电压型三相SPWM逆变器建模和仿真研究

***学院本科毕业设计（论文）作者姓名指导教师学科门类工学二〇一三年五月所学专业电气工程及其自动化题目（中、英文）电压型三相SPWM逆变器建模和仿真研究代号分类号学号密级公开提交论文日期成绩评定Voltage-sourceSPWMInverterModelingandSimulationofThree-phase**学院2013届本科毕业毕业论文（设计）I摘要电压型三相逆变器就是供给逆变器的交流电源是三相电电源，SPWM正弦脉宽调制法这项技术的特点是原理简单，通用性强，具有开关频率固定，控制和调节性能好，使输出电压只含有固定频率的高次谐波分量，并能够消除谐波，且设计简单等一系列的优点，SPWM正弦脉宽调制法是一种比较好的波形改善的方法。SPWM正弦脉宽调制法的出现为中型和小型逆变器的快速发展起到了一个重要的推动作用。伴随着电力电子技术的高速发展，电压型三相SPWM逆变器已被广泛应用在各个领域之中，并且SPWM技术已经成为目前应用最为广泛的逆变用PWM技术。通过电压型三相SPWM逆变器建模和仿真研究这项课题，能够加强自己对电压型三相SPWM逆变器控制原理和建模进行深入理解，并提高自己在三相电压逆变方面的计算机仿真能力，为今后自己从事交流电机控制与电源逆变相关工作打下良好的基础。关键词：电压型；频率；SPWM；逆变器电压型三相SPWM逆变器建模和仿真研究IIAbstractTheACpowersupplyvoltagethree-phaseinverterissuppliedtotheinverteristhree-phaseelectricpowersupply,thetechnologyofSPWMsinepulsewidthmodulationmethodissimpleinprinciple,strongversatility,withfixedswitchingfrequency,controlandregulationperformance,sothattheoutputvoltageharmoniccomponentcontainsonlythefixedfrequency,andcaneliminatetheharmonic,andhastheadvantagesofsimpledesignaseriesof,SPWMsinepulsewidthmodulationmethodisagoodwaveformimprovement.SPWMsinepulsewidthmodulationmethodfortherapiddevelopmentofmediumandsmallinverterplaysanimportantroleinpromoting.Alongwiththerapiddevelopmentofpowerelectronictechnology,three-phasevoltage-sourceSPWMinverterhasbeenwidelyusedinvariousfields,andtheSPWMtechnologyhasbecomethemostwidelyusedPWMtechnologyofinverter.ThroughresearchonModelingandSimulationofthree-phasevoltage-sourceSPWMinverterthissubject,itcanmakemehaveastrengthtovoltagethree-phaseSPWMinvertercontrolprincipleandmodelingamoredepthunderstanding,anditcanimprovemyselfinthethree-phasevoltageinverteraspectsofcomputersimulationability,whichcanmakemehaveagoodfoundationofengagedinACmotorcontrolandpowerinverterrelatedwork.Keywords:Voltagetype;frequencySPWM;Inverter**学院2013届本科毕业毕业论文（设计）III目录摘要.......................................................................IAbstract...................................................................II目录.....................................................................III1引言......................................................................12电压型三相SPWM逆变器的工作原理及控制方法.................................12.1三相电压型逆变器电路..................................................12.2SPWM控制的基本原理...................................................42.3电压型三相SPWM逆变器的实现及控制.....................................63电压型三相SPWM逆变器的建模与仿真.........................................83.1Simulink软件的介绍...................................................83.2电压型三相SPWM逆变器的建模和仿真.....................................94总结.....................................................................16参考文献...................................................................17谢辞......................................................................18**学院2013届本科毕业毕业论文（设计）11引言近年来，随着大功率全控型电力电子器件的研究与开发成功和应用技术的不断成熟，电能变换技术得到了突破性的进展，在一些领域中，已经开始使用各种新型逆变器电源，其中，也包括电动机。