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1、由组成的三相逆变器的建模及应用仿真由IGBT组成的SPWM三相逆变器的建模及应用仿真【摘要】随着电力电子技术，计算机技术，自动控制技术的迅速发展，PWM技术得到了迅速发展，SPWM正弦脉宽调制法这项技术的特点是原理简单，通用性强，具有开关频率固定，控制和调节性能好，设计简单等一系列有点，是一种比较好的波形改善法。SPWM技术成为目前应用最为广泛的逆变用PWM技术。本文主要通过对三相SPWM逆变器的Matlab/Simulink建模与仿真，研究逆变电路的输入输出及其特性，以及一些参数的选择设置方法。首先介绍了逆变技术和三相电压型逆变电路，并在此基础上对PWM和SPWM技术进行了简要的概述，最后建
2、立了由IGBT组成的SPWM三相逆变器的模型，并通过Simulink进行了仿真和谐波分析。关键词： SPWM三相逆变器 Matlab/Simulink 建模与仿真 谐波分析19目录1.引言11.1研究意义11.2 研究内容12. SPWM逆变电路工作原理分析12.1SPWM基本工作原理12.2 单相桥式SPWM逆变电路22.3三相SPWM逆变电路33.基于IGBT的三相SPWM逆变器的系统建模43.1SPWM逆变器的仿真模型43.2仿真模块中主要模块的提取路径和参数设置53.2.1电源模块（DC Voltage Source）53.2.2SPWM脉冲的生成53.2.3三相逆变桥的提取和参数设置
3、63.2.4万用表Multimeter的提取和参数设置73.2.5负载模块的提取和参数设置83.3仿真波形及结果分析83.3.1SPWM脉冲产生波形83.3.2驱动脉冲波形93.3.3逆变器的输出线电压波形103.3.4逆变器的输出相电压波形103.3.5逆变器的输出电流波形113.3.6逆变器输出的相电压和线电压波形比较114数据分析124.1 调压调频特性分析124.2 FFT谐波分析134.2.1负载的相电压进行谐波分析144.2.2负载的线电压进行谐波分析154.3不同调制比下的FFT谐波分析175总结18心得体会19参考文献201.引言 1.1研究意义在现代电力电子技术和工农业生产中
4、，逆变技术得到了广泛的应用，而SPWM正弦脉宽调制法由于其原理简单，通用性强，开关频率固定，控制和调节性能好，设计简单等一系列优点成为了目前应用最为广泛的逆变用PWM技术。本文中所研究的基于IGBT的三相SPWM逆变电路则是应用较多的逆变电路。这里将使用Matlab / Simulink 软件搭建三相电压型SPWM 逆变器的仿真模型，简要介绍一些参数的选择设置方法，并通过仿真结果和谐波分析说明其特性。1.2 研究内容（1）三相SPWM逆变电路工作原理分析（2）系统建模及参数设置（3）波形分析2. SPWM逆变电路工作原理分析DC/AC变换是把直流电变换成交流电，也称为逆变。本文中所用的电路结构
5、属于三相电压型桥式逆变电路，电路的逆变桥是基于IGBT设计的，其中的控制方法则使用SPWM来实现电压和频率的调制。2.1SPWM基本工作原理在采样控制理论中，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，只要其面积相等，其作用效果基本相同。这就是面积等效原理也是PWM技术的控制思想。一个正弦半波可以由一系列等幅不等宽的脉冲来代替，如图2-3所示。可以看出，各脉冲的幅值相等，而宽度按正弦规律变化。对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而且和正弦波等效的PWM波形，称为SPWM波形。正弦脉冲宽度调制（SPWM）是采用正弦波与三角波相交的方案，确定各分
6、段矩形脉冲的宽度。逆变电路采用脉宽调制的方法就可以再把直 流变成交流的同时，既能调压，又能调频。图2-3 用PWM波代替正弦半波SPWM脉冲调制的方法很多，根据调制脉冲的极性，可以分为单极性和双极性；根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，可分为同步调制和异步调制。其中正弦脉冲宽度调制的特点是输出脉冲列是不等宽的，宽度按正弦规律变化，故输出电压的波形接近于正弦波。单极性脉宽调制和双极性脉宽调制的不同在于三角波载波的不同。在单极性脉宽调制中，在基波的1/2周期里，三角波载波只在正或者负的一个方向上改变，所得到的SPWM波形也是在一个方向上改变的；而在双极性方式中，在基波的1/2周期里，三角波
