基于MATLAB三相正弦脉宽调制变频电路的性能研究.docx

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基于MATLAB三相正弦脉宽调制变频电路的性能研究

摘要

PWM控制技术是电力电子领域有着广泛的应用，并对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术。

PWM控制技术在晶闸管时代就已经产生，但为了使晶闸管通断要付出很大的代价，因而难以得到广泛应用。

Abstract

PWMcontroltechnologyispowerelectronicsapplications,andtheelectricpowerelectronictechnologytoproduceveryfar-reachingimpactofatechnology.PWMcontroltechnologyinthethyristoreraalreadyproduced,butinordertomakethethyristoron-offcostly,soitisdifficulttobewidelyapplied.InIGBT,powerMOSFETastherepresentativeofthefullcontrolleddevicescontinuetoimprovetothePWMcontroltechnologytoprovidepowerfulcorporealfoundation,promotedtherapiddevelopmentoftechnology,itsapplicationtotherectifier,inverter,DC/DC,ACforallfourcategoriesininverter.PWMcontroltechnologyintheapplicationoftheinvertercircuitisthemostrepresentative,cansay,itisbecausethePWMcontroltechnologyintheinvertercircuitinawideandsuccessfulapplicationofPWMcontroltechnology,powerelectronicstechnologyintheprominentposition.

Abstract：

PWMcontrol;rectifier;inverter

第一章前言

1.1研究背景

逆变器也称逆变电源，是将直流电转换成交流电的一种装置，逆变技术最初为直流电机-交流电机旋转方式，现在多为晶闸管技术，到如今MOSFET、IGBT、IGCT等先进且易控制的功率器件，控制电路也从模拟集成电路发展到单片机控制甚至采用数字信号处理器控制。

1.2前景及应用

现如今的社会，逆变电路应用已经极其广泛，小到毫瓦级的液晶背光板逆变电路，大道百兆瓦级的高压直流输出换流站；从日常的变频空调、变频冰箱到航空领域的机载设备；从使用常规化石能源的火力发电设备到使用可再生能源发电的太阳能、风力发电设备，都少不了逆变电源。

第二章脉宽调试变频电路主要应用技术

2.1整流电路原理

电力电子电路多种多样，其中最早出现的电路是整流电路，其作用是交—直变换。

整流电路的分流方式多种多样，按照组成器件可分为：

二极管组成的不可控、晶闸管组成的半控、IGBT等全控器件组成的全控电路三种；按照电路结构，有桥式整流电路和零式整流电路等等。

2.1.1整流电路—单相可控

单相半波可控整流电路带阻感负载工作电路图入图2-1所示。

阻感负载的特点是电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不能发生突变。

图2-1阻感负载电路图

图2-2为带阻感负载的单相半波可控整流电路的波形，根据波形图进行电路分析：

晶闸管VT处于断态时,电路中电流id=0,负载电压ud=0,此时uVT=u2。

在t1时刻，即触发角处，触发VT使其开通ud=u2。

因为电感L的存在使id不能突变，id从0开始增加。

U2由正变负的过零点处，id已经处于减小的过程中，但尚未降到零，因此VT仍处于通态。

此后L中的能量逐渐释放，一方面供给电阻消耗，另一方面供给变压器二次绕组吸收，从而维持id的流动。

至t2时刻，电感能量释放完毕，id降至零，VT关断并立即承受反压。

如图晶闸管两端电压波形所示，由图中的ud波形还可以看出，由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，使ud波形出现负的部分，与带电阻负载时相比其平均值Ud下降。

图2-2带阻感负载的电路波形

当负载阻抗角φ或触发角不同时，晶闸管的导通角也不同。

若φ为定值，角越大，在u2正半周电感L储能越少，维持导电能力越弱，越小。

且φ越大，u2在负半周L维持晶闸管导通的时间就越接近晶闸管在u2正半周导通时的时间，ud中负的部分越接近正的部分，平均值Ud越接近零，输出的直流电流平均值越小。

为解决上述矛盾，在整流电路的负载两端并联一个二极管，称为续流二极管，用VDR表示，电路图如图2-3所示。

图2-3有续流二极管电路图

图2-4为有续流二极管时典型工作波形。

u2正半周时，与没有续流二极管时的情况是一样的。

当u2过零变负时，VDR导通，ud为零，此时为负的u2通过VDR向VT施加反压使其关断，L储存的能量保证了电流id在L-R-VDR回路中流通，此过程通常称为续流。

