1、 11/11三相電壓型SPWM逆變器仿真分析及應用 畢業論文 論文題目：三相電壓型SPWM逆變器仿真分析及應用 學生姓名： 學號：123456789 所在院系：電氣信息工程學院 專業名稱：自動化 屆次：2013屆 指導教師： 目錄 前言 (2) 1SPWM控制技術產生背景 (2) 2 SPWM控制技術 (4) 2.1PWM控制技術的概述 (4) 2.2面積等效原理 (5) 2.3SPWM（正弦脈沖寬度調制）控制技術 (5) 2.4SPWM的調制 (6) 2.5PWM的控制方法及其比較 (7) 3三相橋式逆變器中的開關器件 (9) 3.1IGBT的動態特性分析 (9) 3.2IGBT的特性和參數

2、特點 (9) 4 三相PWM逆變器的工作原理和結構電路 (10) 4.1逆變器的工作原理 (10) 4.2三相橋式PWM逆變器電路 (11) 5 三相PWM逆變器的仿真 (12) 5.1三相電壓型SPWM逆變器的S IMULINK仿真設計 (12) 5.2三相電壓型SPWM逆變器的各模塊電路 (13) 6 SIMULINK仿真結果 (15) 6.1脈沖發生器模塊的三角波頻率為600H Z，正弦波頻率為50H Z (15) 6.2脈沖發生器模塊的三角波頻率為1080H Z，正弦波頻率為50H Z (17) 6.3脈沖發生器模塊的三角波頻率為1560H Z，正弦波頻率為50H Z (18) 7結論

3、 (20) 淮南師范學院2013屆本科畢業論文 三相電壓型SPWM逆變器仿真分析及其應用 學生：*（指導教師：*） （淮南師范學院電氣信息工程學院） 三相電壓型SPWM逆變器仿真分析及其應用 前言 電力電子技術是一門發展歷史比較短的學科，但是這項技術在人們的日常生產生活、工作學習中發揮著舉足輕重的作用。電力電子1技術的進步都伴隨著電子器件的革新。電力電子器件在近幾十年的發展歷程中，經歷了GTO、IGBT、MOSFET、IGCT等電力電子器件的發展更迭。 伴隨著大功率全控型電力電子器件的出現和發展，PWM 技術應運而生。PWM（Pulse Width Modulation）控制就是對脈沖寬度進行

4、調制的技術。即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。PWM控制技術在逆變電路中的應用最為廣泛，對逆變電路的影響也最為深刻。早期的逆變電路所輸出的波形都是矩形波或者六拍階梯波，這些波形含有較大的諧波成分，從而影響負載（尤其是電動機）的工作性能。為了改善逆變器的性能，在出現了全控器件后，從20世紀80年代開始出現應用PWM控制技術的逆變器。由于其優良的性能，現在大量應用在逆變電路中，絕大部分都是PWM逆變電路。可以說PWM控制技術正是依賴其在逆變電路中的應用，才發展得較成熟，才奠定了它在電力電子技術中的重要地位。 SPWM正弦脈寬調制2法是在PWM這項技術的基礎

5、上發展而來的，特點是原理簡單，通用性強，具有開關頻率固定，能消除諧波中的高次諧波分量，電路設計簡單等優點，是一種比較好的波形改善法。SPWM技術成為目前應用最為廣泛的逆變用PWM技術。 1 SPWM控制技術產生背景 20世紀60年代，PWM（Pulse Width Modulation）控制技術成為變頻技術的核心技術，把這項通訊技術首先在交流傳動中得到應用，為交流傳動的推廣應用開辟了新的局面，成為之后PWM技術發展的基礎。 PWM控制技術可以分為三大類，正弦PWM（即SPWM），隨機PWM和優化PWM。本文即是對SPWM的應用進行仿真，旨在改善輸出電壓和電流波形，抑制電源系統中諧波的多重PWM

