电力电子课程方案shuo.docx

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电力电子课程方案shuo

电力电子系统仿真设计报告

题目：

基于PWM逆变器的设计与仿真

指导老师：

杨小玲

院系：

电气三班

姓名：

吴明

学号：

08230318

时间：

2018.12

摘要

现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。

通过对PWM型逆变电路进行研究，首先建立了逆变器单极性控制和双极性控制所需的电路模型，采用IGBT作为开关器件，并对单相桥式电压型逆变电路和三相桥式电压型逆变电路的工作原理进行了分析，运用MATLAB中的SIMULINK对电路进行了仿真，并给出了仿真结果波形，证实了MATLAB软件的简便直观、高效快捷和真实准确性。

关键词：

SPWM；PWM；逆变器；MATLAB

引言4

第一章对仿真软件以及设计内容及技术要求简单介绍5

1.1对仿真软件MATLAB的介绍5

1.2设计内容5

1.1.1设计的内容：

5

1.1.2PWM逆变器的电路参数要求5

1.2设计技术要求5

1.2.1仿真任务要求：

5

1.2.2设计的总体要求6

第二章对电力电子器件的简单介绍7

2.1．电力电子中常用的器件做简单的介绍：

7

第三章PWM逆变器电路的设计和工作原理11

3.1、SPWM逆变器调制原理11

3.2、SPWM控制方式12

3.2.1单极性SPWM调制方法12

3.2.2双极性SPWM调制方法13

3.3调制法14

第四章.PWM逆变器电路的电路仿真及分析18

4.1PWM技术逆变器原理18

4.2于PWM技术逆变器及其仿真18

4.2.1GBT在MATLAB中的实现18

4.2.2PWM发生器20

4.3.3相单极性PWM仿真21

第五章心得体会与总结31

参考文献33

引言

电力电子学是由电力学，电子学和控制理论三个学科交叉而形成的，电力电子技术的应用范围十分广泛。

其不仅应用于一般的工业，同时广泛应用于电力系统，交通运输，通讯系统以及新能源系统。

电力电子技术是电气工程及其自动化

专业的一门专业基础课，实践性和应用性都很强，教案效果的好坏直接影响着后续专业课的学习。

电力电子电路主要包括控制电路，检测电路。

驱动电路和主电路，在所学电力电子技术课程中主要是以分析主电路为主，AC--DC则是相控分析法的基础和重点，三相可控桥整流电路则是整流电路的难点。

“电力电子电路的计算机仿真”针对电力电子电路的特点，对器件，装置和系统3个层次阐述了电力电子电路计算机辅助设计中各种数学模型的基本原理，分析方法和应用实例。

“电力电子电路的计算机仿真”注重将理论分析和实际应用相结合，通过大量的应用实例，对不同类型仿真软件在电力电子技术仿真计算机中的适用性进行了详细的讨论，以期对进行电力电子电路分析设计的读者起到帮助和指导作用。

近年来，MATLAB已成为科学研究和过程设计中最重要的工具之一。

在电力电子教案实践中，我们立足于传统的授课模式，引入MATLAB／SIMULINK仿真工具，把传统授课方式和现代多媒体授课方式有机的结合起来。

随着地球非可再生资源的枯竭日益以及人们对电力的日益依赖,逆变器在人们日常生活中扮演着越来越重要的角色.近年来,PWM型逆变器的的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，并显示出其可以同时实现变频变压反抑制谐波的优越性,因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。

PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。

第一章对仿真软件以及设计内容及技术要求简单介绍

1.1对仿真软件MATLAB的介绍

MATLAB俗称“矩阵实验室”，是MatrixLaboratory的缩写。

1984年由美国MathWorks公司研制开发，以矩阵计算为基础的交互式的功能强大的科学及工程计算软件。

首创者是在数值线性代数领域颇有影响的CleveMoler博士。

Matlab将高性能的数值计算和可视化集成在一块，并提供了大量的内置函数，从而使其广泛应用于数学计算和分析，自动控制，系统仿真，数字信号处理，图形图像分析，数理统计，人工智能，虚拟现实技术，通讯工程，金融系统等领域。

除了MATLAB语言的强大数值计算机和图形功能外，它还有其他语言难以比拟的功能，此外，它和其他语言的接口能够保证它可以和各种各样的强大计算机软件相结合，发挥更大的作用。

MATLAB目前可以在各种类型的常用计算机上运行，如在PC兼容微型计算机，SunSparc工作站，SiliconGraphics工作站，惠普工作站和其他一些计器上完全兼容。

ＭＡＴＬＡＢ语言具有较高的运算精度，一般情况下，在矩阵类运算中往往可达到１０－１５数量级的精度，MATLAB是以复数矩阵作为基本编程单元的一种高级程序设计语言，它提供了各种矩阵的运算与操作，并有较强的绘图能力，所以得以广为流传。

