三相電壓型逆變器的仿真設計

1、1 引言1.1 課題由來和探究的意義在近幾十年的發(fā)展中，逆變電路的應用變的越來越廣泛。但是現(xiàn)實中如蓄電池、太陽能電池等都是直流電，而在工廠、家庭、交通等領(lǐng)域所用的電中交流電占據(jù)了很大的比例，為了能夠給這些負載提供所需電源，就需要使用逆變電路1。隨著電力電子學以及微電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新，相對于傳統(tǒng)的電壓型逆變電路，采用了脈沖調(diào)制技術(shù)不僅可以把直流變成交流，同時還能夠進行調(diào)壓、調(diào)頻。作為一個不斷創(chuàng)新的革命力量，憑借著可靠性、成本性能和高效節(jié)能等優(yōu)勢，逆變電路擁有廣闊的市場和發(fā)展前景2?？梢哉f正是由于逆變電路的不斷發(fā)展，脈沖寬度調(diào)制技術(shù)才有了長足的發(fā)展，并在電力電子技術(shù)領(lǐng)域中取得了至關(guān)重要的地位。又由

2、于大功率電子設備結(jié)構(gòu)比較復雜，如果直接對裝置進行逆變實驗，費用是相當昂貴而且很費時間，因此在發(fā)展的過程中，我們需要利用計算機仿真技術(shù)，對設備的運行機制和特點進行有效性的試驗，以達到預測問題并解決問題的同時縮短研制時間的目的。而Matlab軟件擁有強大的數(shù)值計算功能以及直觀的Simulink仿真平臺，使得復雜電力電子裝置在建模仿真方面成為可能。1.2 研究方法和內(nèi)容本課題將針對現(xiàn)今社會對逆變式電源的需求，按照設計思路對逆變過程進行剖析，然后利用Matlab仿真軟件對逆變系統(tǒng)進行了設計、建模、 Matlab 的仿真與諧波分析等。在此之前還會對設計過程所需要的原理進行一定的分析，以及對所要用的元器件

3、的也會簡要介紹一下。1.3 本章小結(jié)本次設計根據(jù)選題表中的要求，對系統(tǒng)和最終成果進行大體的描述。闡述了本課題的由來與研究意義以及所要實現(xiàn)的目的和要求。2 SPWM逆變器原理與分析2.1 SPWM原理在逆變電力系統(tǒng)中尤其是在中、小型的逆變電力系統(tǒng)中，PWM調(diào)制技術(shù)的使用是非常廣泛的。然所謂的PWM控制技術(shù)就是脈寬調(diào)制控制技術(shù)，其原理就是利用全控型電力電子器件(本課題選用的是IGBT)的通斷，把直流電壓逆變成具有一定形狀的能夠滿足輸出需求的電壓脈沖序列，從而在慣性電路中實現(xiàn)輸出電壓的變壓、變頻控制的目的，同時還會在一定程度上消除諧波，這種技術(shù)簡稱為PWM控制技術(shù)。其中面積等效原則是脈沖控制技術(shù)最為

4、基本的理論依據(jù)。當沖量相等但是形狀卻不相同的窄脈沖如果加在了相同且具有慣性環(huán)節(jié)的電路上時，其效果即輸出波形基本相似。其中沖量是指窄脈沖的面積。如若用傅立葉變換對各沖量所對應的輸出波形進行相關(guān)分析，我們會發(fā)現(xiàn)它們是非常的接近，僅僅在高頻段有略微的差異。所謂的SPWM僅僅是在脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的基礎上以正弦波作為調(diào)制波，從而在經(jīng)過適當?shù)臑V波之后便能夠得到類似于正弦波的輸出波形。其中用來控制開關(guān)通斷的正弦矩形脈沖波時往往使用的是正弦波與三角波相交的方式，以此來確定每個矩形脈沖的寬度。一般我們會使用等腰三角波作為載波，這是因為在等腰三角波上的任意一個點的水平寬度是與其所對應的高度成線性相關(guān)的，并且能保證

