三相電壓型SPWM課程設計報告

1、百度文庫-讓每個人平等地提升自我目錄一、摘要二、SPWM控制技術簡介.1. PWM控制的基本原理逆變電路及理論基礎.三、三相逆變器雙極性 SPWM控制技術仿真設計2SPWM觸發(fā)脈沖調制電路 8主電路圖9四、實驗調試心得10五、 不同參數時三相逆變器雙極性SPWM控制技術的仿真波形及頻譜分 析fc=500 , Ma=頻譜分析六、心得體會 參考文獻附錄121213232425一、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SimUIink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控制技術在逆變電路中的應用十分廣泛

2、，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。MatIab是一種計算機仿真軟件，它是以矩陣為基礎的交互 式程序計算語言。SimUIi n

3、k是基于框圖的仿真平臺，它掛接在 MatIab環(huán)境上，以MatIab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。以為設計平臺，利用SimUIink中 的Power SyStem工具箱來搭建整流電路仿真模型，設置參數進 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環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。SPWM法就是以該結論

4、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量的等幅而不等寬 的矩形脈沖代替，使矩形脈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

5、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，由直流電源產生的 PWM圖2用PWM波代替正弦半波波通常是等幅PWM波。基于等效面積原理，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。逆變電路及理論基礎控制方式（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 SPWM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

6、波也是在正負之間變化，叫做雙極性控制 方式。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。2UVN'UWN'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12015U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 當UrVuC時，給V4導通信號，給V1關斷信號，UN' =-Ud2當給V1(V4)加導通信號時，可能是V1(V4)導通，也可能是VDI(VD4)導通。U

7、N '、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O三種電平構成 負載相電壓PWM波由(± 2/3)Ud、(± 1/3)Ud和O共5種電平組成。2前VDNrlY42pIX2宅圖4三相電壓型橋式逆變電路實驗中，主要通過比較Ur和UC的大小來產生觸發(fā)脈沖，進 而控制IGBT的導通與關斷，實現電壓逆變的目的。調制方式載波頻率fc與調制信號頻率fr之比N=

8、fc/fr稱為載波比，根.Z"據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。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較低時，N較大，一周期內脈沖數較多，脈沖不 對稱產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

9、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。同步調制載波比N等于常數，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 PWM波正負半周鏡對 稱，取N為3的整數倍且為奇數。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

10、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的原理及實現方法 之后，現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。SPWM觸發(fā)脈沖調制電路如圖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方式產生脈沖。而實際上三個三角波是一模 一樣的，可以用一個代替；而三個正弦波除了相位依次延后120。 之外，幅值、頻率等均相等。本次實驗運用異步調制的方式。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SubSy

11、StemI為圖5所示的SPWM觸發(fā)脈沖電路，對參數進 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，可通過參數調節(jié)使fr的值變化，到達調節(jié)載波比 N（N=fcfr）的目的；同樣的道理，通過定義參數Ma（Ma=ArAc），而實際操作時AC的值為1,將Ma賦值給正弦波的AmPIitUde 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)椋蕦?仿真時間設置為，有四個周期，比較合適。逆變主電路可直接

12、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，故能夠較為方便的調節(jié)參數 fr和Ma找到最合適的波形。Iimr i Prt PireHiWrs S Dfl Jlron gr"寸a .Cenfr¢1II-Di鼻詁驅 he*曰 Prealrti«NiiTiiiPtbt1QrcMJpVarPrarnp*Typ*CIrQ<pcx94:l ClijIJwlIE ableVisihlrfiPI La)IKlUtTrE lcfi1 呷 FW rcwr-T Ie

13、dermPFvvi i；©K_| Cv *bMB- WPY圖7參數封裝內部示意圖圖8參數調節(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；但在三角波頻率高于 500Hz時，便會出現三角波失真的情況。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dOIfrl1.02lnQtMIagI t圖10 fc=600,步長調節(jié)后五、不同參數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對應的SPWM觸發(fā)脈沖及逆變電路輸出波 形為了便于觀察，

14、將整張輸出，在最后以附圖形式給出?，F 主要分析不同參數時的頻譜圖。fc=500，Ma=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=ZSPWM觸發(fā)脈沖附圖三，三相電壓型逆變電路主要波形附圖四、.Zfc=1000,Ma= /SPWM觸發(fā)脈沖附圖五，三相電壓型逆變電路主要波形附圖六3l<KslhFftf EFU £-t3HlI r< PWf4*TKiFF o¾可>達 TUUNq函- -4 -Fr-ar<d.FFT wacE* *l. rv- LEkD £-既-Sn M so* QSa Dl«3 fs

