单相单,双极性SPWM仿真课设

目录引言.................................................................................................................11.单相SPWM结构及其工作原理................................................21.1PWM控制的基本原理..........................................................21.2SPWM基本原理...................................................................22.单相PWM逆变电路及其控制方法........................................32.1单相SPWM逆变电路结构.........................................................32.2单相SPWM逆变电路的控制方法...........................................32.2.1计算法和调制法........................................................................32.2.2调制度........................................................................................42.2.3异步调制与同步调制................................................................42.2.4采样方法....................................................................................42.2.5单极性与双极性控制方式........................................................53.MATLAB仿真建模............................................................................63.1单极性SPWM逆变电路建模...............................................63.1.1单极性PWM逆变主电路建模................................................73.1.2单极性SPWM逆变控制电路建模..........................................83.2双极性SPWM逆变电路建模..............................................93.2.1双极性SPWM逆变主电路建模..............................................93.2.2双极性SPWM逆变控制电路建模........................................104.仿真结果.................................................................................................114.1单极性SPWM仿真结果.....................................................114.2双极性SPWM仿真结果.....................................................154.3仿真结果分析.......................................................................185.总结............................................................................................................196.参考文献.................................................................................................201引言随着电力电子技术的不断发展，电力电子技术的各种装置在国民经济各行各业中得到了广泛应用。从电能转换的观点，电力电子的装置涵盖交流——直流变换、直流——交流变换、直流——直流变换、交流——交流变换。比如在可控电路直流电动机控制，可变直流电源等方面都得到了广泛的应用,而这些都是以逆变电路为核心。由于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各种装置的分析与大量的计算、电能变幻的波形分析、测量与绘制等，这些工作特别适合Matlab的使用。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，直观的以及Matlab绘制的图形准确、清晰、优美的优点，可以用Matlab软件来对电路的工作原理进行讨论分析和仿真，从而为电力电子技术的分析及设计提供了有效的工具。21.单相SPWM结构及其工作原理1.1PWM控制的基本原理PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，其控制的基本原理是面积等效原理，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。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段常接近，仅在高频段略有差异。