5、波形的左右對稱。當它與任意一個幅值變化不是很大的調(diào)制波相交時，在交叉口開關(guān)電路對其進行導通和關(guān)斷，所得到的脈沖寬度與信號的振幅是成正比例關(guān)系的，這種方法稱為自然采樣法3。如果使用正弦波進行調(diào)制時，其所輸出的波也就是SPWM波了。如果改變調(diào)制信號波的頻率或者幅值其電路中所要輸出電壓的頻率或者幅值也會發(fā)生相應的改變。2.2 SPWM逆變電路控制方法目前電源電壓型SPWM逆變器使用是最廣泛的，脈沖寬度的控制方法也很多，但主要的有計算方法和調(diào)制方法兩種，但計算法在計算過程相當復雜，當所要輸出的電壓波的頻率、幅值或者相位只要有一個因素發(fā)生了變化時，其計算結(jié)果就會都相應發(fā)生改變。而調(diào)制法就很好的克服了這個

6、缺點，并且還擁有設計簡單等無可比擬的優(yōu)勢。因此，現(xiàn)今調(diào)制法應用的最為廣泛。在調(diào)制方法中，一個周期內(nèi)的載波與正弦波會相交兩次，在交點處控制電路會控制逆變系統(tǒng)中與之相應開關(guān)元件各通斷一次。而為了精確的輸出SPWM波，就必須計算出這兩個交匯點的確切時間。當正弦波大于載波時開關(guān)導通，其脈沖寬度則為開關(guān)元件的導通時間，相對應的，關(guān)斷時間則稱為脈沖間隙。當載波的頻率和幅值發(fā)生變化時，脈沖寬度和脈沖間隙時間也會相應的發(fā)生變化。如果使用計算機的話，當處理好調(diào)制算法之后，時間的控制再由定時軟件來完成時就會變得很方便，一般的調(diào)制方法往往采取自然采樣法或者規(guī)則采樣法。自然采樣法是最為基本的一種采樣方法，所得到的波也

7、是非常接近正弦波的，但是在其求解的過程中，依然要解決復雜的超越方程，這在采用微機控制時需要花費很多的計算時間，因此在工程中應用的不是很廣泛。而規(guī)則采樣法是一種比較容易實現(xiàn)并很實用的一種方法，其方法與自然采樣法相似，但計算量卻大大的減少了。與自然采樣法不同之處就是規(guī)則采樣法的每一個脈沖的中點都被要求與相應的三角波的中點相對稱。而對于三相橋式逆變器電路來說，就應該要形成三相的SPWM波形，一般來說三相的三角波載波是同一個載波，只是其相位依次相差120。在PWM調(diào)制電路中，載波為接受調(diào)制的信號波，設其頻率為fc，而把想要得到的輸出波形視為調(diào)制信號，設其頻率為fr，兩者之比稱為載波比，用N來表示。在P

8、WM調(diào)制方式中，往往跟據(jù)載波比N的數(shù)值是否不變即載波與調(diào)制信號波同步與否，我們將其分為異步調(diào)制和同步調(diào)制兩種。2.2.1 同步調(diào)制同步調(diào)節(jié)fr和fc，但是載波比N始終為一個常數(shù)，即為同步調(diào)制。采用同步調(diào)制有很多優(yōu)點，其中不但可以保證在輸出的電壓半個周期內(nèi)的矩形脈沖個數(shù)是固定不變的，還可以保證每個周期內(nèi)信號波輸出的脈沖個數(shù)以及脈沖相位也基本不發(fā)生改變。在三相PWM逆變系統(tǒng)中，人們通常只會采用一個載波，此時我們一般會取數(shù)值為3的整數(shù)倍作為三相PWM逆變系統(tǒng)的載波比，目的是為了保證三相PWM逆變器輸出的波形是三相對稱的。如果載波比為奇數(shù)時，則經(jīng)過同步調(diào)制后，系統(tǒng)輸出的波形的正半波與負半波將會始終保持