但是因为逆变器电源之类大功率电力电子装置的结构复杂，如果直接对大功率电力电子装置进行试验，不但花费高，且费时耗力，因此对它们的研制过程中，需要借助计算机仿真技术对其机理与特性、控制方法的有效进行验证，来预测并解决潜在的问题，同时缩短了研制时间和研究所花的费用。SPWM正弦脉宽调制法这项技术的特点是原理简单，通用性强，具有开关频率固定，控制和调节性能好，使输出电压只含有固定频率的高次谐波分量，并能够消除谐波，且设计简单等一系列的优点，SPWM正弦脉宽调制法是一种比较好的波形改善的方法。SPWM正弦脉宽调制法的出现为中型和小型逆变器的快速发展起到了一个重要的推动作用。伴随着电力电子技术的高速发展，电压型三相SPWM逆变器已被广泛应用在各个领域之中，并且SPWM技术已经成为目前应用最为广泛的逆变用PWM技术[3]。模拟控制和数字控制是根据生成SPWM波形的实现方式划分的两种形式，传统的模拟控制方式在逆变器中的控制性能优良，技术成熟，应用非常广泛，但是模拟控制方式也存在着许多的缺陷，例如：设计周期长，不易管理维护，元件众多等缺点。随着数字信号处理技术的飞速发展，电力电子与电力传动控制领域中以成功的应用了数字控制技术，逆变器的数字控制逐渐成为人们研究热点课题。MATLAB软件具有强大的数值计算功能，电压型三相SPWM逆变器建模和仿真研究是利用MATLAB软件中的SIMULINK建立一个三相电压型SPWM逆变器系统的仿真模型，并对其输出特性进行仿真分析2电压型三相SPWM器的工作原理及控制方法2.1三相电压型逆变电路电力电子器件的各种交流装置可以对不同形式的电能（交流与直流之间）进行变换，主要有AC-DC、AC-AC、DC-AC和DC-DC变换装置，因为它们都工作在开关状态，因此可以进行高效率的能量变换。电压型三相SPWM逆变器建模和仿真研究2其中直-交逆变器根据中间直流环节储能器件的不同可分为：电容器储能的电压型逆变器和电感器储能的电流型逆变器。我们通过三个单项逆变电路可以组合一个三相逆变电路，但在三相逆变电路中，应用最为广泛的还是三相桥式逆变电路，采用IGBT作为开关器件的三相电压型逆变器的主电路图如图2-1所示，可以看成由三个半桥逆变电路组成。图2-1三相电压型逆变器的主电路结构两种工作模式在图2-1给出的三相电压型逆变器中，每一相都有上下两个桥臂，每一个桥臂采用一支主管V和一支续流二极管VD反并联构成。该电压型逆变器有两种工作方式。一种是0120导通方式，在任何时候都只有不同相的两支主管导通。同一相的两支主管在一个周期内各导通0120，它们之间切换时分别有060的间隙时间。当某相没有主管导通时，该相感性电流经该相的续流二极管流通。一个周期内的各主管工作模式按照2-2所示的顺序循环工作。可以看出每次的换相都是在上面3个桥臂内部或下面3个桥臂内部（按照UVW顺序）依次进行，因此称为横向换相。在0120导通方式下，由于同一桥臂中上下两主管有060的间隙，所以不存在同一相上下直流短路的问题，对换流安全有利。但是该电路在实际应用中，需要注意在换流瞬间要防止电感性负载电流中断引起过大的尖峰电压危及主管。由于该电路主管利用率较低，所以一般情况下电压型逆变器不采用这种工作方式。**学院2013届本科毕业毕业论文（设计）3图2-20120导通型运行方式电压型逆变器的另一种工作方式是0180导通方式，任何时刻都有不同相的三支主管导通。同一相上下两个桥臂的主管交替导通，各自导通半个周期0180。一个周期内各个主管的运行方式按照图2-3所示的顺序循环工作。可以看出它的换向是纵向换相，因为每次换相都是在同一相上下两个桥臂之间进行的。要采取“先断后通”的方法来防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源的短路。也就是先给应关断的器件以关断信号，待其关断后留出一定的时间裕量，之后再给应该导通的器件发出开通信号，也就是说，在同一相的上下两个桥臂的开关之间留下短暂的死区时间，所留的死区时间的长短是由开关器件的开关速度决定的，器件的开关速度越快的话，所留的死区时间就会越短,这种“先断后通”的方法对在上下桥臂通断互补方式下工作的其他电路也是可以应用的[2]。图2-30180导通型运行方式电压型逆变器在一般情况下都会采用0180导通型的控制方法。在简单的三相逆变电路中，如果上桥臂导通下桥臂关断，那么逆变器输出高电平；如果下桥臂导通上桥臂关断，那么逆变器输出低电平。这种情况下逆变器的输出电压为100=010001UNUVNVdWWNUSUSUSU（2-1）US、VS、WS分别是三相逆变器的开关函数，以US为例，US=1，表示逆变桥U桥臂上开关闭合，下开关断开；而当US=0时，则正相反，下开关闭合，上开关断开。上面式（2-1）的相电压选择了逆变器负母线为参考电位，如果相电压参考电位选择为负载的中性点，N的电位为+3NNUNWNVNUUUU，那么相电压123234345456561612VVVVVVVVVVVVVVVVVV电压型三相SPWM逆变器建模和仿真研究4数学