三相SPWM逆變器的仿真與研究演示

1 陜西理工學(xué)院電氣系自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 三相SPWM逆變器的仿真與研究 導(dǎo)師 張鵬超答辯人 袁毛毛黃飛專業(yè) 自動(dòng)化 2 論文框架 引言 PWM控制技術(shù) 三相橋式PWM逆變器 三相電壓型SPWM逆變器的仿真 三相電壓型SPWM逆變器電機(jī)調(diào)速的仿真 結(jié)果分析及研究 致謝 3 引言 由于電力電子學(xué)和微電子技術(shù)的發(fā)展 使變頻調(diào)速技術(shù)近年來獲得了飛速的發(fā)展 各種變頻調(diào)速控制方式 PWM脈寬調(diào)制技術(shù)以及MCU微處理器和以大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的全數(shù)字化控制技術(shù)等均在變頻調(diào)速中獲得了成功應(yīng)用 SPWM正弦脈寬調(diào)制法這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)是原理簡單 通用性強(qiáng) 具有開關(guān)頻率固定 控制和調(diào)節(jié)性能好 能消除諧波使輸出電壓只含有固定頻率的高次諧波分量 設(shè)計(jì)簡單等一系列優(yōu)點(diǎn) 是一種比較好的波形改善法 它的出現(xiàn)為中小型逆變器的發(fā)展起了重要的推動(dòng)作用 SPWM技術(shù)成為目前應(yīng)用最為廣泛的逆變用PWM技術(shù) 4 PWM控制技術(shù) PWM控制方式就是對(duì)逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制 使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不等的脈沖 按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制 既可改變逆變電路輸出電壓的大小 也可改變逆變輸出頻率 面積等效原理PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ) 原理內(nèi)容 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí) 其效果基本相同 沖量即指窄脈沖的面積 效果基本相同 是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同 如果把各輸出波形用傅里葉變換分析 則其低頻段非常接近 僅在高頻段略有差異 將圖1 1a b c d所示的脈沖作為輸入 加在圖1 2a所示的R L電路上 設(shè)其電流i t 為電路的輸出 圖1 2b給出了不同窄脈沖時(shí)i t 的響應(yīng)波形 5 圖1 1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 圖1 2沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形 用PWM波代替正弦半波幅值頂部是曲線且大小按正弦規(guī)律變化的脈沖序列組成的 利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替 使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合 且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積 沖量 相等 這就是PWM波形 正弦波的負(fù)半周 用同樣的方法得到 脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形 也稱SPWM 圖1 3用PWM波代替正弦半波 a 矩形脈沖 b 三角形脈沖 c 正弦半波脈沖 d 單位脈沖函數(shù) 6 單極性調(diào)制 圖1 4單相橋式PWM逆變電路 圖1 5 7 雙極性PWM控制方式調(diào)制信號(hào)ur和載波信號(hào)uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制各開關(guān)器件的通斷 在ur的一個(gè)周期內(nèi) 輸出的PWM波只有 Ud兩種電平 在ur的正負(fù)半周 對(duì)各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同 