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1、课程设计(论文)任务书 电气学院 学院11电力牵引 专业 3 班一、课程设计(论文)题目单相逆变器SPWM调制技术的仿真二、课程设计(论文)工作自 2014年 6月 16日起至 2014年 6月 20 日止。三、课程设计(论文) 地点: 电气学院机房 四、课程设计(论文)内容要求：1本课程设计的目的1熟练掌握MATLAB语言的基本知识和技能； 2熟悉matlab下的simulink和simpowersystems工具箱；3熟悉构建单相桥式逆变器SPWM单极性和双极性调制的仿真模型；4培养分析、解决问题的能力；提高学生的科技论文写作能力。 2课程设计的任务及要求1基本要求：1要求对主电路和脉冲电
2、路进行封装，并对调制度和载波比参数进行封装；2仿真参数为：E=100-300V; Ma=0.8-0.95; N=9-21; h=0.0001s，其他参数自定；3给出调制波原理图、相电压、相电流、线电压、不同器件所承受的电压波形以及 频谱图，要求采用subplot作图；4选取不同参数进行仿真，比较仿真结果有何变化，给出自己的结论。5利用matlab下的simulink和simpowersystems工具箱构建单相桥式逆变器spwm单极性和双极性调制的仿真模型。2创新要求： 封装使仿真模型更加美观、合理3课程设计论文编写要求1要按照课程设计模板的规格书写课程设计论文2论文包括目录、正文、心得体会、
3、参考文献等3课程设计论文用B5纸统一打印，装订按学校的统一要求完成4答辩与评分标准： 1完成原理分析：20分； 2完成设计过程：40分； 3完成调试：20分；4答复下列问题：20分；5参考文献：1 刘凤君. 现代逆变技术及应用M. 北京: 科学出版社, 2006.2 伍家驹, 王文婷, 李学勇, 等. 单相SPWM逆变桥输出电压的谐波分析J. 电力自动化设备, 2008, 28(4): 45-49, 52.3王兆安，刘进军，电力电子技术，机械工业出版社，2009.5 4汤才刚，朱红涛，李莉，陈国桥，基于PWM的逆变电路分析，现代电子技术2008年第1期总第264期。5刘卫国.MATLAB程序设
4、计与应用第二版.北京：高等教育出版社，2008.6课程设计进度安排内容 天数地点构思及收集资料 2图书馆编程设计与调试 2实验室撰写论文 2图书馆、实验室学生签名： 2011 年 6 月25 日课程设计(论文)评审意见1完成原理分析20分：优、良、中、一般、差； 2设计分析20分：优、良、中、一般、差； 3完成调试20分：优、良、中、一般、差；4翻译能力20分：优、良、中、一般、差；5答复下列问题20分：优、良、中、一般、差；6格式标准性及考勤是否降等级：是、否(7) 总评分数优、良、中、一般、差；评阅人： 职称： 年 月 日目录1.引言22.软件介绍33.电力电子电路的仿真实验系统设计43.
5、1实验系统总体设计43.2电力电子电路Simulink仿真，具有以下特点44.单相逆变器SPWM调制技术的仿真54.1 单相逆变器SPWM调制电路的基本结构图54.2 单相逆变器SPWM调制电路的工作原理54.2.1 逆变器SPWM调制原理54.2.2 SPWM控制方式74.3 单相逆变器SPWM调制电路的Simulink模型94.3.1 单极性SPWM仿真的模型图94.3.1 单极性SPWM仿真的模型图104.4 模型参数的设定模型仿真图及其分析114.3.1 单极性SPWM仿真114.3.2 双极性SPWM仿真165.结束语216.参考文献22单相逆变器SPWM调制技术仿真的课程设计 摘要
6、：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的单相桥式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提供了有效的工具。关键词：单相逆变 SPWM技术 MATLAB SIMULINK 仿真 分析1.引言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
7、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，随着晶闸管所处状态的不同，系统的参数形式也不同，因而传统的电脑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
8、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。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仿真软件对单相桥式逆变SPWM电路进行仿真分析，并得出正确的仿真结果。2.软件介绍MATLAB环境又称MATLAB语言是由美国New Me
9、xico 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ATLAB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。ATLAB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电脑工具。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，很快成为应用学科电脑辅助分析，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
10、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，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
