找回密码
 立即注册

QQ登录

只需一步,快速开始

搜索
查看: 27394|回复: 13
打印 上一主题 下一主题
收起左侧

三相电压源型SPWM逆变器仿真设计与分析

  [复制链接]
跳转到指定楼层
楼主
ID:291592 发表于 2018-3-14 08:08 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
提供了一个三相电压型逆变器的MATLAB建模数据。包括主体结构搭建,SPWM波发生器的搭建,thd分析。
目 录


1概述

1.1 逆变电路简介

1.2 PWM简介

2  三相电压源逆变器工作原理

3 Matlab仿真建模与分析

3.1三相SPWM波的产生

3.2 SPWM逆变器仿真

3.3 滤波器粗略分析


三相电压源型SPWM逆变器的设计

1概述1.1 逆变电路简介
与整流相对应,把直流电变成交流电称为逆变。当交流侧接在电网上,即交流侧接有电源时,称为有源逆变;当交流侧直接和负载连接时,称为无源逆变。又逆变电路根据直流侧电源性质不同可分为两种:直流侧是电压源的称为电压型逆变电路;直流侧是电流源的称为电流型逆变电路;它们也分别被称为电压源型逆变电路和电流源型逆变电路。其中,电压源型逆变电路有以下主要特点:直流侧为电压源,或并联有大电容,相当于电压源,直流侧电压基本无脉动,直流回路呈现低阻抗;由于直流电压源的钳位作用,交流侧输出电压波形为矩形波,并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同;当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率,直流侧电容起缓冲无功能量的作用,为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道,逆变桥各臂都并联了反馈二极管。
1.2 PWM简介
PWM(Pulse Width Modulation)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的波形。PWM控制技术的重要理论基础是面积等效原理,即: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。下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。把正弦半波分成N等分,就可以把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。如果把这些脉冲序列用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替,使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合,且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积(冲量)相等,就可得到图1-1所示的脉冲序列,这就是PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形,也称为SPWM波。SPWM方式控制波形可分为单极性和双极性。





图1-1  用PWM波代替正弦波






图1-2 单极性SPWM控制方式波形
如图1-2所示为单极性SPWM控制方式波形,即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。根据面积等效原理,不难得知SPWM还可等效为图1-3中所示的PWM波,这种波形称为双极性SPWM波形,即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1-3 双极性SPWM控制方式波形
2  三相电压源逆变器工作原理
PWM逆变电路可分为电压型和电流型两种,目前实际应用的几乎都是电压型电路,因此本节主要分析电压型逆变电路的控制方法。要得到需要的PWM波形有两种方法,分别是计算法和调制法。根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数,准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔,据此控制逆变电路开关器件的通断,就可得到所需PWM波形,这种方法称为计算法。由于计算法较繁琐,当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时,结果都要变化。与计算法相对应的是调制法,即把希望调制的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波,在调制信号波为正弦波时,所得到的就是SPWM波形,这种情况应用最广。因此本设计采用调制法进行仿真,而且三相桥式PWM逆变电路都是采用双极性控制方式。
图2-1是采用IGBT作为开关器件的三相桥式PWM逆变电路。

图2-1 三相桥式PWM逆变电路
三相桥式逆变器有六个带反并联续流二极管的IGBT组成,分别为VT1~VT6,直流侧由两个串联电容,他们共同提供直流电压Ud,负载为三相星形接法的阻感负载,调制电路分别由三相交流正弦调制波形和三角载波组成。其中三角载波频率和正弦调制波频
率之比称为载波频率,调制波幅值和载波幅值之比称为调制度(也称调制比,0<m1),这

是SPWM调制中的两个重要参数。三角载波和正弦调制波相互调制产生六路脉冲信号分
图2-2 三相桥式PWM逆变电路波形
别给六个IGBT提供触发信号。
U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波,三相的调制信号依次相差120°。U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同,现以U相为例来说明。当 > 时,给上桥臂V1以导通信号,给下桥臂V4以关断信号,则U相相对于直流电源假想中点N’ 的输出电压 =/2。当 < 时,给V4以导通信号,给V1以关断信号,则=/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VD1(VD4) 续流导通,这要由阻感负载中                                 
电流的方向来决定,这和单相桥式PWM逆变电路在双极性控制时的情况相同。V相及W相的控制方式都和U相相同。电路的波形如图2-2所示。可以看出,的PWM波形都只有±/2两种电平。图中的线电压的波形可由 - 得出。可以看出,当桥臂1和6导通时, = ,当桥臂3和4导通时, = -,当桥臂1和3或桥臂4和6导通时, = 0。因此,逆变器的输出线电压PWM波由±和0三种电平构成。图2-2中的负载相电压可由下式求得

