范文一：pwm逆变电路仿真

题目如下:

使用 IGBT 完成逆变电路仿真, 直流电压 300V 。 阻感负载, 电阻值 1Ω, 电感值 3mH 。 调制深度 m=0.5。输出基波频率 50Hz ,载波频率为基频 15倍,即 750Hz 。分别按下列 要求仿真输入输出波形,进行谐波傅里叶分析。绘制主要器件的工作波形。

1, 单极性 SPWM 方式下的单相全桥逆变电路仿真, 及双极性 SPWM 方式下的单 相全桥逆变电路仿真。对比两种调制方式的不同。

题目中需要做单极性与双极型 SPWM 的单相全桥逆变电路仿真, 那么首先了解一 下 SPWM 的原理。

SPWM 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 控制技术在逆变电 路中的应用最为广泛,对逆变电路的影响也最为深刻, PWM 控制技术在逆变电路中的 应用也最具代表性。 面积等效原理是 PWM 控制技术的重要理论基础, 即在采样控制中, 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的同一环节上时, 其效果基本相同。 其中, 冲量指的是窄脉冲的面积;效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。如图 1.1所示,三个窄脉冲形状不同,但是它们的面积都等于 1,

图 1.1

SPWM 控制如下:

如图 1-2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 1-2

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

单极性与双极型的控制方法如下:

1单极性 PWM 控制方式:

如图 1-3所示, 在 u r 和 u c 的交点时刻控制 IGBT 的通断 ur 正半周, VT 1保持通, VT 2保持断 .

当 u r >u c 时使 VT 4通, VT 3断, u o =ud 当 u r

当 u r u c 时使 VT 3断, VT 4通, u o =0 虚线 u of 表示 u o 的基波分量

图 1-3

2,双极性 PWM 控制方式:

如图 1-4在 u r 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 u r 一周期内,输出 PWM 波只有±u d 两种电平,仍在调制信号 u r 和载波信号 u c 的交点控 制器件的通断, u r 正负半周,对各开关器件的控制规律相同。

当 u r >u c 时,给 VT 1和 VT 4导通信号,给 VT 2和 VT 3关断信号,如 i o >0, VT 1和 VT 4通, 如 i o <0, vd="" 1和="" vd="" 4通,="" u="" o="u">

当 u r <0, vt="" 2和="" vt="" 3通,="" 如="" i="" o="">0, VD 2和 VD 3通, u o =-u

d

图 1-4

仿真如下:

1,单极性

单相单极性全桥逆变主电路图形如下图 1-5

图

1-5

Matlab 仿真主电路图如图 1-6

图 1-6

其中子系统 subsystem 为控制驱动电路,如下图 1-7

图 1-7

按照题目的要求设置各个元器件额参数后得:

单极性载波与调制波波形如图 1-8:

图 1-8

阻感负载中电流与电压的波形如下图 1-9:

图 1-9

波形参数之后进行傅里叶频谱分析如图 1-10,图

1-11

图形 1-10

图形 1-11

接下来进行双极型分析:

双极型单相单极性全桥逆变主电路图如下图跟单极性相同

Matlab 仿真主电路图如图 1-12

图 1-12 其中子系统 subsystem 为控制驱动电路,如下图 1-13

图 1-13 按照题目的要求设置各个元器件额参数后得

双极性载波与调制波波形如图 1-14:

图 1-14

阻感负载中电流与电压的波形如下图 1-15:

图 1-15

波形参数之后进行傅里叶频谱分析如图 1-16,图

1-17

图 1-16

图 17

结论如下:

通过频谱图得

单极性 SPWM 总谐波系数 THD=129.01%

双极性 SPWM 总谐波系数 THD=270.18%

由图 1-16, 1-17知道双极性 SPWM 输出的 15次谐波是基波的 222.78%,相当于是 基波的 2.3倍为最大的。

由图 1-10, 1-11知道单极性 SPWM 输出的 29与 31

次谐波的比例与基波相比占与

69.82%与 77.64%。但是 15次谐波所占比例相当小,可以忽略。

由此可以看出在不经过滤波且频率相同的情况下输出波质量单极性要好于双极性,因 此在题目给定的条件下,单相全桥逆变器应用中,单极倍频 SPWM 比双极性 SPWM 优越。

范文二：三相SPWM逆变电路仿真

三相SPWM逆变电路仿真

摘要:利用MATLAB软件中的电力系统模块库,为三相电压型逆变器建立了仿真模型,对其输出特性进行了仿真分析,并利用快速傅里叶变换(FFT)分析工具对逆变器的输出电压进行了谐波分析。仿真实例表明了此模型和仿真方法的正确性。

关键词:逆变电路;脉宽调制(PWM);快速傅里叶变换(FFT) ;谐波;MATLAB 0 引言

随着大功率全控型电力电子器件(如GTO、IG2BT、MOSFET、IGCT 等)的开发成功和应用技术的不断成熟,近年来电能变换技术出现了突破性进展,各种新型逆变器已开始在各类直流电源、UPS、交流电机变频调速、高压直流输电系统等领域中得到应用,由于大功率电力电子装置的结构非常复杂,若直接对装置进行试验,代价高且费时费力,故在研制过程中需要借助计算机仿真技术,对装置的运行机理与特性、控制方法的有效性进行验证,以预测并解决问题,缩短研制时间。MATLAB软件具有强大的数值计算功能,方便直观的Simulink建模环境,使复杂电力电子装置的建模与仿真成为可能。本文利用MATLAB/Simulink为SPWM(脉宽调制)逆变电路建立系统仿真模型,并对其输出特性进行仿真分析。

