三相电压型SPWM逆变器仿真分析及应用.docx

毕业论文论文题目：三相电压型SPWM逆变器仿真分析及应用 学生姓名：学 号：123456789所在院系：电气信息工程学院专业名称：自动化届 次：2013届指导教师：目 录前言21 SPWM控制技术产生背景22 SPWM控制技术42.1PWM控制技术的概述42.2面积等效原理52.3SPWM（正弦脉冲宽度调制）控制技术52.4SPWM的调制62.5PWM的控制方法及其比较73三相桥式逆变器中的开关器件93.1 IGBT的动态特性分析93.2 IGBT的特性和参数特点104 三相PWM逆变器的工作原理和结构电路104.1逆变器的工作原理104.2三相桥式PWM逆变器电路115 三相PWM逆变器的仿真125.1 三相电压型SPWM逆变器的Simulink仿真设计125.2三相电压型SPWM逆变器的各模块电路136 SIMULINK仿真结果156.1脉冲发生器模块的三角波频率为600Hz，正弦波频率为50 Hz156.2脉冲发生器模块的三角波频率为1080Hz，正弦波频率为50 Hz176.3 脉冲发生器模块的三角波频率为1560Hz，正弦波频率为50 Hz 187结论20参考文献21淮南师范学院2013届本科毕业论文三相电压型SPWM逆变器仿真分析及其应用学生：*（指导教师：*）（淮南师范学院电气信息工程学院）摘 要：SPWM技术就是在PWM的基础上发展起来的，并且在日常的生产和生活中被广泛应用。近年来，随着大功率全控型电力电子器件的开发成功和不断成熟，已经开始应用各种新型逆变器电源。本文即是讨论不同频率的载波对三相电压型SPWM逆变器输出的电压波形的影响，并探究抑制输出波形中的高次谐波，改善波形的方法。本论文包含三相电压型SPWM逆变器的工作原理，利用Matlab软件中的Simulink仿真系统建立三相电压型SPWM逆变器仿真模型，并对其进行仿真分析。关键词：电力电子；逆变器；建模与仿真The simulation and application of three phase SPWM inverterStudent: Li Fengyang（Faculty Adviser: Xu Xiaojun）（Electrical and information engineering institute, Huainan Normal University） Abstract: SPWM technology is developed on the basis of the PWM, and is widely used in daily production and life. In recent years, with high power type all control the development of power electronics device is successful and matures, has been used all kinds of new type inverter power supply. This article is to discuss the different frequency of the carrier of three-phase voltage type SPWM inverter output voltage waveform, and to explore the inhibition of high harmonics in the output waveform, the way to improve waveform. This paper includes the working principle of the three-phase voltage type SPWM inverter using the Simulink of Matlab software simulation system set up simulation model of three-phase voltage type SPWM inverter and carries on the simulation analysis. Key words: Power electronics； inverter； modeling and simulation前言电力电子技术是一门发展历史比较短的学科，但是这项技术在人们的日常生产生活、工作学习中发挥着举足轻重的作用。电力电子1技术的进步都伴随着电子器件的革新。电力电子器件在近几十年的发展历程中，经历了GTO、IGBT、MOSFET、IGCT等电力电子器件的发展更迭。伴随着大功率全控型电力电子器件的出现和发展，PWM 技术应运而生。PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲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的波形（含形状和幅值）。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。