三相電壓型SPWM課程設計報告

1、目錄一、 摘要2二、SPWM控制技術簡介32.1. PWM控制的基本原理32.2.SPWM逆變電路及理論基礎4三、三相逆變器雙極性SPWM控制技術仿真設計83.1 SPWM觸發(fā)脈沖調制電路83.2主電路圖9四、實驗調試心得10五、不同參數(shù)時三相逆變器雙極性SPWM控制技術的仿真波形及頻譜分析125.1 fc=500，Ma=0.9125.2頻譜分析13六、心得體會23參考文獻24附錄25第 31 頁1、 摘要關鍵字：三相橋 電壓型 全控 逆變 SPWM Simulink本次實驗主要為利用simulink中的塊原件來構建電力電子中的一種基本逆變電路三相逆變器雙極性SPWM調制技術的仿真，PWM控制

2、技術在逆變電路中的應用十分廣泛，目前中小功率的逆變電路幾乎都采用了PWM技術。常用的PWM技術主要包括：正弦脈寬調制(SPWM)、選擇諧波調制（SHEPWM）、電流滯環(huán)調制（CHPWM）和電壓空間矢量調制（SVPWM）。在逆變電路的設計過程中，需要對設計電路及有關參數(shù)選擇是否合理、效果好壞進行驗證。如果通過實驗來驗證， 需要經(jīng)過反復多次的元件安裝、調試、重新設計等步驟， 這樣使得設計耗資大，效率低， 周期長?，F(xiàn)代計算機仿真技術為電力電子電路的設計和分析提供了嶄新的方法， 可以使復雜的電力電子電路、系統(tǒng)的分析和設計變得更加容易和有效。Matlab 是一種計算機仿真軟件， 它是以矩陣為基礎的交互式

3、程序計算語言。Simulink 是基于框圖的仿真平臺， 它掛接在Matlab 環(huán)境上，以Matlab 的強大計算功能為基礎， 用直觀的模塊框圖進行仿真和計算。其中的電力系統(tǒng)（Power System）工具箱是專用于RLC電路、電力電子電路、電機傳動控制系統(tǒng)和電力系統(tǒng)仿真用的模型庫。以Matlab7.0 為設計平臺， 利用Simulink 中的Power System工具箱來搭建整流電路仿真模型，設置參數(shù)進行仿真。二、SPWM控制技術簡介SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的PWM法。在采樣控制理論中有一個重要的結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的

4、環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。a)矩形脈沖 b)三角脈沖 c)正弦半波脈沖 d)單位脈沖函數(shù)圖1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖SPWM法就是以該結論為理論基礎，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區(qū)間內的面積相等，通過改變調制波的頻率和幅值則可調節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。1. PWM控制的基本原理 用PWM波代替正弦半波將正弦半波看成是由N個彼此相連的脈沖寬度為/N，但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。把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈

5、沖的中點和相應正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應的正弦波部分面積（沖量）相等，這就是PWM波形。對于正弦波的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。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（Sinusoidal PWM）波形。PWM波形可分為等幅PWM波和不等幅PWM波兩種，由直流電源產(chǎn)生的PWM圖2用PWM波代替正弦半波波通常是等幅PWM波?；诘刃娣e原理，PWM波形還可以等效成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等。 2.SPWM逆變電路及理論基礎2.1控制方式（1）如果在正弦調制波的半個周期內，三角載波只在正或負的一種極性范圍內變化，所得到的S

6、PWM波也只處于一個極性的范圍內，叫做單極性控制方式。 （2）如果在正弦調制波半個周期內，三角載波在正負極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負之間變化，叫做雙極性控制方式。2.2選用方法本次課程設計主要內容為三相逆變器雙極性SPWM，所以選用雙極性控制方式，下面主要介紹雙極性控制方式的原理及其方法。ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud-2Ud圖3 雙極性PWM控制方式波形雙極性PWM控制方式（三相橋逆變）三相的PWM控制公用三角波載波uc  三相的調制信號urU、urV和urW依次相差120°U

7、相的控制規(guī)律當ur>uc時，給V1導通信號，給V4關斷信號UN=Ud/2 v 當ur<uc時，給V4導通信號，給V1關斷信號，UN=-Ud/2當給V1(V4)加導通信號時，可能是V1(V4)導通，也可能是VD1(VD4)導通。UN、VN和WN的PWM波形只有±Ud/2兩種電平  UV波形可UN-VN得出，當1和6通時，UV=Ud，當3和4通時，UV=Ud，當1和3或4和6通時UV=0 輸出線電壓PWM波由±Ud和0三種電平構成 負載相電壓PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和

