SPWM三相逆变器仿真设计

1、课程设计任务书学生姓名：徐志平专业班级：电气0902指导教师：胡红明工作单位：武汉理工大学题目：SPWM三相逆变器仿真初始条件:根据三相SPW随变器系统原理图设计对应的simulink仿真模型。要求完成的主要任务：(1)用simulink设计系统仿真模型；能够正常运行得到仿真结果(2)比较理论分析结果与仿真结果异同，总结规律。时间安排：2012年6月18日至2012年6月27日，历时一周半，具体进度安排见下表具体时间设计内容6.18指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介绍；学生确定选题，明确设计要求6.196.21开始查阅资料，完成方案的初步设计6.226.24由指导老

2、师审核系统结构图，学生修改、完善流程图、并仿真6.256.26撰写课程设计说明书6.27上交课程设计说明书，并进行答辩指导教师签名：系主任(或责任教师)签名:摘要由于电力电子学和微电子技术的发展，使变频调速技术近年来获得了飞速的发展，各种变频调速控制方式、PWM宽调制技术以及MC儆处理器和以大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等均在变频调速中获得了成功应用。在电力电子技术中，PW(MPulseWidthModulation)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)。SPWM弦脉宽调制法这项技术的特点是原理简单，通用性强，具有

3、开关频率固定，控制和调节性能好，能消除谐波使输出电压只含有固定频率的高次谐波分量，设计简单等一系列优点，是一种比较好的波形改善法。它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。SPWM术成为目前应用最为广泛的逆变用PWM技术。而这次课程设计的主要目的就是对SPWM相逆变器的仿真，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。关键词：SPWM三相逆变器仿真波形目录1. SPW肺制原理分析11.1 SPWM的基本原理11.2 SPWM逆变电路及其控制方法22. 门极驱动IGBT简介及分析32.1

4、IGBT简介32.2 IGBT的动态特性分析42.3 IGBT的特性和参数特点53. 三相PW陋变器的工作原理和结构电路53.1 三相桥式PW陋变电路53.2 逆变器的工作原理63.3 逆变电路的波形和电压分析64. 三相SPW逆变器白勺仿真84.1 三相SPW睡变电路主电路84.2 主电路模块95. 仿真图形及其分析105.1 当频率f改变，负载有功功率不变的时候。105.2 当频率f不变，负载有功功率改变的时候11总结14参考文献15本科生课程设计成绩评定表16SPWW相逆变仿真1 .spwM制原理分析1.1 SPWM勺基本原理PWM（PulseWidthModulation）控就是对脉冲

5、的宽度进行调制的技术，即通过一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。PWM制技术最重要的理论基础是面积等效原理，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同如下所示c）正弦半波脉冲d）单位脉冲函a）矩形脉冲b）三角脉冲图1-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲所谓SPWM就是在PWM勺基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规率排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。它广泛地用于直流交流逆变器等，比如高级一些的UPS就是一个例子。三相SPWM1使用SPWM（拟市电的三相输出，在变频器领域被广泛的采用。SPWMfe就是用脉冲宽度按正弦规律变化而

6、和正弦波等效的PWMS形即SPWMK形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。三角波变化一个周期，它与正弦波有两个交点，控制逆变器中开关元件导通和关断各一次。要准确的生成SPW帔形，就要精确的计算出这两个点的时间。开关元件导通时间是脉冲宽度，关断时间是脉冲间隙。正弦波的频率和幅值不同时，这些时间也不同，但对计算机来说，时间由软件实现，时间的控制由定时器完成，是很方便的，关键在于调制算法。调制算法主要有自然采样法、规则采样法、等面积法等。1.2 SPWM逆变电路及其控制方法S

7、PW逆变电路属于电力电子器件的应用系统，因此，一个完整的SPW逆变电路应该由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断，来完成整个系统的功能。目前应用最为广泛的是电压型PWM2变电路，脉宽控制方法主要有计算机法和调制法两种，但因为计算机法过程繁琐，当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位发生变化时，结果都要变化，而调制法在这些方面有着无可比拟的优势，因此，调制法应用最为广泛。所为调制法，就是把希望输出的波形作为调制信号ut,把接收调制的信号作为载波uc,通过信号波的调制得到所

