SPWM变频器-Matlab仿真

2011-2012学年第二学期工作室项目研究报告研究题目：SPWM变频器Matlab仿真班级：姓名：指导教师：2012年6月10日1、前言随着现代电力电子技术的发展，变频器输出电压靠调节直流电压幅度(PAM)的控制方式已让位于输出电压调宽不调幅（PWM）的控制方式。所谓脉宽调制（PulseWidthModulation—PWM）技术是指利用全控型电力电子器件的导通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，实现变压、变频控制并且消除谐波的技术。1946年，德国的A.Schonung等人率先提出了脉宽调制变频的思想，他们把通信系统中的调制技术推广应用于变频调速中，为现代交流调速技术的发展和实用化开辟了新的道路。40多年来，PWM控制技术经历了一个不断创新和不断完善的过程。目前，实际工程中主要采用的PWM技术是正弦PWM（SPWM），这是因为变频器输出的电压或电流波形更接近于正弦波形。SPWM方案多种多样，归纳起来可分为电压SPWM、电流SPWM和磁通SPWM等三种基本类型，其中电压SPWM和电流SPWM是从电源角度出发的SPWM，磁通SPWM是从电机角度出发的SPWM方法。SPWM变频器的主要特点是：1、主电路只有一个可控的功率环节，开关元件少，控制线路结构得以简化；2、整流侧使用了不可空整流器，电网功率因数于逆变器输出电压无关，基本上接近于1；3、VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）在同一环节实现,与中间储能元件无关，变频器的动态响应加快；4、通过对SPWM控制方式的控制，能有效地抑制或消除低次谐波。本文是在熟悉SPWM变频器工作原理的基础上，通过在MATLAB仿真环境下，运用SIMULINK电力系统工具箱的各种元件模型建立SPWM变频器电路的仿真模型，并对其进行测试分析。可视化图形仿真功能是在Simulink环境下进行的。进入Matlab系统后打开模块库浏览窗口，用鼠标左键双击其中的PowerSystemBlocks即可弹出电力系统工具箱模块库，它包括连接元件库(Connectors)，电源库(ElectricalSources)，基本元件库(Elements)，其它元件库(ExtraLibrary)，电机元件库(Machines)，测量元件库(Lvbasurements)和电力电子元件库(PowerElectronics)。这些模块库包含了大多数常用电力系统元件的模块。利用这些库模块及其它库模块，用户可方便、直观地建立各种系统模型。2﹑SPWM变频器的工作原理1、电压脉宽调制原理电压正弦脉宽调制法的基本思想是用与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形来等效正弦波，具体是把一个正弦半波分作n等分，然后把每一等分正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与之面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。这样，由n个等幅不等宽的矩型脉冲所组成的波形就与正弦波的半周波形等效，称作SPWM波形。原始的脉宽调制方法是利用正弦波作为基准的调制波，受它调制的信号称为载波，在SPWM中常用等腰三角形当做载波。当调制波与载波相交时，有它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻。具体的做法是，当U相的调制波电压ur高于载波电压ut时，使相应的开关器件IGBT1导通，输出正的脉冲电压，当ur低于ut时使IGBT1关断，输出电压为零。在ur的负半周中，可用类似的方法控制下桥臂的IGBT4，输出负的脉冲电压序列。改变调制波的频率时，输出电压基波的频率也随之改变；降低调制波的幅值时，输出各段电压脉冲的宽度都变窄，从而使输出电压基波的幅值也相应减小。2、SPWM变频器主电路原理图图1中，由于SPWM输出脉冲幅值相等，所以变频器中逆变部分可由恒定的直流电源供电，故交-直-交变频器中的整流器可采用不可控的二极管整流器即可。在逆变部分，IGBT1—IGBT6是逆变器的六个全空型功率开关器件，他们各有一个续流二极管反并联连接。图1变频器工作时IGBT触发的顺序是IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6。总工作方式如同第一桥臂的IGBT1、IGBT4。3、控制电路SPWM脉冲发生原理图图23﹑仿真模型的建立1、建立仿真模型在MATLAB-Simulink环境下建立一个Model文件，按照SPWM变频器电路的原理图从电力系统模型（SimPowerSysterms）中选取所需的元器件放到Model平台上，并将各原件用导线接起来，组成仿真电路模型，如图3所示：图3SPWM变频器仿真模型系统电路2、模型参数设置1）三相电源。