6、技術在大功率變頻器中有其特有的優勢；但優化PWM所追求的目標則是實現電流諧波畸變率（THD）達到最小，電壓利用率最高，轉矩脈動最小及其它特定優化目標等。 在電力電子的一個分支電力拖動中，解決好電動機的無級調速3問題有著十分重要和深遠的意義，電機調速性能的提高可以在很大程度上提高工農業生產設備的加工精度、工藝水平及工作效率，從而提高產品的質量以及數量;而對于風機、水泵負載，如果可以采用調速的方法改變它們的流量，節能效率可以達到20%-60%，對于能源緊缺 淮南師范學院2013屆本科畢業論文 的今天，可謂是意義非凡。 我們都知道，直流調速系統有較好的靜、動態性能指標。在很長的一個歷史時期內，調速傳

7、動領域幾乎被直流電機調速所統治，這和實際中交流電機的廣泛應用是一對存在的矛盾，許多使用交流電機的設備為了達到調節被控對象的目的，只能采用傳統的物理方法，例如采用閥門、風門控制流量等，這樣不僅浪費能源，而且費用很高。在采用直流調速的應用領域，由于直流電機固有的缺點電刷和換相器的存在，使直流電機的大范圍使用受限，因此開發交流調速是順應生產發展的。在這種情勢之下，鑒于變頻調速具有更高的效率、寬范圍和高精度的特點，人們加大了研究交流調速4的力度。于是，正弦波脈寬調制（SPWM）變頻調速便應運而生，在人們日常的生產生活中正弦波脈寬調制（SPWM）變頻調速發揮了極大的作用。變頻調速技術的發展很大程度上往往

8、依賴于大功率半導體器件的革新。伴隨著電力電子技術的發展，特別是可關斷晶閘管GT05，電力晶體管GTR，絕緣門極晶體管IGBT，MOS晶閘管以及MTC等等具有可自關斷能力的大功率全控型電力電子元件的發展進步，加上調控單元也向大規模數字集成電路方向發展以及在應用具有邏輯判斷功能的智能微機加以控制，從而讓變頻器的穩定性、可靠性及效率不斷提高，從而使交流變頻調速系統裝置的性能也得到不斷提高和完善。 隨著新型電子器件制造技術的發展和控制技術的進步，現代控制理論的研究方向向交流調速領域的發展，特別是進入21世紀，PC機6及集成電路的發展，交流電動機調速技術正向高頻化、智能化和數字化發展。 在電力電子器件的

9、發展史上，電力電子器件的發展歷經了晶閘管（SCR）、可關斷晶閘管（GTO）、晶體管（BJT）、絕緣柵晶體管（IGBT）等階段，而且電力電子器件的革新總是能推進電力電子技術的進步。目前電力電子器件傾向于向著低損耗、易驅動、大容量、高頻率方向發展，與其他電力電子器件相比，IGBT具有顯著優于其他電力電子器件的特點：驅動簡單、保護容易、高可靠性和開關頻率高。電力電子器件IGBT有一個其他元件不具有的優點，不論在導通狀態還是短路狀態都能承受電流沖擊。IGBT不僅可以并聯，又由于其本身的關斷延遲很短，其串聯也相當容易。盡管IGBT在大功率應用中非常廣泛，但其有限的負載循環次成為其應用范圍的瓶頸。 隨著電

10、力電子技術的快速發展，正弦波輸出變壓變頻電源已經在生產生活的各個領域中得到了廣泛的應用，與此同時對逆變電源的輸出電壓和電流的波形質量也提出了較高的要求。主要從動態和靜態兩個方面提出要求：一是穩態輸出的精度要高；二是動態 3 三相電壓型SPWM逆變器仿真分析及其應用 性能好。因此，開發具有優良動、靜態性能的逆變器，已經成為電力電子發展領域的一個研究熱點。 現在的正弦波輸出變壓變頻電源產品中，為了得到SPWM波，一般都采用雙極性調制技術。該調制方法存在的最大缺點是它的6個功率管都工作在較高頻率，從而產生了較大的開關損耗。因此，雙極性調制技術還有待進一步改進和完善。 總的來說，通用變頻器大都是電壓型