8、期望的PWM本形。本次课程设计任务要求设计SPWW相逆变电路，输出PWMfe压波形等效为正弦波，因而信号波采用正弦波，载波采用最常用的等腰三角形。单相桥式电路既可以采取单极性调制，也可以采用双极性调制，而三相桥式PWME变电路，一般采用双极性控制方式。(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SPWM6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SPW跛也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。图1-2双极性PWM6制方式其中：载波比一一载波频率fc与调制信号频率fr之比N,既N=fc

9、/fr调制度一一调制波幅值Ar与载波幅值Ac之比，即Ma=Ar/Ac同步调制一一N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。?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；?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；?为使一相的PW瞰正负半周镜对称，N应取奇数；?fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除；?fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。异步调制*一一载波信号和调制信号不同步的调制方式。?通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的；?在信号波的半周期内，PW瞰的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周

10、期内前后1/4周期的脉冲也不对称；?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；?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。2 .门极驱动IGBT简介及分析2.1 IGBT简介绝缘门极双极型晶体管（IGBT）本质上是一个场效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个P型层。根据国际电工委员会的文件建议，其各部分名称基本沿用场效应晶体管的相应命名。IGBT的结构剖面图如图1所示。它在结构上类似于MOSFET，其不同点在于IGBT是在N沟道功率MOSFET的N+基板（漏极）上增加了一个P+基板（IGBT的集电极），形成PN结j1，并由此引出

11、漏极、栅极和源极则完全与MOSFET相似。由图可以看出，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR,其简化等效电路如图3所示。图中Rdr是厚基区GTR的扩展电阻。IGBT是以GTR为主导件、MOSFET为驱动件的复合结构。2.2 IGBT的动态特性分析图2-2IGBT的动态图与MOSFET相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET行uCE的下降过程分为tfvl和tfv2两段。tfvlIGBT中MOSFET独工作的电压下降过程；tfv2MOSFETPNP®体管同时工作的电压下降过程。电流下降时间又可分为tfil和tfi2两段。tfilIGBT内部的MOSFET关断

12、过程，iC下降较快；tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET2.3 IGBT的特性和参数特点1）IGBT开关速度快，开关损耗小，开关损耗只有GTR勺1/10,与电力MOSFET相当，无二次击穿现象；2）在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GT欢，而且具有耐脉冲电流冲击的能力；3）IGBT的通态压降比VDMOSFET特别是在电流较大的区域；4）与电力MOSFETGTRff比，IGBT的而寸压和通流能力还可以进一步提高，同时可以保持开

13、关频率高；5）输入阻抗高，输入特性与MOSFET似。3.三相PW陋变器的工作原理和结构电路3.1 三相桥式PW蛆变电路用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路。但在三相逆变电路中，应用最为广泛的还是三相桥式逆变电路。采用IGBT作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路如图3所示，可以看成是由三个半桥逆变电路组成图3-1三相电压型桥式逆变电路电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为了方便分析，画作串联的两个电容器并标出假想中点N0和单相半桥、全桥逆变电路相同，三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是180导电方式，即每个桥臂的导电角度为180,同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始

14、导电的角度以此相差1200这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流。3.2 逆变器的工作原理在三相桥式逆变电路中，各管的导通次序同整流电路一样，也是T1、T2、T3T6、T1各管的触发信号依次互差60。根据各管的导通时间可以分为180导通型和120导通型两种工作方式，在180导通型的逆变电路中，任意瞬间都有三只管子导通，各管导通时间为180,同一桥臂中上下两只管子轮流导通，称为互补管。在120导通型逆变电路中，各管导通120,任意瞬间只有不同相的两只管子导通，同一

15、桥臂中的两只管子不是瞬时互补导通，而是有60的间隙时间，当某相中没有逆变管导通时，具感性电流经该相中的二极管流通。3.3 逆变电路的波形和电压分析以下分析三相电压型桥式逆变电路的工作波形。对于U相输出来说，当桥臂1导通时，UunUd/2,当桥臂4导通时，UunUd/2。因此，uUN的波形是幅值为Ud/2的矩形波。V、W两相的情况和U相类似，uVN、uWN的波形形状和uUN相同，只是相位依次差12000负载线电压可由下式求出：UuvUun'UvN'UvwUvN'UwN'UwuUwn'Uun'设负载中点N与直流电源假想中点N之间的电压为uNN，则负载

