基于Matlab/Simulink的三相SPWM逆变器的建模与仿真
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【摘要】随着电力电子技术，计算机技术，自动控制技术的迅速发展，PWM技术得到了迅速发展，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，能消除谐波使输出电压只含有固定频率的高次谐波分量，设计简单等一系列有点，是一种比较好的波形改善法。它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。SPWM技术成为目前应用最为广泛的逆变用PWM技术。因此，研究SPWM逆变器的基本工作原理和作用特性意义十分重大。
本文主要通过对三相SPWM逆变器的Matlab/Simulink建模与仿真，研究逆变电路的输入输出及其特性，以及一些参数的选择设置方法。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
关键词：SPWM 三相逆变器 Mmatlab/Simulink 建模与仿真 1．三相电压型桥式逆变电路
该电路采用双极性控制方式，U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角载波uc，三相的调制信号urU、urV和urW一次相差120°。U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U相为例来说明。当urU>uc时，给上桥臂V1以导通信号，给下桥臂V4以关断信号，则U相相对于直流电源假想中点N'的输出电压uUN'=Ud/2。当urU 可能是V1（V4）导通，也可能是二极管VD1（VD4）续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定。V相和W相的控制方式都和U相相同。 1 - 图1 三相桥式逆变电路原理图 2.SPWM逆变器的工作原理 PWM的全称是Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制），它是通过改变方波的占空比来改变等效的输出电压。广泛的应用于电动机调速和阀门控制，比如我们现在的电动车电机调速就是使用这种方式。 所谓的SPWM，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，这样的输出波形经过适当的滤波就可以得到正弦波输出。它广泛的应用于直流交流逆变器等，比如高级一些的UPS就是一个例子。三相SPWM是使用SPWM模拟市电的三相输出，在变频器领域被广泛的采用。 由于期望的逆变器输出是一个正弦电压波形，可以把一个正弦半波分作N等分。然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。这样，由N个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形为正弦的半周等效。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。 这一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出SPWM波形。由于各脉冲的幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电，也就是说，这种交一直一交变频器中的整流器采用不可控的二极管整流器就可以了。逆变器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压。当逆变器各开关器件都是在理想状态下工作时，驱动相应开关器件的信号也应为与形状相似的一系列脉冲波形，这是很容易推断出来的。 2 - 3.三相电压源SPWM逆变器的建模与仿真 3.1三相电压源SPWM逆变器的建模 ContinuousPulsesScope3MultimeterScope1signalrmspowerguiPWM GeneratorUniversal Bridgeg+AScope3RMSDC Voltage SourceB-C 3Multimeter1Scope2 2 1+v-3Multimeter2Scope4Voltage Measurement+v-Voltage Measurement1Scope5+v-Voltage Measurement2 图2 SPWM逆变器的仿真模型 3.2仿真模型中主要模块的提取路径 多功能桥式整流电路Universal Bridge Simulink/SimPoweSystem/Power Electronics/Universal Bridge 脉宽调制PWM脉冲发生器 Simulink/SimPoweSystem/Extra Library/Control Blocks/PWM Generator 有效测量模块RMS Simulink/SimPoweSystem/Measurements/Continuous Measuremants/RMS 3.3主要参数设置 3.3.1 PWM Generator的参数设置 3 - 图3 3.3.2 Universal Bridge的参数设置 图4 3.3.3万用表Multimeter Multimeter其参数设置如图5所示： 4 - 图5 Multimeter1其参数设置如下： 图6 5 - Multimeter2的参数设置同Multimeter1设置。 3.3.4其它参数设置 有效值测量模块RMS设置其参数Fundamental frequency（Hz）为50 电压设置为220 阻感性负载R=2，L=0.01.三负载设置相同。 3.4仿真结果 下面是输出交流f=50Hz调制度m=0.8时的仿真曲线 Ub: 1000-10000.0050.010.0150.02Ub: 20.0250.030.0350.041000-10000.0050.010.0150.02Ub: 10.0250.030.0350.041000-10000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04 图7逆变器的输出电压波形 Ib: 200-2000.0050.010.0150.02Ib: 220100-10-2000.0050.010.0150.02Ib: 120100-10-2000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0250.030.0350.040.0250.030.0350.04 图8逆变器输出电流波形 6 - 图9 A相阻感性负载电流的有效值 4.总结 通过这次仿真的确收获了很多，感觉自己对于电力电子技术这门课程有了更加深刻的认识。因为把平时所学的知识应用于实践真的会遇到很多问题，当然也会发现有很多乐趣在其中。可以说整个设计中最麻烦的就是把一些在课本中学到的知识在Matlab中进行仿真得到正确的结果。这个过程是十分繁琐的，也是很锻炼人的。通过本次课程设计，我学会了使用Matlab软件仿真集成环境Simulink进行仿真的基本操作方法，也对逆变器和SPWM有了进一步的理解。 在使用Matlab的Simulink进行仿真时，很多时候波形不一定能够快速正确的出现，这个时候就要好好研究其深层次的原理，同时要注意Matlab的仿真的一些细节，例如哪里可以接线哪里不行，电路接不接地，仿真时间的设定，采用自动定标器Autoscale观察波形等。这些软件的使用技巧在仿真的时候显得尤为重要！以后自己一定要多多注重培养自己的实践能力，对于一些常用的软件也要更加努力的学习，以求熟练掌握使用。 4.参考文献 [1] 王兆安等. 《电力电子技术》. 北京：机械工业出版社，2009.5 [2] 薛定宇. 《基于Matlab/Simulink的系统仿真技术与应用》. 北京：清华大 7 - 学出版社，2006 [3] 陈国呈. 《PWM逆变技术及应用》. 北京：中国电力出版社, 2007 8 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容