11、交-直-交變頻器。三相交流電首先通過二極管不控整流橋得到脈動直流電流，再經濾波電路穩壓，最后經無源逆變電路輸出電壓、頻率可調的交流電可以給電動機供電。這類變頻器具有精度高、調速范圍寬、功率因數高、效率高等優點，所以能在工業生產中獲得廣泛應用。但是通用變頻器不可以直接應用在需要頻繁正、反轉的調速系統，如礦用提升機、軋鋼機等。這種系統要求電機在四象限運行，當電機減速、制動或者攜帶具有位能性負載重物下放時，電機會產生泵升電壓。而IGBT的耐壓比較低，太高的泵升電壓可能會對開關器件、電解電容形成沖擊，更有甚者，可能會毀壞電動機的絕緣結構，威脅整個系統的安全。在可能產生泵升電壓的場合，必須限制通用變頻器

12、的使用。 本文主要利用Matlab7軟件中的Simulink仿真系統建立三相電壓型SPWM逆變器8仿真模型，并對其進行仿真分析。本文主要包含： （1）SPWM控制技術的概述 （2）三相橋式逆變器中的開關器件 （3）三相PWM逆變器的工作原理和結構電路 （4）三相電壓型SPWM逆變器的仿真 （5）仿真波形分析和應用探究 （6）總結 2 SPWM控制技術 2.1 PWM控制技術概述 PWM（Pulse Width Modulation）控制就是對脈沖寬度進行調制的技術。PWM控制技術在逆變電路中的應用最為廣泛，對逆變電路的影響也最為深刻。早期的逆變電路所輸出的波形都是矩形波或者六拍階梯波，這些波形

13、含有較大的諧波成分，從而影響負載（尤其是電動機）的工作性能。為了改善逆變器的性能，在出現了全控器件后，從20世紀80年代開始出現應用PWM控制技術的逆變器9。由于其優良的性能，現在大量應用在逆變電 淮南師范學院2013屆本科畢業論文 5 路中，絕大部分都是PWM 逆變電路。可以說PWM 控制技術正式依賴其在逆變電路中的應用，才發展得較成熟，才奠定了它在電力電子技術中的重要地位。目前除了全控型器件未能及的大功率領域，不用PWM 控制技術的逆變電路已經很少見了。 2.2 面積等效原理 PWM 控制技術10的理論基礎是面積等效原理，即沖量（面積）相等而形狀不同的窄脈沖加載具有慣性的環節上時，其效果基

14、本相同。例如：如圖1所示的三個窄脈沖形狀不同，其中圖1（a ）為矩形脈沖，圖1（b ）為三角形脈沖，圖1（c ）為正弦半波脈沖，但其面積都等于1，圖1（d ）為單位脈沖函數（t ）。當它們分別 作為圖2（a ）具有慣性環節的R-L 電路的輸入時，設其電流i （t ）為電路的輸出。圖2（b ）給出了不同窄脈沖時i （t ）的響應波形。由圖中波形可知，在i （t ）的上升階段，脈沖波形不同i （t ）的波形也略有不同，但其在下降階段幾乎完全相同。而且脈沖越窄則其輸出響應波形的差異也越小。如果是周期性的施加上述脈沖，則其響應波形也是周期性的。用傅立葉級數分解后可以看出，各i （t ）在低頻段的特性將

15、非常接近，僅在高頻段有所不同。 (a)矩形脈沖； (b)三角形脈沖； (c)正弦半波脈沖； (d)單位脈沖函數 圖2 沖量相同的各種窄脈沖的響應波形 （a ）R-L 電路； （b ）響應波形 2.3 SPWM （正弦脈沖寬度調制）控制技術 把圖3（a ）的正弦半波分成N 等分，則可將正弦半波看成由N 個彼此相連的脈沖序列組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于 /N ，但幅度不等，且脈沖頂部不是水平直 f ( t ) ( t ) t O 圖1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 a b c d t O t O t O f ( t ) f ( t ) f ( t ) 三相電壓型SPWM逆變器仿真分析及其