9、對稱，且使輸出的三相波形之間保持120的對稱關(guān)系。但是當調(diào)制信號為低頻率時，相鄰的兩個脈沖之間的間距就會變大，諧波相應的也會變大。若逆變器輸出頻率很高時，相應的載波頻率又會變得過高，開關(guān)器件就會無法正常工作，從而無法得到所要輸出的波形。2.2.2 異步調(diào)制如果采用異步調(diào)制方式就可以彌補同步調(diào)制的不足之處。與同步調(diào)制相反，在異步調(diào)制中，在變頻系統(tǒng)的變頻范圍內(nèi)，載波和調(diào)制信號相異步。一般在調(diào)節(jié)調(diào)制波頻率fr時我們會保持載波頻率fc為一個常數(shù)，這樣在低頻段時就會提高載波比。從而在輸出電壓半個周期波內(nèi)，脈沖個數(shù)隨著調(diào)制信號的降低反而有所增加，相應地還會減少負載轉(zhuǎn)矩的脈動及噪音，有利于改善系統(tǒng)的工作性能

10、。但異步調(diào)制方式在低頻工作時，卻失去了同步調(diào)制的優(yōu)點。當調(diào)制信號頻率變大時，即載波比N反而變小，半個周期內(nèi)的脈沖個數(shù)就會減少，這樣SPWM脈沖反而會更加不對稱，這時信號波的一個很小的變化都會引起SPWM脈沖的波動，使得輸出的SPWM波與想要輸出的正弦波相差甚遠。如果是三相SPWM型逆變器，三相輸出的波形對稱性也會變的更糟，因此異步調(diào)制方式一般都工作在較高的載波頻率段中。2.3 單相電壓型SPWM逆變器原理分析主電路為單相全橋逆變電路如圖2.1所示。它有四個橋臂，我們把橋臂T1和橋臂T4視為一對，剩下的橋臂T2和T3視為一對，每一對上的兩個橋臂同時導通或者同時關(guān)斷，不為一對的橋臂是相互交替導通的

11、，其導通寬度為180。其輸出的電壓與電流波形圖如圖2.2所示。當負載如果為阻感性負載時，我們可以使用移相調(diào)壓的方式來改變所希望輸出電壓的幅值。單相全橋逆變電路如圖2.1所示。絕緣柵雙極型晶體管的觸發(fā)信號仍然是180正偏、180反偏。T1與T2的柵極交替觸發(fā)，但是T3的基極觸發(fā)信號比T1落后。也就是說T3、T4的柵極信號與T2、T1的柵極觸發(fā)信號相位是不同的，T3或者T4導通時，T2或者T1的導通時間向前移動了180-。這樣輸出的電壓的正負脈沖寬度變?yōu)?。只要改變便可以改變輸出的電壓?shù)值。在純電阻的負載時，這種移相調(diào)壓方式依然適用4。圖2.1 逆變器主電路 圖2.2 輸出波形單相電壓型逆變電路的特

12、點是：(1) 直流側(cè)為電壓源或大電容，這樣直流側(cè)電壓基本上就沒有波動。(2) 輸出電壓為等幅但不等寬的矩形波，負載的阻抗大小決定輸出的電流值。(3) 當負載為阻性或感性時需提供無用功。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功功率提供通道，逆變橋各橋臂應并聯(lián)反饋二極管。在Simulink的元件模塊中IGBT各有一個續(xù)流二極管反向與之并聯(lián)。在主電路后加了一個濾波電路，其目的是用于濾除高次諧波，消除諧波對輸出電壓波形、幅值的影響5。2.4 三相SPWM逆變器的原理分析作為應用最為廣泛的三相逆變電路。三相SPWM橋式逆變電路一般可以認作為是由三個單相的逆變電路所組成如圖2.3所示。圖2.3 三相電壓型橋式逆變電

13、路三相電壓型橋式逆變電路一般采用180導通的工作方式，即同一相上的兩個橋臂的導通寬度都為180，同一相位的兩個橋臂為交替導通，非同一相的橋臂導通的角度相互依次相差120，這樣在不管何時都將會有三個橋臂同時導通。三個橋臂的導通情況比較復雜，有可能是上面一個橋臂與下面兩個橋臂同時導通，也有可能是上面兩個橋臂與下面一個橋臂同時導通。由于都是在同一相的上下兩個橋臂之間進行換流的，因此有時也被稱為縱向換流。在三相橋式逆變電路中，各晶閘管的導通次序是T1、T2、T3、T4、T5、T6、T1每個橋臂依次相距60觸發(fā)導通。根據(jù)橋臂的導通時間，我們將三相橋式逆變系統(tǒng)分為180和120兩種導通型。當逆變電路為18

