三相逆变器双极性SPWM调制技术的仿真.docx

三相逆变器双极性SPWM调制技术的仿真.docx

《三相逆变器双极性SPWM调制技术的仿真.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《三相逆变器双极性SPWM调制技术的仿真.docx（27页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

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

4.1SPWM包括单极性和双极性两种调制方法……………………….3

4.2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8

5.1触发脉冲调制电路（subsystem封装模块）9

5.2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14

6.1示波器B、C、D、E、F仿真的波形图16

七频谱分析22

7.1对相电压UN’、VN’、WN’输出电压进行谐波分析22

7.2对负载的线电压Uuv、Uvw、Uwu的输出波形进行谐波分析24

7.3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（PulseWidthModulation）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PowerSystemBlock（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：

Intheelectricpowerelectronictechnology,PWM（PulseWidthModulation）controlsiscarriesonthemodulationtothepulsewidththetechnology.Namelythroughcarriesonthemodulationtoaseriesofpulsewidth,comesequivalenttoobtainneedstheprofile（includingshapeandpeak-to-peakvalue）.Thepresentpapertakethethree-phaseinvertorbipolaritySPWMmodulatingtechnologymodulatingtechniquesimulationasanexample,throughhasutilizedMatlab/SimulinkandPowerSystemtheBlock（PSB）electricalpowersystemmodulecollectiontoolboxsimulationenvironment,carriesonthemodelling,thecomputationandthesimulationanalysistotheelectriccircuit.ComparesNthroughtheadjustmentcarrier,watchestheoutputwaveshapewiththeoscilloscopethechange.Moreover,usessubplottomakethevoltagewaveformaswellasthespectrographwhichthephasevoltage,theinterphasecurrent,thelinevoltage,thedifferentcomponentwithstand,andanalyzes.

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

4.1SPWM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，既N=fc/fr

调制度――调制波幅值Ar与载波幅值Ac之比，即Ma＝Ar/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。

Ø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；

Ø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；

Ø为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数；

Øfr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除；

Øfr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。

Ø通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的；

Ø在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，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；

Ø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；

Ø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Uru>Uc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Uru

V1和V4的驱动信号始终时互补的。

当给V1（V4）加导通信号时，可能是V1（V4）导通，也可能是二极管VD1（VD4）续流导通，这要求阻感负载中电流方向来决定。

根据计算式可得，负载相电压UN可求得

UN=UN’-（UN’+VN’+WN’）/3

在电压型逆变电路的PWM控制中，同一相上下两个臂的驱动信号都是互补的。

3）双极性PWM控制方式（三相桥逆变）

下面以U相为例分析控制规律：

当urU>uc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN’=Ud/2。

当urU

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。

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

（SelectedHarmonicEliminationPWM—SHEPWM）

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π），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Ma=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（'Ma²波形'）;

subplot（3,1,2）;

plot（g.time,squeeze（g.signals

（2）.values））;

title（'正弦Ma*U²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=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A

subplot（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=20

6.1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（'触发脉冲out2电压波形'）

gridon;

subplot（6,1,2）;

plot（b.time,squeeze（b.signals

（2）.values））;

title（'触发脉冲out3电压波形'）

gridon;

subplot（6,1,3）;

plot（b.time,squeeze（b.signals（3）.values））;

title（'触发脉冲out4电压波形'）

gridon;

subplot（6,1,4）;

plot（b.time,squeeze（b.signals（4）.values））;

title（'触发脉冲out5电压波形'）

gridon;

subplot（6,1,5）;

plot（b.time,squeeze（b.signals（5）.values））;

title（'触发脉冲out6电压波形'）

gridon;

subplot（6,1,6）;

plot（b.time,squeeze（b.signals（6）.values））;

title（'触发脉冲out7电压波形'）

gridon;

波形如下：

示波器C

subplot（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（6,1,4）;

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D

subplot（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,-150,150]）;

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E

subplot（3,1,1）;

plot（e.time,squeeze（e.signals

（1）.values））;

title（'线电压UN’电压波形'）

gridon;

subplot（3,1,2）;

plot（e.time,squeeze（e.signals

（2）.values））;

title（'线电压VN’电压波形'）

gridon;

subplot（3,1,3）;

plot（e.time,squeeze（e.signals（3）.values））;

title（'线电压WN’电压波形'）

gridon;

波形如下：

示波器F

subplot（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（[0.02,0.06,-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%

Input2（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nwc+kwr（nwc-kwr）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wc整数倍的谐波都没有了，谐波中的幅值较高的是wc+2wr（2wc-wr）。

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k－1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.