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

2 對(duì)于AC/DC/AC電源以及死區(qū)特性的MATLAB建模

MATLAB是高級(jí)的數(shù)學(xué)分析與運(yùn)算軟件,可用作動(dòng)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(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研制過程中，它有以下特點(diǎn):(a)用戶使用方便,編程效率高,語言簡(jiǎn)單,內(nèi)涵豐富,易學(xué)易用;(b)高效方便的矩陣和數(shù)組運(yùn)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(kuò)充能力強(qiáng)。

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)過一個(gè)Y/Δ變換的變壓器，變?yōu)檎髌骺山邮艿牡蛪骸Ｔ俳?jīng)整流和濾波后，送入IGBT逆變器，逆變器的觸發(fā)信號(hào)由帶死區(qū)的PWM信號(hào)送入。然后再經(jīng)三相濾波后，送入負(fù)載。

2.1 死區(qū)的實(shí)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(duì)于本文所要研究的死區(qū)效應(yīng)，必須進(jìn)行擴(kuò)充和重新封裝，建立一個(gè)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(gè)信號(hào)是互補(bǔ)的，但是在實(shí)際的逆變器中，由于開關(guān)元件都有一個(gè)關(guān)斷的時(shí)間，所以觸發(fā)的信號(hào)如果理想互補(bǔ)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(duì)于pulse1和pulse2倆個(gè)信號(hào)，在其倆個(gè)觸發(fā)信號(hào)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(gè)函數(shù)延遲，在時(shí)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(hào)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(hào)為脈沖1”即pulse1”：

pulse1*pulse1’=pulse1”

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

同理，對(duì)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(shí)現(xiàn)了兩個(gè)觸發(fā)信號(hào)之間的間隔，也就是死區(qū)。圖4就是用此一算法實(shí)現(xiàn)的模塊。

圖4 死區(qū)模塊仿真圖

3 仿真結(jié)果

對(duì)輸出的電源信號(hào)進(jìn)行仿真。當(dāng)載波頻率為3 000 Hz，死區(qū)時(shí)間為0 ，調(diào)制深度為0.8時(shí)，諧波分析圖為圖5。

圖5 無死區(qū)時(shí)諧波成分圖

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

圖6死區(qū)時(shí)間50 μs諧波成分圖

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

圖7死區(qū)時(shí)間100μs時(shí)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(duì)于電機(jī)而言危害極大，不但降低機(jī)器效率，而且諧波產(chǎn)生雜散轉(zhuǎn)矩，危害電機(jī)運(yùn)行安全。

4 結(jié)論

本文對(duì)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(jìn)行了數(shù)學(xué)分析，建立了可進(jìn)行定量分析的數(shù)學(xué)模型。對(duì)于AC/DC/AC電源進(jìn)行了基于MATLAB的仿真，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)帶死區(qū)時(shí)間觸發(fā)模型的MATLAB編程，且基于以上的工作對(duì)于帶死區(qū)的SPWM電壓波形進(jìn)行了Fourier變換，對(duì)死區(qū)對(duì)于電壓波形的影響做了初步的研究。