早期的逆变电路所输出的波形都是矩形波或者六拍阶梯波，这些波形含有较大的谐波成分，从而影响负载（尤其是电动机）的工作性能。为了改善逆变器的性能，在出现了全控器件后，从20世纪80年代开始出现应用PWM控制技术的逆变器。由于其优良的性能，现在大量应用在逆变电路中，绝大部分都是PWM逆变电路。可以说PWM控制技术正是依赖其在逆变电路中的应用，才发展得较成熟，才奠定了它在电力电子技术中的重要地位。SPWM正弦脉宽调制2法是在PWM这项技术的基础上发展而来的，特点是原理简单，通用性强，具有开关频率固定，能消除谐波中的高次谐波分量，电路设计简单等优点，是一种比较好的波形改善法。SPWM技术成为目前应用最为广泛的逆变用PWM技术。1 SPWM控制技术产生背景 20世纪60年代，PWM（Pulse Width Modulation）控制技术成为变频技术的核心技术，把这项通讯技术首先在交流传动中得到应用，为交流传动的推广应用开辟了新的局面，成为之后PWM技术发展的基础。PWM控制技术可以分为三大类，正弦PWM（即SPWM），随机PWM和优化PWM。本文即是对SPWM的应用进行仿真，旨在改善输出电压和电流波形，抑制电源系统中谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其特有的优势；但优化PWM所追求的目标则是实现电流谐波畸变率（THD）达到最小，电压利用率最高，转矩脉动最小及其它特定优化目标等。在电力电子的一个分支电力拖动中，解决好电动机的无级调速3问题有着十分重要和深远的意义，电机调速性能的提高可以在很大程度上提高工农业生产设备的加工精度、工艺水平及工作效率，从而提高产品的质量以及数量;而对于风机、水泵负载，如果可以采用调速的方法改变它们的流量，节能效率可以达到20%-60%，对于能源紧缺的今天，可谓是意义非凡。我们都知道，直流调速系统有较好的静、动态性能指标。在很长的一个历史时期内，调速传动领域几乎被直流电机调速所统治，这和实际中交流电机的广泛应用是一对存在的矛盾，许多使用交流电机的设备为了达到调节被控对象的目的，只能采用传统的物理方法，例如采用阀门、风门控制流量等，这样不仅浪费能源，而且费用很高。在采用直流调速的应用领域，由于直流电机固有的缺点电刷和换相器的存在，使直流电机的大范围使用受限，因此开发交流调速是顺应生产发展的。在这种情势之下，鉴于变频调速具有更高的效率、宽范围和高精度的特点，人们加大了研究交流调速4的力度。于是，正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速便应运而生，在人们日常的生产生活中正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速发挥了极大的作用。变频调速技术的发展很大程度上往往依赖于大功率半导体器件的革新。伴随着电力电子技术的发展，特别是可关断晶闸管GT05，电力晶体管GTR，绝缘门极晶体管IGBT，MOS晶闸管以及MTC等等具有可自关断能力的大功率全控型电力电子元件的发展进步，加上调控单元也向大规模数字集成电路方向发展以及在应用具有逻辑判断功能的智能微机加以控制，从而让变频器的稳定性、可靠性及效率不断提高，从而使交流变频调速系统装置的性能也得到不断提高和完善。随着新型电子器件制造技术的发展和控制技术的进步，现代控制理论的研究方向向交流调速领域的发展，特别是进入21世纪，PC机6及集成电路的发展，交流电动机调速技术正向高频化、智能化和数字化发展。在电力电子器件的发展史上，电力电子器件的发展历经了晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、晶体管（BJT）、绝缘栅晶体管（IGBT）等阶段，而且电力电子器件的革新总是能推进电力电子技术的进步。目前电力电子器件倾向于向着低损耗、易驱动、大容量、高频率方向发展，与其他电力电子器件相比，IGBT具有显著优于其他电力电子器件的特点：驱动简单、保护容易、高可靠性和开关频率高。电力电子器件IGBT有一个其他元件不具有的优点，不论在导通状态还是短路状态都能承受电流冲击。IGBT不仅可以并联，又由于其本身的关断延迟很短，其串联也相当容易。尽管IGBT在大功率应用中非常广泛，但其有限的负载循环次成为其应用范围的瓶颈。 随着电力电子技术的快速发展，正弦波输出变压变频电源已经在生产生活的各个领域中得到了广泛的应用，与此同时对逆变电源的输出电压和电流的波形质量也提出了较高的要求。主要从动态和静态两个方面提出要求：一是稳态输出的精度要高；二是动态性能好。因此，开发具有优良动、静态性能的逆变器，已经成为电力电子发展领域的一个研究热点。 现在的正弦波输出变压变频电源产品中，为了得到SPWM波，一般都采用双极性调制技术。该调制方法存在的最大缺点是它的6个功率管都工作在较高频率，从而产生了较大的开关损耗。因此，双极性调制技术还有待进一步改进和完善。总的来说，通用变频器大都是电压型交-直-交变频器。三相交流电首先通过二极管不控整流桥得到脉动直流电流，再经滤波电路稳压，最后经无源逆变电路输出电压、频率可调的交流电可以给电动机供电。