16、應用 線，而是曲線，各脈沖的幅度按正弦規律變化。如果把上述脈沖序列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相等，則得到圖3（b）所示的脈沖序列。這就是PWM波形。可見該波形的各脈沖幅度相等而其寬度是按正弦規律變化。根據面積等效原理，該波形和正弦半波是等效的。正弦波的負半周可用同樣的方法獲得PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱SPWM波形。 圖3 用PWM波代替正弦半波 （a）正弦半波；（b）PWM波形 要改變等效輸出的正弦波幅值，只需按同一比例系數改變上述各脈沖的寬度即可。 2.

17、4 SPWM的調制 2.4.1自然采樣法 按照SPWM控制技術的基本原理，在正弦波與三角波的交點進行脈沖寬度和間隙的采樣，去生成SPWM波形，這種方法稱為自然采樣法。如下圖4所示 圖4 自然采樣法原理圖 2.4.2 規則采樣法 為了讓采樣沒有過多的繁復運算，效果又接近自然采樣法，提出了規則采樣法。其 出發點是設法讓SPWM波形的每個脈沖都與三角波中心對稱。這樣，圖5t 1=t 3， t 2 ,=t 2 ,法， 淮南師范學院2013屆本科畢業論文 7 就讓計算就大大簡化了，提高了效率。 圖5 規則采樣法原理圖 2.4.3 雙極性正弦波等面積法 雙極性正弦波等面積算法的基本原理是:把一個正弦波平均

18、分成H 個區段，區段總數Hl 一定是6的倍數，因為是三相正弦波，各項相位相互差1200，如果要利用一相正弦波得到其他兩相，必須把一個周期分成6的倍數。Hl 的數值越大，輸出的波形就越接近正弦波波形。每一個區段，將其等分為若干個等寬脈沖，讓這N 個等寬脈沖面積只和與這一區段正弦波面積相等。 正弦波面積為 ()s2 n n 12s1A=sin cos cos U td t U t t =-? (1) 輸出頻率f 與區段數Hl ，每個區段脈沖數N 及脈沖周期T (us)之間的關系： 61 10l f H NT -= 。 2.5 PWM 的控制方法及其比較 2.5.1單極性正弦脈寬調制 當調制信號ur

19、 為正弦波,載波uc 在ur 的正半周為正極的三角波波形，在ur 的負半周為負極的三角波，彼此相位相差1800。在uc 和ur 的交點時刻控制IGBT 的通斷。在ur 的半個周期內載波只在負極性或正極性其中一種極性范圍內變化，所得的PWM 波形也是只在單個極性范圍內變化的PWM 控制方式稱為單極性PWM 控制方式。 單極性的正弦脈寬調制拿幅值為Ur 的參考信號波Ur 與幅值為Uo,頻率為fo 的三角波Uc 進行比較，得到功率開關信號。如圖6所示。圖6就是用單相正弦波全波整流電壓與單向三角形載波進行交截，再通過倒相而產生功率開關驅動信號。 其中參考波頻率fr 決定了輸出波形的頻率fo ，每半周期

20、的脈沖數P 取決于載波 頻率fc 。即為: 三相電壓型SPWM 逆變器仿真分析及其應用 P=2c a f f (2) 使用參考電壓信號的幅值Ur 和三角形載波信號的幅值Uc 的比值m ，即調制度m = Ur/Uc ，進行調控輸出電壓的變化。當m 從01變化，脈寬便由0/p 之間變化，輸出的電壓也由0 E 之間變化。若每個脈沖寬度是，那么輸出電壓的傅里葉級數展開式為: ()() 01cos sin n n n U t A n B n =+ （3) 圖6 單極性正弦脈寬調制 2.5.2 雙極性正弦脈寬調制 用雙極性正弦脈寬調制時，在ur 的半個周期內，三角波載波不是單極性的，而是具有正負極性的，所

