三相逆变器双极性SPWM调制技术的仿真.docx

1、三相逆变器双极性SPWM调制技术的仿真目录一 摘要 1二 引言 2三 三项逆变器SPWM调制原理 2四 SPWM控制方式 3 4.1 SPWM包括单极性和双极性两种调制方法 .34.2 调制法 4五 用matlab下的simulink和simpowersystems工具箱构建三相桥式逆变器SPWM调制的仿真模型 85.1 触发脉冲调制电路（subsystem封装模块） 95.2 主电路（subsystem1封装模块） 13六 三相桥式逆变器SPWM调制的仿真波形 146.1 示波器B、C、D、E、F仿真的波形图 16七 频谱分析 227.1 对相电压UN 、VN 、WN输出电压进行谐波分析 2

2、27.2 对负载的线电压Uuv、Uvw、Uwu的输出波形进行谐波分析 247.3 负载VN的相电压UN、VN、WN输出波形进行谐波分析 26八 结 语 28九 参考文献 28三相逆变器双极性SPWM调制技术的仿真一 摘要：在电力电子技术中，PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。本论文以三相逆变器双极性SPWM调制技术的仿真为例，通过运用了Matlab/Simulink和Power System Block(PSB)电力系统模块集工具箱仿真环境，对电路进行建模、计算和仿真

3、分析。通过调节载波比N，用示波器观看输出波形的改变。另外，采用subplot作出相电压、相电流、线电压、不同器件所承受的电压波形以及频谱图，并加以分析。ABSTRACT ：In the electric power electronic technology, PWM (Pulse Width Modulation) controls is carries on the modulation to the pulse width the technology.Namely through carries on the modulation to a series of pulse width,

4、 comes equivalent to obtain needs the profile (including shape and peak-to-peak value).The present paper take the three-phase invertor bipolarity SPWM modulating technology modulating technique simulation as an example, through has utilized Matlab/Simulink and Power System the Block(PSB) electrical

5、power system module collection toolbox simulation environment, carries on the modelling, the computation and the simulation analysis to the electric circuit.Compares N through the adjustment carrier, watches the output wave shape with the oscilloscope the change.Moreover, uses subplot to make the vo

6、ltage waveform as well as the spectrograph which the phase voltage, the interphase current, the line voltage, the different component withstand, and analyzes.关键词：PWM 三相逆变器 载波比N 示波器 仿真 波形二 引言PWM控制技术是在电力电子领域有着广泛的应用，并对电力电子技术产生十分深远的影响的一项技术。近年来，PWM控制技术在整流电路中也开始应用，并显示了突出的优越性。尤其是在逆变电路中应用最具有代表性。可以说，正是由于PWM控

7、制技术在逆变电路中的广泛而成功的应用，才奠定了PWM控制技术在电力电子技术中的突出地位。以三相逆变器双极性SPWM调制技术的仿真为例，对PWM更深一步的了解与掌握。三 三项逆变器SPWM调制原理PWM控制技术在逆变电路中的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM技术。常用的PWM技术主要包括：正弦脉宽调制(SPWM)、选择谐波调制（SHEPWM）、电流滞环调制（CHPWM）和电压空间矢量调制（SVPWM）。在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。图1中各个形状的窄脉冲在作用到逆变器中电力电子器件时，其效果是相同的，正是基

8、于这个理论，SPWM调制技术才孕育而生。重要理论基础面积等效原理环节的输出响应波形基本相同效果基本相同a)矩形脉冲 b)三角脉冲c)正弦半波脉冲 d)单位脉冲函数图1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲四 SPWM控制方式4.1 SPWM包括单极性和双极性两种调制方法（1）如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。（2）如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。图2双极性PWM控制方式其中：载波比载波频率 fc与调制信号频率 fr 之比N

9、，既 N = fc / fr 调制度调制波幅值Ar与载波幅值Ac之比，即MaAr/Ac同步调制N 等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。 基本同步调制方式，fr 变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定； 三相电路中公用一个三角波载波，且取 N 为3的整数倍，使三相输出对称； 为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数； fr 很低时，fc 也很低，由调制带来的谐波不易滤除； fr 很高时，fc 会过高，使开关器件难以承受。异步调制*载波信号和调制信号不同步的调制方式。 通常保持 fc 固定不变，当 fr 变化时，载波比 N 是变化的； 在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，

