电气工程及其自动化毕业设计 .doc
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1、本 科 毕 业 设 计题目:三相电压型PWM逆变电路建模与仿真姓 名 朱 明 礼 学 院 信息与电气工程学院 专 业 电气工程及其自动化 年 级 2008级 学 号 指导教师 封 宁 君 2012 年 5月 23日独 创 声 明本人郑重声明:所呈交的毕业论文(设计),是本人在指导老师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,成果不存在知识产权争议。尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本论文(设计)不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。此声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 二一二 年 月 日毕业论文(设计)使用授权声明
2、本人完全了解鲁东大学关于收集、保存、使用毕业论文(设计)的规定。本人愿意按照学校要求提交论文(设计)的印刷本和电子版,同意学校保存论文(设计)的印刷本和电子版,或采用影印、数字化或其它复制手段保存论文(设计);同意学校在不以营利为目的的前提下,建立目录检索与阅览服务系统,公布论文(设计)的部分或全部内容,允许他人依法合理使用。(保密论文在解密后遵守此规定)论文作者(签名): 二一 年 月 日目 录1 引言22 三相PWM逆变电路的相关理论背景22.1 逆变22.2 PWM控制的基本原理32.3三相电压型PWM逆变电路控制原理53三相电压型PWM逆变电路模型的建立过程73.1三相电压型PWM逆变
3、电路的建立步骤及相关说明73.1.1建立模型窗口73.1.2建立逆变器主电路模型并设置相关参数73.1.3 PWM发生器的模型建立及其设置113.1.4 LC滤波器的建立与参数设置123.1.5主回路负载建立及设置153.1.6直流电源设置163.1.7设置相应的测量和输入模块163.1.8对逆变系统各模块进行电气连接174对模型进行仿真设置及调整分析174.1对所搭建好的模型进行仿真174.2 对仿真结果的分析及其调整195结束语21参考文献21致谢22三相电压型PWM逆变电路的建模与仿真朱明礼(信息与电气工程学院,电气工程及其自动化专业,2008级)摘 要:本文在以MATLAB软件中的Si
4、mulink为工具的基础上,对三相电压型PWM逆变电路进行了仿真研究。根据三相电压型PWM逆变电路及MATLAB的相关理论背景,重点对逆变器系统模型的搭建进行详细说明,最后对模型进行了仿真研究。 本文首先详细分析了三相电压型PWM逆变器的电路结构、逆变的工作原理及PWM控制方法;在此基础上利用MATLAB这一仿真工具,对模型系统的每一个具体模块的建立及其相关参数进行了设置,并对主电路的模块进行了单独说明,同时也详细说明了LC滤波模块的设置及其封装;之后进行整体的连接搭建;最后设置仿真参数实现了对三相电压型PWM逆变电路的仿真研究,优化模型性能,获得了完美成果。关键词:三相电压型PWM逆变器;调
5、制法;MATLAB;仿真Three-phase voltage type PWM inverter circuit modeling and simulationAbstract: In this paper, based on Simulink in the MATLAB software tools, three-phase PWM inverter circuit is simulated. The theoretical background of the three-phase voltage source PWM inverter circuit and MATLAB focuse
6、s on the structures of the inverter system model described in detail, the final model, a simulation study. This article first detailed analysis of the circuit structure of the three-phase voltage source PWM inverter, the inverter works and PWM control method . On this basis, using MATLAB simulation