7、载波是在正负两个方向上改变的，所得到的调制波形也是在两个方向上变化的。在基波的一个周期内，输出的调制波形只有两种电平：，仍然在调制信号和载波信号的交点时刻控制个开关器件的通断。图2-4 SPWM控制方式2.2 单相桥式SPWM逆变电路单相全桥逆变电路的原理图如图2-5所示，它共有4个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。把桥臂1和桥臂4作为一对，桥臂2和3作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通。其输出电压的波形和半桥电路的波形形状相同，也是矩形波，但其幅值高出一倍，=。全桥逆变是逆变电路中应用最多的电路，其中V1，V2，V3，V4是全控型开关器件，他们交替的处于通断状态。如果在期间
8、，给V1和V4加栅极信号，则V1和V4导通，V2和V3截止，输出电压；在期间，给V2和V3加栅极信号，则V2和V3导通，V1和V4截止，输出电压为；因此为矩形波，其幅值为。调制电路分别由单相交流正弦调制波和三角载波组成，其中三角载波和正弦调制波的幅度和频率之比分别称为调制度和载波比，是SPWM调制中的两个重要参数。图2-5 单相全桥逆变电路及波形图2.3三相SPWM逆变电路三相桥式SPWM逆变电路，如图2-6所示，其控制方式采用双极性调制。U、V、W三相的SPWM控制公用一个三角载波Uc，三相调制信号Uru、Urv、Urw依次相差120。整个逆变器由恒值直流电压U供电。一组三相对称的正弦参考电
9、压信号由参考信号发生器提供，其频率决定逆变器输出的基波频率。参考信号的幅值也可在一定范围内变化，决定输出电压的大小。三角载波信号Uc是共用的，分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零”的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波Uda，Udb，Udc作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。U、V、W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U相为例分析：当UruUc时，给上桥臂V1导通信号，给下桥臂V4关断信号，Uun=Ud/2；当UruUc时，给下桥臂V4导通信号，给上桥臂V1关断信号，Uun=-Ud/2；V1和V4的驱动信号始终是互补的。当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是二极管
10、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SPWM波由Ud和0三种电平构成。负载相电压负载相电压Uun=Uun-(Uun+Uvn+Uwn)/3。负载相电压SPWM波由五种电平构成：（2/3）Ud、(-2/3)Ud、（1/3）Ud、 (-1/3)Ud和0。图2-6 三相桥式SPWM逆变电路图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
11、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.基于IGBT的三相SPWM逆变器的系统建模3.1SPWM逆变器的仿真模型图3-1 SPWM逆变电路仿真模型图3.2仿真模块中主要模块的提取路径和参数设置3.2.1电源模块（DC Voltage Source） 提取路径为：Simulink/SimPoweSystem/Electrical Sources/DC Voltage Source3.2.2SPWM脉冲的生成 生成SPWM脉冲的方法很多，我们这里用比较法来生成双极性SPWM脉冲波。三相双极性SPWM控制中，载波共用双极性的三角波，三个正弦信号依次相差120，
12、正弦信号与载波信号根据双极性SPWM调制原理，通过Relational Oprator模块比较得出SPWM脉冲信号，用于控制IGBT的交替通断。假设信号波幅度为Ar，频率为Fr，三角载波幅值为Ac，频率为Fc。SPWM脉冲产生模块使用子模块来封装，模型图如图4-3所示：图3-2 SPWM脉冲产生模块其中三角波使用Repeating Sequence模块不断的生成，三角载波的参数设置如图4-1所示。提取路径为：Simulink/Sources/Repeating Sequence图3-3 三角波产生模块脉宽调制PWM脉冲发生器的提取路径：Simulink/SimPoweSystem/Extra
