(完整版)三相逆变器SPWM的仿真

一 摘要................................................................................................... 2

二 三项逆变器SPWM调制原理...........................................................2 三 SPWM逆变电路及其控制方法.......................................................2

3.1SPWM包括单极性和双极性两种调制方法.....................................................2

3.2 调制法.................................................................................................................3

3.3特定谐波消去法..................................................................................................4

四 三相桥式逆变器SPWM调制的仿真型........................................5

封装模块...................................................................................6

4.2SUBSYSTEM1封装模块.................................................................................7

4.1SUBSYSTEM

五 三相桥式逆变器SPWM调制的仿真波形....................................7

六频谱分析...........................................................................................14

6.1 对相电压UN’ 、VN’ 、WN’输出电压进行谐波分析................................14

6.2 对负载的线电压UUV、UVW、UWU的输出波形进行谐波分析.................16

6.3 负载VN的相电压UN、VN、WN输出波形进行谐波分析.......................17

七结 语.................................................................................................19

八 参考文献.........................................................................................19

1

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（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Power System Block(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。

关键词：PWM 三相逆变器 载波比N 示波器 仿真 波形

二 三相逆变器SPWM调制原理

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，是指环节的输出响应波形基本相同。

重要理论基础——面积等效原理

a)矩形脉冲 b)三角脉冲 c)正弦半波脉冲 d)单位脉冲函

图1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

三 SPWM逆变电路及其控制方法

3.1 SPWM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

（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。

➢ 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； ➢ 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； ➢ 为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数； ➢ fr 很低时，fc 也很低，由调制带来的谐波不易滤除； ➢ fr 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。

➢ 通常保持 fc 固定不变，当 fr 变化时，载波比 N 是变化的；

➢ 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；

➢ 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；

➢ 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。

3.2 调制法

1）单相桥式SPWM逆变电路调制法

设负载为阻感负载，工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。以uo正半周，让V1通，V2断，V3和V4交替通断。由于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。

3

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UruUN=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。

3.3特定谐波消去法

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。首先，为了消除偶次谐波，应使波形正负两个半周期镜对称。

特定谐波消去法的输出SPWM波形

4

四 三相桥式逆变器SPWM调制的仿真模型

总图

AContinuouspowerguiOut1Out2Subsystem1In2Out1Out2Out3Out4Out5Out6B Out3In3 Out4In4In6Out5In7Out6In5 UOut7Conn1ConnN'CVSubsystemEUVv+-WConn3Conn2RL1VWv+-+v-UN'1+v-RL2UN'+v-+v-VN'1D1UW+v-RL3VN'+v-+v-WN'DWN'16MultimeterF

电阻R=1，电感L=1e-3,电容C=inf

5

4.1 SUBSYSTEM封装模块

1Out1U>=ProductRelationalOperator2NOTLogicalOperator2Out20.88Constant3Out3RepeatingSequence4Out4>=VProduct1RelationalOperator1NOTLogicalOperator15Out56Out6W>=Product2RelationalOperatorNOTLogicalOperator27Out7

脉冲电路参数设置为：载波比N=9-21，取N=16设置三角波时间[0 6.25e-4 1.25e-3] 幅值 [-1 1 -1],Ma=0.8-0.95,取Ma=0.88，单相调制信号波U, V, W依次相差120°电角度。w取100*pi, U、 V、W取角度分别取0、2/3*pi、4/3*pi。E1=E2=150V。

6

4.2 SUBSYSTEM1封装模块

In21In43InggCCgV1mEVD1V3mEVD3V5mECVD5E11ConnN'Out11Out33Out55Conn12Conn23In32In56In75Conn34E2ggCCgV4mEVD4V6mEVD6V2mECVD2Out44Out66Out22

E1=E2=150V

4.3调制波电路分析

4.3.1单相双极性SPWM调制原理图

U>=ProductRelationalOperator2NOTLogicalOperator1Out220.88ConstantRepeatingSequenceOut3

当0.88Ur>=Uc时，输出Out3 当0.88Ur7

4.3.2 三相双极性SPWM调制原理图

U>=ProductRelationalOperator2NOTLogicalOperator1Out20.88Constant2Out3RepeatingSequence>=VProduct1RelationalOperator13Out4NOTLogicalOperator14Out55Out6W>=Product2RelationalOperatorNOTLogicalOperator26Out7原理同上比较得出，当0.88Ur>=Uc时，输出Out3；当0.88Ur=Uc时,输出Out4;当0.88Vr=Uc,时，输出Out6,当0.88Wr输出信号Out2,3,4,5,6,7用示波器B测得波形，信号经过晶闸管IGBT得到输出信号Out1,2,3,4,5,6,用示波器C测得波形。用示波器A测得三角波和三个正弦波行，用示波器D测相电压UN'UV' WN'电压波形，用示波器D1测相电压UN VN WN 的波形，用示波器E测得线电压UV VW UW的波形，用示波器F测得电阻电感两端的电压电流。

封装模块

1)选择要建立的子系统模块，不包括输入端口和输出端口。

2)选择模型编辑窗口Edit菜单中的Create Subsystem命令，或右击鼠标选择该命令，这样，子系统就建好了，系统自动把输入模块和输出模块添加到子系统。 3)修改子系统名，修改需要的子系统名。

4)选择模块，右击鼠标选择\"Mask Subsystem\"，将其封装。

5)在编辑器（Mask Edit)中添加需要封装的相关参数（Parameters):Ar,fr,N,Ma. 6)初始化（Initialization)其他参数，这里需要用Matlab语句执行：Ac=Ar/Ma;fc=fr*N 7)确定完成封装.

