基于MATLAB對AC/DC/AC電源的死區(qū)效應(yīng)的諧波分析及仿真

2 對于AC/DC/AC電源以及死區(qū)特性的MATLAB建模

MATLAB是高級的數(shù)學(xué)分析與運算軟件,可用作動態(tài)系統(tǒng)的建模與仿真，MATLAB語言在其仿真研究中被成功方便地應(yīng)用在電動驅(qū)動系統(tǒng)的研制過程中，它有以下特點:(a)用戶使用方便,編程效率高,語言簡單,內(nèi)涵豐富,易學(xué)易用;(b)高效方便的矩陣和數(shù)組運算;(c)極其方便的繪圖功能;(d)帶有SIMULINK動態(tài)仿真工具及Toolbox等其它功能;(e)擴充能力強。

2.1 仿真實例

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)過一個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(qū)的PWM信號送入。然后再經(jīng)三相濾波后，送入負載。

2.1 死區(qū)的實現(xiàn)

在simulink中雖然有很多現(xiàn)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(qū)效應(yīng)，必須進行擴充和重新封裝，建立一個帶死區(qū)的PWM發(fā)生器模塊。

在理想化的PWM模塊中，橋臂上下兩開關(guān)管的觸發(fā)脈沖pulse1和pulse2倆個信號是互補的，但是在實際的逆變器中，由于開關(guān)元件都有一個關(guān)斷的時間，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，進而引發(fā)短路，會直接毀壞整個電源。因此，對于pulse1和pulse2倆個信號，在其倆個觸發(fā)信號之間必須有一定的間隔，也就是所謂的死區(qū)。

首先在simulink的continous目錄中找出transport delay模塊，此一模塊可以將一個函數(shù)延遲，在時軸上相當(dāng)于將此一函數(shù)整體地向右平移。則設(shè)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的上升沿時間上接著pulse1的下降沿。如圖3示。

圖3 死區(qū)脈沖示意圖

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

圖4 死區(qū)模塊仿真圖

3 仿真結(jié)果

對輸出的電源信號進行仿真。當(dāng)載波頻率為3 000 Hz，死區(qū)時間為0 ，調(diào)制深度為0.8時，諧波分析圖為圖5。

圖5 無死區(qū)時諧波成分圖

當(dāng)載波頻率為3 000 Hz，死區(qū)時間為5×10-5 s，調(diào)制深度為0.8時諧波分析圖為圖6。

圖6死區(qū)時間50 μs諧波成分圖

當(dāng)載波頻率為3 000 Hz，死區(qū)時間為10-4 s，調(diào)制深度為0.8時，諧波分析圖為圖7。

圖7死區(qū)時間100μs時諧波成分圖

由圖可知，死區(qū)的存在給電壓波形帶來極大的影響，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(zhuǎn)矩，危害電機運行安全。

4 結(jié)論

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