16、各相的相电压分别为：UunUun'Unn'UvnUvN'Unn'UwnUwn'Unn'三相电压型桥式逆变电路的工作波形如图3-2所示。图3-2三相电压型桥式逆变电路的工作波形卜面对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量分析。把输出线电压展开成傅里叶级数得:uUV也(sintsin5tsin7tsin11t5711迎sint-(1)ksinntn式中，n6k1，k为自然数。输出线电压有效值Uuv为U uv，六 Uuv2d t 0.816Ud基波幅值Uuv1m和基波有效值Uuv1分别为0.78UdUuv1m31.明；Uuv1Up理Ud2接下来，我们再对负

17、载相电压uUN进行分析。把uUN展开成傅里叶级数得Uun也(sin1.1.1.一sin5tsin7tsin1111t)亚(sint1sinnt)n式中，n6k负载相电压有效值k为自然数。UUN为UUN1 -Uun%t0.471Ud2 0基波幅值Uun1m和基波有效值UUN1分别为UuN1m也0.637Ud；Uun1Um0.45Ud4 .三相SPW速变器的仿真4.1 三相SPW逆变电路主电路图4-1为三相逆变电路主电路的仿真电路。在仿真电路图中，双击元件，可得到各元件的属性设置。改变各项的值，运行并通过示波器来显示各个量的变化,以便比较和研究。4.2主电路模块LC Fiilter图4-2LC滤波

18、器事:OwkFarame-ter5;力E'N【GETInverterUniversalBridge(49sk),Link)ThiblockimpleuLen'tabridgeofselectedpovexelectronicsdevices.SeriesRCsnubIdercireuilsareccimecrtedinparallelwith,eachsvitchdevice.PressHelpforsuggest&dsnubbervalueswhenthejilqdelisdiscretized*Formostapplicationstheinternalinduct

19、anceLonofdiodesandthyristoxsshou.1dbeset1czeroFaranetersKimberofbridgearms：3SirubbetresistRs(Qhn5)10000SirabbetcapacitanceCs(F)infFoverElectronicdeviceIdealSuritchesRqh(Ohms)1白THteasurementsAllvoltagesandcurrentsOKCancelHelj)Apply图4-3PWMIGBTInverter参数设置根据设计任务要求，直流电源电压为240V,其参数设置图如图4-4所示耳BlockParamet

20、er5：DCVQl-dgeSourceDCTo11ageSomrce(mask)(link)liealDCvoltagesource.ParanLeters图4-4直流电压参数设置5 .仿真图形及其分析运行MatlAB仿真软件，并点击示波器即可得到输出交流电压，交流电流的波形，如下图所示5.1 当频率f改变，负载有功功率不变的时候。1) 当f=150HZ,P=5e4W寸，波形如下：图5-1f=150HZ下三相交流电压、电流输出波形2)当f=50HZ,P=5e4时,波形如下:图5-2f=50HZ下三相交流电压、电流输出波形3）当f=650HZ,P=5e4时，波形如下：图5-3f=650HZ下三相

21、交流电压、电流输出波形5.2 当频率f不变，负载有功功率改变的时候1）当f=150HZ,P=5e4时,波形如下：图5-4P=5e4下三相交流电压、电流输出波形2）当f=150HZ,P=5e9时,波形如下:图5-5P=5e9下三相交流电压、电流输出波形3）当f=150HZ,P=5e-2时，波形如下:图5-6P=5e-2下三相交流电压、电流输出波形由上可以看出SPW疝式下三相交流电压、电流输出波形与频率f和负载有功功功率P有关。总结在这次历经两个多星期的课程设计中我收获良多。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，比如有时候被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我们总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。自己看起来多完美的设计在实践下就漏洞百出了。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，也知道自己的很多不足之处，知道自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固.以前认为学了没用的课程现在也用到了。经过这次的电力电子课程设计后，我从中学到了很多东西。在我们学了电路、电力电子技术基础之后，对专业课程基础知识已经有了最基本的掌握和接触。在经过独立设计，我成功的完成了本次设