1 SPWM电压型逆变电路的基本原理

SPWM控制是通过对每周期内输出脉冲个数和每个脉冲宽度的控制来改善逆变器的输出电压、电流波形。它是现代交流变频调速的一种重要的控制方式。三相逆变器主回路原理图如下所示,图中V1-V6为6个开关元件,由SPWM调制器控制其开通与关断。逆变器产生的SPWM 波形,施加给三相负载。

图1 三相逆变器主电路

2 通过matlab/simulink建立仿真电路如下图所示:

通过matlab/simulink建立仿真图形，主要参数为:直流电压为530V。脉冲频率为1650Hz，调制比为1，电压频率为50Hz。

uan

iaDiscrete,uabTs = 5e-007 s.3powerguiMultimeter

Scopet

Pulses2e-005 sDiscreteOn/Off DelayDiscretePWM Generator

idUniversal BridgeThree-Phasei+Series RLC Load-Current MeasurementA

Bg+530VCA

B-C

图2 用simulink实现的仿真模型

3 死区时间对三相输出电压和电流的影响

为防止在垂直换流中桥上下壁器件产生共态导通，在互补式控制极脉冲下，必须插入死区。死区的宽度必须保证退出导通的器件可靠关断，也即在垂直换流过程中实施先关断后导通的程序。死区的设置会对输出电压波形产生畸变，对逆变电路带来不利的影响。

理想的SPWM波形除含有载波频率及其频带中的高次谐波外，低次谐波几乎不存在。然而，死区的引入使得低次谐波不能完全被消除。计算机仿真结果表明，死区产生的主要是低奇次谐波。

4 仿真结果

基于上述模型和分析,对SPWM逆变电路系统动态性能进行仿真,得到了系统的动态仿真曲线图。左边为没有加死区时间的波形，右边为加死区时间后的波形。

400400

300300

200200

100100

00

-100-100

-200-200

-300-300

-400-40000.0050.010.0150.020.0250.0300.0050.010.0150.020.0250.03

图3 加死区前Uan 图4 加死区后Uan

22

1.51.5

11

0.50.5

00

-0.5-0.5

-1-1

-1.5-1.5

-2-200.0050.010.0150.020.0250.0300.0050.010.0150.020.0250.03

图5加死区前ia 图6加死区后ia 600600

400400

200200

00

-200-200

-400-400

-600-60000.0050.010.0150.020.0250.0300.0050.010.0150.020.0250.03

图7 加死区前Uab 图8 加死区后Uab 221.81.81.61.61.41.41.21.2110.80.8

0.60.6

0.40.4

0.20.2

0000.0050.010.0150.020.0250.0300.0050.010.0150.020.0250.03

图9 加死区前id 图10加死区后id

Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 2 cyclesSelected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 2 cycles

20020000-200-20000.010.020.030.040.050.0600.010.020.030.040.050.06Time (s)Time (s)

Fundamental (50Hz) = 244.9 , THD= 76.32%Fundamental (50Hz) = 265 , THD= 68.47%

30302525202015151010Mag (% of Fundamental)Mag (% of Fundamental)5500010002000300040005000010002000300040005000Frequency (Hz)Frequency (Hz)

图11 加死区前Uan的谐波分析 图12 加死区后Uan的谐波分析

Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 2 cyclesSelected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 2 cycles1100-1-100.010.020.030.040.050.0600.010.020.030.040.050.06Time (s)Time (s)

Fundamental (50Hz) = 1.605 , THD= 3.41%Fundamental (50Hz) = 1.737 , THD= 3.26%2.5221.51.511

0.5Mag (% of Fundamental)Mag (% of Fundamental)0.5

00010002000300040005000010002000300040005000Frequency (Hz)Frequency (Hz)

图13 加死区前ia的谐波分析 图14 加死区后ia的谐波分析 5 结语

通过对SPWM控制系统的建模仿真,证明SIMULINK仿真具有良好的用户界面和模型结构,尤其是Power System Browser为电气系统仿真省去了复杂的建模过程,它提供了极为有用的电力电子器件模块,用户不需自己编程且不需推导系统的动态数学模型,系统建模过程更接 近实际电路设计过程,主要应用于交直流传动系统、复杂的电力输变电系统等的仿真,且使用简便,可信度高。

参考文献:

[1] 吴天明,谢小竹,彭彬. MATLAB电力系统设计与分析[M].北京:国防工业出版社,2004. [2] 刘文良.MATLAB在电力电子技术仿真中的应用[J].西安:电气自动化[J],2001,(3). [3] 王兆安.电力电子技术[M]. 北京:机械工业出版社,2007.

[4] 刘同娟，郭键，刘军.MATLAB建模，仿真及应用[M]. 北京:中国电力出版社,2009.