这类变频器具有精度高、调速范围宽、功率因数高、效率高等优点，所以能在工业生产中获得广泛应用。但是通用变频器不可以直接应用在需要频繁正、反转的调速系统，如矿用提升机、轧钢机等。这种系统要求电机在四象限运行，当电机减速、制动或者携带具有位能性负载重物下放时，电机会产生泵升电压。而IGBT的耐压比较低，太高的泵升电压可能会对开关器件、电解电容形成冲击，更有甚者，可能会毁坏电动机的绝缘结构，威胁整个系统的安全。在可能产生泵升电压的场合，必须限制通用变频器的使用。本文主要利用Matlab7软件中的Simulink仿真系统建立三相电压型SPWM逆变器8仿真模型，并对其进行仿真分析。本文主要包含：（1）SPWM控制技术的概述（2）三相桥式逆变器中的开关器件（3）三相PWM逆变器的工作原理和结构电路（4）三相电压型SPWM逆变器的仿真（5）仿真波形分析和应用探究（6）总结2 SPWM控制技术2.1 PWM控制技术概述PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。早期的逆变电路所输出的波形都是矩形波或者六拍阶梯波，这些波形含有较大的谐波成分，从而影响负载（尤其是电动机）的工作性能。为了改善逆变器的性能，在出现了全控器件后，从20世纪80年代开始出现应用PWM控制技术的逆变器9。由于其优良的性能，现在大量应用在逆变电路中，绝大部分都是PWM逆变电路。可以说PWM控制技术正式依赖其在逆变电路中的应用，才发展得较成熟，才奠定了它在电力电子技术中的重要地位。目前除了全控型器件未能及的大功率领域，不用PWM控制技术的逆变电路已经很少见了。2.2 面积等效原理PWM控制技术10的理论基础是面积等效原理，即冲量（面积）相等而形状不同的窄脉冲加载具有惯性的环节上时，其效果基本相同。例如：如图1所示的三个窄脉冲形状不同，其中图1（a）为矩形脉冲，图1（b）为三角形脉冲，图1（c）为正弦半波脉冲，但其面积都等于1，图1（d）为单位脉冲函数（t）。当它们分别 作为图2（a）具有惯性环节的R-L电路的输入时，设其电流i（t）为电路的输出。图2（b）给出了不同窄脉冲时i（t）的响应波形。由图中波形可知，在i（t）的上升阶段，脉冲波形不同i（t）的波形也略有不同，但其在下降阶段几乎完全相同。而且脉冲越窄则其输出响应波形的差异也越小。如果是周期性的施加上述脉冲，则其响应波形也是周期性的。用傅立叶级数分解后可以看出，各i（t）在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。f (t)d (t)tO图1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲abcdtOtOtOf (t)f (t)f (t)(a)矩形脉冲； (b)三角形脉冲； (c)正弦半波脉冲； (d)单位脉冲函数图2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形（a）R-L电路； （b）响应波形2.3 SPWM（正弦脉冲宽度调制）控制技术 把图3（a）的正弦半波分成N等分，则可将正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲序列组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于/N，但幅度不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅度按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，则得到图3（b）所示的脉冲序列。这就是PWM波形。可见该波形的各脉冲幅度相等而其宽度是按正弦规律变化。根据面积等效原理，该波形和正弦半波是等效的。正弦波的负半周可用同样的方法获得PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM波形。图3 用PWM波代替正弦半波 （a）正弦半波； （b）PWM波形要改变等效输出的正弦波幅值，只需按同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。2.4 SPWM的调制2.4.1自然采样法按照SPWM控制技术的基本原理，在正弦波与三角波的交点进行脉冲宽度和间隙的采样，去生成SPWM波形，这种方法称为自然采样法。如下图4所示图4 自然采样法原理图2.4.2 规则采样法为了让采样没有过多的繁复运算，效果又接近自然采样法，提出了规则采样法。其出发点是设法让SPWM波形的每个脉冲都与三角波中心对称。这样，图5t1=t3，t2,=t2,法，就让计算就大大简化了，提高了效率。图5 规则采样法原理图2.4.3 双极性正弦波等面积法双极性正弦波等面积算法的基本原理是:把一个正弦波平均分成H个区段，区段总数Hl一定是6的倍数，因为是三相正弦波，各项相位相互差1200，如果要利用一相正弦波得到其他两相，必须把一个周期分成6的倍数。Hl的数值越大，输出的波形就越接近正弦波波形。每一个区段，将其等分为若干个等宽脉冲，让这N个等宽脉冲面积只和与这一区段正弦波面积相等。