出了有死去时的实际输出电压波形、对照无死区时的理想输出电压。定义死区对输出电压的影响为死区畸变电压 Ue = Uan - U*an 如图19，Ue为宽度为td,高度为Ud的窄脉冲，其周期与调制波相同，符号与电流相反，正电流时Ue为负，负电流时Ue为正。桥壁逆变的实际输出电压即为无死区时的理想输出电压再加上死区畸变电压，因此只需对Ue进行分析再结合3.3.1理想电压的分析结果，便可确定死区时间对

25、逆变器输出电压的影响. 在输出电流滞后输出电压的情况下，死区时间降低了直流电压利用率，使得实际输出电压的基波相位超前于理想电压基波。在输出电流滞后角度恒定的情况下，增加死区时间会降低实际输出电压的基波幅值，增加相位的超前角。在死区时间恒定的情况下，增大电流滞后角会减少电压幅值的损失，同时增加相位超前角。 死区畸变电压的窄脉冲可用调制波周期的矩形脉冲等效，对其进行傅里叶分析可知其包含3次、5次、7次等奇次数谐波，因此死区将奇次谐波引入了SPWM逆变器，降低了逆变器的谐波性能。由于死区时间的影响，输出电流波形将出现失真。图19 死区时间对逆变桥壁输出的影响3.3.2 模型参数的设定模型仿真图及其分

26、析 (1)三相电压型SPWM仿真的主电路: 如图20所示，在PWM发生器与三相桥的驱动信号输入端之间插入该模块，通过对话框选择上升沿滞后模式，并将死区时间设为0.00002s.仿真设置与图18相同，运行后可得仿真结果，交流相电压、相电流、线电压和直流电流波形如图21所示。 图20 三相电压型SPWM仿真的主电路(2)有死区时三相SPWM逆变器的仿真波形图:图21 有死区时三相SPWM逆变器的仿真波形图 此时输出电压的基波幅值为426.4V，小于无死区时的459V。通过适当的参数设置，根据不同应用场合的要求，选择能够满足实际要求的控制方式，运用PWM控制技术，可以有效减小输出电压和输出电流的谐波

27、分量，改善输出波形，可以很好的实现逆变电路的运行要求。 Matlab仿真技术在这次电力电子电路仿真的设计中已经很好的体现了他在这个领域中的优点，本文通过仿真实验的出来的结果与理论分析的结果波形可以说是基本一致，这更进一步说明了Matlab在电力电子系统仿真研究的实用性和有效性。第四章 总结 经过几个月的努力探索和奋力拼搏，毕业设计终于完成了。在这次毕业设计中，我巩固了所学的专业基础知识，并将所学知识很好的融入一定的项目背景中，锻炼了独立解决问题的能力。虽然在毕业设计中遇到了很多问题，但是通过自己钻研和在导师的指导下，最终都很好的解决了。这样，大大提高了我的学习能力，并对所学专业更加了解，这对我

28、以后的继续深造和工作都有很大的帮助。 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

29、自己在以后的工作学习中表现得更加出色。第五章 致谢 在此论文撰写过程中，要特别感谢我的指导老师李善寿的指导与督促，同时感谢他的谅解与包容。没有李老师的帮助也就没有今天的这篇论文。求学历程是艰苦的，但又是快乐的。感谢我的班主任伍超老师，谢谢他在这四年中为我们全班所做的一切，他不求回报，无私奉献的精神很让我感动，再次向他表示由衷的感谢。在这四年的学期中结识的各位生活和学习上的挚友让我得到了人生最大的一笔财富。在此，也对他们表示衷心感谢。 谢谢我的父母，没有他们辛勤的付出也就没有我的今天，在这一刻，将最崇高的敬意献给你们！ 本文参考了大量的文献资料，在此，向各学术界的前辈们致敬!第六章 参考文献1电

30、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10 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11 电力电子学电力电子变换和控制技术.陈坚编著高等教育出版社，2004年11月