7、tool for each specific module of the model system to establish its relevant parameters set, and the main circuit module separate instructions, as well as detailed description of the LC filter module settings and their packaging. overall connection structures. set the simulation parameters for three-
8、phase voltage type PWM inverter circuit simulation to optimize model performance, get perfect results.Keywords: three-phase PWM inverter; modulation method; of MATLAB; simulation1 引言众所周知,当今控制技术高速迅猛发展,随之带来的是对于控制理论和相关电力电子器材及系统模型的性能的高效率、高稳定可靠性的要求。众多电气设备无论是商用级别是军用级别对幅值、频率、稳定性的要求千差万别,因而这些设备通常不能统一于国家电网通用交
9、流系统的频率、幅值要求之中,这就要求我们通过电力电子功率变换器改变其电能传输性质。像我们见到的通信专用电源、电弧焊适配电源、产热加热器、电动机变频调速系统、电池适配器等等,它们所使用的电能都是通过相关器件对电网电力性能进行整流和逆变之后所得到的。这其中随着新兴电力电子器件的不断涌现,变频技术以其独特的优势得到迅速的发展。在变频调速系统中期核心的交-直-交变频器的基本电路就由整流和逆变两种电路组成。而在这一先整流后逆变的过程中逆变又是其核心内容。因此,高质量的逆变电路已成为电源技术及调速系统的重要研究对象。PWM控制技术为逆变电路的设计注入了新的活力,目前其在中小功率逆变器中的应用十分广泛,这其
10、中三相电压型PWM逆变器已又成为交流电机控制系统中最常用的功率变换器。本文主要实现以下几点:(1)对三相PWM逆变电路进行相关理论探析;(2)研究理论建立模型;(3)对模型进行MATLAB仿真,并通过数据及结构调节得到最佳逆变效果;(4)根据仿真波形分析波形控制、调制的规律。2 三相PWM逆变电路的相关理论背景2.1 逆变 逆变 就是把直流电变成交流电。逆变器(inverter)实现了直流电源对交流负载的能量提供,这一过程与整流相反,或将逆变器作为变频器等装置的一部分对电力性能调整变换传递,来满足用电设备的不同运行要求。以下图2.1为例说明逆变电路基本工作原理。图2.1.1 图2.1.2图2.
11、1 逆变原理图及其波形图基本的逆变过程说明:图2.1.1中S1S4是桥式电路的四个由电力电子器件及其辅助电路组成的桥臂。若使S1、S4导通,同时使S2、S3断开,则U0(负载电压)为+;反之,若使S1,S4断开,同时使S2、S3导通,负载电压U0为。如此连续就会有图2.1.2的波形。就这样通过控制系统调控四个桥壁的导通与关断就能将直流电能转化成交流的电能,通过控制桥臂的动作频率也可改变输出交流频率。当负载为电阻时,负载电流i0与负载电压u0的相位和波形形状就完全相同。当负载为阻感时,i0的基波相位就滞后于电压u0的基波相位,当然两个波形也不一样,如图2.1.2为阻感负载时电流i0波形。2.2
12、PWM控制的基本原理PWM(Pulse Width Modulation)控制脉冲宽度调制技术,通过对一系列脉冲的宽度进行调制,产生一系列矩形脉冲来逼近等效地获得所需的要波形(含形状和幅值)。PWM电压控制方法不用像PAM(Pulse Amplitude Modulation,脉冲幅值调制)那样调节直流母线电压,而是通过改变逆变电桥的内部各桥臂的导通、断开时间之间的比率来迅速改变电压的大小,因而可用不空整流电路代替可控整流电路。PWM波形-用一系列等幅不等宽的脉冲将正弦半波N等分,代替一个正弦半波。这些脉冲宽度相等,按正弦规律变化,但幅值不等,但面积(冲量)相等。 图2.2用PWM波代替正弦波
13、形例如在对交流电机进行调速时,通常要求器控制电路能迅速满足其电机电流高速变换的要求,PWM电压调制就能有效控制快速控制电压输出来满足其目的。 PWM逆变电路及其控制方法目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术。逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。PWM逆变电路按形式可归类为电压型与电流型,其中电压型得到了最广泛的应用。PWM逆变电路控制方法主要有计算法和调制法。(1)计算法:根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数,通过计算PWM波各脉冲宽度和间隔来控制逆变电路开关器件的通断得到PWM波形。一般不采用。(2)调制法:将调制信号设为想输出的波形,载波设为接受调制的信号,然后通过调制信号波得到