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17、tafir< m料13畠加w* w圖 14 fc=500, Ma=31FFT UM14 4 fylit l UiUud NIr世IIn* la IFtHmti* I M l*. TGM*l¼r出¼BH96IdW<Uti-i1W<< V MfeaS-« IT «"JCEJUE3 iMKH HKM圖 15 fc=750, Ma=tf-Fn wvd9* 1 Ih 那In MIKMd 岬Nhndraim>0atMT TH> UL aV!Ut! IlcytMI.曾耙ClIIrZHiarOVWVWCIDGWal nfMW

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21、ftldunhiLmo1 hJJ«0«Ii M-dmIMtJial4(Tirw M041OQ1Fr>jiX mnvtovMKi F4-iCl!甘=£圖 20 fc=500, Ma=*fVRPlftrf>Wtt韻|就HaJiiSilna MA0.IMr« T «nfew-t*rn-5-1>? F IHMIKrl E 世ffT 'p%arH-r E>14*qrMV* 4ffl-W h-*)Li! IhE士 IW nlMKJH*fl iMCF*y*V« >HM!*fr krniaHewe *jdReWC

22、 I4fHHEw圖 21 fc=750, Ma=d3 flu t m dwfi Ifll Dtia tot# Oam nta>*t世 IlVlmFa-h4iT4*rif4Flcw e* AFrMKia#邙ThjriWrtfHlE 5LbnWI *vjwE jjMIEfwrri0N圖 22 fc=1000,Ma=MlC hiwpiai f l Ti-G 3i3aPi twvt5 <*T f Mnfet MonnrijBMUIliiPReJE3Kl IKErtStZ不同參數下UNN '勺頻譜圖Jlil li °E* TwnwSeleCted signal: 3 cyc

23、les. FFT WindOW (in red): 1 CyCleSFUndamental (50HZ) = 0.1207 , THD= 75216.18%FreqUenCy (HZ)圖 23 fc=500, Ma=FFT window: 1 of 3 CyCIeS of SeIeCted Signal口Fi MLMiR lJfEr?MiR IJM Hi MaMM |_lpar o *WS圖 24 fC=750 ,Ma=-FFrW-FUndamental (50HZ) = 0.05332 , THD= 154398.81%FreqUenCy (HZ)t,u-a-! CYnrILdm1ri i,

24、*umk Iw圖 25 fc=1000,Ma=9I'llTHl,*!MHnMlvJN不同參數下iu的頻譜圖A 4» IFFT ffll>rFF*- M 1 潭| 審 HiUtiA砸 PlIKMrKJiMlII.亠PIII"4FlllJtfVUd 3h2t = E 2EE T-C= E -E¾圖 26 fc=500, Ma=JIWtrHiVkflIFimei!的 JiFFTwirfr*,e >HUfwl 口 r1H*M-riJdlFHrmr4W n rl 4 QtIM VI Mlfari m<-nMH tfpMlRBftBBlhLi IDE

25、? DOU- <1 HK DODEIQ IF DliZ D DM DtIE DlaIWMtKl圖 27 fc=750, Ma=i TFFTw*w 14 rc* di Iiltclid VflrU4Do? «oi4 am t lot am t?OtH»qItPZbTEd HEHil ± n JI K Ie JS.IVLtAArirubn,M( S IFn KnHMIWSaiinMflUtiFl!WW «1CyDM-ThdiW1 VHRM* >JiMMC rtwpn=r I tt44" hwr r CiWMh>WhHWr*rbE

26、IliMrih IWWfltf>»<«*»h 直耳用RKq KMnZ'WIWHmMMBHMMIjZWfr,*fi-VFji* FlWHafrnh HfHdiNHUI 4 <C Mir*>fri b,4*v 啊 i5E1WL w-:I IIIllIlIIlJllh iU <ZID 4DD EDS Hn MHD CfD Uaa H IBIOWta * *11門 9* t3XE'-lrwLwc'.Dw + I *-tFBEIHri-u-EgLMME* I fliHIn3圖 28 fc=1000,Ma=33以上的頻譜分

27、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據 （即通過示波器保存數據至工作空間的數據），所以，改變輸入 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 工作數據后，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， 如 FUndamental frequency MaX frequency 等，分別設為 50Hz

28、 和 200OHZ,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 載的參數一樣，故相電壓UN ' VN '二者諧波情況基本一樣。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?？梢钥闯觯銹WM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。46六、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。面對實驗中出現的問題，通過學習，能了解其出現的原因及 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 失真的情況，進而