若L足够大，VDR可持续导通，id连续，且id波形接近一条水平线。

图2-4有续流二极管时典型工作波形

根据波形图可知续流二极管VDR导通角为π+。

若近似认为id为一条直线，恒为Id,则流过晶闸管的电流平均值IdVT和有效值IVT分别为：

（2-1）

（2-2）

续流二极管的平均值IdVDR和有效值IVDR分别为：

（2-3）

（2-4）

单相半波可控整流电路的特点是简单，但输出脉动大，变压器二次电流中含直流分量，造成变压器铁心直流磁化。

为使变压器铁心不饱和，需增大铁心截面积，增大了设备容量。

单相整流电路中应用较多的是单向桥式全控整流电路。

带阻感负载时，为方便讨论，假设电路已工作在稳态，id平均值不变，电路图如图2-5所示。

图2-5带阻感负载时的工作电路

在u2正半周期触发角处给晶闸管VT1和VT4加触发脉冲使其开通。

t=+时刻，触发VT2和VT3导通，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断。

典型波形图如图2-6所示。

图2-6负载为阻感时波形图

整流电压平均值为：

（2-5）

的移动范围为90o。

晶闸管导通角为180o。

图2-7为负载为反电动势时的电路图。

图2-7反电动势负载时电路图

当负载为蓄电池、直流电动机的电枢（忽略其中的电感）等时，负载可看成一个直流电压源，对于整流电路，它们就是反电动势负载。

|u2|>E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。

晶闸管导通之后，ud=u2，，直至|u2|=E，id即降至0使得晶闸管关断，此后ud=E。

与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电，称为停止导电角。

当<时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。

典型波形图如图2-8所示。

图2-8带反电动势时波形图

触发脉冲有足够的宽度，保证当t=时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。

这样，相当于触发角被推迟为。

在角相同时，整流输出电压比电阻负载时电流断续id波形在一周期内有部分时间为0的情况，称为电流断续。

负载为直流电动机时，如果出现电流断续，则电动机的机械特性将很软。

为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器。

电感量足够大使电流连续，晶闸管每次导通180o，这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与电感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式亦一样。

为了保证电流连续所需要的电感量L为：

（2-6）

2.1.2整流电路—三相可控

当负载为阻感负载时，L值很大。

其电路结构图如图2-9所示。

图2-9阻感负载三相电路图

L值很大，整流电流id的波形基本是平直的，流过晶闸管的电流接近矩形波。

≤30时，整流电压波形与电阻负载时相同。

＞30时，当u2过零时，由于电感的存在，阻止电流下降，因而VT1继续导通，直到下一相晶闸管VT2的触发脉冲到来，才发生换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反压使其关断。

整流电压平均值Ud/U2与的关系，L很大，如曲线2所示。

L不是很大，则当>30o后，ud中负的部分可能减少，整流电压平均值Ud略为增加，如曲线3所示。

图2-10三相半波可控整流电路Ud/U2与关系图

变压器二次电流的有效值为

（2-8）

晶闸管的额定电流为

（2-9）

晶闸管最大正反向电压为

（2-10）

三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用较少。

三相桥式全控整流电路其电路结构图如图2-11所示。

图2-11三相桥式全控整流电路结构图

共阴极组VT1，VT3，VT5；共阳极组VT4，VT6，VT2。

晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。

各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。

当≤60时ud波形均连续；=60时ud出现了为零的点；当>60时，因为id与ud一致，一旦ud降为至零，id也降至零，晶闸管关断，输出整流电压ud为零。

2.2逆变电路原理

与整流相对的就是逆变，也就是把直流电变成交流电。

交流侧接电源时成为有源逆变，当交流侧直接和负载连接时称为无源逆变。

2.2.1逆变电路—电压型

单相电压型逆变电路可分为半桥和全桥，图2-12为半桥电路，V1或V2通时，io和uo的方向相同，能量的走向为从直流侧到负载；VD1或VD2通时，io和uo的方向相反，能量的走向为从电感中贮能到直流侧。

VD1、VD2称为反馈二极管,它的存在时负载电流连续，又称续流二极管。

图2-12单相半桥型逆变电路的工作原理图

图2-13为全桥电路。

由四个桥臂组成。

每两对桥臂位一组，每组导通180o，每组之间交替导通。

输出电压和电流的幅值比半桥电路高出一倍。

图2-13单相全桥型逆变电路结构图

三相桥式逆变电路的电路结构图如图2-14所示。

基本工作方式是180°导电方式。

同一相上下两个桥臂不能同时工作，交替导电，U、V、W三相开始工作的角度相差120o，任一瞬间都有三个桥臂同时工作。

每次换流方式为纵向换流。

例如：

对于U相输出来说，当桥臂1导通时，uUN’=Ud/2，当桥臂4导通时，uUN’=-Ud/2，uUN’的波形是幅值为Ud/2的矩形波，V、W两相的导通情况和U相相同。