21、得的PWM 波形也是有正負極性的。在ur 一個周期內，輸出的PWM 波脈沖只有Ud 兩種電平，而沒有單極性控制時的零電平。而且在ur 的正、負半周時，對各開關器件的控制規律相同。依然是在載波信號uc 和調制信號ur 的交點時控制開關的通斷。 雙極性SPWM 的輸出電壓u(t)的波形，在0區間關于X 軸對稱，在02區間之間關于中心對稱；其傅里葉級數展開式為： ()01,3,5.sin n n U t B n t = ()()002sin n B u t n td t ?=? ? (4) 式（4）中，輸出電壓u0（t ）可看成是幅值為E ，頻率為fo 的方波和幅值為2E 、頻率為fc 的負脈沖序列

22、的疊加。因此 123212,.,p p - (5) 輸出電壓為： 淮南師范學院2013屆本科畢業論文 9 ()()02121,3,5141cos cos sin p j j n j E U t na na n t n -=?=-? (6) 輸出電壓基波分量 )(01t U 為： ()()01212141cos cos sin p j j j E U t na na n t n -=?=-? (7) ()()()()()214232102121sin sin 2sin sin 41cos cos p p a a n a a a a p j j j E n td t E n td t B E n

23、td t E n td t E na na n -=?-?=? ?=-? ? ? 圖7 雙極性PWM 控制方式波形 3 三相橋式逆變器中的開關器件 3.1 IGBT 的動態特性分析 與MOSFET 相似，因為開通過程中IGBT 在大部分時間作為MOSFET 運行U CE 的下降過 程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1IGBT 中MOSFET 單獨工作的電壓下降過程；tfv2MOSFET 和PNP 晶體管同時工作的電壓下降過程 。 電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1IGBT 內部的MOSFET 的關斷過程，iC 下降較快；tfi2IGBT 內部的PNP 晶體管的關斷過程。 圖

24、8 IGBT 的動態特性 3.2 IGBT 的特性和參數特點 u r u c u O w t O w t u o u o f u o U d - U d t t t 10%90%10%90%U CE I C 0O 0U G E U G EM I CM U CEM t fv 1t fv 2t o ff t o n t fi1 t fi2t d (o f f)t f t d (o n )t r U CE(o n )U G EM U G EM I CM I CM 三相電壓型SPWM逆變器仿真分析及其應用 在電力電子的發展過程中，電力電子元件的發展推動了電力電子技術的發展，先后歷經了SCR、GTO、B

25、JT、MOSFET、IGBT等階段。目前正向著易于驅動、功耗低、開關頻率高、設計簡單方向發展，與其他元器件相比，IGBT具有明顯的優點： (1)開關速度快，開關損耗小，IGBT在大功率范圍中應用非常廣泛。 (2)輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET非常類似。 (3)在電流較大的區域，通態壓降比VDMOSFET低。 (4)相同電壓和電流定額時，安全工作區比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。 （5）IGBT具有明顯的優點：高可靠性、保護容易、驅動簡單。 （6）IGBT不僅可以并聯，又由于其本身的關斷延遲很短，其串聯也相當容易。 4 三相PWM逆變器的工作原理和結構電路 4.1逆變器的工作原理 三相

26、橋式PWM逆變電路一般都采用雙極性控制12方式，逆變電路中各管的導通次序同整流電路相同，T1、T2、T3T6、T1各管的觸發信號的相位依次相差60?。根據各管的導通時間可分為120?導通型和180?導通型兩種。在120?導通型電路中，各個二極管導通120?，任一時刻只有不同相的兩只管子是導通的，同一橋臂中的兩只管子的導通時間相差60?，當某相中沒有逆變管導通時，其感性電流可以經該相中的二極管傳導。在180?導通型的逆變電路中，任意時刻都有三只管子導通，各個管導通時間為180?，在同一橋臂中上的兩只管子，輪流導通，稱為互補管。 圖9 三相橋式PWM逆變電路波形 淮南師范學院2013屆本科畢業論文

