三相电压型SPWM课程设计报告.docx
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三相电压型SPWM课程设计报告
一、摘要
关键字:
三相桥电压型全控逆变SPWMSimulink
本次实验要紧为利用simulink中的块原件来构建电力电子中的一种大体逆变电路——三相逆变器双极性SPWM调制技术的仿真,PWM操纵技术在逆变电路中的应用十分普遍,目前中小功率的逆变电路几乎都采纳了PWM技术。
经常使用的PWM技术要紧包括:
正弦脉宽调制(SPWM)、选择谐波调制(SHEPWM)、电流滞环调制(CHPWM)和电压空间矢量调制(SVPWM)。
在逆变电路的设计进程中,需要对设计电路及有关参数选择是不是合理、成效好坏进行验证。
若是通过实验来验证,需要通过反复多次的元件安装、调试、从头设计等步骤,如此使得设计耗资大,效率低,周期长。
现代运算机仿真技术为电力电子电路的设计和分析提供了崭新的方式,能够使复杂的电力电子电路、系统的分析和设计变得加倍容易和有效。
Matlab是一种运算机仿真软件,它是以矩阵为基础的交互式程序计算语言。
Simulink是基于框图的仿真平台,它挂接在Matlab环境上,以Matlab的壮大计算功能为基础,用直观的模块框图进行仿真和计算。
其中的电力系统(Power
System)工具箱是专用于RLC电路、电力电子电路、电机传动操纵系统和电力系统仿真用的模型库。
以为设计平台,利用Simulink中的PowerSystem工具箱来搭建整流电路仿真模型,设置参数进行仿真。
二、SPWM操纵技术简介
SPWM(SinusoidalPWM)法是一种比较成熟的,目前利用较普遍的PWM法。
在采样操纵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,其成效大体相同。
a)矩形脉冲b)三角脉冲c)正弦半波脉冲d)单位脉冲函数
图1形状不同而冲量相同的各类窄脉冲
SPWM法确实是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律转变而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形操纵逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值那么可调剂逆变电路输出电压的频率和幅值。
1.PWM操纵的大体原理
用PWM波代替正弦半波将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲宽度为π
/N,但幅值顶部是曲线且大小按正弦规律转变的脉冲序列组成的。
把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而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份的中点重合,且使矩形脉冲和相应的正弦波部份面积(冲量)相等,这确实是PWM波形。
关于正弦波的负半周,也能够用一样的方式取得PWM波形。
脉冲的宽度按正弦规律转变而和正弦波等效的PWM波形,也称SPWM(SinusoidalPWM)波形。
PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种,由直流电源产生的PWM
图2用PWM波代替正弦半波
波一般是等幅PWM波。
基于等效面积原理,PWM波形还能够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。
逆变电路及理论基础
操纵方式
(1)若是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转变,所取得的SPWM波也只处于一个极性的范围内,叫做单极性操纵方式。
(2)若是在正弦调制波半个周期内,三角载波在正负极性之间持续转变,那么SPWM波也是在正负之间转变,叫做双极性操纵方式。
选用方式
本次课程设计要紧内容为三相逆变器双极性SPWM,因此选用双极性操纵方式,下面要紧介绍双极性操纵方式的原理及其方式。
图3双极性PWM操纵方式波形
双极性PWM操纵方式(三相桥逆变)
三相的PWM操纵公用三角波载波uc 三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120°
U相的操纵规律
