【《三相电压源PWM逆变器的仿真验证分析案例》2600字】

三相电压源PWM逆变器的仿真验证分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u23012三相电压源PWM逆变器的仿真验证分析案例 152381.1基于MATLAB的仿真平台搭建 2261711.2SHE-PWM的稳态特性 3109271.2.1SHE-PWM与SPWM的稳态特性对比 3136921.2.2开关次数对SHE-PWM输出效果的影响 8154361.2.3调制度对SHE-PWM输出效果的影响 9253811.3SHE-PWM的动态特性 1227118 14对SPWM调制策略的分析，结合已经确定的仿真参数，建立基于三相电压源单相三电源PWM逆变器的SPWM调制仿真模型，对整流器各项性能及控制策略进行详细研究，其仿真模型如图1.1所示。仿真模型中的SPWM调制方式选择本文第三章中介绍的载波反相层叠方式。SPWM调制方式仿真模型如图1.2所示。图1.1基于SPWM调制的三相电压源PWM逆变器的仿真模型图1.2SPWM调制方式仿真模型1.1基于MATLAB的仿真平台搭建在MATLAB/Simulink软件中搭建的三相电压源PWM逆变电源的仿真模型如图1.3所示，主要分为4个部分：直流输入部分、逆变器部分、负载部分和SHE-PWM调制部分。其中，输入为100V的直流源，三相对称阻感负载：R=50Ω，L=20mH。图1.4是SHE-PWM控制信号产生模块，采用s函数实现。图1.3SHE-PWM带阻感负载仿真电路图1.4SHE-PWM控制信号产生模块1.2SHE-PWM的稳态特性1.2.1SHE-PWM与SPWM的稳态特性对比为了验证SHE-PWM的效果，对比相同输出和开关频率下的SPWM和SHE-PWM下的输出波形。采用Simulink自带的PWMGenerator模块产生SPWM波（如图1.3所示）。设置开关次数N=15，调制比M=0.8，频率f=50Hz，可以得到电流波形如下，上下分别为SPWM和SHE-PWM下的电流波形。可以看出，SHE-PWM的输出波形更加平滑，更加接近正弦波，失真度更低。图1.5SPWM控制信号产生模块图1.6SPWM和SHE-PWM下的电流波形阻感负载上的电流波形，为50Hz正弦波上叠加小尖刺，波形比较好。尖刺主要为未消除的高次谐波，其来源可能是每次相电压的突变，消除上述尖刺的办法可以是增加一个滤波电感，但是要会增加系统无功容量。三相电流另一个特点是全部从0开始，经过一个过渡过程后到达互差120度的稳态。为了进一步对比SPWM和SHE-PWM下的电流波形失真程度，对电流进行FFT分析后，观察可以发现，SPWM的谐波主要对称的分布在载波比及其倍数次谐波两侧，幅值较大。可以看出SHE-PWM下的电流谐波更少，畸变率更低。计算得到THD分别为1.1%和2.3%。图1.7SPWM和SHE-PWM下的电流FFT波形下面给出SHE-PWM和SPWM的仿真波形（载波比NC=15，调制比M=0.8，频率f=50Hz）。有图可以看出SPWM控制信号波形较SHE-PWM相比在周期内分布更加均匀。同时分析可得，开关角增加或减少时依然可以正常计算，当调制比发生变化时，开关角的位置发生移动，若调制比减小由FFT分析可知THD略有增加。根据对相电流和相电压进行的FFT分析后发现，SHE-PWM的THD比SPWM的THD要更低，因此总体来说在消谐效果上SHE-PWM较SPWM的优势明显。图4-8SHE-PWM（阻感负载，N=15，M=0.8，f=50Hz）图4-9SPWM（阻感负载，载波比NC=15，调制比M=0.8，频率f=50Hz）SPWM和SHE-PWM下的线电压和相电压波形分别如下图1.10和图1.11所示。可以看出，线电压呈现为三电平，而相电压为五电平。图1.10SPWM和SHE-PWM下的线电压图1.11SPWM和SHE-PWM下的相电压1.2.2开关次数对SHE-PWM输出效果的影响为了验证开关次数对SHE-PWM的效果影响程度，对比不同开关次数下的SHE-PWM下的输出波形。固定调制比M=0.8，频率f=50Hz，分别得到开关次数N=5，N=10和N=15的输出电流波形和FFT分析图。