范文三：三相桥式逆变电路仿真

三相桥式逆变电路

【任务要求】

用以下两组参数对三相桥式逆变电路进行仿真，通过傅里叶分析的方法分析并比较线电压的谐波。

1）VS=500V，RLOAD=5Ω，LLOAD=5mH，fS=5kHZ，ma=0.8； 2）VS=500V，RLOAD=5Ω，LLOAD=5mH，fS=5001HZ，ma=0.8。

【仿真分析】

搭建电路如图，电路中的输出电压均取为工频电压50Hz。

首先取fS=5kHZ进行分析，此时mf=线电压（下简称输出电压）如下图所示：

500050

=100，得到的AB两相间输出

局部放大后如下图：

可以明显看到占空比的变化。

对输出电压进行傅里叶分析，得到较大范围内的频谱图如下所示，图中横坐标是相对基波频率的倍数。

可以看出，谐波分量主要集中在较低频率处，随着频率的升高，谐波分量所占比例越来越小。

对局部进行分析，得到频谱图如下。由频谱图可以看出，基波分量的峰值为349.4V，而理论的基波峰值为V= maVS 2= ×0.8×500/2=346.4，理论值与实际值之间差别很小，可以认为是合理的。同时，谐波分量主要集中在开关频率及其整数倍附近，而其他频率的谐波分量则很小，可以忽略。对谐波分量较高的点进行测量，得到1~8的横坐标依次为：98，102，199，201，296，298，302，304。，分别对应mf±2，2mf±1，3mf±2，3mf±4。这与所学的知识是基本一致的。

下面对fS=5001HZ进行分析，此时mf=

500150

=100.02≈100，得到的AB两相

间输出线电压（下简称输出电压）如下图所示：

局部放大如下图，也可以明显看到占空比的变化。

对输出电压进行傅里叶分析，得到较大范围内频谱图如下图所示：

这与5kHz时并无明显差别，取其局部放大如下：

由频谱图可以看出，基波分量的峰值为346.6V，而理论的基波峰值为

V= maVS 2= ×0.8×500/2=346.4，理论值与实际值之间差别很小，

可

以认为是合理的。可以看出，谐波明显的增加了。在开关频率及其整数倍附近，除了5kHz时有明显谐波的频率点外，其他频率点处也有了较为明显的谐波分量。则是因为mf此时不再是整数，正弦波和三角波不能完全周期对应，产生了谐波分量。

【mf对谐波的影响】

在逆变的参数中，mf是对谐波影响较大的一个。在上述分析中，mf的变化

较小，同时比较单一，现象不明显。下面对不同mf情况下的谐波分量进行研究，f1均取为50Hz，ma=0.8，只研究输出电压频域谐波部分。 1）fS=1350Hz，mf=27

此时mf为3的奇数倍，得到频谱图如下，可以看出谐波几乎全部集中在开关频率及其整数倍附近，其他频率附近只有很小值，且没有偶数次谐波。

2）fS=1250Hz，mf=25

此时mf仍为奇数，但不是3的倍数，频谱图如下，可以看出仍然没有偶次谐波，但奇次谐波较为明显，几乎出现在了所有奇次点上。

3）fS=1300Hz，mf=26

此时mf为偶数，频谱图如下，可以看出无论奇次还是偶次，都出现了谐波，也就是谐波几乎出现在了所有点上。

4）fS=1310Hz，mf=26.2 此时mf不是整数，频谱图如下，

可以看出谐波分量大大增加，特别是在开关频率附近，其他频率点也有谐波分量。

对比以上四种情况可以看出，将mf取为3的奇数倍对于减少谐波分量，提高波形品质具有较好效果，而mf不为整数则使输出电压中包含较多的谐波分量。因此在实际应用时，mf值的选择对于输出电压的质量有较为重要的意义，应合理选择。

范文四：单相全桥逆变电路仿真4

计算机仿真实验报告

专业：电气工程及其自动化 班级：09电牵一班 学号：22 姓名：饶坚 指导老师：叶满园 实验日期：2012年5月14日

一、实验名称：

单相全桥电压型逆变电路MATLAB 仿真

二、目的及要求

1. 了解并掌握单相全桥电压型逆变电路的工作原理； 2. 进一步熟悉MA TLAB 中对Simulink 的使用及构建模块； 3. 复习在Figure 中显示图形的程序编写和对图形的修改。

三、实验原理

1. 电压型逆变器的原理图

图1 电压逆变器的原理图

第1页 共7页

当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压u0为正；当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，u0为负，如此交替进行下去，就在负载上得到了由直流电变换的交流电，u0的波形如图1（b ）所示。输出交流电的频率与两组开关的切换频率成正比，这样就实现了直流电到交流电的逆变。 2. 电压型单相全桥逆变电路

图2 电压型单相全桥逆变电路

它有4个桥臂可以看成由两个半桥电路组合而成。两对桥臂交替导通180°。输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud 来实现。

可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，成为移相调压。各栅极信号为180°正偏，180°反偏，且T1和T2互补，T3和T4互补关系不变。T3的基极信号只比T1落后q （0<><180°），t3、t4的栅极信号分别比t2、t1的前移180°- q，u0成为正负各位q="" 的脉冲，改变q="">

第2页 共7页

四、实验步骤及电路图

1. 建立MATLAB 仿真模型

通过MATLAB 的Simulink 模块建立单相电压型逆变电路的仿真模型，如下图3所示，图中因为用的是MATLAB2011版本，所以在这个系统中添加了一个powergui 模块保证系统的连续运行。

2. 参数设置

对于图3中的各模块，做如表1所示的参数设置（没有写出的为默认）。

图4 MATLAB仿真模型

表1 参数设置

第3页 共7页

3. 程序设计

为了在Figure 中，显示仿真波形，我使用了M 文件设计程序，如图5所示：

第4页 共7页

五、实验结果

1. 纯电阻负载波形如图6

所示：

2. 阻感负载波形

（1）a=90°，波形如图7：

图6 纯电阻负载波形

图7 阻感负载波形（a=90°）

（2）a=135°，波形如图8：

第5页 共7页

图8 阻感负载波形（a=135°）

（3）a=180°，波形如图9：

图9 阻感负载波形（a=180°）

第6页 共7页

六、实验心得

由于之前已经完成了对三相桥式SPWM 逆变电路的仿真，所以这次做单相全桥电压型逆变电路的仿真感觉要容易很多。

通过这次实验，复习了单相全桥电压型逆变电路的工作原理，分析了控制单相全控桥有源逆变电路的输出角a 和负载特性的影响。在仿真过程中可以灵活的改变仿真参数，并且能直观地看到仿真结果随参数的变化情况。