8、0共5種電平組成。圖4 三相電壓型橋式逆變電路實驗中，主要通過比較ur和uc的大小來產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，進而控制IGBT的導通與關斷，實現(xiàn)電壓逆變的目的。2.3調制方式載波頻率fc與調制信號頻率fr之比N= fc/fr稱為載波比，根據(jù)載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，PWM調制方式可分為異步調制和同步調制兩種。2.3.1異步調制 載波信號和調制信號不保持同步的調制方式稱為異步調制。 通常保持載波頻率fc固定不變，因而當信號波頻率fr變化時，載波比N是變化的。 在信號波的半個周期內，PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內前后1/4周期的脈沖也不對稱。 當fr較低

9、時，N較大，一周期內脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響都較小，PWM波形接近正弦波。 當fr增高時，N減小，一周期內的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大，輸出PWM波和正弦波的差異變大，對于三相PWM型逆變電路來說，三相輸出的對稱性也變差。 在采用異步調制方式時，希望采用較高的載波頻率，以使在信號波頻率較高時仍能保持較大的載波比。2.3.2同步調制 載波比N等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步的方式稱為同步調制。 fr變化時載波比N不變，信號波一個周期內輸出的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的。 在三相PWM逆變電路中，通常公用一個三角波載波，為了使三相輸出波形嚴格對稱和一相的P

10、WM波正負半周鏡對稱，取N為3的整數(shù)倍且為奇數(shù)。 當逆變電路輸出頻率很低時，同步調制時的fc也很低，fc過低時由調制帶來的諧波不易濾除，當負載為電動機時也會帶來較大的轉矩脈動和噪聲；當逆變電路輸出頻率很高時，同步調制時的fc會過高，使開關器件難以承受。三、三相逆變器雙極性SPWM控制技術仿真設計在認真學習理解三相逆變雙極性SPWM的原理及實現(xiàn)方法之后，現(xiàn)在最主要的任務就是通過各類模塊構建仿真圖，模擬實驗效果，深化理解，明白實驗用途。3.1 SPWM觸發(fā)脈沖調制電路圖5 SPWM觸發(fā)脈沖電路如圖5所示，SPWM觸發(fā)脈沖電路由三個正弦波和三角波分別通過雙極性PWM方式產(chǎn)生脈沖。而實際上三個三角波是

11、一模一樣的，可以用一個代替；而三個正弦波除了相位依次延后120o之外，幅值、頻率等均相等。本次實驗運用異步調制的方式。3.2主電路圖圖6 三相雙極性SPWM主電路三相逆變器雙極性SPWM調制技術的仿真主電路如圖所示，其中subsystem1為圖5所示的SPWM觸發(fā)脈沖電路，對參數(shù)進行封裝過后，在固定fc（正弦波頻率）的值和三角波的幅值不變的情況下，可通過參數(shù)調節(jié)使fr的值變化，到達調節(jié)載波比N（N=fc/fr）的目的；同樣的道理，通過定義參數(shù)Ma(Ma=Ar/Ac)，而實際操作時Ac的值為1，將Ma賦值給正弦波的Amplitude作為Ar，故Ma就是調制度，可達到其調節(jié)的目的。四、實驗調試心得

12、當各個模塊按照實驗原理連接完畢后，變可進行準備仿真。首先要根據(jù)實際情況修改仿真時間，不然仿真時間過長同時導致波形過小，不利于查看，因為實驗設置正弦波頻率不變?yōu)?.02s，故將仿真時間設置為0.08s，有四個周期，比較合適。逆變主電路可直接運用系統(tǒng)提供的Universal Bridge模塊，而不必自己去構建，不過需要注意的給脈沖觸發(fā)的順序，為每一個橋臂給一組互補的脈沖。實驗過程中，由于已封裝參數(shù)，故能夠較為方便的調節(jié)參數(shù)fr和Ma，找到最合適的波形。圖7 參數(shù)封裝內部示意圖圖8 參數(shù)調節(jié)示意圖實驗中另外遇到的一個問題便是步長設置。開始時默認系統(tǒng)給的步長，頻率較低時，系統(tǒng)能正常運行；但在三角波頻率

13、高于500Hz時，便會出現(xiàn)三角波失真的情況。這時變需要修改系統(tǒng)默認的步長，改為1e-6即可，與以前經(jīng)常遇到的該算法問題類似。下面通過對比說明。圖9 fc=600，步長調整前圖10 fc=600，步長調節(jié)后五、不同參數(shù)時三相逆變器雙極性SPWM控制技術的仿真波形及頻譜分析對不同參數(shù)對應的SPWM觸發(fā)脈沖及逆變電路輸出波形為了便于觀察，將整張輸出，在最后以附圖形式給出。現(xiàn)主要分析不同參數(shù)時的頻譜圖。5.1 fc=500，Ma=0.9 SPWM觸發(fā)脈沖附圖一，三相電壓型逆變電路主要波形附圖二 fc=750, Ma=0.85SPWM觸發(fā)脈沖附圖三，三相電壓型逆變電路主要波形附圖四 fc=1000,Ma