27、 11 圖9中的uao ，、ubo ，與uco ，是逆變器輸出端a 、b 、c 分別與直流電源中點o ，之間的電壓值，o ，點與負載的零點o 不一定是等電壓的，uao ，等并不是負載的相電壓。令直流電源中點o ，與負載零點o 之間的電壓為uoo ，則負載各相的相電壓分別為： (8) 將式(7)中各式相加并整理后得： 一般負載三相對稱，則有uao+ubo+uco=0，故有 (9) 由此可求得a 相負載電壓為 (10) 在圖9中繪出了相應的負載a 相電壓波形，ubo 和uco 波形與此相似。 4.2 三相橋式PWM 逆變器電路 如圖所示，三相橋式逆變電路中應用V1-V6作為逆變開關。從電路結構上看

28、，如果把負載看成三相整流變壓器的三個繞組，那三相橋式逆變電路就如三相二極管整流電路和三相橋式可控整流電路的反向并聯，其中可控電路用來實現直流到交流的逆變，不可控電路為電感電流提供續流回路，完成無功能量的反饋和續流，故VD 1-VD 6稱為續流二 極管或反饋二極管。 三相電壓型SPWM逆變器仿真分析及其應用 圖10 三相橋式逆變電路 5 三相電壓型SPWM逆變器的仿真 5.1 三相電壓型SPWM逆變器的Simulink仿真設計 Matlab軟件11作為教學、科研和工程設計的重要方針工具，已成為首屈一指的計算機仿真平臺。該軟件的應用可以解決電機電器自動化領域的諸多問題,借助于其中的Simulink

29、12模塊可以完成對三相無源電壓型SPWM逆變器的仿真，并通過仿真獲取逆變器的一些特性圖等數據。 圖11 三相電壓型SPWM逆變器的系統電路 淮南師范學院2013屆本科畢業論文 13 5.2 三相電壓型SPWM 逆變器的各模塊電路 5.2.1三相電壓型SPWM 逆變器的電路結構 直流電源 5.2.2 電源模塊 圖12 PWM 脈沖發生器 圖13 PWM 脈沖發生器參數設置 圖12為為控制通用三相整流橋產生SPWM 的脈沖信號發生器，使用的是Matlab 中 直流電源 RLC 三相負載 離散傅立葉分析 通用三相整流橋 離散PWM 發生器 示波器 三相電壓型SPWM逆變器仿真分析及其應用 的PWM

30、Generator模塊。該模塊的作用即為為產生PWM而用以控制IGBTs等電橋的脈沖信號。圖13錯誤！未找到引用源。為該模塊的參數設置，在Generator mode選項中選擇3-arms bridge(6 pulse),既三橋臂共需要六個脈沖信號用以控制如圖11中所示的六個電子管。Carrier frequency為載波頻率，該頻率的大小決定了一個周期內SPWM脈沖的密度（如圖7所示）。Frequency of output voltage是輸出電壓的頻率，此處設置為國內標準的50Hz。 5.2.3 多功能橋 圖14 通用三相整流橋 圖15 多功能橋參數設置 用三相整流橋為Simulink13中的Universal bridge模塊。圖15為該模塊的參數設 淮南師范學院2013屆本科畢業論文 置對話框。其中Number of bridge arms（橋臂個數）為3，Power Electronic device （電力電子器件）選用IGBT/Diodes（晶閘管）。 圖16 三相RLC負載模塊 圖17 三相RLC負載模塊參數設置 為模擬真實供電效果，在仿真系統中，整流橋輸出的電壓通入一個三相變壓器后接入一個三相的RLC負載模塊。設置R=2歐，L=0.01亨，C=0法。 6 Simulink14仿真結果