三相電壓型spwm課程設(shè)計報告

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　一、 摘要2</b></p><p>　　二、SPWM控制技術(shù)簡介3</p><p>　　2.1. PWM控制的基本原理3</p><p>　　2.2.SPWM逆變電路及理論基礎(chǔ)4</p><p>

2、;　　三、三相逆變器雙極性SPWM控制技術(shù)仿真設(shè)計8</p><p>　　3.1 SPWM觸發(fā)脈沖調(diào)制電路8</p><p><b>　　3.2主電路圖9</b></p><p>　　四、實驗調(diào)試心得10</p><p>　　五、不同參數(shù)時三相逆變器雙極性SPWM控制技術(shù)的仿真波形及頻譜分析12</p&g

3、t;<p>　　5.1 fc=500，Ma=0.912</p><p>　　5.2頻譜分析13</p><p><b>　　六、心得體會23</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)24</b></p><p><b>　　附錄25</b></

4、p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　關(guān)鍵字：三相橋 電壓型 全控 逆變 SPWM Simulink</p><p>　　本次實驗主要為利用simulink中的塊原件來構(gòu)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(diào)制技術(shù)的仿真，PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用十分廣泛，目前中小功率的逆變電路幾乎都采用了PWM

5、技術(shù)。常用的PWM技術(shù)主要包括：正弦脈寬調(diào)制(SPWM)、選擇諧波調(diào)制（SHEPWM）、電流滯環(huán)調(diào)制（CHPWM）和電壓空間矢量調(diào)制（SVPWM）。</p><p>　　在逆變電路的設(shè)計過程中，需要對設(shè)計電路及有關(guān)參數(shù)選擇是否合理、效果好壞進(jìn)行驗證。如果通過實驗來驗證， 需要經(jīng)過反復(fù)多次的元件安裝、調(diào)試、重新設(shè)計等步驟， 這樣使得設(shè)計耗資大，效率低， 周期長?，F(xiàn)代計算機(jī)仿真技術(shù)為電力電子電路的設(shè)計和分析提供了嶄新

6、的方法， 可以使復(fù)雜的電力電子電路、系統(tǒng)的分析和設(shè)計變得更加容易和有效。</p><p>　　Matlab 是一種計算機(jī)仿真軟件， 它是以矩陣為基礎(chǔ)的交互式程序計算語言。Simulink 是基于框圖的仿真平臺， 它掛接在Matlab 環(huán)境上，以Matlab 的強(qiáng)大計算功能為基礎(chǔ)， 用直觀的模塊框圖進(jìn)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(jī)傳動控制系統(tǒng)和電

7、力系統(tǒng)仿真用的模型庫。以Matlab7.0 為設(shè)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(shè)置參數(shù)進(jìn)行仿真。</p><p>　　二、SPWM控制技術(shù)簡介</p><p>　　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(jié)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

8、，其效果基本相同。</p><p>　　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)</p><p>　　圖1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖</p><p>　　SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，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(guān)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(yīng)區(qū)

9、間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。</p><p>　　PWM控制的基本原理 </p><p>　　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π/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，使矩形脈沖的中點和相應(yīng)正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的

10、正弦波部分面積（沖量）相等，這就是PWM波形。對于正弦波的負(fù)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</p><p>　　圖2用PWM波代替正弦半波</p><p>　　波通常是等幅PWM波?；诘刃娣e原理，PWM波

11、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。 </p><p>　　2.SPWM逆變電路及理論基礎(chǔ)</p><p><b>　　2.1控制方式</b></p><p>　?。?）如果在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)，三角載波只在正或負(fù)的一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的SPWM波也只處于一個極性的范圍內(nèi)，叫做單極性控制方式。 

12、</p><p>　?。?）如果在正弦調(diào)制波半個周期內(nèi)，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負(fù)之間變化，叫做雙極性控制方式。</p><p><b>　　2.2選用方法</b></p><p>　　本次課程設(shè)計主要內(nèi)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。</p>

13、;<p>　　圖3 雙極性PWM控制方式波形</p><p>　　雙極性PWM控制方式（三相橋逆變）</p><p>　　三相的PWM控制公用三角波載波uc  三相的調(diào)制信號urU、urV和urW依次相差120°</p><p><b>　　U相的控制規(guī)律</b></p><p&g

14、t;　　當(dāng)ur>uc時，給V1導(dǎo)通信號，給V4關(guān)斷信號UN=Ud/2 ? 當(dāng)ur<uc時，給V4導(dǎo)通信號，給V1關(guān)斷信號，UN’=-Ud/2當(dāng)給V1(V4)加導(dǎo)通信號時，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是VD1(VD4)導(dǎo)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(dāng)1和6通時，UV=Ud，當(dāng)3和4通時，UV=－Ud，當(dāng)1和3或