Simulink是TheMathworks公司于1990年推出的产品，是用于MATLAB下建立系统框图和仿真的环境。

该环境刚推出时的名字叫Simulab，由于其名字很类似于当时一个很著名的语言—Simula语言，所以次年更名为Simulink。

和MATLAB其他内容一样，Simulink也提供了较完善的联机帮助系统，选中一个模块，选择Ｈｅｌｐ菜单项或右击该模块，并在快捷菜单中选择Ｈｅｌｐ。

1.2设计内容

1.1.1设计的内容：

（1）制定设计方案；

（2）主电路设计及主电路元件选择；

（3）驱动电路和保护电路设计及参数计算、器件选择；

（4）绘制电路原理图；

（5）总体电路原理图及其说明。

1.1.2PWM逆变器的电路参数要求

电源工频220V，阻感负载。

负载参数、输出频率自定。

要求分别用单极性和双极性SPWM。

1.2设计技术要求

1.2.1仿真任务要求：

（1）熟悉matlab/simulink/powersystem中的仿真模块用法及功能；

（2）根据设计电路搭建仿真模型；

（3）设置参数并进行仿真；

（4）给出不同触发角是对应电压电流的波形；

1.2.2设计的总体要求

（1）熟悉整流和触发电路的基本原理，能够运用所学的理论知识分析设计任务；

（2）掌握基本电路的数据分析、处理；描绘波形并加以判断；

（3）能真确设计电路，画出线路图，分析电路原理；

（4）广泛收集相关技术资料；

（5）按时完成课程设计任务，认真、正确书写课程设计报告

第二章对电力电子器件的简单介绍

2.1．电力电子中常用的器件做简单的介绍：

按照器件能够被控制信号所控制的程度，一般电力电子器件可以分为三种情况：

半控型器件：

通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。

全控型器件：

通过控制信号既可以控制其导通又可以控制其关断，又称自关断器件。

不可控器件：

不能用控制信号控制其通断，因此也就不需要驱动电路。

1.电力二极管

电力二极管是一种具有单向导电性的半导体器件，即正向导电性，反向阻断。

电力二极管实际上是由一个较大的PN结和两端引线以及封装组成的。

电力二极管的主要参数包括：

正向平均电流IF

电力二极管的主要类型包括：

普通二极管<又称整流二极管），快恢复二极管，肖特基二极管。

电力二极管的仿真模型是由一个电阻，一个电感，一个直流电压源和一个开关串联组成的。

工作特性：

二极管具有单向导电能力，二极管正向导电时必须克服一定的门坎电压Uth（又称死区电压>，当外加电压小于门坎电压，正向电流几乎为零。

硅二极管的门坎电压约为0.5V，当外加电压大于Uth后，电流会迅速上升，当外加反向电压时，二极管的反向电流Is是很小的，但是当外加反向电压超过二极管反向击穿电压URO后二极管被电击穿，反向电流迅速增加。

电力二极管的基本特性：

2.晶闸管

晶闸管又可称为可控硅整流器，是一种具有开关作用的大功率半导体器件，目前容量可达8kV/6kA以上。

它具有4层PN结构，3端引出线

晶闸管的主要参数包括：

电压定额<电压选择应取2-3倍的安全裕量），电流定额<在稳定的额定结温时所允许的最大通态平均电流），动态参数<开通时间和关断时间）。

晶闸管具有四种派生器件，分别是快速晶闸管<与普通晶闸管相同），双向晶闸管，逆导晶闸管和光控晶闸管。

晶闸管导通需要具备两个条件：

晶闸管的阳极和阴极之间加正向电压以及门极和阴极之间也加正向电压和电流，晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件，为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。

晶闸管的仿真模型是由一个电阻，一个电感，一个直流电压源和一个开关串联组成。

开关受逻辑信号控制，该逻辑信号由电压，电流和门极触发信号决定，即信号电压大于电压源电压，门极触发信号大于0致使晶闸管导通以及电流大于0.

工作特性：

当阳极和阴极之间的电压大于Vf且门极触发脉冲为正时，晶闸管开通。

该触发脉冲的幅值必须大于零且有一定的持续时间，以保证晶闸管阳极电流大于擎住电流。

当晶闸管阳极电流下降到0且阳极和阴极之间施加反向电压的时间大于或等于晶闸管的关断时间时，晶闸管关断。

如果阳极和阴极之间施加的反向电压的持续时间小于晶闸管的关断时间时，晶闸管就会自动导通，除非没有门极触发信号且阳极电流小于擎住电流。

晶闸管的伏安特性：

3.门极可关断晶闸管（GTO>

GTO是一种多元的功率集成器件，是PNPN四层半导体结构，外部也是引出阳极，阴极和门极。

目前，GTO的容量水平达6000A/6000V,频率为1kHZ,开通过程中需要经过延时时间和上升时间，关断过程中需要经历抽取饱和导通是储存多大的大量载流子的时间，从而使等效晶体管退出饱和状态。

