三相逆变器双极性SPWM调制技术的仿真

华东交通大学电气与电子工程学院PAGEPAGE29目录TOC\o"1-2"\h\z\u一摘要 1二引言 2三三项逆变器SPWM调制原理 2四SPWM控制方式 34.1SPWM包括单极性和双极性两种调制方法 ……….34.2调制法 4五用matlab下的simulink和simpowersystems工具箱构建三相桥式逆变器SPWM调制的仿真模型 85.1触发脉冲调制电路（subsystem封装模块） 95.2主电路（subsystem1封装模块） 13六三相桥式逆变器SPWM调制的仿真波形 146.1示波器B、C、D、E、F仿真的波形图 16七频谱分析 227.1对相电压UN’、VN’、WN’输出电压进行谐波分析 227.2对负载的线电压Uuv、Uvw、Uwu的输出波形进行谐波分析 247.3负载VN的相电压UN、VN、WN输出波形进行谐波分析 26八结语 28九参考文献 28三相逆变器双极性SPWM调制技术的仿真一摘要：在电力电子技术中，PWM（PulseWidthModulation）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）。本论文以三相逆变器双极性SPWM调制技术的仿真为例，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。通过调节载波比N，用示波器观看输出波形的改变。另外，采用subplot作出相电压、相电流、线电压、不同器件所承受的电压波形以及频谱图，并加以分析。ABSTRACT：Intheelectricpowerelectronictechnology,PWM(PulseWidthModulation)controlsiscarriesonthemodulationtothepulsewidththetechnology.Namelythroughcarriesonthemodulationtoaseriesofpulsewidth,comesequivalenttoobtainneedstheprofile(includingshapeandpeak-to-peakvalue).Thepresentpapertakethethree-phaseinvertorbipolaritySPWMmodulatingtechnologymodulatingtechniquesimulationasanexample,throughhasutilizedMatlab/SimulinkandPowerSystemtheBlock(PSB)electricalpowersystemmodulecollectiontoolboxsimulationenvironment,carriesonthemodelling,thecomputationandthesimulationanalysistotheelectriccircuit.ComparesNthroughtheadjustmentcarrier,watchestheoutputwaveshapewiththeoscilloscopethechange.Moreover,usessubplottomakethevoltagewaveformaswellasthespectrographwhichthephasevoltage,theinterphasecurrent,thelinevoltage,thedifferentcomponentwithstand,andanalyzes.关键词：PWM三相逆变器载波比N示波器仿真波形二引言PWM控制技术是在电力电子领域有着广泛的应用，并对电力电子技术产生十分深远的影响的一项技术。近年来，PWM控制技术在整流电路中也开始应用，并显示了突出的优越性。尤其是在逆变电路中应用最具有代表性。可以说，正是由于PWM控制技术在逆变电路中的广泛而成功的应用，才奠定了PWM控制技术在电力电子技术中的突出地位。以三相逆变器双极性SPWM调制技术的仿真为例，对PWM更深一步的了解与掌握。三三项逆变器SPWM调制原理PWM控制技术在逆变电路中的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM技术。常用的PWM技术主要包括：正弦脉宽调制(SPWM)、选择谐波调制（SHEPWM）、电流滞环调制（CHPWM）和电压空间矢量调制（SVPWM）。在采样控制理论中有一个重要的结论：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。图1中各个形状的窄脉冲在作用到逆变器中电力电子器件时，其效果是相同的，正是基于这个理论，SPWM调制技术才孕育而生。重要理论基础——面积等效原理环节的输出响应波形基本相同效果基本相同环节的输出响应波形基本相同效果基本相同a)矩形脉冲b)三角脉冲c)正弦半波脉冲d)单位脉冲函数图1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲四SPWM控制方式4.1SPWM包括单极性和双极性两种调制方法（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SPWM波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SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。图2双极性PWM控制方式其中：载波比——载波频率fc与调制信号频率fr之比N，既N=fc/fr调制度――调制波幅值Ar与载波幅值Ac之比，即Ma＝Ar/Ac同步调制——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PWM波正负半周镜对称，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***——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，PWM波的脉冲个数不固定，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。4.2调制法1）结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。以uo正半周为例，V1通，V2断，V3和V4交替通断。负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于Ud。V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0负载电流为负的区间，V1和V4仍导通，io为负，实际上io从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud。V4关断V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0。uo总可得到Ud和零两种电平。uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平。图3三相桥式PWM型逆变电路2）U、V、W三相的PWM控制是通常公用一个三角波Uc，三相的调制信号Uru、Urv、Urw依次相差120°。U、V、W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U相为例来分析。当Uru>Uc时，给桥臂V1以导通的信号，给下桥臂V4以关断的信号，则U相相对于直流电源假想中点N’的输出电压UN’=Ud/2。当Uru<Uc时，给V4以导通的信号，给V1以关断的信号，则UN’=-Ud/2。V1和V4的驱动信号始终时互补的。当给V1（V4）加导通信号时，可能是V1（V4）导通，也可能是二极管VD1（VD4）续流导通，这要求阻感负载中电流方向来决定。根据计算式可得，负载相电压UN可求得UN=UN’-(UN’+VN’+WN’)/3在电压型逆变电路的PWM控制中，同一相上下两个臂的驱动信号都是互补的。