                                 = -                                             (2-1)

从波形上和上式可以看出,负载相电压的PWM波由(±2/3)、(±1/3)和0共五种电平组成。
3 Matlab仿真建模与分析
方案设计好了,原理也已分析的差不多了,接下来最重要的一环就是仿真了,首先三相SPWM逆变器要想工作,最重要的就是按要求生成三相SPWM信号波。
3.1三相SPWM波的产生
将正弦波和三角波按照调制度和载波比进行一些比较和运算,便可调制出所需的SPWM信号波。仿真过程中涉及到具体逆变器电路的调制比计算问题:
输出线电压的基波幅值与直流电源电压的关系如下,
                     =0.866m                       (3-1)
输出线电压的基波有效值为,
                                            =0.612m                         (3-2)
假如本设计要求是:直流电源电压为400V,输出线电压基波幅值为300V(50Hz),根据式3-1可得m=300/400/0.866=0.866 。
根据原理分析,本设计采用双极性PWM控制方式波形,公用一个等腰三角载波,采用三个幅值、频率相同相位互差120°的三相交流正弦波形作为调制波。三相SPWM控制波形的发生电路如图3-1所示,在Simulink的“Source”库中选择“Clock”模块,以提供仿真时间t,乘以后,再通过一个“sin”模块即为sin,乘以调制比m(图中Constant常量模块)后可得到所需的正弦波调制信号,通过设置相位即可产生三相正弦波信号。三角载波信号由“Source”库中的“Repeating Sequence”模块产生,参数设置为[0  1//4  3//4  1/]和[0  -1  1  0],其中,fc为载波的频率,也叫PWM开关频率,比如设置开关频率为3kHz,将fc替换成3000即可。另外,示波器采样频率设置高一些,便可生成频率为的三角载波。将调制波和载波通过一些运算与比较,即可得出三相SPWM触发脉冲波形。图3-2给出了调制信号和三角载波波形。
图3-1 三相SPWM控制波形发生电路
图3-2 三相SPWM控制波形
为了使仿真简便,参数易于设置,而且SPWM是应用非常广泛的一种控制方式,因此图3-1所示的SPWM发生电路已封装成子模块。
3.2 SPWM逆变器仿真
三相电压源型SPWM逆变器仿真电路如图3-3所示,且负载为阻感负载(R=10Ω,电感L=10mH)。
图3-3 三相电压源型SPWM逆变器
设置参数,将调制度m设置为0.866,调制波频率设为50Hz,载波比N一般取3的整数倍以使三相输出波形严格对称,设为基波的60倍(载波比N=60),即载波频率为3000Hz,仿真时间设为0.04s(实际仿真调试中仿真0.04s已足够分析),在powergui(powergui是电力图形用户界面,是电路和系统分析的图形界面,提供了相当丰富的分析工具)中设置为离散仿真(Discrete)模式,采样时间设为5e-006s,运行仿真图形。
运行程序,便可得到输出波形,如图3-4所示:
(从上到下依次为:负载电流、线电压Vab和相电压Va)
图3-4 三相电压源型SPWM逆变电路输出波形
分析上图可知,逆变器的输出线电压PWM波由±和0三种电平构成,负载相电压的PWM波由(±2/3)、(±1/3)和0共五种电平组成,与第2章中图2-2的分析一致,说明仿真正确。下面对输出波形进行FFT分析。
已知= 400V,载波频率和调制信号频率分别为3000Hz和50Hz,载波比N=60。输出线电压的FFT分析结果如图3-5所示,据图可知,输出线电压的基波幅值为300.5V,与要求的输出300V误差很小,仿真结果正确,谐波分布中最高的为56、64次谐波,考虑最高频率为9000Hz时谐波总畸变率THD=83.32% 。输出相电压的FFT分析结果如图3-6所示,据图可知,输出相电压的基波幅值为173.4V=300.5/ V,说明三相波形基本对称,考虑最高频率为9000Hz时谐波总畸变率THD=83.38% 。输出相电流的FFT分析结果如图3-7所示,据图可知,输出相电流的基波幅值为16.55A,考虑最高频率为9000Hz时谐波总畸变率THD=7.27% ,近似为正弦波。
图3-5 输出负载线电压的FFT分析
图3-6 输出负载相电压的FFT分析
图3-7 输出负载相电流的FFT分析
3.3 滤波器粗略分析
经过以上对输出波形的FFT分析,可知输出负载线电压(或者相电压)的谐波含量非常高,实际应用中需要加入滤波电路以使输出电压、电流近似为正弦波。在此可以用MATLAB设计一个简单的LC滤波器(参数为调试的粗略参数,在此不进行相关的复杂计算)。电路如图3-8所示:
图3-8 带滤波器的SPWM逆变器
输出相电压的FFT分析结果如图3-9所示,从图中可以看出,输出相电压近似为正弦波,基波幅值为178.2V,考虑最高频率为9000Hz时THD=1.58% ,可见低通滤波器会稍微影响到输出的电压值,但可以大大减少谐波含量,可以使负载运行在最佳状态。
图3-9 滤波后的输出相电压FFT分析
综上所述,PWM控制方法主要是正弦调制信号波和三角波载波相比较的方法。由PWM控制原理和谐波分析可知,当载波比足够高时,用这种方法所得到的输出波形中不含低次谐波,只含和载波频率有关的谐波。输出波形中所含谐波的多少是衡量PWM控制方法优劣的重要标志,但不是唯一的标志。提高逆变电路的直流电压利用率、减少开关次数等也是很重要的。直流电压利用率是逆变电路所能输出的交流电压基波最大幅值U1m和直流侧电压Ud之比,提高直流电压利用率可以提高逆变器的输出能力。减少功率器件的开关次数可以降低开关损耗。此外,不同的负载性质和不同的应用场合对逆变电路都会有不同的要求。因此,实际中有多种改进方法以提高PWM型逆变电路综合性能或某一特别关心的性能。