14、0導通型時，在任意時間點都將有三個橋臂同時導通，導通時間寬度為180，同一相的兩個橋臂是相互交替導通的。而在120導通型逆變電路中，橋臂導通時間變?yōu)?20，且每個瞬間只有兩個不同相的橋臂導通，同一相上的上下兩個橋臂不再是互補導通，而是之間有60的時間間隔，當某一相上下兩個橋臂都沒導通時，其感性電流將從該橋臂中與晶閘管反并聯(lián)的二極管中續(xù)流導通。在三相導通的SPWM橋式逆變電路中，其調(diào)制方法往往使用的是雙極性調(diào)制方法。U、V、W三相同時公用一個載波Uc用來對SPWM進行控制，三相調(diào)制信號波正弦電壓波依次設為Uru、Urv和Urw，它們的相位分別為0、120、240。由于U、V、W各個相的元件的控制

15、規(guī)律是完全相同的，現(xiàn)以U相為例進行簡要詮釋。當UruUc時，導通T1，由于T4與其同相，是互補導通的，所以T4是不，則以U相為基準相對于直流電源假設的中點N的電壓UUN就為Ud/2。當UruUc時，T4導通，同理T1處于關(guān)斷狀態(tài)，UUN的值則為-Ud/2。當負載為感性負載時，由于電感的延遲作用，電流的方向及大小變化與純電阻負載時的變化是不同的，因此在控制過程中，當給T1一個導通信號時，可能是T4導通，也有可能是續(xù)流二極管VD1導通。線電壓UUV的輸出波形是由UUN-UUN決定的，當臂T1和T6導通時，UUV正向加在電源上，UUV=Ud；當T3和T4導通時，UUV反向加在電源上，UUV=-Ud；

16、當臂T1和T3或臂T4和T6導通時，兩相之間形成環(huán)流，電流不經(jīng)過電源，UUV=0V。因此SPWM線電壓的輸出波形幅值分別有Ud、-Ud和0三種。負載相電壓UUV、UUW、UVW可由下面的公式得到： (2.1)設負載的中點為N，其與直流電源的設想中點N之間的電壓設為UUN，則負載每一相的相電壓分別為 (2.2)把上面的公式進行整理后，又由于三相電路三相是對稱的，UUV+UUW+UVW=0，我們可以得到UUN=UUN-(UUN+UVN+UWN)/3。負載所輸出的SPWM相電壓波由(2/3)Ud、(-2/3)Ud、(1/3)Ud、(-1/3)Ud和0五種電平所構(gòu)成如圖2.4所示。圖2.4 三相電壓型

17、橋式逆變電路的工作波形2.5 逆變器的諧波分析2.5.1 諧波分析伴隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力電子裝置日益在各個用電領(lǐng)域中得到了廣泛的應用，與此同時諧波所造成的危害也隨之變得更加明顯，各國對諧波問題都非常的關(guān)注。諧波不僅會降低電能在生產(chǎn)、傳輸和使用過程中的利用率，還會使電氣設備過熱，減少設備的使用壽命，嚴重的還會導致設備的燒毀。同樣的也會使得電氣設備產(chǎn)生振動與噪音，導致控制器件的自啟動，因此消除諧波迫在眉睫。而消除諧波的前提是要掌握諧波的特性，因此就要對其進行分析。在電力系統(tǒng)的諧波分析中，人們主要采用各種諧波分析儀對諧波進行分析。但是當而所需分析的諧波次數(shù)與基波頻率是相互聯(lián)系的，當輸出為

