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1、电力电子仿真实验报告电力电子仿真实验报告设计题目:PWM 设计及仿真学 院:电信学院班 级:电气 3 班姓 名:吕举山学 号:08230323指导老师:杨巧玲日 期:2011.12.211摘要PWM 控制技术是逆变电路中应用最为广泛的技术，现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是 PWM 型逆变电路。为了对 PWM 型逆变电路进行分析，首先建立了逆变电路控制所需要的电路模型，采用 IGBT 作为开关器件，并对单项桥式电压型逆变电路和 PWM 控制电路的工作原理进行了分析。运用 MATLAB 中得 SIMULINK 对电路进行了仿真，给出了其波形图。通过仿真分析表明，运用 PWM 控制技术可以实现
2、逆变电路的运行要求。关键字:PWM 逆变电路 脉宽调制2第 1 章 设计任务及要求计算机仿真具有效率高，精度高，可靠性高和成本低等特点，已经广泛应用于电力电子电路(或系统)的分析和设计中。计算机仿真不仅可以取代系统的许多繁琐的人工分析，减轻劳动强度，提高分析和实际能力，避免因为解析法在近似处理中带来的较大误差，还可以和实际调试和调试相互补充，最大限度的降低设计成本，缩短系统的研制周期。可以说电路的计算机仿真技术大大加速了电路的设计和实验过程。通过本次仿真，学生可以初步认识电力电子计算机仿真的优势，并掌握电力电子计算机仿真的基本方法1.1 PWM 技术PWM 控制的基本原理很早就已经提出但是受电
3、力电子器件发展水平的制约，在上世纪 80 年代以前一直未能实现。直到进入上世纪 80 年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM 控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术，微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论，非线性系统控制思想的应用，PWM 控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已出现了多种PWM 控制技术的特点，到目前为止主要有一下 8 中方法。1.1.1 相电压控制 PWM(1)等脉宽 PWM 法VVVF(variable voltage variable frequence)装置在早期是采用 PAM(plusAmplitude Modulatio
4、n)控制技术来实现的其逆变部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压，等脉宽 PWM 法正是为了克服 PAM 的这个缺点而发展而来的，是 PWM法中最为简单的一种，它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为 PWM 波，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或者占空比可以调压，采取适当控制方法即可使电压与频率协调变化。相对于 PWA，该方法的优点是简化了电路结构，提高了输入端的功率因数，但同时也存在输出电压中基波外，还包含较大的谐波分量(2) 随机 PWM3在上世纪 70 年代至上世纪 80 年代，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般不超过 5KHZ，电机绕组的谐波噪音及
5、谐波造成的震动引起了人们的关注。为求其改善，随机 PWM 方法应运而生。其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪音，尽管噪音的总分贝数未变，单一固定频率为特征的有色噪音强度大大降级，即使如此，在，,已经广泛运用的今天，对于载波频率必须限制在最低频率的场合，随机,仍然有其特殊的价值;另一方面则说明消除机械和电磁噪音的方法不是盲目的地提高工作频率，随机,技术正是提供了一个分析，解决这种问题的新思路。(,),(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的，目前实验最广泛的 PWM 法，采样控制中的一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相等。SPWM