对称正弦交流电，幅值为220V，频率为50Hz，Ua,Ub,Uc初始相位分别为0°，-120°，-240°。2）IGBT,电压测量，与实时数字显示等均采用默认设置。3）SPWM脉冲发生器调制波频率fr=1Hz，载波频率ft、幅值比设定多组。4）三项测量模块V-IMeasurement。电压测量设置为phase-to-phase，即线电压。5）三相负载模块：R=50Ω,L=0H。6）仿真参数设置。仿真周期为5秒。数值算法采用ode23tb，其它采用默认参数。4﹑仿真结果分析为了是通过软件得到正确的输出准确的电压平均值，设定SPWM脉冲发生器的调制波频率fr为1Hz，故周期为1s,在MATLAB调试时设定仿真周期为1的整数倍，即可得到准确的电压平均值。通过改变载波频率ft和调制波幅值与载波幅值之比M，得到如下仿真结果：1、当ft=10，M=0.1时，三相电压输出波形如图4、线电压UV波形如图5图4ft=10，M=0.1三相电压输出波形Ua、b、c=218.6V图5ft=10，M=0.1UV电压波形电压UV=158.2V2、当ft=20，M=0.1时，三相输出波形如图6、线电压UV波形如图7图6ft=20，M=0.1三相电压输出波形Ua、b、c=218.8V图7ft=20，M=0.1UV电压波形电压UV=111.7V3、当ft=10，M=0.5时，三相输出波形如图8、线电压UV波形如图9图8ft=10，M=0.5三相电压输出波形Ua、b、c=218.7V图9ft=10，M=0.5UV电压波形电压UV=359.2V4、当ft=20，M=0.5时，三相输出波形如图10、线电压UV波形如图11图10ft=20，M=0.5三相电压输出波形Ua、b、c=218.7V图11ft=20，M=0.5UV电压波形电压UV=251.7.2V5、当ft=10，M=0.6时，三相输出波形如图12、线电压UV波形如图13图12ft=10，M=0.6三相电压输出波形Ua、b、c=218.7V图13ft=10，M=0.6UV电压波形电压UV=394.7V6、当ft=20，M=0.6时，三相输出波形如图14、线电压UV波形如图15图14ft=20，M=0.6三相电压输出波形Ua、b、c=218.6V图15ft=20，M=0.6UV电压波形电压UV=276.2V7、当ft=10，M=0.9时，三相输出波形如图16、线电压UV波形如图17图16ft=10，M=0.9三相电压输出波形Ua、b、c=218.6V图17ft=10，M=0.9UV电压波形电压UV=437.3V8、当ft=20，M=0.9时，三相输出波形如图18、线电压UV波形如图19图18ft=20，M=0.9三相电压输出波形Ua、b、c=218.7V图19ft=20，M=0.9UV电压波形电压UV=380Vfr=1Hzft（Hz）MUa、b、c(V)线电压UV(V)100.1218.6158.20.5218.7359.20.6218.7394.70.9218.6437.3200.1218.8111.70.5218.7251.70.6218.6276.20.9218.7380分析：1、当SPWM脉冲发生器的载波频率ft与调制波频率fr之比N越大时，输出电压波形的宽度越窄，输出电压平均值越小。2、当SPWM脉冲发生器的调制波波幅与载波波幅值之比M越大时，输出电压波形的宽度越宽，输出电压平均值越大。5、结论通过对PWM控制技术的分析以及对SPWM变频器工作原理的研究，充分的理解了面积等效原理、不空器件三相整流器工作原理和三相逆变器工作原理。并应用Matlab软件，做出相应的仿真电路并进行对比试验，验证了SPWM变频器的工作特性与工作原理。6、心得体会通过完成本次电力电子课题仿真任务，我理解了SPWM变频器的工作原理。通过再次应用MATLAB软件。我对Matlab软件的应用有了进一步的掌握。并知道了一个理解电力电子工作原理的方法，受益匪浅。在完成本次仿真任务中，遇到很多困难。在领到此任务时，课程进度还没有进行到此，并在所学课本上不像其他同学的仿真任务那样，有详细的工作原理，有明确的工作电路，有正确的仿真结果，和最重要的老师的讲解。我只好查阅资料，自行设计。当完成主电路原理图设计时，才发现最大的困难是不知如何设计SPWM脉冲触发电路，通过几天的设计，验证，还是没能得出正确的原理图，最后放弃了并请教老师，结果是仿真软件里有所需的SPWM脉冲发生器模块。至此我才发现自己是多么的不细心，不仅耽误了时间，还浪费了精力。此问题解决后，连接主电路与控制电路，按号连接相应的脉冲接口与IGBT控制端，结果未能得到正确波形。通过改变参数也未能达到目的。最后一步一步分析波形得知1、2脉冲应接第一桥臂，3、4脉冲应接第二桥臂，5、6脉冲应接第三桥臂，并且1、3、5脉冲整定为正波形，2、4、6脉冲整定为负波形。进而设定参数，得出波形，完成实验。7、参考文献1、林辉，王辉：电力电子技术【M】(武汉：武汉理工大学出版社，20022、周渊深，电力电子技术与MATLAB仿真【M】（北京：中国电力出版社2005）