11、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能来分析系统的动态特性。启动仿真后，SIMULINK通过鼠标操作就可以实现在线修改参数，改变仿真算法，暂停/继续或停止仿真，不需要其他的复杂操作。3.电力电子电路的仿真实验系统设计实验软件中提供了典型电力电子电路如整流电路、触发电路、有源逆变电路、交流变换电路、直流斩波电路等的数学模型，可供实验使用，同时也可以自己设计模型完成不同功能的实验任务。3.1实验系统总体设计电力电子电路的Simulink仿真流程如下：数学建模阶段模型
12、转换阶段运行仿真阶段分析仿真结果数学建模阶段：将实际对象的动态特性用微分方程、传递函数、状态方程或结构图等方式描述出来。模型转换阶段：在Matlab环境下选择仿真算法将数学模型转化成能被电脑接受的离散化模型，即仿真模型。建立模型后，设定每个模块参数。运行仿真阶段：在Simulink环境下设置仿真参数，包括仿真时间，仿真步长，误差值等，采取快速仿真算法，既能到达实时仿真的目的，又能满足一定的精度要求。分析仿真结果：使用Scopes可以观察仿真结果。并且能在仿真运行过程中随时改变参数，观察变化情况。3.2电力电子电路Simulink仿真，具有以下特点电力电子电路实验系统的Simulink仿真，具有
13、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，表达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、改良。4.单相逆变器SPWM调制技术的仿真4.1 单相逆变器SPWM调制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
14、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4.2 单相逆变器SPWM调制电路的工作原理4.2.1 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。PWMPulse 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
15、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图3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
16、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4.2.2 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范围内变化，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
17、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：曲线是正弦调制波，其周期决定于需要的调频比kf，振幅值决定于ku,曲线是采用等腰三角波的载波，其周期决定于载波频率，振幅不变，等于ku=1时正弦调制波的振幅值，每半周期内所有三角波的极性均相同(即单极性)。 调制波和载波的交点，决定了SPWM脉冲系列的宽度和脉冲音的间隔宽度，每半周期内的脉冲系列也是单极性的。 (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
18、载ZL的便是正、负交替的交变电流。 (c)双极性SPWM法 (1)调制波和载波： 调制波仍为正弦波，其周期决定于kf，振幅决定于ku,中曲线，载波为双极性的等腰三角波，其周期决定于载波频率，振幅不变，与ku=1时正弦波的振幅值相等。 调制波与载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此脉冲系列也是双极性的，但是，由相电压合成为线电压(uab=ua-ub;ubc=ub-uc;uca=uc-ua)时，所得到的线电压脉冲系列却是单极性的。 (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
19、电流。 图5单极性PWM控制方式图6 双极性PWM控制方式n 其中：载波比载波频率 fc与调制信号频率 fr 之比N，既 N = fc / fr 调制度调制波幅值Ar与载波幅值Ac之比，即MaAr/Ac同步调制N 等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。 基本同步调制方式，fr 变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定； 三相电路中公用一个三角波载波，且取 N 为3的整数倍，使三相输出对称； 为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数； fr 很低时，fc 也很低，由调制带来的谐波不易滤除； fr 很高时，fc 会过高，使开关器件难以承受。异步调制*载波信号和调制信号不同步的调制方式。
20、 通常保持 fc 固定不变，当 fr 变化时，载波比 N 是变化的； 在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称； 当 fr 较低时，N 较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小； 当 fr 增高时，N 减小，一周期内的脉冲数减少，PWM 脉冲不对称的影响就变大。4.3 单相逆变器SPWM调制电路的Simulink模型4.3.1 单极性SPWM仿真的模型图图7单极性SPWM仿真的主电路 图8 单极性SPWM仿真的触发脉冲电路 4.3.1 双极性SPWM仿真的模型图 图9 双极性SPWM仿真主电路 图1