15、4和6通時UV=0 輸出線電壓PWM波由±Ud和0三種電平構(gòu)成 負(fù)載相電壓PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5種電平組成。</p><p>　　圖4 三相電壓型橋式逆變電路</p><p>　　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(jìn)而控制IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷，實現(xiàn)電壓逆變的目的。</p><

16、;p><b>　　2.3調(diào)制方式</b></p><p>　　載波頻率fc與調(diào)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(diào)制方式可分為異步調(diào)制和同步調(diào)制兩種。</p><p>　　2.3.1異步調(diào)制 </p><p>　　載波信號和調(diào)制信號不保持同步的調(diào)制方式稱為異步調(diào)制。 </

17、p><p>　　◆通常保持載波頻率fc固定不變，因而當(dāng)信號波頻率fr變化時，載波比N是變化的。 </p><p>　　◆在信號波的半個周期內(nèi)，PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱。 </p><p>　　◆當(dāng)fr較低時，N較大，一周期內(nèi)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。 &l

18、t;/p><p>　　◆當(dāng)fr增高時，N減小，一周期內(nèi)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。</p><p>　　◆在采用異步調(diào)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。</p><p>　　2.3.2同步調(diào)制 </p><

19、p>　　◆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(diào)制。 </p><p>　　◆fr變化時載波比N不變，信號波一個周期內(nèi)輸出的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的。</p><p>　　◆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(yán)格對稱和一相的PWM波正負(fù)半周鏡對稱，取N為3的整數(shù)倍且為奇數(shù)。</p><p>

20、　　◆當(dāng)逆變電路輸出頻率很低時，同步調(diào)制時的fc也很低，fc過低時由調(diào)制帶來的諧波不易濾除，當(dāng)負(fù)載為電動機(jī)時也會帶來較大的轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲；當(dāng)逆變電路輸出頻率很高時，同步調(diào)制時的fc會過高，使開關(guān)器件難以承受。</p><p>　　三、三相逆變器雙極性SPWM控制技術(shù)仿真設(shè)計</p><p>　　在認(rèn)真學(xué)習(xí)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(wù)就是通過各類模塊構(gòu)建仿

21、真圖，模擬實驗效果，深化理解，明白實驗用途。</p><p>　　3.1 SPWM觸發(fā)脈沖調(diào)制電路</p><p>　　圖5 SPWM觸發(fā)脈沖電路</p><p>　　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。&l

22、t;/p><p>　　本次實驗運(yùn)用異步調(diào)制的方式。</p><p><b>　　3.2主電路圖</b></p><p>　　圖6 三相雙極性SPWM主電路</p><p>　　三相逆變器雙極性SPWM調(diào)制技術(shù)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(jìn)行封裝過后，在固定fc（正弦波

23、頻率）的值和三角波的幅值不變的情況下，可通過參數(shù)調(diào)節(jié)使fr的值變化，到達(dá)調(diào)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(diào)制度，可達(dá)到其調(diào)節(jié)的目的。</p><p><b>　　四、實驗調(diào)試心得</b></p><p>　　當(dāng)各個模塊按照實驗原理

24、連接完畢后，變可進(jìn)行準(zhǔn)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(dǎo)致波形過小，不利于查看，因為實驗設(shè)置正弦波頻率不變?yōu)?.02s，故將仿真時間設(shè)置為0.08s，有四個周期，比較合適。</p><p>　　逆變主電路可直接運(yùn)用系統(tǒng)提供的Universal Bridge模塊，而不必自己去構(gòu)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(bǔ)的脈沖。</p><p>　　

25、實驗過程中，由于已封裝參數(shù)，故能夠較為方便的調(diào)節(jié)參數(shù)fr和Ma，找到最合適的波形。</p><p>　　圖7 參數(shù)封裝內(nèi)部示意圖</p><p>　　圖8 參數(shù)調(diào)節(jié)示意圖</p><p>　　實驗中另外遇到的一個問題便是步長設(shè)置。開始時默認(rèn)系統(tǒng)給的步長，頻率較低時，系統(tǒng)能正常運(yùn)行；但在三角波頻率高于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(rèn)的步長

26、，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。</p><p>　　圖9 fc=600，步長調(diào)整前</p><p>　　圖10 fc=600，步長調(diào)節(jié)后</p><p>　　五、不同參數(shù)時三相逆變器雙極性SPWM控制技術(shù)的仿真波形及頻譜分析</p><p>　　對不同參數(shù)對應(yīng)的SPWM觸發(fā)脈沖及逆變電路輸出波形為了便于

27、觀察，將整張輸出，在最后以附圖形式給出?，F(xiàn)主要分析不同參數(shù)時的頻譜圖。</p><p>　　5.1 fc=500，Ma=0.9</p><p>　　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 </p><p>　　fc=750, Ma=0.85</p><p>　　SPWM觸發(fā)脈沖附圖三，三相電壓

28、型逆變電路主要波形附圖四</p><p>　　fc=1000,Ma=0.8</p><p>　　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</p><p><b>　　5.2頻譜分析</b></p><p>　　5.2.1 不同參數(shù)下uUN’的頻譜圖</p><p>　　圖11 fc

