三相電壓型SPWM課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、百度文庫(kù)-讓每個(gè)人平等地提升自我目錄一、摘要二、SPWM控制技術(shù)簡(jiǎn)介.1. PWM控制的基本原理逆變電路及理論基礎(chǔ).三、三相逆變器雙極性 SPWM控制技術(shù)仿真設(shè)計(jì)2SPWM觸發(fā)脈沖調(diào)制電路 8主電路圖9四、實(shí)驗(yàn)調(diào)試心得10五、 不同參數(shù)時(shí)三相逆變器雙極性SPWM控制技術(shù)的仿真波形及頻譜分 析fc=500 , Ma=頻譜分析六、心得體會(huì) 參考文獻(xiàn)附錄121213232425一、摘要關(guān)鍵字：三相橋 電壓型全控逆變 SPWM Simulink本次實(shí)驗(yàn)主要為利用SimUIink中的塊原件來(lái)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

2、，目前中小 功率的逆變電路幾乎都采用了 PWM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 ）。在逆變電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)設(shè)計(jì)電路及有關(guān)參數(shù)選擇 是否合理、效果好壞進(jìn)行驗(yàn)證。如果通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，需要經(jīng)過(guò)反復(fù)多次的元件安裝、調(diào)試、重新設(shè)計(jì)等步驟，這樣使得設(shè)計(jì)耗資大，效率低，周期長(zhǎng)?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為電力電子電路的設(shè)計(jì)和分析提供了嶄新的方法，可以使復(fù)雜的電力電子電路、系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)變得更加容易和有效。MatIab是一種計(jì)算機(jī)仿真軟件，它是以矩陣為基礎(chǔ)的交互 式程序計(jì)算語(yǔ)言。SimUIi n

3、k是基于框圖的仿真平臺(tái)，它掛接在 MatIab環(huán)境上，以MatIab的強(qiáng)大計(jì)算功能為基礎(chǔ)，用直觀的模塊框圖進(jìn)行仿真和計(jì)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(dòng)控制系統(tǒng)和 電力系統(tǒng)仿真用的模型庫(kù)。以為設(shè)計(jì)平臺(tái)，利用SimUIink中 的Power SyStem工具箱來(lái)搭建整流電路仿真模型，設(shè)置參數(shù)進(jìn) 行仿真。二、SPWM控制技術(shù)簡(jiǎn)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(gè)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(shí)，其效果基本相同。SPWM法就是以該結(jié)論

4、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)間內(nèi)的面積相等， 通過(guò)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。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(gè)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(shù)量的等幅而不等寬 的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重 合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積(沖量)相等，這就 是PWM波形。對(duì)于正弦波的負(fù)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(chǎn)生的 PWM圖2用PWM波代替正弦半波波通常是等幅PWM波?；诘刃娣e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(chǔ)控制方式（1）如果在正弦調(diào)制波的半個(gè)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(gè)極性的 范圍內(nèi)，叫做單極性控制方式。（2）如果在正弦調(diào)制波半個(gè)周期內(nèi)，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)變化，則SPWM

6、波也是在正負(fù)之間變化，叫做雙極性控制 方式。選用方法本次課程設(shè)計(jì)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。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(diào)制信號(hào)uru、UrV和UrW依次相差12015U相的控制規(guī)律當(dāng)ur>uc時(shí)，給V1導(dǎo)通信號(hào)，給V4關(guān)斷信號(hào)UN=Ud/2 當(dāng)UrVuC時(shí)，給V4導(dǎo)通信號(hào)，給V1關(guān)斷信號(hào)，UN' =-Ud2當(dāng)給V1(V4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是VDI(VD4)導(dǎo)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(dāng)1和6通時(shí)，UV=Ud ,當(dāng)3和4通時(shí), UV= Ud ,當(dāng)1和3或4和6通時(shí)UV=0輸出線電壓PWM波由 ± Ud和O三種電平構(gòu)成 負(fù)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(shí)驗(yàn)中，主要通過(guò)比較Ur和UC的大小來(lái)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，進(jìn) 而控制IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電壓逆變的目的。調(diào)制方式載波頻率fc與調(diào)制信號(hào)頻率fr之比N=