10、相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称； 当 fr 较低时，N 较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小； 当 fr 增高时，N 减小，一周期内的脉冲数减少，PWM 脉冲不对称的影响就变大。4.2 调制法1）结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。以uo正半周为例，V1通，V2断，V3和V4交替通断。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。负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于Ud 。V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0负载电流为负的区

11、间， V1和V4仍导通，io为负，实际上io从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud 。V4关断V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0。uo总可得到Ud和零两种电平。uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平。图3 三相桥式PWM型逆变电路2）U 、V、W三相的PWM控制是通常公用一个三角波Uc，三相的调制信号Uru、Urv、Urw依次相差120。U、V、W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U相为例来分析。当UruUc时，给桥臂V1以导通的信号，给下桥臂V4以关断的信号，则U相相对于直流电源假想中点N的输出电压UN=Ud/2。当Uruuc时，给V1

12、导通信号，给V4关断信号，uUN=Ud/2。当urUuc时，给V4导通信号，给V1关断信号，uUN=-Ud/2。当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通。uUN、uVN和uWN的PWM波形只有Ud/2两种电平。uUV波形可由uUN-uVN得出，当1和6通时，uUV=Ud，当3和4通时，uUV=Ud，当1和3或4和6通时，uUV=0。输出线电压PWM波由Ud和0三种电平构成负载相电压PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5种电平组成。防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。

13、死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。3.3）特定谐波消去法 (Selected Harmonic Elimination PWMSHEPWM)这是计算法中一种较有代表性的方法。输出电压半周期内，器件通、断各3次（不包括0和），共6个开关时刻可控。为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称。五 用matlab下的simulink和simpowersystems工具箱构建三相桥式逆变器SPWM调制的仿真模型5.1 触发脉冲调制电路（subsystem封装模块）脉冲电路参数设置为：载波比N=9-21，取N=12,Ma=0.8-0.95,取M

14、a=0.8，单相调制信号波U, V, W依次相差120电角度。具体如下图。脉冲电路中示波器scope的波形：subplot(3,1,1);plot(g.time,squeeze(g.signals(1).values);title(Ma波形);subplot(3,1,2);plot(g.time,squeeze(g.signals(2).values);title(正弦Ma*U波波形);subplot(3,1,3);plot(g.time,squeeze(g.signals(3).values);title(三角波波形);5.2 主电路（subsystem1封装模块）主电路仿真参数设置为：E=

15、100-300V; h=0.0001s，取E1=100V，E2=100V。故有E=E1+E2=200V。电阻电感选用默认值，对三相桥式逆变器SPWM调制的进行仿真。六 三相桥式逆变器SPWM调制的仿真波形示波器Asubplot(1,1,1);plot(a.time,a.signals(1).values);title(三角载波与调制信号波波形)载波比N=12 载波比N=206.1 示波器B、C、D、E、F仿真的波形图当N=12，E=200（E1+E2）时的波形图示波器B：subplot(6,1,1);plot(b.time,squeeze(b.signals(1).values);title(

16、触发脉冲out2电压波形)grid on;subplot(6,1,2);plot(b.time,squeeze(b.signals(2).values);title(触发脉冲out3电压波形)grid on;subplot(6,1,3);plot(b.time,squeeze(b.signals(3).values);title(触发脉冲out4电压波形)grid on;subplot(6,1,4);plot(b.time,squeeze(b.signals(4).values);title(触发脉冲out5电压波形)grid on;subplot(6,1,5);plot(b.time,squ

17、eeze(b.signals(5).values);title(触发脉冲out6电压波形)grid on;subplot(6,1,6);plot(b.time,squeeze(b.signals(6).values);title(触发脉冲out7电压波形)grid on;波形如下：示波器Csubplot(6,1,1);plot(c.time,c.signals(1).values);subplot(6,1,2);plot(c.time,c.signals(2).values);subplot(6,1,3);plot(c.time,c.signals(3).values);subplot(6,1

