三相逆变器SPWM的仿真.doc

目录
一 摘要 ................................................................................................... 2
二 三项逆变器SPWM调制原理...........................................................2
三 SPWM逆变电路及其控制方法.......................................................2
3.1SPWM包括单极性和双极性两种调制方法.....................................................2

3.2 调制法.................................................................................................................3

3.3特定谐波消去法..................................................................................................4

四 三相桥式逆变器SPWM调制的仿真型........................................5

4.1SUBSYSTEM封装模块...................................................................................6
4.2SUBSYSTEM1封装模块.................................................................................7

五 三相桥式逆变器SPWM调制的仿真波形....................................7

六频谱分析...........................................................................................14

6.1 对相电压UN’ 、VN’ 、WN’输出电压进行谐波分析................................14

6.2 对负载的线电压Uuv、Uvw、Uwu的输出波形进行谐波分析.................16

6.3 负载VN的相电压UN、VN、WN输出波形进行谐波分析.......................17

七结 语.................................................................................................19

八 参考文献.........................................................................................19

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。
关键词：PWM 三相逆变器 载波比N 示波器 仿真 波形
二 三相逆变器SPWM调制原理
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，是指环节的输出响应波形基本相同。
重要理论基础——面积等效原理

a)矩形脉冲 b)三角脉冲 c)正弦半波脉冲 d)单位脉冲函
图1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
三 SPWM逆变电路及其控制方法
3.1 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，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；
Ø fr 很低时，fc 也很低，由调制带来的谐波不易滤除；
Ø 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。
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。
3.2 调制法
1）单相桥式SPWM逆变电路调制法
设负载为阻感负载，工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。以uo正半周，让V1通，V2断，V3和V4交替通断。由于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<Uc时，给V4以导通的信号，给V1以关断的信号，则UN’= -Ud/2。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。
3.3特定谐波消去法
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。首先，为了消除偶次谐波，应使波形正负两个半周期镜对称。

特定谐波消去法的输出SPWM波形
四 三相桥式逆变器SPWM调制的仿真模型
总图

电阻R=1，电感L=1e-3,电容C=inf
4.1 SUBSYSTEM封装模块

脉冲电路参数设置为：载波比N=9-21，取N=16设置三角波时间[0 6.25e-4 1.25e-3] 幅值 [-1 1 -1],Ma=0.8-0.95,取Ma=0.88，单相调制信号波U, V, W依次相差120°电角度。w取100*pi, U、 V、W取角度分别取0、2/3*pi、4/3*pi。E1=E2=150V。

4.2 SUBSYSTEM1封装模块

E1=E2=150V
4.3调制波电路分析
4.3.1单相双极性SPWM调制原理图

当0.88Ur>=Uc时，输出Out3
当0.88Ur<Uc时，输出Out2
4.3.2 三相双极性SPWM调制原理图

原理同上比较得出，当0.88Ur>=Uc时，输出Out3；当0.88Ur<Uc时，输出Out2;当0.88Vr>=Uc时,输出Out4;当0.88Vr<Uc时，输出Out5;当0.88Wr>=Uc,时，输出Out6,当0.88Wr<Uc,输出Out7;载波比N=fc/fr,可根据公式算的fc=N*fr，
可设置三角波的频率和周期。
输出信号Out2,3,4,5,6,7用示波器B测得波形，信号经过晶闸管IGBT得到输出信号Out1,2,3,4,5,6,用示波器C测得波形。用示波器A测得三角波和三个正弦波行，用示波器D测相电压UN'UV' WN'电压波形，用示波器D1测相电压UN VN WN 的波形，用示波器E测得线电压UV VW UW的波形，用示波器F测得电阻电感两端的电压电流。
封装模块
1) 选择要建立的子系统模块，不包括输入端口和输出端口。
2) 选择模型编辑窗口Edit菜单中的Create Subsystem命令，或右击鼠标选择该命令，这样，子系统就建好了，系统自动把输入模块和输出模块添加到子系统。
3) 修改子系统名，修改需要的子系统名。
4) 选择模块，右击鼠标选择"Mask Subsystem"，将其封装。
5) 在编辑器（Mask Edit)中添加需要封装的相关参数（Parameters):Ar,fr,N,Ma.
6) 初始化（Initialization)其他参数，这里需要用Matlab语句执行：Ac=Ar/Ma;fc=fr*N
7) 确定完成封装.