总之，通过这次实验学习了单相逆变电路的原理，进一步加深了对Simulink 的熟悉程度。

第7页 共7页

范文五：方波逆变电路仿真设计

前 言

电力电子技术是综合了电子电路、 电机拖动、 计算机控制等多学 科的知识, 是一门实践性和应用性很强的课程。 由于电力电子器件自 身的开关非线性, 给电力电子电路的分析带来的了一定的复杂性和困 难,因此一般常用波形分析的方法来研究。本文就基于 MATLAB 软件, 利用 MATLAB 软件中的 Simulink 库具有模拟、 数字混合仿真功能、 具备 大量的模拟功能模型和系统分析的能力, 进行方波逆变电路的计算机 仿真分析, 设计了一单相桥式方波逆变电路, 和一三相桥式方波逆变 电路。

单相桥式方波逆变电路,开关器件选用 IGBT ,直流电源为 300V , 电阻负载,电阻 1欧姆,电感 2mH 。

三相桥式方波逆变电路,开关器件选用 IGBT ,直流电源为 530V , 电阻负载,负载有功功率 1KW ,感性无功功率 0.1Kvar 。

完成上述桥式方波逆变电路的设计, 并进行计算机仿真, 观察输 出电压波形、系统输入电流波形、电压电流波形的谐波情况、不同仿 真条件时系统输入输出的变化情况和理论分析的结果进行比较。

关键词:方波逆变器 IGBT开关器件 MATLAB计算机仿真

目 录

前 言 ??????????????????????????????I 第 一 章 M A T L A B 仿 真 软 件 ???????????????????????1 1. 1M A T L A B 简 介 ??????????????????????????1 1. 2S i m u l i n k 简 介 ????????????????????????3 1. 2. 1S i m u l i n k 的 功 能 ?????????????????????3 第 二 章 I G B T 开 关 器 件 简 介 ??????????????????????4 2. 1I G B T 的 结 构 ??????????????????????????5 2. 2I G B T 的 工 作 原 理 ????????????????????????5 第 三 章 主 电 路 图 工 作 原 理 说 明 ????????????????????7 3. 1逆 变 电 路 ???????????????????????????7

3. 2逆 变 电 路 的 基 本 工 作 原 理 ????????????????????7 3. 3电 压 型 逆 变 电 路 ????????????????????????8 第 四 章 方 波 逆 变 电 路 的 计 算 机 仿 真 模 型 的 建 立 ?????????????14 4. 1单 项 桥 式 方 波 逆 变 电 路 仿 真 ??????????????????14 4. 2三 相 桥 式 方 波 逆 变 电 路 仿 真 ??????????????????19 第 五 章 总 结 体 会 ??????????????????????????26 第 六 章 参 考 文 献 ??????????????????????????27

第一章 MATLAB仿真软件

1.1 MATLAB简介

MATLAB是矩阵实验室(Matrix Laboratory)的简称,是美国 MathWorks 公司出品的商业数学软件,用于算法开发、数据可视化、 数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境, 主要包括 MATLAB 和 Simulink 两大部分。

MATLAB 和 Mathematica 、 Maple 并称为三大数学软件。它在数学 类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。 MATLAB 可以进行矩阵 运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语 言的程序等,主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图 像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

MATLAB 的基本数据单位是矩阵,它的指令表达式与数学、工程 中常用的形式十分相似,故用 MATLAB 来解算问题要比用 C 、 FORTRAN 等语言完成相同的事情简捷得多,并且 mathwork 也吸收了像 Maple 等软件的优点 , 使 MATLAB 成为一个强大的数学软件。 在新的版本中也 加入了对 C 、 FORTRAN 、 C++ 、 JAVA 的支持。可直接调用 , 用户也可以 将自己编写的实用程序导入到 MATLAB 函数库中方便自己以后调用, 此外许多的 MATLAB 爱好者都编写了一些经典的程序,用户可以直接 进行下载就可以用。

优点:

(1)友好的工作平台和编程环境

MATLAB 由一系列工具组成。这些工具方便用户使用 MATLAB 的函 数和文件,其中许多工具采用的是图形用户界面。包括 MATLAB 桌面 和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户 浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着 MATLAB 的商业化以及软

件本身的不断升级, MATLAB 的用户界面也越来越精致,更加接近 Windows 的标准界面,人机交互性更强,操作更简单。而且新版本的 MATLAB 提供了完整的联机查询、帮助系统,极大的方便了用户的使 用。 简单的编程环境提供了比较完备的调试系统, 程序不必经过编译 就可以直接运行, 而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分 析。

(2)简单易用的程序语言

Matlab 一个高级的矩阵 /阵列语言,它包含控制语句、函数、数 据结构、 输入和输出和面向对象编程特点。 用户可以在命令窗口中将 输入语句与执行命令同步, 也可以先编写好一个较大的复杂的应用程 序(M 文件)后再一起运行。新版本的 MATLAB 语言是基于最为流行 的 C ++语言基础上的,因此语法特征与 C ++语言极为相似,而且 更加简单, 更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。 使之更利于 非计算机专业的科技人员使用。 而且这种语言可移植性好、 可拓展性 极强,这也是 MATLAB 能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重 要原因。