13、Library/Control Blocks/PWM Generator图3-4 SPWM信号发生器的参数设置3.2.3三相逆变桥的提取和参数设置三相逆变桥的提取路径为：Simulink/SimPoweSystem/Application Libraries/Power Electronics/Universal Bridge 图3-5 三相逆变桥的参数设置3.2.4万用表Multimeter的提取和参数设置 万用表的提取路径为：Simulink/SimPoweSystem/ApplicationLibraries/Power Electronics/Measurements/Multimet
14、er 图3-6 万用表的参数设置3.2.5负载模块的提取和参数设置负载模块的提取路径为：Simulink/SimPoweSystem/Elements/ThreePhaseSeriesRLCLoad 图3-7 负载的参数设置3.3仿真波形及结果分析3.3.1SPWM脉冲产生波形仿真参数设置：Simulation/Configuration Parameters。仿真参数：E=400V；载波频率Fc=600Hz；调制波Fr=50Hz，Ar=1；载波比N=Fc/Fr=12；调制比M=Ur/Uc=0.8。步长设置：start time：0.0；stop time：0.1。算法选泽：ode23tb（使
15、用于非线性元件模型中）。图3-8 SPWM脉冲产生波形3.3.2驱动脉冲波形图3-9 驱动脉冲波形 由IGBT的驱动脉冲可以看出，在同一时刻将有3个桥臂同时给触发脉冲，每一相交替产生触发脉冲。结合电路的图的分析，可知，IGBT导通的顺序是：561612123234345456。3.3.3逆变器的输出线电压波形图3-10 输出线电压波形分析上图可知，输出线电压SPWM波由Ud和0三种电平构成。3.3.4逆变器的输出相电压波形图3-11 输出相电压波形分析上图可知，输出相电压PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5种电平组成。3.3.5逆变器的输出电流波形图3-12 输出相电流波形由上图知
16、，输出电流为近似正弦波，由于有谐波成分存在，所以输出电流波形不是完美的正弦波，而是近似正弦波。3.3.6逆变器输出的相电压和线电压波形比较图3-13 输出线电压和相电压比较波形4数据分析本节主要对波形进行FFT谐波分析，调频调压特性分析。4.1 调压调频特性分析由前面的参数设置可知载波频率Fc=600Hz；调制波Fr=50Hz，Ar=1；载波比N=Fc/Fr=12；调制比M=Ur/Uc=0.8。下面观察一下相电压的基波有效值，其中基波有效值可通过Measurement/Fourier模块来获得。图4-1基波有效值调整SPWM信号发生器中的调制比M为0.2，即将调制波幅度减小到原来的0.25倍；
17、将调制波频率设定为100Hz，即将频率增大一倍，其周期将减小到原来的一半。我们先观察调的相电压和线电压的波形，再观察调整后的基波电压有效值。图4-2 调整后的线电压和相电压波形由波形图可以看出它的周期变为0.01s，是原来的一半。4.2 FFT谐波分析频谱分析有很多种方法，这里使用Powgui模块里的FFT进行频谱分析。Powergui的功能很多，其中有“FFT Analysis”。它只能分析已经保存在工作区中的波形，格式为带时间的结构体的数据，所以，这里要用Scope保存数据到工作空间。假设需要进行分析的数据均已经保存在工作区间，打开Powergui FFT Analysis Tool 后，
18、在Available Signals选项卡上即可选择需要分析的数据。将其他参数如Fundamental frequency、Max frequency等，设置好之后，点击“Display”即可输出频谱图。对三相SPWM逆变电流和电压进行频谱分析时，相关参数设置如下，Number of circle：2，Fundamental frequency： 50，Max frequency：1050，其它参数使用默认值。要保存频谱图，只需要使用“Save as”，可选择的保存为自己所需要的图片格式。下面我们用Powergui模块对相电压和线电压分别进行谐波分析，并对不同调制比下的频谱图进行比较。4.2.