14、所想要的波形。通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波。调制信号波设为正弦波时,得到的就是SPWM波;调制信号不是正弦波,而是其他波形时,也能得到等效的PWM波。如图2.3所示,为三角波调制法的电路原理,用三角波电压与正弦波电压比较,得到所需要分段矩形的脉冲宽度,然后得到所需要的PWM脉冲。在电压比较器A的两个输入端分别输入正弦波调制电压和三角载波电压,于是在A的输出端就得到了所需要的PWM调制脉冲图2.3 三角波调制法的电路原理结合下图2.4 IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明: 在uo正半周,V1通,V2断,V3和V4交替通断。但在uo正半周,电流有一段为正,一段为负,因为负载电流比
15、电压滞后。在负载电流正区间,V1和V4导通,uo=Ud。V4关断时, V1和VD3续流,uo=0。负载电流为负区间,因io为负,从VD1和VD4 上仍有电流流过, uo=Ud。V4断,V3通后, V3和VD1续流,uo=0,于是uo总有 Ud和零两种电平。uo负半周,V2通,V1断,V3和V4交替通断,uo可得-Ud和零两种非正电平。图2.4单相桥式PWM逆变电路如下图控制V3、V4通断。ur 为调制信号,uc 为载波, IGBT的通断在ur和uc的波形相交时刻迅速转换。ur正半周,V1通,V2断。uruc时V4通,V3断,有uo=Ud。uruc时V4断,V3通,有uo=0;ur负半周,V1断
16、,V2通。uruc时V3断,V4通,uo=0。波形见下图2.5图2.5单极性PWM控制方式波形双极性的PWM控制方式和单极性的控制方式对应。双极性时ur 无论在正半周期还是在负半周期内部,三角载波不再是单极性的,而是正负兼有双极性的,得到的PWM调制波也是正负兼有。双极性的PWM调制波就不再像单极性的那样有0电平,而只有+ 两个电平。图2.6双极性PWM控制方式波形2.3三相电压型PWM逆变电路控制原理三相桥式PWM逆变电路采用双极性控制方式。三相控制公用一个uc 作为载波,而三相的调制信号urU、urV和urW依次相差2/3。在图2.7三相电压PWM逆变电路的控制原理分析图中,为了便于理解我
17、们将直流电路一侧的一个较大的电容等效成其由两个电容串联而成,并标示出假想的中点N。其中,对于U相的控制规律:urUuc时,V1导通,给V4关断,uUN=Ud/2。urUuc时,给V4导通,V1关断,uUN=-Ud/2。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,道理通单相PWM逆变双极性控制之下的情况。图2.7三相桥式PWM逆变电路控制图同理可分析V相和W相的控制方式。易得uUN、uVN和uWN的PWM波形只有Ud/2两种电平,波形见下图2.8,第二、三、四栏分别为这三相的正弦波触发电压波形。由电路分析原理可得三种相的负载线电压分别为:=uUN-uVN
18、=uVN-uWN (2.1) =uWN-uUN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。即三相电压型PWM逆变电路的输出线电压的波形有三个电平(Ud和0)组成。下图2.8第五栏为线电压的波形。由电路分析原理可得出U相的输出相电压为: =uUN-( uUN+uVN+uWN) /3. (2.2) 即可得出负载相电压PWM波由五种电平((2/3)Ud、(1/3)Ud和0)组成。下图2.9第六栏为相电压uUN的波形。本文在后面的仿真中会用示波器将逆变后的输出线电压和输出相电压分别显示出来。图2.8三相桥式PWM逆变电路波形3三相电压型PWM逆变电路模型的
19、建立过程Power System Blockset(电力系统工具箱)是加拿大的Hydro Quedec和TECSIM International 公司在Simulink的环境下开发的专门用于电力电子、电力系统、电路领域进行模拟分析的仿真工具,它充分利用了Simulink图形化输入的特点,避免了把巨大的精力投入到枯燥无形的编程上去。同时它包含很多现成的常用电路结构模块,使我们的仿真变得更加专业、高效。3.1三相电压型PWM逆变电路的建立步骤及相关说明3.1.1建立模型窗口打开MATLAB中的Simulink软件新建一个模型窗口并命名为“Three phase PWM Inverter”。3.1.
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