主要参数包括：

最大可关断阳极电流，电流关断增益，开通时间，关断时间。

工作特性：

开通过程：

GTO也等效成两个晶体管P1N1P2和N1P2N2互连，GTO与晶闸管最大区别就是导通后回路增益数值不同。

晶闸管的回路增益常为1.15左右，而GTO的增益非常接近1.因而GTO处于临界饱和状态。

这为门极负脉冲关断阳极电流提供有利条件。

关断过程：

GTO关断时，随着阳极电流的下降，阳极电压逐步上升，因而关断时的瞬时功耗较大，在电感负载条件下，阳极电流和阴极电压有可能同时出现最大值，此时的瞬间关断功耗尤为突出。

GTO的阳极伏安特性：

4.绝缘栅双极晶体管

绝缘栅综合了电力晶体管和电力场效应管的优点，因而具有低导通压降和高输入阻抗的综合优点。

IGBT也是三个端子器件，具有栅极g,集电极C和发射极E。

IGBT是一种场控器件，其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的，当UGE为正且大于开启电压Uth时，IGBT导通。

当栅极与发射极之间施加反向电压时，IGBT关断。

IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。

反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT关断。

IGBT的仿真模型是由一个电阻，一个电感，一个直流电压源和一个逻辑信号控制的开关串联电路组成的。

IGBT的工作特性：

当基极电压为正且大于Vf，同时门极施加正信号时

IGBT的伏安特性和转移特性：

第三章PWM逆变器电路的设计和工作原理

3.1、SPWM逆变器调制原理

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

在采样控制理论中有一个重要的结论：

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3.1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，SPWM调制技术才孕育而生。

重要理论基础——面积等效原理

.

a>矩形脉冲b>三角脉冲

c>正弦半波脉冲d>单位脉冲函数

图3.1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

下面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，就可得到下图所示的脉冲序列，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波形。

SPWM波形如下图3.2所示：

图3.2<一）:

单极性PWM控制方式波形

上图波形称为单极性SPWM波形，根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，即双极性SPWM波形，而且这种方式在实际应用中更为广泛。

图3.2<二）:

双极性PWM控制方式波形

3.2、SPWM控制方式

3.2.1单极性SPWM调制方法

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。

3.2.2双极性SPWM调制方法

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。

图3.3双极性PWM控制方式

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Ma＝Ar/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。

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。

3.3调制法

PWM逆变电路可分为电压型和电流型两种，目前实际应用的几乎都是电压型电路，因此主要分析电压型逆变电路的控制方法。

要得到需要的PWM波形有两种方法，分别是计算法和调制法。

根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形，这种方法称为计算法。

由于计算法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。

与计算法相对应的是调制法，即把希望调制的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。

通常采用等腰三角波作为载波，在调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。

下面具体分析单相桥式逆变电路的单极性控制方式和三相桥式逆变电路的双极性控制方式。

3.3.1结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明

图3.4是采用IGBT作为开关器件的单相桥式电压型逆变电路。

图3.4：

单相桥式PWM逆变电路

图3.4所示为采用了IGBT作为开关器件的单相桥式电压型逆变电路。

设负载为阻感负载，工作时V1和V2的通断状态互补，V3和V4的通断状态也互补。

具体控制规律如下：

在期望输出电压UO的正半周，让V1保持通态，V2保持断态，V3和V4交替通断。

由于负载电流比电压滞后，因此在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。

在负载电流为正的区间，V1和V4导通时，负载电压uo=Ud。

V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0.在负载电流为负的区间，io实际上从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud。

；V4关断，V3导通后，io从V3和VD1续流，uo=0。

这样，uo总可以得到Ud和零两种电平。

同样，在期望输出uo的负半周，让V2保持通态，V1保持断态，V3和V4交替通断，负载电压uo可以得到-Ud和零两种电平。

控制V3和V4通断的方法为：

在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。

在ur的正半周，V1保持通态，V2保持断态，当ur>uc时使V4导通，V3关断，uo=Ud。

当ur

在ur的负半周，V1保持通态，V2保持断态，当uruc时使V3关断，V4导通，uo=0。

如图3.2<一）即为PWM单极性PWM模式。

与单极性PWM相对应的是双极性PWM模式。

图3.4所示的单相桥式逆变电路在采用双极性PWM模式时的波形如图3.2<二）所示。

仍然在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关器件的通断。

在ur的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。

即当ur>uc时，给V1和V4以导通信号，给V2和V3以关断信号，这时如io>0，则V1和V4通，如io<0，则VD1和VD4通，不管哪种情况都是输出电压uo=Ud。