图1.10SHE-PWM下的电流和FFT波形（N=5）图1.11SHE-PWM下的电流和FFT波形（N=10）图1.12SHE-PWM下的电流和FFT波形（N=15）当N=5时，由图可得SHE-PWM下的电流波形上有较大的尖刺，尖刺的幅度较大，说明在N为5时，电流波形所含的谐波较多，滤波效果很差。同时由电流FFT分析得到最低次谐波次数为800Hz，也证明了上述观点。当N=10时，其电流波形对比N=5时的电流波形可以发现，电流波形上的尖刺幅度和宽度都明显变小，更加贴近正弦波的波形，同时由电流FFT分析可得最低次谐波次数为1600Hz，证明了当N=10时的消谐效果比N=5时的消谐效果更好。当N=15时，其电流波形更加接近正弦波波形，尖刺不明显且分布密集，证明谐波对SHE-PWM输出波形的影响效果非常小。通过其电流FFT分析可知，最低次谐波次数出现在2400Hz对比图1.8-图1.10可以看出，N从5到10再到15，输出电流越来越接近正弦波，而最低次谐波次数也在逐渐增大，分别为800Hz、1600Hz和2400Hz。因此，可以得到如下结论：开关次数越大，输出电流波形越好，失真程度越低，最低次谐波次数越高。1.2.3调制度对SHE-PWM输出效果的影响为了验证调制度M对SHE-PWM的效果影响程度，对比不同调制度下的SHE-PWM下的输出波形。固定开关次数N=15，频率f=50Hz，分别得到调制比M=0.3，M=0.6和M=0.9的输出电流波形和THD。图1.13SHE-PWM下的电流和FFT波形（M=0.3）图1.14SHE-PWM下的电流和FFT波形（M=0.6）图1.15SHE-PWM下的电流和FFT波形（M=0.9）对比图1.11-图1.13可以看出，M从0.3到0.6再到0.9，图中THD分别为3.6%、2.8%和2.0%。输出电流幅值越来越大，也越来越接近正弦波。同时，电流波形上的尖刺越来越小，证明谐波对SHE-PWM输出波形的影响也越来越小。当N=7，F=50Hz时，令M分别为0.7和0.2.由此我们对相电压进行FFT分析可以得到图和图如下：图相电压FFT（N=7，M=0.7，F=50Hz）图相电压FFT（N=7，M=0.2，F=50Hz）理论分析表明当M=0.7时，，N=7时可以消除的最高次谐波为19次，由此可见，19次及以下谐波在相电压里几乎是没有的。总谐波失真率（THD）为0.68%，谐波消除效果是很好的；当M=0.2时，其THD=2.58%，可以看出当调制度降低时，THD略有上升。因此，可以得到如下结论：在开关次数和频率固定时，调制度越大，输出电流幅值越大，失真程度越低。1.3SHE-PWM的动态特性1）为了观察SHE-PWM的动态特性，观察输出变化的波形。设置输出调制度M=0.8→0.4，保持开关次数N=5，频率f=50Hz。采用Simulink自带的Step模块设置0.1s时产生阶跃信号（如图1.14所示）。得到的输出电流波形如图1.15所示。可以看出，0.1s后，输出电流最大值从4A变化到2A。图1.16M=0.8→0.4的设置图图SHE-PWM（阻感负载，N=5，f=50Hz，M=0.8→0.4）图1.17M=0.8→0.4的输出电流波形对相电流基波，五次谐波、七次谐波进行实时傅里叶分析，可以看出在SHE-PWM控制基波幅值下降的过程中，五、七次谐波有脉动，但幅值很小，不超过原基波幅值的1%。而五、七次谐波的初始尖峰是初始状态下三相电流均从零开始的过渡过程导致的。图1.18M=0.8→0.4的相电流实时傅里叶分析2）当保持N和调制比不变时，阻感负载，开关次数N=5，调制比M=0.8，频率f=50→40Hz，从第3周期开始，每周期f下降2Hz。图1.17SHE-PWM（阻感负载，N=5，M=0.8，f=50→40Hz）相电流波形，随着控制信号频率下降，相电流周期变长，仍是很好的正弦波，尖刺情况大体不变。3）电机负载，开关次数N=5，调制比M=0.8，频率f=50→40Hz，带负载启动4s后每周期f下降0.5Hz，1.4s时变化结束，负载转矩TL=10N·m。图1.19电磁转矩（电机负载，N=5，M=0.8，f=50→40Hz）如上图所示，电磁转矩在约2.5s后进入稳态，Te=TL=10Nm。异步电机转矩特性如右图所示，假设工作点位于TN。4s时频