当ur>uc时,给V1导通信号,给V4关断信号UN=Ud/2 当ur =-Ud/2当给V1(V4)加导通信号时,可能是V1(V4)导通,也可能是VD1(VD4)导通。 UN’、VN’和WN’的PWM波形只有±Ud/2两种电平 UV波形可UN’-VN’得出,当1和6通时,UV=Ud,当3和4通时,UV=-Ud,当1和3或4和6通时UV=0 输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平组成 负载相电压PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平组成。 图4三相电压型桥式逆变电路 实验中,要紧通过比较ur和uc的大小来产生触发脉冲,进而操纵IGBT的导通与关断,实现电压逆变的目的。 调制方式 载波频率fc与调制信号频率fr之比N=fc/fr称为载波比,依照载波和信号波是不是同步及载波比的转变情形,PWM调制方式可分为异步伐制和同步伐制两种。 异步伐制 载波信号和调制信号不维持同步的调制方式称为异步伐制。 ◆通常维持载波频率fc固定不变,因此当信号波频率fr转变时,载波比N是转变的。 ◆ 在信号波的半个周期内,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阻碍都较小,PWM波形接近正弦波。 ◆当fr增高时,N减小,一周期内的脉冲数减少,PWM脉冲不对称的阻碍就变大,输出PWM波和正弦波的不同变大,关于三相PWM型逆变电路来讲,三相输出的对称性也变差。 ◆在采纳异步伐制方式时,希望采纳较高的载波频率,以使在信号波频率较高时仍能维持较大的载波比。 同步伐制 ◆载波比N等于常数,并在变频时使载波和信号波维持同步的方式称为同步伐制。 ◆fr转变时载波比N不变,信号波一个周期内输出的脉冲数是固定的,脉冲相位也是固定的。 ◆在三相PWM逆变电路中,通常公用一个三角波载波,为了使三相输出波形严格对称和一相的PWM波正负半周镜对称,取N为3的整数倍且为奇数。 ◆当逆变电路输出频率很低时,同步伐制时的fc也很低,fc太低时由调制带来的谐波不易滤除,当负载为电动机时也会带来较大的转矩脉动和噪声;当逆变电路输出频率很高时,同步伐制时的fc会太高,使开关器件难以经受。 三、三相逆变器双极性SPWM操纵技术仿真设计 在认真学习明白得三相逆变双极性SPWM的原理及实现方式以后,此刻最要紧的任务确实是通过各类模块构建仿真图,模拟实验成效,深化明白得,明白实验用途。 SPWM触发脉冲调制电路 图5SPWM触发脉冲电路 如图5所示,SPWM触发脉冲电路由三个正弦波和三角波别离通过双极性PWM方式产生脉冲。 而事实上三个三角波是一模一样的,能够用一个代替;而三个正弦波除相位依次延后120o之外,幅值、频率等均相等。 本次实验运用异步伐制的方式。 主电路图 图6三相双极性SPWM主电路 三相逆变器双极性SPWM调制技术的仿真主电路如下图,其中subsystem1为图5所示的SPWM触发脉冲电路,对参数进行封装事后,在固定fc(正弦波频率)的值和三角波的幅值不变的情形下,可通过参数调剂使fr的值转变,抵达调剂载波比N(N=fc/fr)的目的;一样的道理,通过概念参数Ma(Ma=Ar/Ac),而实际操作时Ac的值为1,将Ma赋值给正弦波的Amplitude作为Ar,故Ma确实是调制度,可达到其调剂的目的。 四、实验调试心得 当各个模块依如实验原理连接完毕后,变可进行预备仿真。 第一要依如实际情形修改仿真时刻,不然仿真时刻太长同时致使波形过小,无益于查看,因为实验设置正弦波频率不变成,故将仿真时刻设置为,有四个周期,比较适合。 逆变主电路可直接运用系统提供的UniversalBridge模块,而没必要自己去构建,只是需要注意的给脉冲触发的顺序,为每一个桥臂给一组互补的脉冲。 实验进程中,由于已封装参数,故能够较为方便的调剂参数fr和Ma,找到最适合的波形。 图7参数封装内部示用意 图8参数调剂示用意 实验中另外碰到的一个问题即是步长设置。 开始时默许系统给的步长,频率较低时,系统能正常运行;但在三角波频率高于500Hz时,便会显现三角波失真的情形。 这时变需要修改系统默许的步长,改成1e-6即可,与以前常常碰到的该算法问题类似。 下面通过对照说明。 图9fc=600,步长调整前 图10fc=600,步长调剂后 五、不同参数时三相逆变器双极性SPWM操纵技术的仿真波形及频谱分析 对不同参数对应的SPWM触发脉冲及逆变电路输出波形为了便于观看,将整张输出,在最后以附图形式给出。 