当ur0，则VD2和VD3通，不管哪种情况都是uo=-Ud。

可见在每个开关周期内，电路输出的PWM波只有±Ud两种电平，而不像单极性控制时还有零电平。

3.3.2结合IGBT三相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明

图3.3三相桥式PWM型逆变电路

2）U、V、W三相的PWM控制是通常公用一个三角波Uc，三相的调制信号Uru、Urv、Urw依次相差120°。

U、V、W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U相为例来分析。

当Uru>Uc时，给桥臂V1以导通的信号，给下桥臂V4以关断的信号，则U相相对于直流电源假想中点N’的输出电压UN’=Ud/2。

当Uru

V1和V4的驱动信号始终时互补的。

当给V1

根据计算式可得，负载相电压UN可求得

UN=UN’-（UN’+VN’+WN’>/3

在电压型逆变电路的PWM控制中，同一相上下两个臂的驱动信号都是互补的。

3）双极性PWM控制方式<三相桥逆变）

下面以U相为例分析控制规律：

当urU>uc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN’=Ud/2。

当urU

当给V1（V4>加导通信号时，可能是V1（V4>导通，也可能是VD1（VD4>导通。

uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2两种电平。

uUV波形可由uUN’-uVN’得出，当1和6通时，uUV=Ud，当3和4通时，uUV=－Ud，当1和3或4和6通时，uUV=0。

输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成

负载相电压PWM波由（±2/3>Ud、（±1/3>Ud和0共5种电平组成。

防直通的死区时间

同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。

死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。

死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。

可以看出，单相桥式电路既可以工作在单极性模式，也可以工作在双极性模式，由于对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。

单极性PWM模式的交流输出更接近于正弦波，所含的高次谐波含量要小的多，这是单极性PWM模式的优点。

与单极性PWM相比，双极性PWM模式在PWM信号的产生和主电路的结构方面都比较简单，因此应用更加广泛。

.

.第四章.PWM逆变器电路的电路仿真及分析

4.1PWM技术逆变器原理

4.2于PWM技术逆变器及其仿真

4.2.1GBT在MATLAB中的实现

由电阻Ron、电感Lon和直流电压源Vf与逻辑信号0或g=0）控制的开关串联电路组成

输入C和输出E对应于绝缘栅双极型晶体管的集电极C和发射极E

输入g为加在门极上的逻辑控制信g

输出m用于测量输出向量[Iak,Vak]

IGBT的参数设置

绝缘栅双极型晶体管:

内电阻Ron

电感Lon

正向管压降Vf

电流下降到10%的时间Tf

电流拖尾时间Tt

初始电流Ic

缓冲电阻Rs

缓冲电容Cs

4.2.2PWM发生器

MATLAB在SimPowerSystems工具箱的Extras库中ControlBlocks子库下的PWM发生器

Signal

当选择为调制信号内部产生模式时，无需连接此端子；当选择为调制信号外部产生模式时，此端子需要连接用户定义的调制信号。

Pulses：

根据选择主电路桥臂形式，定制产生2，4，6，12路PWM脉冲。

PWM发生器参数设置

GeneratorMode：

分别选择为1-armbridge<2pulses）、2-armbridge<4pulses）、3-armbridge<6pulses）、double3-armbridge<6pulses）。

Carrierfrequency（Hz>：

载波频率

Internalgenerationofmodulatingsignal（s>：

调制信号内、外产生方式选择信号。

Modulationindex（0：

调制索引值m，调制信号内产生方式下可选，其范围在0－1之间。

大小决定输出信号的复制。

Frequencyofoutputvoltage（Hz>：

调制信号内产生方式下可选，输出电压的频率设定

Phaseofoutputvoltage（degrees>：

调制信号内产生方式下可选，输出电压初始相位值设定。

4.3.3相单极性PWM仿真

主电路图如下：

.仿真波形图如下图<一）

图<一）

图<二）

分析：

如图，工作时V1和V2的通断状态互补，V3和V4的通断状态也互补。

具体控制规律如下：

在期望输出电压UO的正半周，让V1保持通态，V2保持断态，V3和V4交替通断。

由于负载电流比电压滞后，因此在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。

在负载电流为正的区间，V1和V4导通时，负载电压uo=Ud。

V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0.在负载电流为负的区间，io实际上从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud。

；V4关断，V3导通后，io从V3和VD1续流，uo=0。

这样，uo总可以得到Ud和零两种电平。

同样，在期望输出uo的负半周，让V2保持通态，V1保持断态，V3和V4交替通断，负载电压uo可以得到-Ud和零两种电平。

在信号波的正半周期，电压波形在Ud与0之间跳动，在负半周在0与Ud之间；电流波形近似为正弦波。

因此被成为单极性。

如图所示，两种连接方式所得的结果基本相同。

.

仿真波形图如上图<二）

4.3.4相双极性SPWM仿真设计

桥臂电路设计如下图