6、 法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形即 SPWM 波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出地脉冲电压的面积与所希望输出地正玄波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值可以改变输出电压的频率和幅值。该方法的实现由以下几种方案。(一 )等面积法该方案实际上就是 SPWM 法原理的直接阐释，用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正玄波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微机中，通过查表的方式生产 PWM 信号控制开关器件的通断，以达到预期的目的。由于此方法是以 SPWM 控制的基本原理为出发点，可以准确地计算出各开关器件的通断时
7、刻，其所得到的波形很接近于正玄波，但其存在计算繁琐，数据占用内存大，不能实时控制的缺点。(二 )硬件调制法硬件调制法师为解决等面积法计算繁琐而提出的，其原理就是把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到得到所期望的PWM 波形。通常采用等腰三角形作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是 SPWM 波形。其实现方法简单，可以用模拟电路构成三角波载波和正玄波载波电路信号发生器，用比较器确定他们的交点，在交点时刻对开关器件的通4断进行控制，就可以生产 SPWM 波形，但是，这种模拟电路结构复杂，难以实现精确地控制(三) 软件生成法由于危机技术的发展使得用软件生产
8、 SPWM 波形变得比较容易，因此，软件生产法也就应用而生。软件生产法其实就是用软件来实现调制的方法，其有两种基本算法，即自然采样法和规则采样法。(四) 自然采样法以正玄波为调制波，等腰三角波为载波进行比较，在两个波形的交点时刻控制开关器件的通断，这就是自然采样法，其优点是是所得 SPWM 波形最接近正玄波，但由于三角波与正玄波交点有任意性，脉冲中性在一个周期内不等距，从而脉宽表达式是一个超越方程，计算繁琐，难以实时控制。(五) 规则采样法规则采样法是一种应用广泛的工程使用方法，一般用三角波作为载波，其原理就是用三角波对正玄波进行采样得到阶梯波，在由阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断，
9、从而实现 SPWM 法，当三角波只在其顶点或地点位置对正玄波进行采样时，由阶梯波和三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期内的位置一般不对称。这种方法称为非对称规则采样。规则采样法是对自然采样法的改进，其主要优点是计算简单，便于在线实时运算，其中非对称规则采样法因阶数多而更接近于正玄，其缺点是直流电压利用率低，线性控制范围较低。以上两种方法均只适用于同步调制方式。(4)低次谐波消去法低次谐波消去法是主要消去 PWM 波中某些低次谐波为目的的方法。其原理是对输出电压的波形按傅氏级数展开，其表达式 U(wt)=ansinwt,首先确定基波分量 a1的值，再令两个不同的 an=0,就可以建立三个方程
10、，联立求解得 a1,a2,a3，这样就可以消去两个频率的谐波。该方法虽然可以很好的消去所指定的第次谐波，但是，剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大，而且同样存在计算复杂的缺点，该方法同样只适用于同步调制电路中。(5)梯形波与三角波比较法5前面介绍的各种方法主要是以输出波形尽量接近正弦波为目的的，从而忽视了直流电压的利用率，如 SPWM 法，其直流利用率只有 86.6%，因此，为了提高直流电压的利用率，提出了一种新的方法-梯形波与三角波比较法。该方法是采用梯形波作为调制波，三角波为载波，且使两波的幅值相等，以两波的交点时刻控制开关器件的通断以实现 PWM 控制。由于梯形波幅值与三角波幅值相等
11、，其所含的基波分量幅值已超过了三角波幅值，从而可以有效的提高直流电压利用率。但由于梯形波本身含有低次谐波。所以输出波形中含有 5 次 7 次等低次谐波。1.1.2 线电压控制 PWM前面介绍的各种 PWM 控制方法用于三相逆变电路时，都是对三相输出相电压分别进行控制的，使其输出接近于正弦波，但是，对于像三相异步电动机这样的三相无中线对称负载，逆变输出不变追求相电压接近于正弦波，而可着眼于使线电压趋于正弦。因此，提出了线电压控制 PWM，主要有以下两种方法。1 马鞍形波与三角波比较法马鞍形波与三角波比较法就是谐波注入 PWM 法(HPWM)其原理是在正弦波中加入一定比例的三次谐波，调制信号便呈现