(3)强大的科学计算机数据处理能力

MATLAB 是一个包含大量计算算法的集合。其拥有 600多个工程 中要用到的数学运算函数,可以方便的实现用户所需的各种计算功 能。 函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果, 而 前经过了各种优化和容错处理。 在通常情况下, 可以用它来代替底层 编程语言,如 C 和 C++ 。在计算要求相同的情况下,使用 MATLAB 的 编程工作量会大大减少。 MATLAB 的这些函数集包括从最简单最基本 的函数到诸如矩阵,特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所 能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、 微分方程及

偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、 工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其 他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。

(4)出色的图形处理功能

MATLAB 自产生之日起就具有方便的数据可视化功能,以将向量 和矩阵用图形表现出来, 并且可以对图形进行标注和打印。 高层次的 作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用 于科学计算和工程绘图。新版本的 MATLAB 对整个图形处理功能作了 很大的改进和完善,使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能 (例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等) 方面更加完善, 而且对 于一些其他软件所没有的功能 (例如图形的光照处理、 色度处理以及 四维数据的表现等), MATLAB 同样表现了出色的处理能力。同时对 一些特殊的可视化要求,例如图形对话等, MATLAB 也有相应的功能 函数,保证了用户不同层次的要求。另外新版本的 MATLAB 还着重在 图形用户界面(GUI )的制作上作了很大的改善,对这方面有特殊要 求的用户也可以得到满足。

(5)应用广泛的模块集合工具箱

MATLAB 对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。 一般来说, 它们都是由特定领域的专家开发的, 用户可以直接使用工 具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前, MATLAB 已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域,诸 如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分 方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、 控制系统设计、 LMI 控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分 析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入

式系统开发、定点仿真、 DSP 与通讯、电力系统仿真等,都在工具箱 (Toolbox )家族中有了自己的一席之地。

(6)实用的程序接口和发布平台

新版本的 MATLAB 可以利用 MATLAB 编译器和 C/C++数学库和图形 库,将自己的 MATLAB 程序自动转换为独立于 MATLAB 运行的 C 和 C++代码。允许用户编写可以和 MATLAB 进行交互的 C 或 C++语言程序。 另外, MATLAB 网页服务程序还容许在 Web 应用中使用自己的 MATLAB 数学和图形程序。 MATLAB 的一个重要特色就是具有一套程序扩展系 统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是 MATLAB 函数的 子程序库, 每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的, 主 要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统 仿真等方面的应用。

(7)应用软件开发(包括用户界面)

在开发环境中, 使用户更方便地控制多个文件和图形窗口; 在编 程方面支持了函数嵌套,有条件中断等;在图形化方面,有了更强大 的图形标注和处理功能, 包括对性对起连接注释等; 在输入输出方面, 可以直接向 Excel 和 HDF5进行连接。

1.2 Simulink简介

Simulink 是 MATLAB 最重要的组件之一,它提供一个动态系统建 模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中,无需大量书写程序, 而只需要通过简单直观的鼠标操作,就可构造出复杂的系统。 Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、 效率高、灵活等优点,并基于以上优点 Simulink 已被广泛应用于控 制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。 同时有大量的第三方软件 和硬件可应用于或被要求应用于 Simulink 。

1.2.1 Simulink的功能

Simulink 是一种基于 MATLAB 的框图设计环境,是实现动态系统 建模、仿真和分析的一个软件包,被广泛应用于线性系统、非线性系 统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。 Simulink 可以用连 续采样时间、 离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模, 它也支 持多速率系统, 也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。 为了 创建动态系统模型, Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用 户接口 (GUI),这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成,它 提供了一种更快捷、 直接明了的方式, 而且用户可以立即看到系统的 仿真结果。对各种时变系统,包括通讯、控制、信号处理、视频处理 和图像处理系统, Simulink 提供了交互式图形化环境和可定制模块 库来对其进行设计、仿真、执行和测试。

构架在 Simulink 基础之上的其他产品扩展了 Simulink 多领域建 模功能,也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。 Simulink 与 MATLAB 紧密集成,可以直接访问 MATLAB 大量的工具来 进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境 的定制以及信号参数和测试数据的定义。

第二章 IGBT开关器件简介

IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是 MOS 结构双极器件, 属于具有功率 MOSFET 的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。 IGBT 的应用范围一般都在耐压 600V 以上、 电流 10A 以上、 频率为 1kHz 以上的区域。多使用在工业用电机、民用小容量电机、变换器(逆变 器)、照像机的频闪观测器、感应加热(InductionHeating )电饭锅

等领域。根据封装的不同, IGBT 大致分为两种类型,一种是模压树 脂密封的三端单体封装型, 从 TO -3P 到小型表面贴装都已形成系列。 另一种是把 IGBT 与 FWD (FleeWheelDiode )成对地(2或 6组)封 装起来的模块型,主要应用在工业上。模块的类型根据用途的不同, 分为多种形状及封装方式,都已形成系列化。

IGBT 是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率 MOSFET 的 自然进化。 MOSFET 由于实现一个较高的击穿电压 BVDSS 需要一个源 漏通道,而这个通道却具有很高的电阻率,因而造成功率 MOSFET 具 有 RDS(on)数值高的特征, IGBT 消除了现有功率 MOSFET 的这些主要 缺点。虽然最新一代功率 MOSFET 器件大幅度改进了 RDS(on)特性, 但是在高电平时, 功率导通损耗仍然要比 IGBT 高出很多。 IGBT 较低 的压降,转换成一个低 VCE(sat)的能力,以及 IGBT 的结构,与同一 个标准双极器件相比,可支持更高电流密度,并简化 IGBT驱动器的 原理图。

