三相电压型SPWM课程设计报告讲解

目录

一、 摘要........................................................................................... 2 二、SPWM控制技术简介 ................................................................ 3

2.1. PWM控制的基本原理 ........................................................ 3 2.2.SPWM逆变电路及理论基础 ............................................... 4 三、三相逆变器双极性SPWM控制技术仿真设计 ....................... 8

3.1 SPWM触发脉冲调制电路 ................................................... 8 3.2主电路图................................................................................ 9 四、实验调试心得........................................................................... 10 五、不同参数时三相逆变器双极性SPWM控制技术的仿真波形及频谱分析....................................................................................... 12

5.1 fc=500，Ma=0.9 .................................................................. 12 5.2频谱分析.............................................................................. 13 六、心得体会................................................................................... 23 参考文献........................................................................................... 24 附录................................................................................................... 25

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一、摘要

关键字：三相桥 电压型 全控 逆变 SPWM Simulink

本次实验主要为利用simulink中的块原件来构建电力电子中的一种基本逆变电路——三相逆变器双极性SPWM调制技术的仿真，PWM控制技术在逆变电路中的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM技术。常用的PWM技术主要包括：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）。

在逆变电路的设计过程中，需要对设计电路及有关参数选择是否合理、效果好坏进行验证。如果通过实验来验证， 需要经过反复多次的元件安装、调试、重新设计等步骤， 这样使得设计耗资大，效率低， 周期长。现代计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法， 可以使复杂的电力电子电路、系统的分析和设计变得更加容易和有效。

Matlab 是一种计算机仿真软件， 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 的强大计算功能为基础， 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、电机传动控制系统和电力系统仿真用的模型库。以Matlab7.0 为设计平台， 利用Simulink 中的Power System工具箱来搭建整流电路仿真模型，设置参数进行仿真。

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二、SPWM控制技术简介

SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM法。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。

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种窄脉冲

SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制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则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。

1.PWM控制的基本原理

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变化的脉冲序列组成的。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，这就是PWM波形。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM

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波形，也称SPWM（Sinusoidal PWM）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

波通常是等幅PWM波。基于等效面积原理，PWM波形还可以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。

2.SPWM逆变电路及理论基础 2.1控制方式

（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）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。

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2.2选用方法

本次课程设计主要内容为三相逆变器双极性SPWM，所以选用双极性控制方式，下面主要介绍双极性控制方式的原理及其方法。

u

图3 双极性PWM控制方式波形

O t u WN' u UN' U d 2 O U - d 2 u VN' O O t u rU u c u rV u rt t 双极性PWM控制方式（三相桥逆变）

三相的PWM控制公用三角波载波uc 三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120°

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U相的控制规律

当ur>uc时，给V1导通信号，给V4关断信号UN=Ud/2

当

ur图4 三相电压型桥式逆变电路

实验中，主要通过比较ur和uc的大小来产生触发脉冲，进而控制IGBT的导通与关断，实现电压逆变的目的。 2.3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，根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式可分为异步调制和同步调制两种。

2.3.1异步调制

载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。 ◆通常保持载波频率fc固定不变，因而当信号波频率

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fr变化时，载波比N是变化的。

◆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影响都较小，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脉冲不对称的影响就变大，输出PWM波和正弦波的差异变大，对于三相PWM型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差。

◆在采用异步调制方式时，希望采用较高的载波频率，以使在信号波频率较高时仍能保持较大的载波比。

2.3.2同步调制

◆载波比N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。

◆fr变化时载波比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，同步调制时的fc也很低，fc过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，同步调制时的fc会过高，使开关器件难以承受。

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三、三相逆变器双极性SPWM控制技术仿真设计

在认真学习理解三相逆变双极性SPWM的原理及实现方法之后，现在最主要的任务就是通过各类模块构建仿真图，模拟实验效果，深化理解，明白实验用途。

3.1 SPWM触发脉冲调制电路

图5 SPWM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分别通过双极性PWM方式产生脉冲。而实际上三个三角波是一模一样的，可以用一个代替；而三个正弦波除了相位依次延后120o之外，幅值、频率等均相等。

本次实验运用异步调制的方式。

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3.2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图所示，

其中subsystem1为图5所示的SPWM触发脉冲电路，对参数进行封装过后，在固定fc（正弦波频率）的值和三角波的幅值不变的情况下，可通过参数调节使fr的值变化，到达调节载波比N（N=fc/fr）的目的；同样的道理，通过定义参数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就是调制度，可达到其调节的目的。

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四、实验调试心得

当各个模块按照实验原理连接完毕后，变可进行准备仿真。首先要根据实际情况修改仿真时间，不然仿真时间过长同时导致波形过小，不利于查看，因为实验设置正弦波频率不变为0.02s，故将仿真时间设置为0.08s，有四个周期，比较合适。

逆变主电路可直接运用系统提供的Universal Bridge模块，而不必自己去构建，不过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。

实验过程中，由于已封装参数，故能够较为方便的调节参数fr和Ma，找到最合适的波形。

图7 参数封装内部示意图

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图8 参数调节示意图

实验中另外遇到的一个问题便是步长设置。开始时默认系统给的步长，频率较低时，系统能正常运行；但在三角波频率高于500Hz时，便会出现三角波失真的情况。这时变需要修改系统默认的步长，改为1e-6即可，与以前经常遇到的该算法问题类似。下面通过对比说明。