8

五 三相桥式逆变器SPWM调制仿真波形 电阻RL1、RL2、RL3电压电流波形

Ub: RL1Ib: RL120010000-200-10000.010.020.030.0400.010.020.030.04Ub: RL2Ib: RL220010000-200-10000.010.020.030.0400.010.020.030.04Ub: RL3Ib: RL320010000-200-10000.010.020.030.0400.010.020.030.04示波器A仿真波形

subplot(1,1,1)

plot(a.time,a.signals(1).values)

title('三角载波与调制信号波波形N=16')

三角载波与调制信号波波形N=1610.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.8-100.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04

9

示波器B波形 subplot(6,1,1)

plot(b.time,b.signals(1,1).values) title('out2电压波形') subplot(6,1,2)

plot(b.time,b.signals(1,2).values) title('out3电压波形') subplot(6,1,3)

plot(b.time,b.signals(1,3).values) title('out4电压波形') subplot(6,1,4)

plot(b.time,b.signals(1,4).values) title('out5电压波形') subplot(6,1,5)

plot(b.time,b.signals(1,5).values) title('out7电压波形') subplot(6,1,6)

plot(b.time,b.signals(1,6).values) title('out6电压波形')

out2电压波形10.5010.5010.5010.5010.5010.5000.0050.010.0150.020.025out3电压波形0.0150.020.025out4电压波形0.0150.020.025out5电压波形0.0150.020.025out7电压波形0.0150.020.0250.030.0350.0400.0050.010.030.0350.0400.0050.010.030.0350.0400.0050.010.030.0350.0400.0050.010.030.0350.0400.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04

10

示波器C波形 subplot(6,1,1)

plot(c.time,c.signals(1,1).values) subplot(6,1,2)

plot(c.time,c.signals(1,2).values) subplot(6,1,3)

plot(c.time,c.signals(1,3).values) subplot(6,1,4)

plot(c.time,c.signals(1,4).values) subplot(6,1,5)

plot(c.time,c.signals(1,5).values) subplot(6,1,6)

plot(c.time,c.signals(1,6).values)

5000-50000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.045000-50000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.045000-50000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.045000-50000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.045000-50000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.045000-50000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04示波器D波形 subplot(3,1,1)

plot(d.time,d.signals(1,1).values) title('相电压UN’电压波形') subplot(3,1,2)

plot(d.time,d.signals(1,2).values) title('相电压VN’电压波形') subplot(3,1,3)

plot(d.time,d.signals(1,3).values) title('相电压WN’电压波形')

11

相电压UN’电压波形2000-20000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04相电压VN’电压波形2000-20000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04相电压WN’电压波形2000-20000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04示波器D1波形 subplot(3,1,1)

plot(d2.time,d2.signals(1,1).values) title('U相相电压波形图') subplot(3,1,2)

plot(d2.time,d2.signals(1,2).values) title('V相相电压波形图') subplot(3,1,3)

plot(d2.time,d2.signals(1,3).values) title('W相相电压波形图')

U相相电压波形图2000-20000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04V相相电压波形图2000-20000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.042000-20000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04

12

示波器E波形 subplot(3,1,1)

plot(e.time,e.signals(1,1).values) title('线电压UN’电压波形') subplot(3,1,2)

plot(e.time,e.signals(1,2).values) title('线电压VN’电压波形') subplot(3,1,3)

plot(e.time,e.signals(1,3).values) title('线电压WN’电压波形')

线电压UN’电压波形5000-50000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04线电压VN’电压波形5000-50000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04线电压WN’电压波形5000-50000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04示波器F波形 subplot(3,1,1)

plot(f.time,f.signals(1,1).values); subplot(3,1,2）

plot(f.time,f.signals(1,2).values); subplot(3,1,3)

plot(f.time,f.signals(1,3).values);

13

电阻电感电压电流波形

2000-2002000-2002000-20000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.0400.0050.010.0150.020.0250.030.0350.0400.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04

六 频谱分析

6.1 对相电压UN’ 、VN’ 、WN’输出电压进行谐波分析

相电压UN’谐波分析

14

相电压VN’谐波分析

相电压WN’谐波分析

15

6.2 对负载的线电压Uuv、Uvw、Uwu的输出波形进行谐波分析

对线电压Uuv谐波分析

对线电压Uvw谐波分析

16

对线电压Uwu谐波分析

6.3负载VN的 、VN、WN输出波形进行谐波分析

相电压UN谐波分析

17

相电压VN谐波分析

相电压WN谐波分析

18

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。Wc>>Wr,所以SPWM波形中所含的主要谐波的频率要比基波频率高的多，是很容易滤除的。载波频率越高，SPWM波形谐波频率就越高，所需滤波器的体积越小。另外，一般的滤波器都有带宽，如按载波频率设计滤波器，载波附近的谐波也可滤除。

七 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较可行，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。让自己学到挺多认识更深，更了解Simulink。通过学习对CAD的认识更深，能够更好的运用仿真软件，以后可以更好的运用。很多以前的不懂的现在都明白，做完就很有成就感，经过这次的仿真更明白Simulink。对单相交流降压电路更了解。

八 参考文献

黄俊，王兆安 电力电子技术（第5版）北京：机械工业出版社，2010 张晓华 控制系统数字仿真与CAD(第3版) 北京：机械工业出版社 2010 刘卫国，MATLAB程序设计与应用，（第2版）北京：高等教育出版社，2006.

19