14、=0.8SPWM觸發(fā)脈沖附圖五，三相電壓型逆變電路主要波形附圖六 5.2頻譜分析5.2.1 不同參數(shù)下uUN的頻譜圖圖11 fc=500，Ma=0.9時圖12 fc=750, Ma=0.85圖13fc=1000,Ma=0.85.2.2 不同參數(shù)下uVN的頻譜圖圖14 fc=500，Ma=0.9圖15 fc=750, Ma=0.85圖16 fc=1000,Ma=0.85.2.3不同參數(shù)下uUV的頻譜圖圖17 fc=500，Ma=0.9圖18 fc=750, Ma=0.85圖19 fc=1000,Ma=0.85.2.4 不同參數(shù)下uUN的頻譜圖圖20 fc=500，Ma=0.9圖21 fc=750

15、, Ma=0.85圖22 fc=1000,Ma=0.85.2.5不同參數(shù)下uNN的頻譜圖 圖23 fc=500，Ma=0.9圖24 fc=750 ,Ma=0.85圖25 fc=1000,Ma=0.85.2.6不同參數(shù)下iU的頻譜圖圖26 fc=500，Ma=0.9圖27 fc=750, Ma=0.85圖28 fc=1000,Ma=0.8以上的頻譜分析圖均在Powergui內進行，Powergui的功能較為豐富，直接雙擊打開后便有“FFT Analysis”。它只能分析已保存在工作空間(Workspace)里，格式為帶時間的結構體的數(shù)據(jù)（即通過示波器保存數(shù)據(jù)至工作空間的數(shù)據(jù)），所以，改

16、變輸入量input即可得到不同輸入量的品頻譜分析圖。    對需要頻譜分析的對象，先將其連接到示波器，運行生成工作數(shù)據(jù)后，再打開Powergui FFT Analysis Tool，在其Input選項卡上即可選擇需要分析的示波器上的輸入對象。將其它參數(shù)，如Fundamental frequency、Max frequency等，分別設為50Hz和2000Hz，點擊“Display”即可輸出頻譜圖。通過對上述頻譜圖的分析可知，在三相對稱電路中，由于負載的參數(shù)一樣，故相電壓UN 、VN二者諧波情況基

17、本一樣。頻譜分析情況基本一致； 相電壓和線電壓的THD值都較高，相電流的THD值較低。THD為總諧波分量，其值越低，說明圖形越接近正弦波形?？梢钥闯?，其PWM波中不含有低次諧波，只含有角頻率為Wc及其附近的諧波，以及2Wc、3Wc等及其附近的諧波。在上述諧波中，幅值最高影響最大的時角頻率為Wc的諧波分量。 六、心得體會通過本次課程設計，理解并掌握了SPWM的原理及實現(xiàn)方法，進一步理解了三相橋式逆變電路的工作原理及應用。面對實驗中出現(xiàn)的問題，通過學習，能了解其出現(xiàn)的原因及解決方法，對自己分析問題、解決問題的能力有很大的提升。實驗中遇到的最大的問題便是在高頻下三角波圖形會出現(xiàn)失

18、真的情況，進而出現(xiàn)某些周期內三角波與正弦波在本應有交點的地方卻為相交，使圖形沒呈現(xiàn)出周期性，達不到準確控制的目的。后來通過思考，其實這和以前的修改算法問題類似，雖然系統(tǒng)沒有提示錯誤，但從圖形分析也同樣可以得到答案，將系統(tǒng)的默認步長改為1e-5后在高頻下便不會失真。在封裝參數(shù)方面，本來是準備直接封裝載波比N（N = fc /fr），設置fc和fr兩個參數(shù)或固定fr=50，則N=fc/50，同樣的道理封裝調制度Ma，但在封裝參數(shù)的時候發(fā)現(xiàn)其無法識別乘除法，故最終還是分開封裝了。對于算法設置和角度的度與弧度之間的類似問題通過總結以前的經(jīng)驗，避免犯這些低級錯誤。通過這次實驗，更好的熟悉了simulink的工作平臺，加強了對SimPowerSystems相關模塊的理解，為日后更好的運用此軟件打下了堅實的基礎。參考文獻1 王兆安，劉進軍. 電力電子技術.5版.北京：機械工業(yè)出 版設，2009.2 郭世明. 電力電子技術.2版.成都：西南交通大學出版設， 2009.3 劉鳳君. 現(xiàn)代