五 三相桥式逆变器SPWM调制仿真波形
电阻RL1、RL2、RL3电压电流波形

示波器A仿真波形
subplot(1,1,1)
plot(a.time,a.signals(1).values)
title('三角载波与调制信号波波形N=16')

示波器B波形
subplot(6,1,1)
plot(b.time,b.signals(1,1).values)
title('out2电压波形')
subplot(6,1,2)
plot(b.time,b.signals(1,2).values)
title('out3电压波形')
subplot(6,1,3)
plot(b.time,b.signals(1,3).values)
title('out4电压波形')
subplot(6,1,4)
plot(b.time,b.signals(1,4).values)
title('out5电压波形')
subplot(6,1,5)
plot(b.time,b.signals(1,5).values)
title('out7电压波形')
subplot(6,1,6)
plot(b.time,b.signals(1,6).values)
title('out6电压波形')

示波器C波形
subplot(6,1,1)
plot(c.time,c.signals(1,1).values)
subplot(6,1,2)
plot(c.time,c.signals(1,2).values)
subplot(6,1,3)
plot(c.time,c.signals(1,3).values)
subplot(6,1,4)
plot(c.time,c.signals(1,4).values)
subplot(6,1,5)
plot(c.time,c.signals(1,5).values)
subplot(6,1,6)
plot(c.time,c.signals(1,6).values)

示波器D波形
subplot(3,1,1)
plot(d.time,d.signals(1,1).values)
title('相电压UN’电压波形')
subplot(3,1,2)
plot(d.time,d.signals(1,2).values)
title('相电压VN’电压波形')
subplot(3,1,3)
plot(d.time,d.signals(1,3).values)
title('相电压WN’电压波形')

示波器D1波形
subplot(3,1,1)
plot(d2.time,d2.signals(1,1).values)
title('U相相电压波形图')
subplot(3,1,2)
plot(d2.time,d2.signals(1,2).values)
title('V相相电压波形图')
subplot(3,1,3)
plot(d2.time,d2.signals(1,3).values)
title('W相相电压波形图')

示波器E波形
subplot(3,1,1)
plot(e.time,e.signals(1,1).values)
title('线电压UN’电压波形')
subplot(3,1,2)
plot(e.time,e.signals(1,2).values)
title('线电压VN’电压波形')
subplot(3,1,3)
plot(e.time,e.signals(1,3).values)
title('线电压WN’电压波形')

示波器F波形
subplot(3,1,1)
plot(f.time,f.signals(1,1).values);
subplot(3,1,2）
plot(f.time,f.signals(1,2).values);
subplot(3,1,3)
plot(f.time,f.signals(1,3).values);

电阻电感电压电流波形

六 频谱分析
6.1 对相电压UN’ 、VN’ 、WN’输出电压进行谐波分析

相电压UN’谐波分析

相电压VN’谐波分析

相电压WN’谐波分析
6.2 对负载的线电压Uuv、Uvw、Uwu的输出波形进行谐波分析

对线电压Uuv谐波分析

对线电压Uvw谐波分析

对线电压Uwu谐波分析

6.3负载VN的 、VN、WN输出波形进行谐波分析

相电压UN谐波分析

相电压VN谐波分析

相电压WN谐波分析
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。Wc>>Wr,所以SPWM波形中所含的主要谐波的频率要比基波频率高的多，是很容易滤除的。载波频率越高，SPWM波形谐波频率就越高，所需滤波器的体积越小。另外，一般的滤波器都有带宽，如按载波频率设计滤波器，载波附近的谐波也可滤除。

七 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较可行，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。让自己学到挺多认识更深，更了解Simulink。通过学习对CAD的认识更深，能够更好的运用仿真软件，以后可以更好的运用。很多以前的不懂的现在都明白，做完就很有成就感，经过这次的仿真更明白Simulink。对单相交流降压电路更了解。
八 参考文献
黄俊，王兆安 电力电子技术（第5版）北京：机械工业出版社，2010
张晓华 控制系统数字仿真与CAD(第3版) 北京：机械工业出版社 2010
刘卫国，MATLAB程序设计与应用，（第2版）北京：高等教育出版社，2006.

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