18、,4);plot(c.time,c.signals(4).values);subplot(6,1,5);plot(c.time,c.signals(5).values);subplot(6,1,6);plot(c.time,c.signals(6).values);波形如下：示波器Dsubplot(3,1,1);plot(d.time,d.signals(1).values);axis(0.04,0.08,-150,150);title(相电压UN电压波形);subplot(3,1,2);plot(d.time,d.signals(2).values);axis(0.04,0.08,-150,

19、150);title(相电压VN电压波形);subplot(3,1,3);plot(d.time,d.signals(3).values);axis(0.04,0.08,-150,150);title(相电压WN电压波形);波形如下：示波器Esubplot(3,1,1);plot(e.time,squeeze(e.signals(1).values);title(线电压UN电压波形)grid on;subplot(3,1,2);plot(e.time,squeeze(e.signals(2).values);title(线电压VN电压波形)grid on;subplot(3,1,3);plot

20、(e.time,squeeze(e.signals(3).values);title(线电压WN电压波形)grid on;波形如下：示波器Fsubplot(3,1,1);plot(f.time,squeeze(f.signals(1).values);axis(0.02,0.06,-150,150);subplot(3,1,2);plot(f.time,squeeze(f.signals(2).values);axis(0.02,0.06,-150,150);subplot(3,1,3);plot(f.time,squeeze(f.signals(3).values);axis(0.02,0.

21、06,-150,150);波形如下七 频谱分析7.1 对相电压UN 、VN 、WN输出电压进行谐波分析相电压UN 、VN和WN的三者谐波情况基本一样,其中：Input1（UN）：Fundamental（50HZ）=63.37,THD=196.19%Input2（VN）：Fundamental（50HZ）=60.59,THD=207.49%Input3（WN）：Fundamental（50HZ）=60.81,THD=206.84%7.2 对负载的线电压Uuv、Uvw、Uwu的输出波形进行谐波分析Input1（Uuv）：Fundamental（50HZ）=106.5,THD=115.53%Inpu

22、t2（Uvw）：Fundamental（50HZ）=108.2,THD=112.33%Input3（Uwu）：Fundamental（50HZ）=108.2,THD=112.33%7.3 负载VN的相电压UN、VN、WN输出波形进行谐波分析Input1（UN）：Fundamental（50HZ）=61.11,THD=116.81%Input2（VN）：Fundamental（50HZ）=62.18,THD=113.30%Input3（WN）：Fundamental（50HZ）=62.05,THD=113.30%由于负载的参数一样，故相电压UN 、VN和WN的三者谐波情况基本一样。频谱分析情况基

23、本一致。可以看出，其PWM波中不含有低次谐波，只含有角频率为Wc及其附近的谐波，以及2Wc、3Wc等及其附近的谐波。在上述谐波中，幅值最高影响最大的时角频率为Wc的谐波分量。三相桥式PWM逆变电路可以每相各有一个载波信号，也可以三相公用一个载波信号。这里只分析应用较多的公用载波信号时的情况。在其输出线电压中，所包含的谐波角频率为式nw c+kw r（nw c-kw r）式中，n=1，3，5,时，k=3（2m-1）+1，m=1，2，3，;n=2,4,6,时，k=6m+1（6m-1），m=0，1，（1，2，）。从三相桥式PWM逆变输出线电压的频谱图知：不含有低次谐波，载波角频率w c整数倍的谐波都

24、没有了，谐波中的幅值较高的是w c+2w r（2w c-w r）。八 结 语通过以上的仿真过程分析，可以得到下列结论：（1）与采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。（2）载波频率越高，SPWM波形中谐波频率就越高。所需滤波器的体积就越小。一般在输出电压半周期内，器件通、断各k次，考虑到PWM波四分之一周期对称，k个开关时刻可控，除用一个自由度控制基波幅值外，可消去k1个频率的特定谐波。（3）三相桥式PWM型逆变电路采用双极性控制方式比交可行，且操作简单。再依次验证了PWM控制技术在逆变电路中有着十分重要的意义。九 参考文献黄俊，王兆安 电力电子技术（第3版）北京：机械工业出版社，1994张晓华 控制系统数字仿真与CAD(第2版) 北京：机械工业出版社 2005刘卫国，MATLAB程序设计与应用，（第2版）北京：高等教育出版社，2002.