1.2SPWM基本原理如图1-1为PWM波等效为正弦波，1-1a中把正弦波分成N等分，就可以把正弦波看成是由N个彼此相连的脉冲序列组成的波形，这些脉冲的宽度相等，都为π/N，但幅值不相等。如果把这一系列的窄脉冲用等幅而不等宽的矩形窄脉冲代替，使矩形脉冲的中点与相应的正弦脉冲部分的中点重合，且使矩形脉冲与相应的正弦脉冲的面积相等，且宽度是按正弦规律变化的如图1-1b，由面积等效原理可知，PWM波和正弦波是等效的。这种脉冲宽度按正弦规律变化和正弦波等效的PWM波形叫做SPWM。图1-1PWM波等效为正弦波32.单相PWM逆变电路及其控制方法2.1单相SPWM逆变电路结构如图2-1是单相PWM逆变电路VT1~VT4是四个IGBT管，VD1~VD4是四个二极管，调制电路作为控制电路控制IGBT导通与关断来得到所需要的波形图2-1单相SPWM逆变电路2.2单相SPWM逆变电路的控制方法2.2.1计算法和调制法SPWM逆变电路主要有两种控制方法：计算法和调制法。计算法是将PWM脉冲宽度的波形计算出来，显然这种方法是很繁琐的，不采用。调制法是用一个三角波作为载波，将一正弦波作为调制信号进行调制。我们采用调制法。因为等腰三角波上下宽度与高度呈线性关系且左右对称，当它与一个平缓变化的正弦调制信号波相交时，在交点时刻就可以得到宽度正比于正弦信号波幅度的脉冲42.2.2调制度调制度用Ma表示，载波幅值调制波幅值Ma2.2.3异步调制与同步调制载波频率fc与调制信号频率fr之比N=fc/fr叫载波比。在调制过程中N变化的叫异步调制，N不变的叫同步调制。我们采用同步调制。2.2.4采样方法采样方法包括自然采样法与规则采样法。自然采样法在载波与调制波的交点处采样，这要求解复杂的超越方程，难以在实时控制中在线计算，工程上不采用。工程上采用规则采样法，如图2-2-4所示在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点，过D作水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制开关器件的通断，脉冲宽度d和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。图2-2-4规则采样法由于我们用的是MATLAB仿真，我们采用自然采样法。图6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB''2252.2.5单极性与双极性控制方式单极性PWM控制方式：如图2-2所示，在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断ur正半周，VT1保持通，VT2保持断当uruc时使VT4通，VT3断，uo=Ud当uruc时使VT4断，VT3通，uo=0ur负半周，VT1保持断，VT2保持通当uruc时使VT3通，VT4断，uo=-Ud当uruc时使VT3断，VT4通，uo=0虚线uof表示uo的基波分量图2-2单极性SPWM控制方式波形双极性PWM控制方式：如图2-3所示，在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，在ur一周期内，输出PWM波只有±Ud两种电平，仍在调制信号ur和载波信号uc的交点控制器件的通断，ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud6当uruc时，给VT1和VT4导通信号，给VT2和VT3关断信号，如io0，VT1和VT4通，如io0，VD1和VD4通，uo=Ud当uruc时，给VT2和VT3导通信号，给VT1和VT4关断信号，如io0，VT2和VT3通，如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制图2-3双极性SPWM控制方式波形3.MATLAB仿真建模3.1单极性SPWM逆变电路建模建模时，为了方便采用通用桥universalbridge其内部结构如图3-1图6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud7图3-1在此我们用到了两个桥臂，当四列PWM信号输入通用桥的g端口时，通用桥会自动分配每一列的信号给每一个管子，控制该管子的开闭。其输入的顺序是，第一列信号输入到Q1，第二列信号输入到Q2，第三列信号输入到Q3，第四列信号输入到Q4.。3.1.1单极性PWM逆变主电路建模如图3-2是单极性SPWM逆变主电路图3-283.1.2单极性SPWM逆变控制电路建模单极性SPWM逆变控制电路建模图如图3-3图3-3单极性控制电路图对控制电路进行封装，封装的参数为输出频率f，载波比N，调制度Ma，由于要保持各控制脉冲输出的数据类型相同，在输出端均加有逻辑门控制电路的实现方法如下：将幅值为2，占空比为50%的脉冲减去幅值为1的直流电压得到正负交替占空比为50%的脉冲用得到的正负脉冲与三角载波相乘得到正负交替的三角载波相比较。参数-图3-4apulsegenerator参数f为正弦波频率9图3-4b三角波发生器参数f为正弦波频率N为载波比图3-4c正弦波发生器参数f为频率图3-43.2双极性SPWM逆变电路建模3.2双极性SPWM逆变电路建模3.2.1双极性SPWM逆变主电路建模双极性SPWM逆变主电路建模如图3-510图3-53.2.2双极性SPWM逆变控制电路建模双极性SPWM逆变控制电路建模如图3-6直接将正弦波与三角载波相交即可图3-611参数设置如图3-7图3-7a三角波发生器参数f为正弦波频率N为载波比图3-7b正弦波发生器参数f为频率图3-74.仿真结果4.1单极性SPWM仿真结果仿真时设置仿真时间为0.04s，仿真最大步长为10-5s，电源电压Ud=220V负载电阻R=1K，电感L=0.1H12图3-8a为f=50，N=18，Ma=0.9时的波形结果图（uo为输出电压io为输出电流）图3-8a图3-8b为f=50，N=18，Ma=0.9时输出电压uo的频谱图图3-8bt/st/st/s13图3-8c为f=50，N=18，Ma=0.9时输出电流io的频谱图图3-8c图3-9a为f=50，N=24，Ma=0.9时的波形结果图（uo为输出电压io为输出电流）图3-