正弦波面积为 (1)输出频率f与区段数Hl，每个区段脉冲数N及脉冲周期T(us)之间的关系： 。2.5 PWM的控制方法及其比较2.5.1单极性正弦脉宽调制当调制信号ur为正弦波,载波uc在ur的正半周为正极的三角波波形，在ur的负半周为负极的三角波，彼此相位相差1800。在uc和ur的交点时刻控制IGBT的通断。在ur的半个周期内载波只在负极性或正极性其中一种极性范围内变化，所得的PWM波形也是只在单个极性范围内变化的PWM控制方式称为单极性PWM控制方式。单极性的正弦脉宽调制拿幅值为Ur的参考信号波Ur与幅值为Uo,频率为fo的三角波Uc进行比较，得到功率开关信号。如图6所示。图6就是用单相正弦波全波整流电压与单向三角形载波进行交截，再通过倒相而产生功率开关驱动信号。其中参考波频率fr决定了输出波形的频率fo，每半周期的脉冲数P取决于载波频率fc。即为: P= (2) 使用参考电压信号的幅值Ur和三角形载波信号的幅值Uc的比值m，即调制度m = Ur/Uc，进行调控输出电压的变化。当m从01变化，脉宽便由0/p之间变化，输出的电压也由0 E之间变化。若每个脉冲宽度是，那么输出电压的傅里叶级数展开式为: （3)图6 单极性正弦脉宽调制2.5.2 双极性正弦脉宽调制用双极性正弦脉宽调制时，在ur的半个周期内，三角波载波不是单极性的，而是具有正负极性的，所得的PWM波形也是有正负极性的。在ur一个周期内，输出的PWM波脉冲只有Ud两种电平，而没有单极性控制时的零电平。而且在ur的正、负半周时，对各开关器件的控制规律相同。依然是在载波信号uc和调制信号ur的交点时控制开关的通断。双极性SPWM的输出电压u(t)的波形，在0区间关于X轴对称，在02区间之间关于中心对称；其傅里叶级数展开式为： (4)式（4）中，输出电压u0（t）可看成是幅值为E，频率为fo的方波和幅值为2E、频率为fc的负脉冲序列的叠加。因此 (5)输出电压为： (6)输出电压基波分量 为： (7)urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud 图7 双极性PWM控制方式波形3 三相桥式逆变器中的开关器件3.1 IGBT的动态特性分析 与MOSFET相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行UCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程 。 电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程。 图8 IGBT的动态特性3.2 IGBT的特性和参数特点 在电力电子的发展过程中，电力电子元件的发展推动了电力电子技术的发展，先后历经了SCR、GTO、BJT、MOSFET、IGBT等阶段。目前正向着易于驱动、功耗低、开关频率高、设计简单方向发展，与其他元器件相比，IGBT具有明显的优点：(1)开关速度快，开关损耗小，IGBT在大功率范围中应用非常广泛。 (2)输入阻抗高，输入特性与MOSFET非常类似。 (3)在电流较大的区域，通态压降比VDMOSFET低。(4)相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。（5）IGBT具有明显的优点：高可靠性、保护容易、驱动简单。（6）IGBT不仅可以并联，又由于其本身的关断延迟很短，其串联也相当容易。4 三相PWM逆变器的工作原理和结构电路4.1逆变器的工作原理 三相桥式PWM逆变电路一般都采用双极性控制12方式，逆变电路中各管的导通次序同整流电路相同，T1、T2、T3T6、T1各管的触发信号的相位依次相差60。根据各管的导通时间可分为120导通型和180 导通型两种。在120导通型电路中，各个二极管导通120，任一时刻只有不同相的两只管子是导通的，同一桥臂中的两只管子的导通时间相差60，当某相中没有逆变管导通时，其感性电流可以经该相中的二极管传导。在180导通型的逆变电路中，任意时刻都有三只管子导通，各个管导通时间为180，在同一桥臂中上的两只管子，轮流导通，称为互补管。图9 三相桥式PWM逆变电路波形图9中的uao，、ubo，与uco，是逆变器输出端a、b、c分别与直流电源中点o，之间的电压值，o，点与负载的零点o不一定是等电压的，uao，等并不是负载的相电压。令直流电源中点o，与负载零点o之间的电压为uoo，则负载各相的相电压分别为： (8)将式(7)中各式相加并整理后得：一般负载三相对称，则有uao+ubo+uco=0，故有 (9)由此可求得a相负载电压为 (10)在图9中绘出了相应的负载a相电压波形，ubo和uco波形与此相似。 4.2 三相桥式PWM逆变器电路如图所示，三相桥式逆变电路中应用V1-V6作为逆变开关。从电路结构上看，如果把负载看成三相整流变压器的三个绕组，那三相桥式逆变电路就如三相二极管整流电路和三相桥式可控整流电路的反向并联，其中可控电路用来实现直流到交流的逆变，不可控电路为电感电流提供续流回路，完成无功能量的反馈和续流，故VD1-VD6称为续流二极管或反馈二极管。 