12、出马鞍形，而且幅值明显降低，于是在调制信号的幅值不超过载波幅值的情况下，可以使基波幅值超过三角波幅值，提高了直流电压利用率。在三相无中线系统中，由于三次谐波电流无通路，所以三个线电压和线电流均不含三次三次谐波。除了可以注入三次谐波意外，还可以注入三倍频于正弦波频率的其他波形，这些信号都不会影响线电压这是因为，经过 PWM 调制后逆变电路输出地相电压也必须包含三倍频与正玄波信号的谐波，但在合成线电压时，各项电压中的这些谐波将相互抵消，从而使线电压仍未正弦波。2 单元脉宽调制法因为，三相对称线电压有 Uuv+Uvw+Uwu=0 的关系，所以，某一线电压任何时刻都等于另外两个线电压负值之和。现在把一
13、个周期等分为 6 个区间，每个区间 60度，对于某一线电压例如 Uuv，半个周期两边 60 度区间用 Uuv 表示，中间 60 度区间用-(Uvw+Uwu)表示当将 Uvw 和 Uwu 做同样处理时，就可以6得到三相线电压波形只有半周期内两边 60 度区间的两中波形形状，并且有正有负。把这样的电压波形作为脉宽调制的参考信号，载波任用三角波，并把个区间的曲线用直线接近(实践表明，这样做引起的误差不大，完全可行)，就可以得到线电压的脉冲波形，该波形完全对称，切规律性很强，负半周是正半周相应脉冲列的反相，因此，只要半个周期两边 60 度区间的脉冲咧一经确定，线电压的调制脉冲波形就唯一确定了，这个脉冲
14、并不是开关器件的驱动脉冲信号，但由于已知三相线电压的工作模式，就可以确定开关器件的驱动脉冲信号序列了。 1.1.3 电流控制PWM电流控制 PWM 的基本思路是吧希望输出地电流波形作为指令信号，把实际的电流波形作为反馈信号，通过两者瞬时值的比较来决定各开关器件的通断，使实际输出随指令信号的改变而改变。第 2 章 PWM 控制的基本原理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
15、。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 b 所示的脉冲序列，这就是 PWM 波形。像这种脉冲宽度按照正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形，也称为 SPWM 波SPWM 波形如下图所示:7U dO , t-U d图(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
16、 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。d UO t ,d - U图(二):双极性 PWM 控制方式波形第 3 章 PWM 逆变电路及其控制方法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
17、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。图(三)是采用IGBT 作为开关器件的单相桥式电压型逆变电路。8图(三):单相桥式 PWM 逆变电路r 和 c 的交点时刻控制 IGBT 的通断。正半周，V1 单极性 PWM 控制方式:在 uuur保持通，V2 保持断。当 uruc 时使 V4 通，V3 断，uo=Ud 。当 uruc 时使 V4 断，V3 通，uo=0 。ur 负半周，V2 保持通，V1 保持断。当 u
18、ruc 时使 V3 断，V4 通，uo=0 。这样就得到图一所示的单极性的SPWM 波形。第 4 章 电路仿真及分析4.1 单极性触发脉冲产生电路模型如下:9单极性 PWM 逆变器触发脉冲发生电路在 Simulink 的“Source”库中选择“Clock”模块，以提供仿真时间 t,乘以2?f 后再通过一个“sin”模块即为 sinwt，乘以调制比 m 后可得到所需的正弦波调制信号。三角载波信号由“Source”库中的“Repeating Sequence”模块产生,正确设置参数，三角波经过处理，便可成为频率为 fc 的三角载波。将调制波和载波通过一些运算与比较，即可得出下图所示的单极性 SP
