基于MATLAB對AC/DC/AC電源的死區效應的諧波分析及仿真

2 對于A(yíng)C/DC/AC電源以及死區特性的MATLAB建模

MATLAB是高級的數學(xué)分析與運算軟件,可用作動(dòng)態(tài)系統的建模與仿真，MATLAB語(yǔ)言在其仿真研究中被成功方便地應用在電動(dòng)驅動(dòng)系統的研制過(guò)程中，它有以下特點(diǎn):(a)用戶(hù)使用方便,編程效率高,語(yǔ)言簡(jiǎn)單,內涵豐富,易學(xué)易用;(b)高效方便的矩陣和數組運算;(c)極其方便的繪圖功能;(d)帶有SIMULINK動(dòng)態(tài)仿真工具及Toolbox等其它功能;(e)擴充能力強。

2.1 仿真實(shí)例

圖2即是此AC/DC/AC電源仿真。

圖2 電源仿真模塊圖

如圖所示，首先由50 Hz工頻電源引出，經(jīng)過(guò)一個(gè)Y/Δ變換的變壓器，變?yōu)檎髌骺山邮艿牡蛪?。再?jīng)整流和濾波后，送入IGBT逆變器，逆變器的觸發(fā)信號由帶死區的PWM信號送入。然后再經(jīng)三相濾波后，送入負載。

2.1 死區的實(shí)現

在simulink中雖然有很多現成的模塊，但是Toolbox中只有理想化的PWM發(fā)生器，對于本文所要研究的死區效應，必須進(jìn)行擴充和重新封裝，建立一個(gè)帶死區的PWM發(fā)生器模塊。

在理想化的PWM模塊中，橋臂上下兩開(kāi)關(guān)管的觸發(fā)脈沖pulse1和pulse2倆個(gè)信號是互補的，但是在實(shí)際的逆變器中，由于開(kāi)關(guān)元件都有一個(gè)關(guān)斷的時(shí)間，所以觸發(fā)的信號如果理想互補的化，必然發(fā)生上下橋臂直通，進(jìn)而引發(fā)短路，會(huì )直接毀壞整個(gè)電源。因此，對于pulse1和pulse2倆個(gè)信號，在其倆個(gè)觸發(fā)信號之間必須有一定的間隔，也就是所謂的死區。

首先在simulink的continous目錄中找出transport delay模塊，此一模塊可以將一個(gè)函數延遲，在時(shí)軸上相當于將此一函數整體地向右平移。則設脈沖1即pulse1，延遲后的信號為脈沖1’即 pulse1’，則由邏輯關(guān)系,邏輯乘得到整定后的脈沖信號為脈沖1”即pulse1”：

pulse1*pulse1’=pulse1”

則由圖可知，pulse1”相比于pulse1，觸發(fā)信號上升沿向右平移，而下降沿不變。

同理，對于pulse2，也采用此一方法，使得上升沿右移下降沿不變，而pulse2的上升沿時(shí)間上接著(zhù)pulse1的下降沿。如圖3示。

圖3 死區脈沖示意圖

因此，用此方法就實(shí)現了兩個(gè)觸發(fā)信號之間的間隔，也就是死區。圖4就是用此一算法實(shí)現的模塊。

圖4 死區模塊仿真圖

3 仿真結果

對輸出的電源信號進(jìn)行仿真。當載波頻率為3 000 Hz，死區時(shí)間為0 ，調制深度為0.8時(shí)，諧波分析圖為圖5。

圖5 無(wú)死區時(shí)諧波成分圖

當載波頻率為3 000 Hz，死區時(shí)間為5×10-5 s，調制深度為0.8時(shí)諧波分析圖為圖6。

圖6死區時(shí)間50 μs諧波成分圖

當載波頻率為3 000 Hz，死區時(shí)間為10-4 s，調制深度為0.8時(shí)，諧波分析圖為圖7。

圖7死區時(shí)間100μs時(shí)諧波成分圖

由圖可知，死區的存在給電壓波形帶來(lái)極大的影響，不但大大降低了基波的幅值，而且增加了諧波的含量。對于電機而言危害極大，不但降低機器效率，而且諧波產(chǎn)生雜散轉矩，危害電機運行安全。

4 結論

本文對于SPWM逆變所產(chǎn)生的固有諧波和死區產(chǎn)生的附加諧波進(jìn)行了數學(xué)分析，建立了可進(jìn)行定量分析的數學(xué)模型。對于A(yíng)C/DC/AC電源進(jìn)行了基于MATLAB的仿真，并且實(shí)現了對帶死區時(shí)間觸發(fā)模型的MATLAB編程，且基于以上的工作對于帶死區的SPWM電壓波形進(jìn)行了Fourier變換，對死區對于電壓波形的影響做了初步的研究。