图10 三相桥式逆变电路5 三相电压型SPWM逆变器的仿真 5.1 三相电压型SPWM逆变器的Simulink仿真设计Matlab软件11作为教学、科研和工程设计的重要方针工具，已成为首屈一指的计算机仿真平台。该软件的应用可以解决电机电器自动化领域的诸多问题,借助于其中的Simulink12模块可以完成对三相无源电压型SPWM逆变器的仿真，并通过仿真获取逆变器的一些特性图等数据。图11 三相电压型SPWM逆变器的系统电路5.2 三相电压型SPWM逆变器的各模块电路5.2.1三相电压型SPWM逆变器的电路结构离散傅立叶分析RLC三相负载通用三相整流桥直流电源直流电源示波器离散PWM发生器5.2.2 电源模块图12 PWM脉冲发生器图13 PWM脉冲发生器参数设置图12为为控制通用三相整流桥产生SPWM的脉冲信号发生器，使用的是Matlab中的PWM Generator模块。该模块的作用即为为产生PWM而用以控制IGBTs等电桥的脉冲信号。图13Error! Reference source not found.为该模块的参数设置，在Generator mode选项中选择3-arms bridge(6 pulse),既三桥臂共需要六个脉冲信号用以控制如图11中所示的六个电子管。Carrier frequency为载波频率，该频率的大小决定了一个周期内SPWM脉冲的密度（如图7所示）。Frequency of output voltage是输出电压的频率，此处设置为国内标准的50Hz。5.2.3 多功能桥 图14 通用三相整流桥图15 多功能桥参数设置用三相整流桥为Simulink13中的Universal bridge模块。图15为该模块的参数设置对话框。其中Number of bridge arms（桥臂个数）为3，Power Electronic device（电力电子器件）选用IGBT/Diodes（晶闸管）。图16 三相RLC负载模块图17 三相RLC负载模块参数设置 为模拟真实供电效果，在仿真系统中，整流桥输出的电压通入一个三相变压器后接入一个三相的RLC负载模块。设置R=2欧，L=0.01亨，C=0法。6 Simulink14仿真结果6.1脉冲发生器模块的三角波频率为600Hz，正弦波频率为50 Hz图18 IGBT通过的电流图19 逆变器输出a相波形图20 逆变器输出b相波形图21 逆变器输出c相波形图22 逆变器输出相电压基波有效值6.2 脉冲发生器模块的三角波频率为1080Hz，正弦波频率为50 Hz 图23 IGBT通过的电流图24 逆变器输出a相波形图25 逆变器输出b相波形图26 逆变器输出c相波形图27 逆变器输出相电压基波有效值6.3 脉冲发生器模块的三角波频率为1560Hz，正弦波频率为50 Hz图28 IGBT通过的电流图29 逆变器输出a相波形图30 逆变器输出b相波形图31 逆变器输出c相波形图32 逆变器相电压基波有效值7 结论通过本次三相电压型SPWM逆变器（如图11）的建模14和仿真过程，说明Matlab/Simulink有良好的用户界面和模型结构，尤其是POWER SYSTEM BROWER15为电气系统的仿真和科研提供了非常大的便利。在逆变器模型中，直流电压为250v，频率为50Hz；三相串联RL负载模块为星型连接，电阻为2欧姆，电感为0.01亨利。通过Simulink仿真：（1）在日常的生产生活中，为了拟制SPWM逆变器的输出谐波，可以选择适当的载波频率或者注入适当频率的谐波，以消除高次谐波。（2） Ua.Ub,Uc为三相互差120，幅值相同（负载的电流波形结论相同）。 （3）图19、20、21中Ua、Ub、Uc为逆变器输出电压的波形，呈正弦状，直流电逆变成交流电。（4） 随着载波频率f的增加，逆变器可以输出逐渐规则的调制波，当f继续增大，波形起伏较大，同时可以观察出，IGBT的电流也受f改变的影响（5）鉴于以上仿真分析，逆变器可以用于电源在直流和交流之间的转化（6）在生产中，正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速在电机调速中发挥重要作用本文通过探究不同频率载波对三相电压型SPWM逆变器输出波形的影响，探索抑制逆变器输出电压中的高次谐波，改善逆变器输出电压（电流）的波形的方法，为三相电压型SPWM逆变器在生产生活的应用提供依据。 参考文献：1李允先，陈刚.电力电子技术M.第1版.北京：中国电力出版社，2007:81-1012 胡拓宇.三相电压型SPWM逆变器的仿真.中国知网J,2011,(17)：1-2 3李华德.交流调速控制系统M.第1版.北京：电子工业出版社，2003：1-104 胡崇岳.现代交流调速技术M.第2版.北京：机械工业出版社, 2001:15-405王兆安,黄俊.电力电子技术M.第4版.北京：机械工业出版社,2002：68-856 贺益康.交流电机调速系统计算机仿真M.第2版.杭州：浙江大学出版社,1993:75-1207 郑锦聪，庄镇嘉. 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