8、fc/fr稱為載波比，根.Z"據(jù)載波和信號(hào)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。異步調(diào)制載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不保持同步的調(diào)制方式稱為異步調(diào)制。通常保持載波頻率fc固定不變，因而當(dāng)信號(hào)波頻率fr變化時(shí)，載波比N是變化的在信號(hào)波的半個(gè)周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定， 相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對(duì)稱。當(dāng)fr較低時(shí)，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不 對(duì)稱產(chǎn)生的不利影響都較小，PWM波形接近正弦波。當(dāng)fr增高時(shí)，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM 脈沖不對(duì)稱的影響就變大，輸出 PWM波和正弦波的差異變大， 對(duì)于

9、三相PWM型逆變電路來(lái)說(shuō)，三相輸出的對(duì)稱性也變差。在采用異步調(diào)制方式時(shí)，希望采用較高的載波頻率，以使在信號(hào)波頻率較高時(shí)仍能保持較大的載波比。同步調(diào)制載波比N等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和信號(hào)波保持 同步的方式稱為同步調(diào)制。 fr變化時(shí)載波比N不變，信號(hào)波一個(gè)周期內(nèi)輸出的脈 沖數(shù)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(gè)三角波載波， 為了使三相輸出波形嚴(yán)格對(duì)稱和一相的 PWM波正負(fù)半周鏡對(duì) 稱，取N為3的整數(shù)倍且為奇數(shù)。當(dāng)逆變電路輸出頻率很低時(shí)，同步調(diào)制時(shí)的fc也很低, fc過(guò)低時(shí)由調(diào)制帶來(lái)的諧波不易濾除，當(dāng)負(fù)載為電動(dòng)機(jī)時(shí)也會(huì)帶 來(lái)較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲；當(dāng)逆變電路輸出頻率很

10、高時(shí)，同步調(diào) 制時(shí)的fc會(huì)過(guò)高，使開關(guān)器件難以承受。三、三相逆變器雙極性SPWM控制技術(shù)仿真設(shè)計(jì)在認(rèn)真學(xué)習(xí)理解三相逆變雙極性 SPWM的原理及實(shí)現(xiàn)方法 之后，現(xiàn)在最主要的任務(wù)就是通過(guò)各類模塊構(gòu)建仿真圖，模擬實(shí) 驗(yàn)效果，深化理解，明白實(shí)驗(yàn)用途。SPWM觸發(fā)脈沖調(diào)制電路如圖5所示，SPWM觸發(fā)脈沖電路由三個(gè)正弦波和三角波分 別通過(guò)雙極性PWM方式產(chǎn)生脈沖。而實(shí)際上三個(gè)三角波是一模 一樣的，可以用一個(gè)代替；而三個(gè)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(shí)驗(yàn)運(yùn)用異步調(diào)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(diào)制技術(shù)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(duì)參數(shù)進(jìn) 行封裝過(guò)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(guò)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=fcfr）的目的；同樣的道理，通過(guò)定義參數(shù)Ma（Ma=ArAc），而實(shí)際操作時(shí)AC的值為1,將Ma賦值給正弦波的AmPIitUde 作為Ar ,故Ma就是調(diào)制度，可達(dá)到其調(diào)節(jié)的目的。四、實(shí)驗(yàn)調(diào)試心得當(dāng)各個(gè)模塊按照實(shí)驗(yàn)原理連接完畢后，變可進(jìn)行準(zhǔn)備仿真。首先要根據(jù)實(shí)際情況修改仿真時(shí)間，不然仿真時(shí)間過(guò)長(zhǎng)同時(shí)導(dǎo)致 波形過(guò)小，不利于查看，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)置正弦波頻率不變?yōu)椋蕦?仿真時(shí)間設(shè)置為，有四個(gè)周期，比較合適。逆變主電路可直接

12、運(yùn)用系統(tǒng)提供的Universal Bridge模塊，而不必自己去構(gòu)建，不過(guò)需要注意的給脈沖觸發(fā)的順序，為每一 個(gè)橋臂給一組互補(bǔ)的脈沖。實(shí)驗(yàn)過(guò)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。Iimr i Prt PireHiWrs S Dfl Jlron gr"寸a .Cenfr¢1II-Di鼻詁驅(qū) 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(shù)封裝內(nèi)部示意圖圖8參數(shù)調(diào)節(jié)示意圖實(shí)驗(yàn)中另外遇到的一個(gè)問(wèn)題便是步長(zhǎng)設(shè)置。 開始時(shí)默認(rèn)系統(tǒng) 給的步長(zhǎng)，頻率較低時(shí)，系統(tǒng)能正常運(yùn)行；但在三角波頻率高于 500Hz時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)三角波失真的情況。這時(shí)變需要修改系統(tǒng)默 認(rèn)的步長(zhǎng)，改為1e-6即可，與以前經(jīng)常遇到的該算法問(wèn)題類似。 下面通過(guò)對(duì)比說(shuō)明。圖9 fc=600，步長(zhǎng)調(diào)整前dOIfrl1.02lnQtMIagI t圖10 fc=600,步長(zhǎng)調(diào)節(jié)后五、不同參數(shù)時(shí)三相逆變器雙極性SPWM控制技術(shù)的仿真波形及頻譜分析對(duì)不同參數(shù)對(duì)應(yīng)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。現(xiàn) 主要分析不同參數(shù)時(shí)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(dá) TUUNq函- -4 -Fr-ar<d.FFT wacE* *l. rv- LEkD £-既-Sn M so* QSa Dl«3 fs