18、低基波頻率時，分析的諧波次數(shù)會變的很高。一般應當采用頻帶較寬，運算能力強、存儲量大的諧波分析儀表，但是在選擇諧波分析儀表時，還要考慮選擇合適的傳感器，而傳感器的帶寬也會使得輸入到儀表的信號的有效帶寬與理想的有效寬帶有偏差。而Matlab軟件中FFT Analysis不僅能夠提供諧波分析的平臺，而且很好的避免了此類偏差6。2.5.2 Powergui FFT使用方法現(xiàn)在利用Simulink中的FFT Analysis對逆變系統(tǒng)的輸出波形進行諧波分析7。Powergui的功能較為豐富，但是它只能對已經(jīng)保存在工作界面(Workspace)里的數(shù)據(jù)進行分析，該格式是一種時間結(jié)構(gòu)體，所以要使用到Scop

19、e模塊。按格式要求將想要進行分析的數(shù)據(jù)保存在工作空間，保存完畢后，打開Powergui FFT Analysis Tool，然后在Available Signals選項上選擇將要分析的相關(guān)量。再對Fundamental frequency、Max frequency的參數(shù)進行設置，點擊“Display”后便可以得到想要的輸出頻譜分析圖。如果想要保存頻譜分析圖，只需要使用“Save as”，并且可以按照你所要的圖片格式進行保存，可以看到Powergui FFT Analysis Tool是一個非常方便的工具。2.6 本章小結(jié)本章中簡要的介紹了SPWM的原理，以及單相、三相逆變器的原理，并描述了諧

20、波分析的意義與Matlab中的FFT工具的使用方法。為第4章的仿真提供了可靠的理論依據(jù)。3 Matlab/Simulink與元件簡介3.1 Matlab/Simulink簡介Matlab所用的是第四代計算機語言系統(tǒng)，其編程運算方式與進行科學運算方式是完全一致的8。由于它在科學計算、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)建模與仿真等擁有很強的優(yōu)勢，因此目前Matlab受到各研究領(lǐng)域的關(guān)注，并廣泛的應用于各個領(lǐng)域。而Simulink僅僅是Matlab的一個小部件，是一個對系統(tǒng)進行建模、仿真與分析的軟件工具包。由于它的許多功能都是基于Matlab軟件平臺，而且又必須要在Matlab平臺上才能運行，因此有時也將Simulin

21、k稱為Matlab的一個工具箱9。它能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真環(huán)境的有機結(jié)合，同時還可以根據(jù)設計及要求，對系統(tǒng)進行修改與優(yōu)化，從而提高系統(tǒng)工作的性能，實現(xiàn)系統(tǒng)的高效開發(fā)。Simulink的中文含義是仿真與鏈接，是simulation與link兩個單詞的組合縮寫10。Simulink具有如下特點：(1) 它是按照設計功能的層次性對系統(tǒng)進行模型分割的，能夠?qū)碗s設計進行分割并進行有效的管理。以框圖表示的系統(tǒng)包含輸入、輸出，框圖中以調(diào)用的模塊作為程序，以連成的模塊模擬系統(tǒng)11。(2) 只要搭建系統(tǒng)模型，設置好仿真參數(shù)，便可啟動仿真。這時Simulink會自動初始化，并將系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換為數(shù)學方程進行仿真

22、。(3) 系統(tǒng)運行后的結(jié)果可以直接通過仿真波形進行觀察，其效果與在實驗室中利用示波器進行觀察的結(jié)果是等效的。(4) 系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)可以以*.Mat格式的文件保存，這樣其它相關(guān)軟件也能處理。(5) 模型分析和診斷工具能夠保證模型與電路系統(tǒng)的一致性，并指出模型中的錯誤所在12。3.2 絕緣柵雙極晶體管IGBT簡介及分析絕緣柵雙極晶體管IGBT是現(xiàn)今發(fā)展最為迅速、應用最為廣泛的第三代電壓驅(qū)動型電力電子器件。晶閘管GTR由于電導調(diào)制效應使得其擁有很好的通流能力，但是它也有著雙極型電流驅(qū)動器件的相應缺陷，比如開關(guān)速度卻比較慢，且所需驅(qū)動功率也很大，電路比較復雜。而電力MOSFET與晶閘管GTR的特性是相互