2.1 IGBT的结构

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 的驱动方法和 MOSFET 基本 相同, 只需控制输入极 N 一沟道 MOSFET , 所以具有高输入阻抗特性。 当 MOSFET 的沟道形成后, 从 P+ 基极注入到 N 一层的空穴 (少子) , 对 N 一层进行电导调制,减小 N 一层的电阻,使 IGBT 在高电压时, 也具有低的通态电压。

IGBT 的转移特性是指输出漏极电流 Id 与栅源电压 Ugs 之间的 关系曲线。它与 MOSFET 的转移特性相同,当栅源电压小于开启电压 Ugs(th) 时, IGBT 处于关断状态。在 IGBT 导通后的大部分漏极电

流范围内, Id 与 Ugs 呈线性关系。 最高栅源电压受最大漏极电流限 制,其最佳值一般取为 15V 左右。

2.2 IGBT的工作原理:

IGBT 的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负 向电压, 栅极电压可由不同的驱动电路产生。 当选择这些驱动电路时, 必须基于以下的参数来进行:器件关断偏置的要求、 栅极电荷的要求、 耐固性要求和电源的情况。因为 IGBT 栅极 - 发射极阻抗大,故可使 用 MOSFET 驱动技术进行触发,不过由于 IGBT 的输入电容较 MOSFET 为大, 故 IGBT 的关断偏压应该比许多 MOSFET 驱动电路提供的偏压更 高。

IGBT 的开关速度低于 MOSFET ,但明显高于 GTR 。 IGBT 在关断时 不需要负栅压来减少关断时间, 但关断时间随栅极和发射极并联电阻 的增加而增加。 IGBT 的开启电压约 3~4V ,和 MOSFET 相当。 IGBT 导 通时的饱和压降比 MOSFET 低而和 GTR 接近,饱和压降随栅极电压的 增加而降低。

正式商用的高压大电流 IGBT 器件至今尚未出现,其电压和电流 容量还很有限, 远远不能满足电力电子应用技术发展的需求, 特别是 在高压领域的许多应用中,要求器件的电压等级达到 10KV 以上。目 前只能通过 IGBT 高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家 如瑞士 ABB 公司采用软穿通原则研制出了 8KV 的 IGBT 器件,德国的 EUPEC 生产的 6500V/600A高压大功率 IGBT 器件已经获得实际应用, 日本东芝也已涉足该领域。 与此同时, 各大半导体生产厂商不断开发 IGBT 的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技 术,主要采用 1u m 以下制作工艺,研制开发取得一些新进展。 为了抑制 n+pn-寄生晶体管的工作 IGBT 采用尽量缩小 p+n-p晶

体管的电流放大系数 α作为解决闭锁的措施。具体地来说, p+n-p的 电流放大系数 α设计为 0.5以下。 IGBT的闭锁电流 IL 为额定电流 (直流)的 3倍以上。 IGBT 的驱动原理与电力 MOSFET 基本相同,通 断由栅射极电压 uGE 决定。

① 导通:

IGBT 硅片的结构与功率 MOSFET 的结构十分相似,主要差异是 IGBT 增加了 P+ 基片和一个 N+ 缓冲层(NPT-非穿通 -IGBT 技术没有 增加这个部分),其中一个 MOSFET 驱动两个双极器件。基片的应用 在管体的 P+和 N+ 区之间创建了一个 J1结。当正栅偏压使栅极下面 反演 P 基区时,一个 N 沟道形成,同时出现一个电子流,并完全按照 功率 MOSFET 的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在 0.7V 范围内,那么, J1将处于正向偏压,一些空穴注入 N-区内,并 调整阴阳极之间的电阻率, 这种方式降低了功率导通的总损耗, 并启 动了第二个电荷流。 最后的结果是, 在半导体层次内临时出现两种不 同的电流拓扑:一个电子流 (MOSFET 电流 ) ;空穴电流(双极)。 uGE 大于开启电压 UGE(th)时, MOSFET 内形成沟道, 为晶体管提供基极电 流, IGBT 导通。

② 导通压降:

电导调制效应使电阻 RN 减小,使通态压降小。

③ 关断:

当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时, 沟道被禁止, 没 有空穴注入 N-区内。在任何情况下,如果 MOSFET 电流在开关阶段迅 速下降,集电极电流则逐渐降低,这是因为换向开始后,在 N 层内还 存在少数的载流子(少子)。这种残余电流值(尾流)的降低,完全 取决于关断时电荷的密度, 而密度又与几种因素有关, 如掺杂质的数

量和拓扑, 层次厚度和温度。 少子的衰减使集电极电流具有特征尾流 波形,集电极电流引起以下问题:功耗升高;交叉导通问题,特别是 在使用续流二极管的设备上,问题更加明显。

鉴于尾流与少子的重组有关, 尾流的电流值应与芯片的温度、 IC 和 VCE 密切相关的空穴移动性有密切的关系。 因此, 根据所达到的温 度,降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的。 栅射极间施加反压或不加信号时, MOSFET 内的沟道消失,晶体管的 基极电流被切断, IGBT 关断。

④ 反向阻断:

当集电极被施加一个反向电压时, J1 就会受到反向偏压控制, 耗尽层则会向 N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度,将无法取 得一个有效的阻断能力,所以,这个机制十分重要。另一方面,如果 过大地增加这个区域尺寸,就会连续地提高压降。

⑤ 正向阻断:

当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时, P/NJ3结受反向电压控制。 此时, 仍然是由 N 漂移区中的耗尽层承受外部施 加的电压。