15、-U3¾ -w=i< . SCTl -S 3DVlE =aIn函二 fcH50pMaH 胃3 ilF*g I,*b of f-U<irF*t*'MW 83Ii IIllj? Sl>l!m" 1lfbU£C4:WWrMBMfJ4 -1lSaBSa- Ji Irl¢-1f' 3-s<F stf 1 MBE4.-FiqaktMqMW*!w S-mfr -呻 r c-u!J-i,!H-ZEXOH-,V-rrirU-RMr圖 l3fc=1000,Ma=不同參數(shù)下UVN '勺頻譜圖CrtlH 彤 Kftd 4FmIBn

16、WTtd FL-DHX - ?1 M IHD- 1 tD.j n IMrBlHl A CI 巧 OasLFtrWMm. .W- fll iWffW>IgrllIdFFl WrtXM ' d ÷yMDi 4tafld VfUIViZV-UWITEIQIel OHSCl DI0112 If4T hltiG FFTwBteI倉(cāng)imEtUF=T 3M1a7D615149Jl2iiFUHlil-H 11- IW 1 W3SI卩利艇Un臚Ci會(huì)血FinB*09 IralJmC> .kjBl I «di M t TLrtmerarii*FnqEY hn; EVMH F

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

18、j*>iSa CraMlHtE n*wm*jH4MhfHt>H* .Inptfmj2W*5一 r一 LliIlIOQ剖 印 電 赴 QU<ahp «¥“總 <.ftFni¢0MCVti.kFuwwnritHc J *t) VH oXiK；, t TttI rpurirHnJa rtuit<iirEto IMr-Hll frmtf*i>,汀Fe J jHefZCIiM圖 16 fc=1000,Ma=不同參數(shù)下UUV的頻譜圖f CBiaI MMHHl feH MPMtFFT hVK»wIlkiAHItIit 出.3w* J

19、ib CyEIBr&v IilWHi9 AMnWICL«E>wmh-ZQDIQPDKCiFrT MVtiM 1 « 4 qcH < M<J -StqpulOIQffi n«4 Qm QM »Q1 Qw Qt4 OlIfl Q.0B"*(-FFT GndejR曲¾FtEs¾序il圖 17 fc=500, Ma=圖 18 fc=750, Ma=ZT3,*Sg*Eri rtvbrFFF WFdcw93r1*w E>F* 和HZ rw'p)-FFT Gdtl砂HM蛇耳rt *<-5H b

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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(shù)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(shù)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(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(shí)間的結(jié)構(gòu)體的數(shù)據(jù) （即通過(guò)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。對(duì)需要頻譜分析的對(duì)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(xiàng)卡上即可選擇需要分析的示波器上的輸入對(duì)象。將其它參數(shù)， 如 FUndamental frequency MaX frequency 等，分別設(shè)為 50Hz

28、 和 200OHZ,點(diǎn)擊“ Display”即可輸出頻譜圖。通過(guò)對(duì)上述頻譜圖的分析可知，在三相對(duì)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(shuō)明圖形越 接近正弦波形?？梢钥闯?，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等及其附近的諧波。在上 述諧波中，幅值最高影響最大的時(shí)角頻率為 WC的諧波分量。46六、心得體會(huì)通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，理解并掌握了 SPWM的原理及實(shí)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。面對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)學(xué)習(xí)，能了解其出現(xiàn)的原因及 解決方法，對(duì)自己分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力有很大的提升。實(shí)驗(yàn)中遇到的最大的問(wèn)題便是在高頻下三角波圖形會(huì)出現(xiàn) 失真的情況，進(jìn)而