23、互補。絕緣柵雙極型晶體管IGBT就是將晶閘管GTR與電力MOSFET兩者的優(yōu)秀特性綜合在了一起，因此其擁有簡易的驅(qū)動方式、較大的峰值電流容量、能夠自行關(guān)斷、開關(guān)頻率比較高等特性13。IGBT有如下幾個特性：(1) IGBT開關(guān)速度快，開關(guān)損耗小，且無二次擊穿現(xiàn)象。(2) 在電壓以及電流為相同額定值的情況下，IGBT擁有比較大的安全工作區(qū)，且抗脈沖電流沖擊的能力也很大。(3) IGBT在通態(tài)時的電壓壓降往往要比電力MOSFET要低，尤其是在電流較大的情況下。(4) IGBT的耐壓和通流能力高，開關(guān)頻率也很高。(5) 高輸入阻抗，類似于MOSFET的輸入特性。3.3 整流橋模型整流橋是交流-直流變

24、換的核心部件，在Simulink中有Universal Bridge元件模塊14，該模塊有4個輸入端子和2個輸出端子。雙擊后會出現(xiàn)一個對話框，其各個參數(shù)如下：(1) Number of bridge arms：橋臂的數(shù)量。(2) Port configuration：端口形式，即輸入與輸出端口的設置。(3) Snubber resistance Rs (Ohms)：緩沖電阻Rs，如若消除緩沖電阻，可將其值設為inf。(4) Snubber capacitance Cs (F)：緩沖電容Cs，單位F，以消除緩沖電容，設為0；若設為純電阻，則設置為inf。(5) Resistance Ron (O

25、hms)：用來設置晶閘管單元的內(nèi)阻值，單位為。(6) Inductance Lon (H)：用來設置晶閘管單元的內(nèi)電感值，單位為H。(7) Forward voltage Vf (V)：用來設置晶閘管單元的正向管壓降，單位為V。3.4 PWM發(fā)生器PWM發(fā)生器是采用PWM技術(shù)的控制電路的核心部件。PWM發(fā)生器有一個輸入端和一個輸出端，其功能如下：(1) Signal (s)：當調(diào)制信號作為內(nèi)部產(chǎn)生模式時，此端子不需要連接；當作為外部產(chǎn)生模式時，此端子則需連接由用戶定義的調(diào)制信號。(2) Pulses：主要根據(jù)主電路橋臂的結(jié)構(gòu)進行選擇，定向的產(chǎn)生2、4、6、12路的PWM脈沖。雙擊PWM發(fā)生器模

26、塊會出現(xiàn)一個對話框，各參數(shù)定義如下：(1) Generator Mode：根據(jù)仿真系統(tǒng)的主電路構(gòu)成選擇所對應的橋式電路。(2) Carrier frequency (Hz)：載波頻率，單位Hz。(3) Internal generation of modulating signal (s)：用來選擇調(diào)制信號產(chǎn)生方式，分為內(nèi)產(chǎn)生方式和外產(chǎn)生方式。(4) Modulation index (0m1)：調(diào)制索引值m，為載波的幅值與調(diào)制信號波的幅值之比，只有在內(nèi)產(chǎn)生的方式下才可以選擇，按要求取值在0到1之間。(5) Frequency of output voltage (Hz)：輸出的頻率，單位Hz

27、，只有在調(diào)制信號為內(nèi)產(chǎn)生的方式時才可以選擇。(6) Phase of output voltage (degrees)：輸出電壓的初始相位。3.5 本章小結(jié)在本章中簡要的介紹了仿真所需的關(guān)鍵元件的相關(guān)設置，并對Matlab進行了描述，為第4章的Matlab的建模提供理論依據(jù)，從而便于相關(guān)參數(shù)的設置。4 SPWM逆變電路的仿真與分析4.1 單相SPWM逆變電路的仿真與分析單相SPWM逆變電路的仿真模型如圖4.1所示。圖4.1 單相SPWM逆變電路的仿真模型相關(guān)參數(shù)的設定：電路的輸入直流電壓為100V，輸出交流電的頻率為50Hz，電阻R=1，電感為1e-6H。使直流電壓為100V，調(diào)制信號頻率為5