29、=500，Ma=0.9時</p><p>　　圖12 fc=750, Ma=0.85</p><p>　　圖13fc=1000,Ma=0.8</p><p>　　5.2.2 不同參數(shù)下uVN’的頻譜圖</p><p>　　圖14 fc=500，Ma=0.9</p><p>　　圖15 fc=750, Ma=0.85&l

30、t;/p><p>　　圖16 fc=1000,Ma=0.8</p><p>　　5.2.3不同參數(shù)下uUV的頻譜圖</p><p>　　圖17 fc=500，Ma=0.9</p><p>　　圖18 fc=750, Ma=0.85</p><p>　　圖19 fc=1000,Ma=0.8</p><p

31、>　　5.2.4 不同參數(shù)下uUN的頻譜圖</p><p>　　圖20 fc=500，Ma=0.9</p><p>　　圖21 fc=750, Ma=0.85</p><p>　　圖22 fc=1000,Ma=0.8</p><p>　　5.2.5不同參數(shù)下uNN’的頻譜圖</p><p>　　圖23 fc=50

32、0，Ma=0.9</p><p>　　圖24 fc=750 ,Ma=0.85</p><p>　　圖25 fc=1000,Ma=0.8</p><p>　　5.2.6不同參數(shù)下iU的頻譜圖</p><p>　　圖26 fc=500，Ma=0.9</p><p>　　圖27 fc=750, Ma=0.85</p

33、><p>　　圖28 fc=1000,Ma=0.8</p><p>　　以上的頻譜分析圖均在Powergui內(nèi)進(jìn)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(jié)構(gòu)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，改變輸入量input即可得到不同輸入量的品頻譜分析圖。</

34、p><p>　　對需要頻譜分析的對象，先將其連接到示波器，運(yùn)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(shè)為50Hz和2000Hz，點擊“Display”即可輸出頻譜圖。</p&

35、gt;<p>　　通過對上述頻譜圖的分析可知，在三相對稱電路中，由于負(fù)載的參數(shù)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。</p><p>　　可以看出，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

36、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。 </p><p><b>　　六、心得體會</b></p><p>　　通過本次課程設(shè)計，理解并掌握了SPWM的原理及實現(xiàn)方法，進(jìn)一步理解了三相橋式逆變電路的工作原理及應(yīng)用。</p><p>　　面對實驗中出現(xiàn)的問題，通過學(xué)習(xí)，能了解其出現(xiàn)的原因及解決方法，對自己分

37、析問題、解決問題的能力有很大的提升。</p><p>　　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)失真的情況，進(jìn)而出現(xiàn)某些周期內(nèi)三角波與正弦波在本應(yīng)有交點的地方卻為相交，使圖形沒呈現(xiàn)出周期性，達(dá)不到準(zhǔn)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(rèn)步長改為1e-5后在高頻下便不會失真。</p><p>

38、　　在封裝參數(shù)方面，本來是準(zhǔn)備直接封裝載波比N（N = fc /fr），設(shè)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(diào)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。</p><p>　　對于算法設(shè)置和角度的度與弧度之間的類似問題通過總結(jié)以前的經(jīng)驗，避免犯這些低級錯誤。</p><p>　　通過這次實驗，更好的熟悉了simulink的工作

39、平臺，加強(qiáng)了對SimPowerSystems相關(guān)模塊的理解，為日后更好的運(yùn)用此軟件打下了堅實的基礎(chǔ)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 王兆安，劉進(jìn)軍. 電力電子技術(shù).5版.北京：機(jī)械工業(yè)出</p><p><b>　　版設(shè)，2009.</b></p><p>

40、;　　[2] 郭世明. 電力電子技術(shù).2版.成都：西南交通大學(xué)出版設(shè)， </p><p><b>　　2009.</b></p><p>　　[3] 劉鳳君. 現(xiàn)代整流技術(shù)及應(yīng)用實例.北京：電子工業(yè)出版</p><p><b>　　設(shè)，2009.</b></p><p>　　[4] 賈德利. IGB

41、T逆變電源的設(shè)計與應(yīng)用.哈爾濱：機(jī)械工業(yè)</p><p><b>　　出版設(shè)，2009.</b></p><p>　　[5] 劉衛(wèi)國. MATLAB程序設(shè)計與應(yīng)用.2版.北京：高等教育</p><p><b>　　出版設(shè)，2006.</b></p><p><b>　　附錄</b&g

42、t;</p><p>　　附圖一 SPWM觸發(fā)脈沖(fc=500,Ma=0.9)</p><p>　　附圖二 三相電壓型逆變電路主要波形(fc=500,Ma=0.9)</p><p>　　附圖三 SPWM觸發(fā)脈沖(fc=750,Ma=0.85)</p><p>　　附圖四 三相電壓型逆變電路主要波形(fc=750,Ma=0.85)</p