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AC/DC/AC電源以及死區特性的MATLAB建模

MATLAB是高級的數學分析與運算軟件,可用作動態系統的建模與仿真，MATLAB語言在其仿真研究中被成功方便地應用在電動驅動系統的研制過程中，它有以下特點:(a)用戶使用方便,編程效率高,語言簡單,內涵豐富,易學易用;(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動態仿真工具及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，經過一個Y/Δ變換的變壓器，變為整流器可接受的低壓。再經整流和濾波后，送入IGBT逆變器，逆變器的觸發信號由帶死區的PWM信號送入。然后再經三相濾波后，送入負載。

2.1 死區的實現

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

在理想化的PWM模塊中，橋臂上下兩開關管的觸發脈沖pulse1和pulse2倆個信號是互補的，但是在實際的逆變器中，由于開關元件都有一個關斷的時間，所以觸發的信號如果理想互補的化，必然發生上下橋臂直通，進而引發短路，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函數延遲，在時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 死區脈沖示意圖

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

圖4 死區模塊仿真圖

3 仿真結果

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

圖5 無死區時諧波成分圖

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

圖6死區時間50 μs諧波成分圖

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

圖7死區時間100μs時諧波成分圖

由圖可知，死區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逆變所產生的固有諧波和死區產生的附加諧波進行了數學分析，建立了可進行定量分析的數學模型。對于AC/DC/AC電源進行了基于MATLAB的仿真，并且實現了對帶死區時間觸發模型的MATLAB編程，且基于以上的工作對于帶死區的SPWM電壓波形進行了Fourier變換，對死區對于電壓波形的影響做了初步的研究。