28、0Hz，載波比N=30，其仿真波形如圖4.2所示。圖4.2 仿真波形圖當頻率為50Hz時，其一個周期的時間為0.02s，本文中為了方便觀察對比，取時間為0.06s，也就是三個周期，由仿真圖我們可以看出，其電壓電流輸出波形正好為三個周期，仿真與理論相符。直流電壓為100V，調(diào)制信號頻率設為50Hz，載波比N=60，其仿真波形圖如圖4.3所示。圖4.3 仿真波形圖直流電壓為200V，調(diào)制信號頻率為50Hz，載波比N=30，其仿真波形圖如圖4.4所示。圖4.4 仿真波形圖直流電壓為100V，調(diào)制信號頻率為100Hz，載波比N=30，其仿真波形圖如圖4.5所示。時間(s)圖4.5 仿真波形圖從上面的波

29、形圖的對比我們不難發(fā)現(xiàn)，輸出的交流電壓的幅值與輸入的直流電壓的值成正相關(guān)，而與載波比無關(guān)。輸出的交流頻率由調(diào)制信號的頻率決定，輸出的交流電流與輸入的電壓、電感、電阻有關(guān)。而載波比決定輸出交流電的精度，載波比越大交流電的精度越好。一方面，由于LC濾波電路的電阻上存在壓降，開關(guān)管也有一定的電壓降，所以得出的電壓幅值要小于期望值。另一方面，又由于采用SPWM電壓型逆變電路中的晶閘管的導通時間一般都會小于關(guān)斷時間，于是為避免同一橋臂上的兩管子發(fā)生同時導通的事故，通常會將理想SPWM驅(qū)動信號過零點時的上升沿延遲一段時間，但是這樣又會產(chǎn)生死區(qū)效應15。因此逆變器的實際輸出電壓波形與理論上的電壓波形相比會有

30、一定的偏差。當調(diào)制索引值即m=0.7，載波比N=30時的諧波如圖4.6所示。我們可以看到，基次諧波的的幅值最大，諧波隨著次數(shù)的變大幅值越來越小，在15次諧波的幅值會突然變大，對系統(tǒng)中的元器件會有很大的干擾，THD(諧波失真)值為94.84%。圖4.6 諧波分析圖當調(diào)制索引值即m=1，載波比N=60時如圖4.7所示。圖4.7 諧波分析圖我們可以看見奇次諧波變大了，其他規(guī)律沒有發(fā)生太大的變化。但是其THD(諧波失真)變?yōu)?2.31%，可見隨著載波比的變大，諧波失真越來越小，即輸出的交流波形精度越來越好，與之前的波形圖分析的結(jié)論相一致。當調(diào)制索引值即m=1，載波比N=30時其諧波分析圖4.8所示。圖

31、4.8 諧波分析圖我們就會發(fā)現(xiàn)其中的THD變成53.48%，諧波失真變小了。所以調(diào)制索引值、載波比對SPWM逆變器的諧波特性有很大的影響。提高調(diào)制深度和載波比都可以很好的改善逆變器的輸出的波形。但是由于載波比的提高的前提是要開關(guān)器件的開關(guān)速度能夠承受的住，當載波比太高時，系統(tǒng)將會無法正常工作。另外再加上開關(guān)的損耗等因素，開關(guān)頻率不會太高。4.2 三相SPWM逆變器的仿真與分析三相SPWM逆變電路的仿真模型如圖4.9所示。圖4.9 三相逆變電路主電路在仿真電路圖中，雙擊元件，可以對相關(guān)元件的特性進行設置。改變相關(guān)的數(shù)值，運行并通過Scope模塊來顯示各個量的波形變化，以便比較和研究。相關(guān)參數(shù)的設

32、定如圖4.10、圖4.11所示。圖4.10 LC濾波器圖4.11 PWM IGBT Inverter參數(shù)設置三相SPWM逆變器的分析方法與單相逆變器的分析方法相似。當直流電源電壓為200V，載波比N=30，調(diào)制索引值m=0.7，電阻R=1，電感L=1e-3H，調(diào)制信號的頻率為50Hz。運行Matlab仿真軟件，并雙擊Scope即可得到實際輸出的交流電壓波形和交流電流的波形如圖4.12所示。圖4.12 三相輸出波形頻率為50Hz時，一個時間周期為0.02s，由此可以看出三相中的每一相的仿真圖與理論相符合。再由三相依次相差120，即一個周期的三分之一時間，約為0.007s，從上面的仿真圖的分析可以