完整的Word格式文档51黑下载地址:
三相电压源型逆变器PWM仿真.docx (508.66 KB, 下载次数: 207)


评分

参与人数 1黑币 +5 收起 理由
太阳的暗面 + 5 很给力!

查看全部评分

分享到:  QQ好友和群QQ好友和群 QQ空间QQ空间 腾讯微博腾讯微博 腾讯朋友腾讯朋友
收藏收藏7 分享淘帖 顶 踩
回复

使用道具 举报

沙发
ID:325842 发表于 2018-5-9 13:06 | 只看该作者
谢谢了 ~~
回复

使用道具 举报

板凳
ID:166313 发表于 2018-5-10 11:36 | 只看该作者
刚好需要这资料
回复

使用道具 举报

地板
ID:446710 发表于 2018-12-15 13:16 | 只看该作者
哇,选修课恰好需要这份资料,楼主棒
回复

使用道具 举报

5#
ID:495882 发表于 2019-3-22 09:05 | 只看该作者
受益匪浅!
回复

使用道具 举报

6#
ID:139989 发表于 2019-5-8 02:15 | 只看该作者
学习学习
回复

使用道具 举报

7#
ID:554331 发表于 2019-6-4 09:00 来自手机 | 只看该作者
可以可以
回复

使用道具 举报

8#
ID:438108 发表于 2019-6-6 14:51 | 只看该作者
有没有程序啊
回复

使用道具 举报

9#
ID:329140 发表于 2019-7-9 21:26 | 只看该作者
谢谢了,很好用
回复

使用道具 举报

10#
ID:727196 发表于 2020-4-11 21:31 | 只看该作者
有程序就完美了
回复

使用道具 举报

11#
ID:676233 发表于 2020-4-30 11:03 | 只看该作者
谢谢大神
回复

使用道具 举报

12#
ID:754923 发表于 2020-5-18 16:41 | 只看该作者
请问如果是有源逆变,那交流侧接是接三相交流电压源?
回复

使用道具 举报

13#
ID:511461 发表于 2020-7-31 10:46 | 只看该作者
楼主能不能发一下程序
回复

使用道具 举报

14#
ID:892200 发表于 2021-3-15 16:20 | 只看该作者
很好,讲的很清楚
回复

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

手机版|小黑屋|51黑电子论坛 |51黑电子论坛6群 QQ 管理员QQ:125739409;技术交流QQ群281945664

Powered by 单片机教程网

快速回复 返回顶部 返回列表