19、WM 触发脉冲波形。104.2 双极性 SPWM 触发脉冲波形的产生:仿真图如下所示双极性 PWM 逆变器触发脉冲发生电路同上，在 Simulink 的“Source”库中选择“Clock”模块，以提供仿真时间11t,乘以 2?f 后再通过一个“sin”模块即为 sinwt，乘以调制比 m 后可得到所需的正弦波调制信号。三角载波信号由“Source”库中的“Repeating Sequence”模块产生,正确设置参数，便可生成频率为 fc 的三角载波。将调制波和载波通过一些运算与比较，即可得出下图所示的双极性 SPWM 触发脉冲波形。单相桥式 PWM 逆变器 V1 触发脉冲波形(双极性 SPW
20、M 波形)4.3 单极性 SPWM 控制方式的单相桥式逆变电路仿真及分析4.3.1 单极性 SPWM 方式下的单相桥式逆变电路主电路图如下所示:12输入正弦波的参数设置如下图所示:13等腰三角波的参数设置如下:负载的输出电流电压波形如14下:改变正弦波输出频率，频率参数设定如下:15对应的输出电流和电压波形如图所示:16将 frequency 改为 100 得到如图所示波形:1718对应的电流与电压波形如图:分析波形:当改变正弦波的 frequency 值时，输出电压的频率随之改变，当正弦波的频率增大时输出电压的频率也增大，当正弦波的频率降低时输出电压的频率随之降低。故输出电压的频率与输入正玄
21、波的频率成正比。而输出电流波形的斜率即输出电流的变化率也受到影响，当输入正弦波的频率增大时，输出电流的变化率增大，当输入正弦波的频率降低时，输出电流的变化率随之降低，故输出电流的变化率与输入正弦波的频率成正比。故得出结论:输出电流与电压的频率与变化率与输入正弦波的频率成正比。4.3.2 双极性逆变电路仿真电路图如下图所示:19参数设置如下图:PWM generator 参数如下图:RL 参数设置如下图:20输出电流和输出电压的波形如图所示:21改变 PWM genetrator 的输出频率，观察输出电压电流波形的变化，PWMgenerator的参数设置如下图所示:22输出电流和电压的波形如图所
22、示:23对应的,参数如图所示:24将,参数改为如下所示时观察电流电压的波形:此时观察输出电流与电压的波形如下图所示:此时仿真时出现错误，如上所示，所以,网络中 R 值是定值不能随便改，否则会出现错误。综上所述，在三相双极性 PWM 仿真中，负载上的电流和电压的频率随输入信号的频率的变化而变化，而且两者间成正比例变化。25用原件搭建的单极性和双极性 PWM 发生器电路别如下图所示:2627双极性 PWM 发生电路如下所示:2829第 6 章 参考文献【1】.孙树朴等.电力电子技术.第一版.中国矿业大学出版社.1999 【2】.邵丙衡.电力电子技术.第一版.铁道出版社.1997 【3】.黄俊.半导
23、体变流技术.第四版.机械工业出版社.2002 【4】.张立.现代电力电子技术.第一版.科学出版社.1995 【5】.周明宝.电力电子技术.第一版.机械工业出版社.1997 【6】.叶斌.电力电子技术习题集.第一版.铁道出版社.1995 【7】.赵良炳.现代电力电子技术基础.第一版.清华大学出版社.199530第 5 章 心得体会通过这次电力电子仿真实验，我不仅加深了对电力电子理论的理解，将理论很好地应用到实际当中去，而且我还学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。创新可以是在原有的基础上进行改进，使之功能不断完善，成为真己的东西。这个设计过程中，我们通过在原有的 PWM
24、发生器进行了改进，使之成为一个更加适用，功能更加完备的属于自己的一个系统。设计结果能够符合题意，成功完成了此次实习要求，我们不只在乎这一结果，更加在乎的，是这个过程。这个过程中，我们花费了大量的时间和精力，更重要的是，我们在学会创新的基础上，同时还懂得合作精神的重要性，学会了与他人合作31目录第 1 章 设计任务及要求11.1 PWM 技术21.1.1 相电压控制 PWM31.1.2 线电压控制 PWM61.1.3 电流控制 PWM7 第 2 章 PWM 控制的基本原理7 第 3 章 PWM 逆变电路及其控制方法8第 4 章 电路仿真及分析94.1 单极性触发脉冲产生电路94.2 双极性 SPWM 触发脉冲产生电路114.3 单极性 SPWM 控制方式的单相桥式逆变电路仿真及分析124.4 双极性逆变电路仿真电路204.5 原件搭建的单极性和双极性 PWM 发生器电路27 第 5 章 心得体会31 第 6 章 参考文献3232