3）双极性PWM控制方式（三相桥逆变）uucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdOtOOOOOttttt2U2U2U2U2U3U32U下面以U相为例分析控制规律：当urU>uc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN’=Ud/2。当urU<uc时，给V4导通信号，给V1关断信号，uUN’=-Ud/2。当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通。uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2两种电平。uUV波形可由uUN’-uVN’得出，当1和6通时，uUV=Ud，当3和4通时，uUV=－Ud，当1和3或4和6通时，uUV=0。输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成负载相电压PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平组成。防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。3.3）特定谐波消去法(SelectedHarmonicEliminationPWM—SHEPWM)这是计算法中一种较有代表性的方法。输出电压半周期内，器件通、断各3次（不包括0和π），共6个开关时刻可控。为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称。OOtuoUd-Ud2a1a2a3图6-9特定谐波消去法的输出PWM波形五用matlab下的simulink和simpowersystems工具箱构建三相桥式逆变器SPWM调制的仿真模型5.1触发脉冲调制电路（subsystem封装模块）脉冲电路参数设置为：载波比N=9-21，取N=12,Ma=0.8-0.95,取Ma=0.8，单相调制信号波U,V,W依次相差120°电角度。具体如下图。脉冲电路中示波器scope的波形：subplot(3,1,1);plot(g.time,squeeze(g.signals(1).values));title('Ma²波形');subplot(3,1,2);plot(g.time,squeeze(g.signals(2).values));title('正弦Ma*U²波波形');subplot(3,1,3);plot(g.time,squeeze(g.signals(3).values));title('三角波波形');5.2主电路（subsystem1封装模块）主电路仿真参数设置为：E=100-300V;;h=0.0001s，取E1=100V，E2=100V。故有E=E1+E2=200V。电阻电感选用默认值，对三相桥式逆变器SPWM调制的进行仿真。六三相桥式逆变器SPWM调制的仿真波形示波器Asubplot(1,1,1);plot(a.time,a.signals(1).values);title('三角载波与调制信号波波形')载波比N=12载波比N=206.1示波器B、C、D、E、F仿真的波形图当N=12，E=200（E1+E2）时的波形图示波器B：subplot(6,1,1);plot(b.time,squeeze(b.signals(1).values));title('触发脉冲out2电压波形')gridon;subplot(6,1,2);plot(b.time,squeeze(b.signals(2).values));title('触发脉冲out3电压波形')gridon;subplot(6,1,3);plot(b.time,squeeze(b.signals(3).values));title('触发脉冲out4电压波形')gridon;subplot(6,1,4);plot(b.time,squeeze(b.signals(4).values));title('触发脉冲out5电压波形')gridon;subplot(6,1,5);plot(b.time,squeeze(b.signals(5).values));title('触发脉冲out6电压波形')gridon;subplot(6,1,6);plot(b.time,squeeze(b.signals(6).values));title('触发脉冲out7电压波形')gridon;波形如下：示波器Csubplot(6,1,1);plot(c.time,c.signals(1).values);subplot(6,1,2);plot(c.time,c.signals(2).values);subplot(6,1,3);plot(c.time,c.signals(3).values);subplot(6,1,4);plot(c.time,c.signals(4).values);subplot(6,1,5);plot(c.time,c.signals(5).values);subplot(6,1,6);plot(c.time,c.signals(6).values);波形如下：示波器Dsubplot(3,1,1);plot(d.time,d.signals(1).values);axis([0.04,0.08,-150,150]);title('相电压UN’电压波形');subplot(3,1,2);plot(d.time,d.signals(2).values);axis([0.04,0.08,-150,150]);title('相电压VN’电压波形');subplot(3,1,3);plot(d.time,d.signals(3).values);axis([0.04,0.08,-150,150]);title('相电压WN’电压波形');波形如下：示波器Esubplot(3,1,1);plot(e.time,squeeze(e.signals(1).values));title('线电压UN’电压波形')gridon;subplot(3,1,2);plot(e.time,squeeze(e.signals(2).values));title('线电压VN’电压波形')gridon;subplot(3,1,3);plot(e.time,squeeze(e.signals(3).values));title('线电压WN’电压波形')gridon;波形如下：示波器Fsubplot(3,1,1);plot(f.time,squeeze(f.signals(1).values));axis([0.02,0.06,-150,150]);subplot(3,1,2);plot(f.time,squeeze(f.signals(2).values));axis([0.02,0.06,-150,150]);subplot(3,1,3);plot(f.time,squeeze(f.signals(3).values));axis([0.02,0.06,-150,150]);波形如下七频谱分析7.1对相电压UN’、VN’、WN’输出电压进行谐波分析相电压UN’、VN’和WN’的三者谐波情况基本一样,其中：Input1（UN’）：Fundamental（50HZ）=63.37,THD=196.19%Input2（VN’）：Fundamental（50HZ）=60.59,THD=207.49%Input3（WN’）：Fundamental（50HZ）=60.81,THD=206.84%7.2对负载的线电压Uuv、Uvw、Uwu的输出波形进行谐波分析Input1（Uuv）：Fundamental（50HZ）=106.5,THD=115.53%Input2（Uvw）：Fundamental（50HZ）=108.2,THD=112.33%Input3（Uwu）：Fundamental（50HZ）=108.2,THD=112.33%7.3负载VN的相电压UN、VN、WN输出波形进行谐波分析Input1（UN）：Fundamental（50HZ）=61.11,THD=116.81%Input2（VN）：Fundamental（50HZ）=62.18,THD=11