图9 fc=600，步长调整前

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图10 fc=600，步长调节后

五、不同参数时三相逆变器双极性SPWM控制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察，将整张输出，在最后以附图形式给出。现主要分析不同参数时的频谱图。

5.1 fc=500，Ma=0.9

SPWM触发脉冲附图一，三相电压型逆变电路主要波形附图二

fc=750, Ma=0.85

SPWM触发脉冲附图三，三相电压型逆变电路主要波形附图四

fc=1000,Ma=0.8

SPWM触发脉冲附图五，三相电压型逆变电路主要波形附图六

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5.2频谱分析

5.2.1 不同参数下uUN’的频谱图

图11 fc=500，Ma=0.9时

图12 fc=750, Ma=0.85

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图13fc=1000,Ma=0.8

5.2.2 不同参数下uVN’的频谱图

图14 fc=500，Ma=0.9

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图15 fc=750, Ma=0.85

图16 fc=1000,Ma=0.8

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5.2.3不同参数下uUV的频谱图

图17 fc=500，Ma=0.9

图18 fc=750, Ma=0.85

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图19 fc=1000,Ma=0.8

5.2.4 不同参数下uUN的频谱图

图20 fc=500，Ma=0.9

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图21 fc=750, Ma=0.85

图22 fc=1000,Ma=0.8

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5.2.5不同参数下uNN’的频谱图

Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles500-5000.010.020.03Time (s)0.040.050.06x 1076Mag (% of Fundamental)4Fundamental (50Hz) = 0.1207 , THD= 75216.18%54321002004006008001000Frequency (Hz)12001400160018002000 图23 fc=500，Ma=0.9

FFT window: 1 of 3 cycles of selected signal

500-5000.0020.0040.0060.0080.01Time (s)0.0120.0140.0160.018x 104Fundamental (50Hz) = 0.2411 , THD= 35903.85%3Mag (% of Fundamental)2.521.510.5002004006008001000Frequency (Hz)12001400160018002000

图24 fc=750 ,Ma=0.85

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FFT window: 1 of 3 cycles of selected signal500-5000.0020.0040.0060.0080.01Time (s)0.0120.0140.0160.018x 101412Mag (% of Fundamental)4Fundamental (50Hz) = 0.05332 , THD= 154398.81%108642002004006008001000Frequency (Hz)12001400160018002000图25 fc=1000,Ma=0.8

5.2.6不同参数下iU的频谱图

图26 fc=500，Ma=0.9

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图27 fc=750, Ma=0.85

图28 fc=1000,Ma=0.8

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以上的频谱分析图均在Powergui内进行，Powergui的功能较为丰富，直接双击打开后便有“FFT Analysis”。它只能分析已保存在工作空间(Workspace)里，格式为带时间的结构体的数据（即通过示波器保存数据至工作空间的数据），所以，改变输入量input即可得到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，分别设为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’二者谐波情况基本一样。频谱分析情况基本一致； 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。

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。

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六、心得体会

通过本次课程设计，理解并掌握了SPWM的原理及实现方法，进一步理解了三相桥式逆变电路的工作原理及应用。

面对实验中出现的问题，通过学习，能了解其出现的原因及解决方法，对自己分析问题、解决问题的能力有很大的提升。

实验中遇到的最大的问题便是在高频下三角波图形会出现失真的情况，进而出现某些周期内三角波与正弦波在本应有交点的地方却为相交，使图形没呈现出周期性，达不到准确控制的目的。后来通过思考，其实这和以前的修改算法问题类似，虽然系统没有提示错误，但从图形分析也同样可以得到答案，将系统的默认步长改为1e-5后在高频下便不会失真。

在封装参数方面，本来是准备直接封装载波比N（N = fc /fr），设置fc和fr两个参数或固定fr=50，则N=fc/50，同样的道理封装调制度Ma，但在封装参数的时候发现其无法识别乘除法，故最终还是分开封装了。

对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经验，避免犯这些低级错误。

通过这次实验，更好的熟悉了simulink的工作平台，加强了对SimPowerSystems相关模块的理解，为日后更好的运用此软件打下了坚实的基础。

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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，2009.

[2] 郭世明. 电力电子技术.2版.成都：西南交通大学出版设， 2009.

[3] 刘凤君. 现代整流技术及应用实例.北京：电子工业出版 设，2009.

[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，2009.

[5] 刘卫国. MATLAB程序设计与应用.2版.北京：高等教育 出版设，2006.

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附录

附图一 SPWM触发脉冲(fc=500,Ma=0.9)

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附图二 三相电压型逆变电路主要波形(fc=500,Ma=0.9)

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附图三 SPWM触发脉冲(fc=750,Ma=0.85)

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附图四 三相电压型逆变电路主要波形(fc=750,Ma=0.85)

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附图五 SPWM触发脉冲(fc=1000,Ma=0.9)

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附图六 三相电压型逆变电路主要波形(fc=1000,Ma=0.9)

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