19、1负载的相电压进行谐波分析图4-3 M=0.8，N=12时的Uag相电压谐波分析图4-4 M=0.8，N=12时的Ubg相电压谐波分析图4-5 M=0.8，N=12时的Ucg相电压谐波分析Input1（Uag）：Fundamental（50HZ）=160.1,THD=38.97%Input2（Ubg）：Fundamental（50HZ）=159.8,THD=38.96%Input3（Ucg）：Fundamental（50HZ）=160.0,THD=38.88%4.2.2负载的线电压进行谐波分析图4-6 M=0.8，N=12时的Uac线电压谐波分析图4-7 M=0.8，N=12时的Uab线电压谐
20、波分析图4-8 M=0.8，N=12时的Ubc线电压谐波分析Input1（Uac）：Fundamental（50HZ）=277.4,THD=38.87%Input2（Uab）：Fundamental（50HZ）=277.2,THD=38.99%Input3（Uac）：Fundamental（50HZ）=277.2,THD=38.99%4.3不同载波比和调制比下的FFT谐波分析图4-9 M=0.8，N=12时的Uag相电压谐波分析 图4-10 M=0.6，N=6时的Uag相电压谐波分析由以上相电压和线电压的频谱分析图比较得知，由于负载的参数一样，相电压Uag ，Ubg和Ucg的三者谐波情况基本一
21、样，频谱分析情况基本一致；线电压Uac，Uab，Ubc的三者谐波情况基本一样，频谱分析情况基本一致。 通过不同调制比下的频谱分析图可以看出：在E=400，m=0.8， =600Hz，fr =50Hz，即N=12时，输出相电压的基波电压的基波幅值为=160V，谐波分布中最高的为10和14次谐波，考虑最高频率为1000Hz时的THD达到38.82%；在E=400，m=0.6， =600Hz，fr =100Hz，即N=6时，输出相电压的基波电压的基波幅值为=111.1V，考虑最高频率为1000Hz时的THD达到46.39%。 同时也可以看出SPWM波中不含有低次谐波，只含有频率为fc及其附近的谐波，
22、以及2fc、3fc等及其附近的谐波。在上述谐波中，幅值最高影响最大的是频率为fc的谐波分量。5总结通过以上的仿真过程分析，可以得到下列结论：（1）与电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较，验证了仿真结果的正确性。（2）SPWM逆变电路可以在将直流变成交流的同时实现调压和调频。（3）SPWM波中不含有低次谐波成分，只含有频率为fc及附近的谐波，其中影响最大的是频率为fc的谐波成分。（4）三相桥式PWM型逆变电路采用双极性控制方式比交可行，在逆变电路中有着十分重要的意义。心得体会现代电力电子的仿真实验终于告一段落了，在此之前对于simulink仿真的了解不太多，虽然在大学期间学习过电力电子这门课
23、程，有一些基础，但是很多知识也都忘记啦，对于仿真的记忆更是烟消云散。然而经过这次仿真练习，学到了很多的知识。首先，拿到题目后，我便搜集了很多的资料，抱着学习的态度想更多的学习电力电子知识，同时学好simulink仿真，但是在仿真过程中，还是遇到了不少的难题，比如仿真参数的设置，示波器参数的调整等，最大的问题还是FFT分析了，但是经过一段时间的查阅资料和不断改进，我的仿真还是有了很大的进展。这样一个过程使我的理论知识得到了试验和应用，使我的理论知识得到了进一步的提高。其次，这次课程设计不但让我学到了很多的东西，提高和巩固了电力电子和matlab等方面的知识，同时也增强了我的动手能力，这些并不是在
24、课堂上可以学到的，而且这也是难得的一次同学间长时间交流沟通的机会，在课程实际过程中发生许多欢乐的令人难忘的事，这无疑为以后的我留下了一个美好的回忆。在完成仿真作业后,我发现我还有许多不足,所学到的知识还远远不够，simulink的应用是如此的广泛，在以后的时间里我将继续对加强对matlab的学习。最后，感谢郑老师给予我这次学习的机会。参考文献1 郑安平电力电子技术 M北京：邮电大学出版社，20052 洪乃刚电力电子技术基础M北京：清华大学出版社，20083 邓星钟，周祖德，邓坚，冯清秀机电传动控制M武汉：华中科技大学出版社，20074 李德华交流调速控制系统M北京：电子工业出版社，20035 胡崇岳现代交流调速技术M北京：机械工业出版社，20016 李维波MATLAB在电气工程中的应用M北京：中国电力出版社，2007