33、知道仿真圖是與理論相符。當直流電源電壓為400V，載波比N=30，調(diào)制索引值m=0.7，電阻R=1，電感L=1e-3H，調(diào)制信號的頻率為50Hz如圖4.13所示。圖4.13 三相輸出波形當直流電源電壓為200V，載波比N=30，調(diào)制索引值m=0.7，電阻R=1，電感L=1e-3H，調(diào)制信號的頻率為100Hz如圖4.14所示。圖4.14 三相輸出波形由上面的波形圖對比不難發(fā)現(xiàn)，輸出的相電壓的幅度有輸入的直流值決定，而輸出的交流頻率由調(diào)制信號決定。當其他參數(shù)不變是，載波比變?yōu)镹=60如圖4.15所示。圖4.15 三相輸出波形同圖4.14對比，變化不是很明顯，于是我們利用Powergui中的FFT分

34、析。由于三相逆變器各相的是對稱的，每一相分析的結(jié)果是一樣的，我們就單一從U相著手。當載波比N=30，調(diào)制索引值=0.7時的諧波分析如圖4.16所示。圖4.16 諧波分析當載波比N=60，調(diào)制索引值=0.7時諧波分析如圖4.17所示。圖4.17 諧波分析從諧波分析中我們可以發(fā)現(xiàn)，隨著載波比值的變大，諧波失真THD值變小，即精度變好。當其他參數(shù)不變，調(diào)制索引值m=1時如圖4.18所示。圖4.18 諧波分析對比圖4.16，我們會發(fā)現(xiàn)隨著調(diào)制索引值m的增大，諧波失真THD會不斷變小。所以諧波失真THD與載波比N、調(diào)制索引值m成負相關(guān)。與單相SPWM逆變系統(tǒng)的結(jié)論相一致。從上面的諧波分析可知，當逆變電路

35、工作在足夠高的載波比的情況下，利用正弦信號波對三角波載波進行調(diào)制時，所得到的SPWM波中就不會含有低次諧波，只含有與載波頻率成整數(shù)倍的高次諧波。在輸出的波形中往往用所含有的諧波的多少來衡量SPWM控制方法好壞，但這卻不是唯一的，比如直流電壓利用率、開關(guān)次數(shù)的多少也都是很重要的標準。4.3 本章小結(jié)本章通過Matlab對單相、三相逆變電路的輸出電壓波形進行是仿真，并通過改變相關(guān)參數(shù)的數(shù)值后進行波形對比，同時還對波形進行了諧波失真分析，從而得出哪些因素對輸出波形有哪些影響的結(jié)論。使得理論與實際相結(jié)合，用實踐去檢驗理論。由于正弦調(diào)制信號的幅值受到三角波的幅值的影響，只能小于等于三角波的幅值。 而且在

36、實際電路的工作中，還需要考慮功率器件的開通和關(guān)斷所需要的時間，因此在不采取其他的修正措施的情況下，調(diào)制索引值是不可能達到1的。因此在使用正弦波與等腰三角波相比較的調(diào)制方法時，實際上所得到的直流電壓利用率往往都會比較低。結(jié)束語本課題的仿真設計是在利用Matlab軟件的基礎上進行的，當使用了Matlab軟件后，SPWM逆變電路的仿真分析便變得更加簡結(jié)明了，而且還節(jié)省了很多時間。此次設計簡化了SPWM信號的生成與驅(qū)動，只是簡要的介紹了其產(chǎn)生的原理。而把重點放在了逆變電路系統(tǒng)的設計、建模與仿真，在此基礎上對仿真結(jié)果進行了簡要的分析與總結(jié)。這次歷時半個學期的畢業(yè)設計對我是一次很好的磨練，我發(fā)現(xiàn)了自身的很多不足之處，知識體系可謂是漏洞百出，實踐經(jīng)驗也是相當?shù)娜狈?，理論?lián)系實際的能力有待提高?；仡櫘厴I(yè)設計的這半學期，我感慨頗多。從一開始設計的思緒全無、舉步維艱到現(xiàn)在的畢業(yè)設計的