21、0 双极性SPWM仿真的触发脉冲电路4.4 模型参数的设定模型仿真图及其分析4.3.1 单极性SPWM仿真 1频率为50hz；载波比为15；调制深度为0.85仿真分析负载电压傅里叶分析：负载电流傅里叶分析：2频率为50hz；载波比为15；调制深度为0.95仿真分析负载电压傅里叶分析：负载电流傅里叶分析：3频率为50hz；载波比为20；调制深度为0.95仿真分析负载电压傅里叶分析：负载电流傅里叶分析：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0m1时，基波电压幅值与直流侧电压满足
22、一下关系：。仿真电路中，m=0.85时，输出电压基波约为85v，m=0.95时，输出电压基波约为95v，它说明，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。载波比越高，最低次谐波离基波越远，也就越容易滤波。例如：调制深度都为0.95，载波比为15时， 负载电流谐波失真THD=8.22%；载波比为20时， 负载电流谐波失真THD=7.30%，即载波比越高，负载电流中的谐波越少。故提高载波比将有效改善输出电压的质量。4.3.2 双极性SPWM仿真1频率为50hz；载波比为15；调制深度为0.85仿真分析负载电压傅里叶分析：负
23、载电流傅里叶分析：2频率为50hz；载波比为15；调制深度为0.95仿真分析负载电压傅里叶分析：负载电流傅里叶分析：3频率为50hz；载波比为20；调制深度为0.95仿真分析负载电压傅里叶分析：负载电流傅里叶分析：由上面变载波比，变调制深度可以有下述结论，1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0m=1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=0.85时，输出电压基波约为85v，m=0.95时，输出电压基波约为95v，它说明，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
24、，可以方便的调节逆变器的输出电压的频率和幅值。2pwm电压波形中含有载波频率的整数倍及其附近的谐波。幅值最高影响最大的是k次谐波分量，随调制深度的增加，其幅值的相对值逐渐减小。由于pwm电压波形中含有载波频率的整数倍及其附近的谐波，可见载波比越高，最低次谐波离基波越远，也就越容易滤波。例如：调制深度都为0.95时，载波比为15时， 负载电流谐波失真THD=9.68%；载波比为20时， 负载电流谐波失真THD=9.23%，即载波比越高，负载电流中的谐波越少。故提高载波比将有效改善输出电压的质量。但是另外，由于开关损耗等原因，开关频率在逆变器的设计和运行中还会受到多种因素的影响，相应的对载波比大小
25、也有一定的限制。3输出频率：50hz；载波比：20；调制深度：0.95时，单极性电压总谐波失真THD=57.43%，负载电流谐波失真THD=7.30%；双极性，电压总谐波失真THD=109.74%，负载电流谐波失真THD=9.23%。可见，就基波性能而言，单极性pwm和双极性pwm完全一致，但在线性调制的情况下单极性pwm谐波性能明显优于双极性pwm，开关次整数倍谐波消除，最低次谐波幅值比双极性调制小的多，容易滤波。5.结束语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表达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
26、Matlab在电力电子系统仿真研究的实用性和有效性。通过这次本学期这次一周的课程设计，使我对本课程所学的内容有了一个连贯性，综合性的认识，通过自己的摸索和研究加深了我对理论的理解，同时 也提高了我独立的动手能力和分析解决问题的能力，具体说通过本次课程设计使我更加熟练的使用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。在这次课程设计的撰写中，我严格按照老师规定的格式，以毕业论文的要求严格的要求自己。通过这次为期一周
27、的课设使我获益匪浅，同时也为我以后毕业论文的撰写工作打下了一定的基础。6.参考文献1 刘凤君. 现代逆变技术及应用M. 北京: 科学出版社, 2006.2 伍家驹, 王文婷, 李学勇, 等. 单相SPWM逆变桥输出电压的谐波分析J. 电力自动化设备, 2008, 28(4): 45-49, 52.3王兆安，刘进军，电力电子技术，机械工业出版社，2009.54汤才刚，朱红涛，李莉，陈国桥，基于PWM的逆变电路分析，现代电子技术2008年第1期总第264期。5刘卫国.MATLAB程序设计与应用第二版.北京：高等教育出版社，2008.subplot(6,1,1);plot(a.time,a.sign
28、als(1).values)title(电源电压)subplot(6,1,2);plot(a.time,a.signals(2).values)title(触发信号1)subplot(6,1,3);plot(a.time,a.signals(3).values)title(触发信号2)subplot(6,1,4);plot(a.time,a.signals(4).values)title(Th1、Th4电流)subplot(6,1,5);plot(a.time,a.signals(5).values)title(Th2、Th3电流)subplot(6,1,6);plot(a.time,a.signals(6).values)title(负载电流)subplot(3,1,1);plot(a.time,a.signals(1).values)title(负载电压)subplot(3,1,2);plot(a.time,a.signals(2).values)title(负载电流)subplot(3,1,3);plot(a.time,a.signals(3).values)