第三章 主电路图工作原理说明

3.1 逆变电路

逆变概念:逆变——直流电变成交流电,与整流相对应。

主要内容:换流方式,电压型逆变电路,电流型逆变电路,多重 逆变电路和多电平逆变电路。

无源逆变逆变电路的应用:

蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时,需 要逆变电路。交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等 电力电子装置的核心部分都是逆变电路。

3.2 逆变电路的基本工作原理

以单相桥式逆变电路为例:

S1~S4是桥式电路的 4个臂,由电力电子器件及辅助电路组成。 S1、 S4闭合, S2、 S3断开时,负载电压 uo 为正 S1; S1、 S4断开, S2、 S3闭合时, uo 为负,把直流电变成了交流电。改变两组开关切 换频率,可改变输出交流电频率。

图 3-1 单相逆变电路及其波形

电阻负载时,负载电流 io 和 uo 的波形相同,相位也相同。

阻感负载时, io 滞后于 uo ,波形也不同。

t1前:S1、 S4通, uo 和 io 均为正。

t1时刻断开 S1、 S4,合上 S2、 S3, uo 变负,但 io 不能立刻反 向。

io 从电源负极流出,经 S2、负载和 S3流回正极,负载电感能量 向电源反馈, io 逐渐减小, t2时刻降为零,之后 io 才反向并增大 3.3 电压型逆变电路

逆变电路按其直流电源性质不同分为两种:电压型逆变电路或电 压源型逆变电路,电流型逆变电路或电流源型逆变电路。

图 3-2 电压型逆变电路(全桥逆变电路)

电压型逆变电路的特点:

①直流侧为电压源或并联大电容,直流侧电压基本无脉动 ②输出电压为矩形波,输出电流因负载阻抗不同而不同 ③阻感负载时需提供无功。 为了给交流侧向直流侧反馈的无功 提供通道,逆变桥各臂并联反馈二极管

1. 单相电压型逆变电路

(1)半桥逆变电路

电路结构:(见图 3-3)

工作原理:

V1和 V2栅极信号各半周正偏、半周反偏,互补。 uo 为矩形波, 幅值为 Um=Ud/2, io 波形随负载而异,感性负载时, V1或 V2通时, io 和 uo 同方向,直流侧向负载提供能量, VD1或 VD2通时, io 和 uo 反向,电感中贮能向直流侧反馈, VD1、 VD2称为反馈二极管,还使 io 连续,又称续流二极管。

图 3-3 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形

优点:简单,使用器件少

缺点:交流电压幅值 Ud/2,直流侧需两电容器串联,要控制两者 电压均衡,用于几 kW 以下的小功率逆变电源。

单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。

(2)全桥逆变电路

工作原理:

两个半桥电路的组合。 1和 4一对, 2和 3另一对,成对桥臂同 时导通,交替各导通 180°。 uo 波形同图 3-4b 。半桥电路的 uo ,幅 值高出一倍 Um=Ud。 io 波形和图 3-4b 中的 io 相同,幅值增加一倍, 单相逆变电路中应用最多的。

输出电压定量分析

uo 成傅里叶级数

基波幅值

基波有效值 uo 为正负各 180o时,要改变输出电压有效值只能改变 Ud 来实现。 ◆移相调压方式(图 3-4)。

可采用移相方式调节逆变电路的输出电压, 称为移相调压。 各栅 极信号为 180o正偏,180o反偏,且 V1和 V2互补, V3和 V4互补关 系不变。 V3的基极信号只比 V1落后 q ( 0<180o), v3、="" v4的栅="" 极信号分别比="" v2、="" v1的前移="" 180o-q="" ,="" uo="" 成为正负各为="" q="" 的脉冲,="" 改变="" q="">

图 3-4 单相全桥逆变电路的移相调压方式

2. 三相电压型逆变电路

三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。 应用最广的是三 相桥式逆变电路,可看成由三个半桥逆变电路组成。

180°导电方式:

每桥臂导电 180o,同一相上下两臂交替导电,各相开始导电的 角度差 120o,任一瞬间有三个桥臂同时导通,每次换流都是在同一 相上下两臂之间进行,也称为纵向换流。

图 3-5 三相电压型桥式逆变电路

波形分析:

图 3-6 电压型三相桥式逆变电路的工作波形

防止同一相上下两桥臂开关器件直通,采取“先断后通”的方 法。

在 180?导通型的三相逆变器中, 每隔 60?的各阶段其等效电路及 相应相电压、线电压数值如表 3-1所示。

表 3-1

根据表 3-1中各阶段的相电压数值, 可以得出任何一相的相电压 波形为六阶梯波,各相互差 120?,如图 3-7(a )所示。而线电压可 由相电压相减得出,其波形如图 3-7(b )所示,为脉宽 120?的矩形 波。

(a )相电压波形 (b ) 线电压波形

图 3-7

初相角为零的六阶梯波, 其基波可用付氏级数求得, 如 A 相相电压 可表示为:

其余两相各差 120?。 相电压中无余弦项、 偶数项和三的倍数次谐波, 电压中最低为五次谐波,含量为基波的 20%。

对于基波无初相角的矩形波线电压,其一般表达式为:

根据图 3-7可以算出六阶梯波的相电压和方波线电压的有效值分 别为:

实际的电压波形与上面分析的结果略有误差, 这是由于在分析中忽 略了换流过程,也未扣除逆变电路中的电压降落的缘故。

当三相逆变器按 120 ?导通方式工作时, 其输出电压波形如图 3-8所示,与前面相反,这里相电压为矩形波,而线电压为六阶梯波。

(a )相电压波形 (b ) 线电压波形

图 3-8

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导电方式比较:

对 180?导通方式和 120?导通方式进行比较可知:在 120?方式中, 上下两管之间有 60?的间隙,对换流的安全有利,但是管子的利用率 较低,并且若电机采用星形接法,则始终有一相绕组断开,在换流时 会引起较高的感应电势, 应采取过电压保护措施。 而 180?导通方式无 论电动机在三角形还是星形接法时, 正常工作都不会产生过电压, 因 此对于电压型逆变器, 180?导通方式应用较为普遍。

第四章 方波逆变电路的计算机仿真模型的建立

4.1单相桥式方波逆变电路仿真

设计要求:设计一单项桥式方波逆变电路,开关器件选用 IGBT , 直流电压为 300V ,电阻负载,电阻一欧姆,电感 2mh 。设计上述要求 完成主电路设计。

1. 单相桥式方波逆变电路设计

参数设计: 桥式电路(ub )的参数设计:

触发脉冲(p1)的参数设计:

触发脉冲(p2)的参数设计:

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图 4-1单相桥式方波逆变电路图

2. 单项桥式方波逆变电路仿真图形

以下是不同负载时,单相桥式逆变电路仿真波形图

(1)负载(Zx )的参数设计:

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图 4-2 脉冲、电压、电流波形

(2)负载(Zx )的参数设计:

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图 4-3 脉冲、电压、电流波形

(3)负载(Zx )的参数设计:

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图 4-4 脉冲、电压、电流波形

(4)负载(Zx )的参数设计:

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图 4-5 脉冲、电压、电流波形

4.2三相桥式方波逆变电路仿真

设计要求:设计一三相桥式方波逆变电路,开关器件选用 IGBT ,

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直流电压为 530V ,电阻负载,负载有功功率 1KW ,感性无功功率 0.1Kvar 。根据上述要求完成主电路设计。

1. 三相桥式方波逆变电路设计

参数设计:桥式电路(ub1)的参数设计:

触发脉冲(p1)的参数设计:

触发脉冲(p2) (p3) (p4) (p5) (p6)的参数设计同(p1)

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图 4-6 三相桥式方波逆变电路图

2. 三相桥式方波逆变电路仿真图形(180°导电方式)

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图 4-7 UAN、 UBN 、 UCN 电压、 iC 电流、 UAB 的

波形

(1)负载(Za )的参数设计:

负载(Zb )、(Zc )的参数设计同(Za ) ●若负载有功功率为 1KW ,感性无功功率为 0.1kvar 时的仿真波形:

图 4-8 UAN、 UBN 、 UCN 电压、 iC 电流、 UAB 的 波形

(2)负载(Za )的参数设计:

负载(Zb )、(Zc )的参数设计同(Za ) ●若负载有功功率为 1KW ,感性无功功率为 10kvar 时的仿真波形:

图 4-9 UAN、 UBN 、 UCN 电压、 iC 电流、 UAB 的 波形

(3)负载(Za )的参数设计:

负载(Zb )、(Zc )的参数设计同(Za ) ●若负载有功功率为 10KW ,感性无功功率为 100kvar 时的仿真波形:

图 4-10 UAN、 UBN 、 UCN 电压、 iC 电流、 UAB 的波形

(4)负载(Za )的参数设计:

负载(Zb )、(Zc )的参数设计同(Za ) ●若负载有功功率为 100KW , 感性无功功率为 100kvar 时的仿真波形:

图 4-11 UAN、 UBN 、 UCN 电压、 iC 电流、 UAB 的波形

第五章 总结体会

在电力电子技术课程的教学中引入了仿真, 对于加深我们对于这 门课程的理解起到了良好的作用。 掌握了仿真的方法, 使我们的设计 思路可以通过仿真来验证, 对培养我们的创新能力很有意义, 并且还 可以调动我们的积极性, 实验实训设计是我们这次课程设计的重要组 成部分。 两周的课程设计就要结束了, 在老师细心指导下终于完成任 务, 通过整个课程设计过程让我们又一次巩固了专业知识。 其中学到 了很多东西, 好多原来在课堂上没有理解的知识在本次课设中得到了 巩固和加深。 这次课设让我体会到善于查阅和利用各种资料才能加深 对各种知识的理解,也对将来走向社会积累了经验。

由于课本上的知识太多, 平时课间的学习并不能很好的理解和运 用各个元件的功能, 而且考试内容有限, 所以在这次课程设计过程中,

我们了解了很多元件的功能, 并且对于其在电路中的使用有了更多的 认识。平时看课本时,有时问题老是弄不懂,做完课程设计,那些问 题就迎刃而解了。认识来源于实践,实践是认识的动力和最终目的, 实践是检验真理的唯一标准。 所以这个期末测试之后的课程设计对我 们的启发还是非常大的。

整个设计过程中时间比较短,但是在老师和同学的关心和帮助, 让很多疑难问题迎刃而解, 这是这次课程设计成功完成的前提! 最后 在这里感谢老师的指导!

第六章 参考文献

[1]林飞,杜欣。电力电子应用技术的 MATLAB 仿真,中国电力出版 社, 2009.1

[2]王兆安,刘进军。电力电子技术,机械工业出版社, 2009.5 [3]王兴贵, 陈伟。 现代电力电子技术 (M ) , 机械工业出版社, 2010 [4]李传琦。 电力电子技术计算机仿真实验 (M ) , 机械工业出版社, 2006

[5]李维波。 MATLAB 在电气工程中的应用,中国电力出版社, 2007 [6]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