當(dāng)ur uc時(shí) V1V4導(dǎo)通 uo Ud 當(dāng)ur uc時(shí) V2V3導(dǎo)通 uo Ud 圖1 6雙極性PWM控制方式波形 8 2 2SPWM的調(diào)制算法 三角波變化一個(gè)周期 它與正弦波有兩個(gè)交點(diǎn) 控制逆變器中開關(guān)元件導(dǎo)通和關(guān)斷各一次 要準(zhǔn)確的生成SPWM波形 就要精確的計(jì)算出這兩個(gè)點(diǎn)的時(shí)間 開關(guān)元件導(dǎo)通時(shí)間是脈沖寬度 關(guān)斷時(shí)間是脈沖間隙 正弦波的頻率和幅值不同時(shí) 這些時(shí)間也不同 但對(duì)計(jì)算機(jī)來說 時(shí)間由軟件實(shí)現(xiàn) 時(shí)間的控制由定時(shí)器完成 是很方便的 關(guān)鍵在于調(diào)制算法 調(diào)制算法主要有自然采樣法 規(guī)則采樣法 等面積法等 1 自然采樣法在正弦波和三角波的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制功率開關(guān)器件的通斷 稱為自然采樣法 正弦波在不同相位角時(shí)值不同 因而與三角波相交所得到的脈沖寬度不同 可知這種算法計(jì)算量比較大 需花費(fèi)較多的時(shí)間 因而難以在微處理器中實(shí)現(xiàn) 9 2 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法分為對(duì)稱規(guī)則采樣法和不對(duì)稱規(guī)則采樣法 1 對(duì)稱規(guī)則采樣法對(duì)稱規(guī)則采樣法是以每個(gè)三角波的對(duì)稱軸 頂點(diǎn)對(duì)稱軸或低點(diǎn)對(duì)稱軸 所對(duì)應(yīng)的時(shí)間作為采樣時(shí)刻 過三角波的對(duì)稱軸與正弦波的交點(diǎn) 做平行t軸的平行線 該平行線與三角波的兩個(gè)腰的交點(diǎn)作為SPWM波 開 和 關(guān) 的時(shí)刻 如圖所示 因?yàn)檫@兩個(gè)交點(diǎn)是對(duì)稱的 所以稱為規(guī)則采樣法 對(duì)稱規(guī)則采樣法 10 2 不對(duì)稱規(guī)則采樣法對(duì)稱規(guī)則采樣法的數(shù)學(xué)模型非常簡單 但是由于每個(gè)載波周期只采樣一次 因此所形成的階梯波 與正弦波的逼近程度仍存在較大誤差 如果既在三角波的頂點(diǎn)對(duì)稱軸位置采樣 又在三角波的底點(diǎn)對(duì)稱軸位置采樣 也就是每個(gè)載波周期采樣兩次 這樣所形成的階梯波與正弦波的逼近程度會(huì)大大提高 不對(duì)稱規(guī)則采樣法生成SPWM波如圖所示 由于這種采樣所形成的階梯波與三角波的交點(diǎn)并不對(duì)稱 因此稱其為不對(duì)稱規(guī)則采樣法 不對(duì)稱規(guī)則采樣法 11 圖1 7三相橋式PWM型逆變電路 三相橋式PWM逆變電路采用雙極性控制方式 U V和W三相的PWM控制通常公用一個(gè)三角波載波uc 三相的調(diào)制信號(hào)urU urV和urW依次相差120 圖1 8三相橋式PWM逆變電路波形 12 三相電壓型SPWM逆變器的仿真 三相電壓型SPWM逆變器的系統(tǒng)電路 13 三相電壓型SPWM逆變器電機(jī)調(diào)速仿真電路 14 結(jié)果分析及研究 SPWM脈沖波 15 三相電壓型SPWM逆變器的仿真波形 圖1 9 16 整流后的電壓波形 圖1 10 17 三相電壓型SPWM逆變器仿真波形分析 Ua Ub Uc為三相互差120 的380v交流電 1 圖1 9Ura Urb Urc中為負(fù)載電壓的波形 Usw1為逆變器1橋臂的電壓波形 Isw1為逆變器中1橋臂的電流波形 Ib為負(fù)載rb上電流的波形 Ubc Uab Uca為三相逆變器的兩相間的電壓波形 2 圖1 10為整流后的電壓波形 18 電機(jī)調(diào)速波形1 圖1 11 19 電機(jī)調(diào)速波形2 圖1 12 20 1 圖1 11為PWM模塊的三角波頻率為600 正弦波頻率為50時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)子電流 定子電流 電機(jī)轉(zhuǎn)速 電磁轉(zhuǎn)矩的波形圖 此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)