现要紧分析不同参数时的频谱图。 fc=500,Ma= SPWM触发脉冲附图一,三相电压型逆变电路要紧波形附图二 fc=750,Ma= SPWM触发脉冲附图三,三相电压型逆变电路要紧波形附图四 fc=1000,Ma= SPWM触发脉冲附图五,三相电压型逆变电路要紧波形附图六 频谱分析 不同参数下uUN’的频谱图 图11fc=500,Ma=时 图12fc=750,Ma= 图13fc=1000,Ma= 不同参数下uVN’的频谱图 图14fc=500,Ma= 图15fc=750,Ma= 图16fc=1000,Ma= 不同参数下uUV的频谱图 图17fc=500,Ma= 图18fc=750,Ma= 图19fc=1000,Ma= 不同参数下uUN的频谱图 图20fc=500,Ma= 图21fc=750,Ma= 图22fc=1000,Ma= 不同参数下uNN’的频谱图 图23fc=500,Ma= 图24fc=750,Ma= 图25fc=1000,Ma= 不同参数下iU的频谱图 图26fc=500,Ma= 图27fc=750,Ma= 图28fc=1000,Ma= 以上的频谱分析图均在Powergui内进行,Powergui的功能较为丰硕,直接双击打开后便有“FFT Analysis”。 它只能分析已保留在工作空间(Workspace)里,格式为带时刻的结构体的数据(即通过示波器保留数据至工作空间的数据),因此,改变输入量input即可取得不同输入量的品频谱分析图。 对需要频谱分析的对象,先将其连接到示波器,运行生成工作数据后,再打开Powergui FFT Analysis Tool,在其Input选项卡上即可选择需要分析的示波器上的输入对象。 将其它参数,如Fundamental frequency、Max frequency等,别离设为50Hz和2000Hz,点击“Display”即可输出频谱图。 通过对上述频谱图的分析可知,在三相对称电路中,由于负载的参数一样,故相电压UN ’、VN’二者谐波情形大体一样。 频谱分析情形大体一致; 相电压和线电压的THD值都较高,相电流的THD值较低。 THD为总谐波分量,其值越低,说明图形越接近正弦波形。 能够看出,其PWM波中不含有低次谐波,只含有角频率为Wc及其周围的谐波,和2Wc、3Wc等及其周围的谐波。 在上述谐波中,幅值最高阻碍最大的时角频率为Wc的谐波分量。 六、心得体会 通过本次课程设计,明白得并把握了SPWM的原理及实现方式,进一步明白得了三相桥式逆变电路的工作原理及应用。 面对实验中显现的问题,通过学习,能了解其显现的缘故及解决方式,对自己分析问题、解决问题的能力有专门大的提升。 实验中碰到的最大的问题即是在高频下三角波图形会显现失真的情形,进而显现某些周期内三角波与正弦波在本应有交点的地址却为相交,使图形没呈现出周期性,达不到准确操纵的目的。 后来通过试探,其实这和以前的修改算法问题类似,尽管系统没有提示错误,但从图形分析也一样能够取得答案,将系统的默许步长改成1e-5后在高频下便可不能失真。 在封装参数方面,本来是预备直接封装载波比N(N=fc/fr),设置fc和fr两个参数或固定fr=50,那么N=fc/50,一样的道理封装调制度Ma,但在封装参数的时候发觉其无法识别乘除法,故最终仍是分开封装了。 关于算法设置和角度的度与弧度之间的类似问题通过总结以前的体会,幸免犯这些低级错误。 通过这次实验,更好的熟悉了simulink的工作平台,增强了对SimPowerSystems相关模块的明白得,为往后更好的运用此软件打下了坚实的基础。 参考文献 [1]王兆安,刘进军.电力电子技术.5版.北京: 机械工业出 版设,2020. [2]郭世明.电力电子技术.2版.成都: 西南交通大学出版设, 2020. [3]刘凤君.现代整流技术及应用实例.北京: 电子工业出版 设,2020. [4]贾德利.IGBT逆变电源的设计与应用.哈尔滨: 机械工业 出版设,2020. [5]刘卫国.MATLAB程序设计与应用.2版.北京: 高等教育 出版设,2006. 附录 附图一SPWM触发脉冲(fc=500,Ma= 附图二三相电压型逆变电路要紧波形(fc=500,Ma= 附图三SPWM触发脉冲(fc=750,Ma= 附图四三相电压型逆变电路要紧波形(fc=750,Ma= 附图五SPWM触发脉冲(fc=1000,Ma= 附图六三相电压型逆变电路要紧波形(fc=1000,Ma=
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