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单极性PWM生成回路80


中国石油大学胜利学院
电力电子和拖动技术课程设计总结报告

目:

单极性 PWM 生成回路

学生姓名: 系 别: 电气信息工程系 20 级电气工程及其自动化专业班

专业年级: 指导教师:

2 年 1 月 20 日

一、实验目的与要求
(1)加深理解单极性 PWM 控制回路的工作原理。

(2)掌握单极性 PWM 控制回路电路的调试步骤和方法。 (3)熟悉单极性 PWM 控制回路电路各点的电压波形。

二、实验设备及仪器
Matlab 仿真软件

三、实验线路及原理
1.SPWM 法的基本原理
脉冲幅值相等而脉冲宽度按正弦规律变化而正弦波等效的 PWM 波称为 SPWM(sinusoidal PWM)波形。 由于期望的逆变器输出是一个正弦电压波形,可以把一个正弦半波分作 N 等分。 然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用个与此面积相等的等 高矩形脉冲来代替,矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。这样,由 N 个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形为正弦的半周等效。同样,正弦波的负半 周也可用相同的方法来等效。 这一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出 SPWM 波形。 由于各脉冲的幅值 相等, 所以逆变器可由恒定的直流电源供电,逆变器输出脉冲的幅值就是整流器 的输出电压。 当逆变器各开关器件都是在理想状态下工作时,驱动相应开关器件 的信号也应为与形状相似的一系列脉冲波形,这是很容易推断出来的。 从理论上讲, 这一系列脉冲波形的宽度可以严格地用计算方法求得,作为控制逆 变器中各开关器件通断的依据。 但较为实用的办法是引用通信技术中的“调制” 这一概念,以所期望的波形(在这里是正弦波)作为调制波(ModulationWave ), 而受它调制的信号称为载波(Carrier Wave )。在 SPWM 中常用等腰三角波作为载 波, 因为等腰三角波是上下宽度线性对称变化的波形,当它与任何一个光滑的曲 线相交时, 在交点的时刻控制开关器件的通断,即可得到一组等幅而脉冲宽度正 比于该曲线函数值的矩形脉冲,这正是 SPWM 所需要的

图 1 用 PWM 波来代替正弦半波

2. 规则采样法
SPWM 的控制就是根据三角载波与正弦调制波的交点来确定逆变器功率开关 器件的通断时刻。 规则采样法由经过采样的正弦波与三角波相交,并由交点得出 脉冲宽度。该方法只在三角波的顶点或者底点位置对正弦波采样而形成阶梯波, 其原理如图 2 所示。

图 2 规则采样法生成 SPWM 波的原理图

假设三角波的幅值为 1,正弦函数为 ur =M sin?t ,M 为调制度且 0<M<1, 由图中Δ ABC ∽ Δ EDA 得,AB/BC=ED/DA,代入后可得: 1? M s i n t ? 2 ? t2 / 2 Tc / 2 其中, T c 为三角载波周期, t 2 为脉冲宽度。 所以矩形波开通时间为: t 2 ? (1 ? M sin ?t )Tc / 2 将上式离散化后可得: t 2 ? (M sin(2?I / N ) ? 1) / 2 式中, T c 为在波周期,I 为第 I 个 SPWM 波,N 为采样的总个数

3.单极性 PWM 控制逆变电路分析
电路如图 3 所示,该电路工作时, V1 和 V 2 通断互补, V 3 和 V 4 也通断互补, 如在 uo 正半周, V1 导通, V 2 关断,V 3 和 V 4 交替通断,且负载电流比电压滞后, 在电压正半周,电流有一段区间为正,一段区间为负。在 uo 的负半周,让 V 2 保 持通态, V1 保持断态, V 3 和 V 4 交替通断,负载电压 uo 可以得到- Ud 和零两种电 平。

图 3 单相桥式 PWM 逆变电路

4.单极性 PWM 控制方式
如图 4 所示,调制信号 ur 为正弦波,载波 uc 在 ur 的正半周为正极性的三角 波,在 ur 的负半周为负极性的三角波。

a)在 ur 的正半周时,V1 保持通态, V 2 保持断态,当 ur > uc 时,使 V 4 导、V 3 关断, uo = Ud 。当 ur < uc 时,使 V 4 关断、 V 3 导通, uo =0。 b)在 ur 的负半周时, V1 保持断态, V 2 保持通态。当 ur < uc 时,使 V 3 导通、
V 4 关断, uo =- Ud 。当 ur > uc 时,使 V 3 关断、 V 4 导通, uo =0。

图 4 单极性 PWM 控制方式波形

四、实验内容和方法
1. 电路仿真图

2. 各元件参数

正弦波

等腰三角波

锯齿波

五、实验输出波形

六、注意事项
1.在调制三角波和正弦波的时候防止发生畸变。 2.注意调制比和载波比的大小。 3.仿真时,注意数字信号和模拟信号的比较模块的使用。

七、结论与心得
通过对电力电子技术的计算机仿真,让我初步掌握 Matlab 的基本应用, 以及 其他操作等。 即熟悉了 Simulink 系统仿真环境,包括 Simulink 工作环境, 基本操 作, 仿真模型, 仿真模型的子系统, 重要模块库等。 并初步掌握 Simpowersystems 模型库及其应用。 能够使用 Simpowersystems 模型库进行电力 电子电路的仿真分 析, 可以使用 Matlab 完成单极性 PWM 逆变电路的计算机仿真。 通过适当的参数设置,根据不同应用场合的要求,选择能够满足实际要求的 控 制方式, 运用 PWM 控制技术, 可以有效减小输出电压和输出电流的谐波分量, 改 善输出波形,可以很好的实现逆变电路的运行要求。另外在苏老师的指导下,通 过改变载波频率使波形的波头数在一个周期内呈整数使得我对单极性 PWM 波的 认识更进一步。 这次课程设计中也是我们的同学关系更近一步了,同学之间互 相帮助, 有什么不懂的大家在一起商量讨论,听听不同的看法对我们更好的理解 知识和设计电路有很大的帮助, 所以在这里非常感谢帮助我的同学。训练给了我 一个很好的机会, 平常我们只是在头脑中去抽象的想象、记忆和理解那些课本上 的理论知识, 这次的训练却给了我一个在实践中灵活运用知识的机会,在实践中 发现问题,在书本中找相关的知识去解决问题,巩固理论知识。 在此要感谢我 的指导老师, 感谢老师给我这样的锻炼机会。在整个训练过程中让我懂得了许多 东西, 对电力电子知识有了更深刻的理解和充分的运用,也培养和树立了的自己

工作能力, 相信会对今后的学习工作及生活有非常重要的影响。也使我充分体会 到了在创作过程中的探索的艰难和成功的喜悦。虽然这个设计还不是很完善,但 是在设计过程中学到了许多知识,使我终身受益。

八、参考文献
【1】 .张加胜,张磊 电力电子技术 中国石油大学出版社,2004 【2】 .王兆安 黄俊.电力电子技术(第 4 版) .机械工业出版社,2000 【3】 .浣喜明 姚为正.电力电子技术.高等教育出版社,2000 【4】 .莫正康.电力电子技术应用(第 3 版) .机械工业出版社,2000 【5】 .郑琼林.耿学文.电力电子电路精选.机械工业出版社,1996 【6】 .刘定建朱丹霞.实用晶闸管电路大全.机械工业出版社,1996 【7】 .刘祖润 胡俊达.毕业设计指导.机械工业出版社,1995 【8】.MATLAB 在电气工程中的应用,中国电力出版社,2001

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