三相逆变器双极性SPWM调制技术的仿真.docx
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三相逆变器双极性SPWM调制技术的仿真
目录
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3
4.1SPWM包括单极性和双极性两种调制方法……………………….3
4.2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8
5.1触发脉冲调制电路(subsystem封装模块)9
5.2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14
6.1示波器B、C、D、E、F仿真的波形图16
七频谱分析22
7.1对相电压UN’、VN’、WN’输出电压进行谐波分析22
7.2对负载的线电压Uuv、Uvw、Uwu的输出波形进行谐波分析24
7.3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
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。
Ø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;
Ø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;
Ø为使一相的PWM波正负半周镜对称,N应取奇数;
Øfr很低时,fc也很低,由调制带来的谐波不易滤除;
Øfr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。
Ø通常保持fc固定不变,当fr变化时,载波比N是变化的;
Ø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;
Ø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;
Ø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 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) 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 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。 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A subplot(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=20 6.1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C subplot(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D subplot(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E subplot(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F subplot(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=113.30% Input3(WN): Fundamental(50HZ)=62.05,THD=113.30% 由于负载的参数一样,故相电压UN、VN和WN的三者谐波情况基本一样。 频谱分析情况基本一致。 可以看出,其PWM波中不含有低次谐波,只含有角频率为Wc及其附近的谐波,以及2Wc、3Wc等及其附近的谐波。 在上述谐波中,幅值最高影响最大的时角频率为Wc的谐波分量。 三相桥式PWM逆变电路可以每相各有一个载波信号,也可以三相公用一个载波信号。 这里只分析应用较多的公用载波信号时的情况。 在其输出线电压中,所包含的谐波角频率为式nwc+kwr(nwc-kwr)式中, n=1,3,5,…时,k=3(2m-1)+1,m=1,2,3,…; n=2,4,6,…时,k=6m+1(6m-1),m=0,1,…(1,2,…)。 从三相桥式PWM逆变输出线电压的频谱图知: 不含有低次谐波,载波角频率wc整数倍的谐波都没有了,谐波中的幅值较高的是wc+2wr(2wc-wr)。 八结语 通过以上的仿真过程分析,可以得到下列结论: (1)与采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较,进一步验证了仿真结果的正确性。 (2)载波频率越高,SPWM波形中谐波频率就越高。 所需滤波器的体积就越小。 一般在输出电压半周期内,器件通、断各k次,考虑到PWM波四分之一周期对称,k个开关时刻可控,除用一个自由度控制基波幅值外,可消去k-1个频率的特定谐波。 (3)三相桥式PWM型逆变电路采用双极性控制方式比交可行,且操作简单。 再依次验证了PWM控制技术在逆变电路中有着十分重要的意义。 九参考文献 黄俊,王兆安电力电子技术(第3版)北京: 机械工业出版社,1994 张晓华控制系统数字仿真与CAD(第2版)北京: 机械工业出版社2005 刘卫国,MATLAB程序设计与应用,(第2版)北京: 高等教育出版社,2002.
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