图2-14三相桥式逆变电路结构图

2.2.2逆变电路—电流型

电流型逆变电路的主要特点是直流侧的电源为电流源。

与电压型逆变电路相同，电流型逆变电路也分为单相和三相。

电流型逆变电路的交流输出电流为矩形波。

电路中的元器件仅作为开关使用。

电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多，换流方式有负载换流、强迫换流。

由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶闸管开通时的di/dt。

采用负载换相方式工作的，要求负载电流略超前于负载电压，即负载略呈容性。

对角线导通规律。

实际工作过程中，负载参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整，这种控制方式称为自励方式。

固定工作频率的控制方式称为他励方式。

自励方式存在起动问题，解决方法：

先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式。

电路图如图2-15所示。

图2-15单相电流型逆变电路图

120o导电工作方式VT1——VT6每隔60o依次导通。

交流电流波形为矩形波。

换流方向为横向换流。

电路图如图2-16所示。

图2-16三相电流型逆变电路

串联二极管式晶闸管逆变电路主要用于中大功率交流电动机调速系统。

是电流型三相桥式逆变电路，各桥臂的晶闸管和二极管串联使用。

120o导电工作方式采用强迫换流方式，电容C1~C6为换流电容。

C13=（C3+C5）//C1。

电路图如图2-17所示。

图2-17串联二极管式晶闸管逆变电路

第三章脉宽调制

3.1PWM控制的基本原理

PWM变换器，简单地说，是控制逆变器开关器件的通断顺序和时间分配规律，在变换器输出端获得等幅、宽度可调的矩形波。

这样的波形可以有多种方法获得。

根据采样控制理论，冲量相等而形状不同的窄脉冲作用于惯性系统上时，其输出响应基本相同，且脉冲越窄，输出的差异越小。

它表明，惯性系统的输出响应主要取决于系统的冲量，即窄脉冲的面积，而与窄脉冲的形状无关。

有几种典型的形状不同而冲量相同的窄脉冲，他们的面积（冲量）均相同。

当它们分别作用在同一个的惯性系统上时，其输出响应波形基本相同。

3.2调制方式

同步调制：

为了使一相的波形正、负半周镜对称，同时使三相输出波形严格对称，应取载波比N为3的整数倍的奇数。

异步调制：

调制信号频率变化时，通常保持载波频率固定不变，因而载波比

N是变化的。

在调制信号的半个周期内，输出脉冲的个数不固定，脉冲相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称。

3.3采样法

在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，这种生成SPWM波形的方法称为自然采样法。

实际应用较多的还是采用三角波作为载波的规则采样法。

在三角波的负峰时刻tD对正弦调制波采样而得到D点，过D点作一水平直线和三角波分别交于A点和B点，在A点的时刻tA和B点的时刻tB控制功率开关器件的通断。

可以看出，用这种规则采样法所得到的脉冲宽度和用自然采样法所得到的脉冲宽度非常接近

3.4脉宽调制逆变电路

3.4.1基于PWM的单相桥式逆变电路

单极性PWM控制方式：

调制信号ur为正弦波，载波uc在ur的正半周为正极性的三角波，在ur的负半周为负极性的三角波。

在ur的正半周，V1保持通态，V2保持断态。

当ur>uc时使V4导通，V3关断，uo=Ud。

当ur

在ur的负半周，V1保持断态，V2保持通态。

当ur

当ur>uc时使V3关断，V4导通，uo=0。

波形如图3-2所示。

图3-2单极性PWM控制方式电压波形

双极性PWM控制方式：

当ur>uc时，V1和V4导通，V2和V3关断，这时如io>0，则V1和V4通，如io<0，则VD1和VD4通，不管哪种情况都是uo=Ud。

当ur0，则VD2和VD3通，不管哪种情况都是uo=-Ud。

波形图如图3-3所示。

图3-3双极性PWM控制方式电压波形

3.4.2基于PWM的三相桥式逆变电路

电路图如图3-4所示。

三相桥式PWM逆变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波载波uc，三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120o。

其工作原理与单相桥式逆变电路基本箱相同，这里不再阐述，其波形图如图3-5所示。

图3-4基于PWM的三相桥式逆变电路图

图3-5三相桥式PWM逆变电路波形图

第四章脉宽调制变频电路的仿真研究

仿真所用的系统为三相逆变器供电的Matlab仿真，系统由一个380V的直流电源供电，经过三相桥整流为三相交流电，并进行SPWM正弦脉宽调制。

输出经过一个三相变压器隔离后通入一个三相的PLC负载模块，加入两个电压测试单元voltagemeasurement和voltagemeasurement1，并将结果输入到示波器模块Scope1。

4.1仿真模块参数设定

整流桥：

图4-1通用三相整流桥模块

通用三相整流桥为Simulink中的Universalbridge模块。

图4-2为该模块参数设置对话框，其中Numberofbridgearm为3，PowerElectronicdevice选用IGBT/Diodes（晶闸管）。

图4-2参数设定

SPWM脉冲信号发生器模块

图4-3SPWM脉冲信号发生器模块

常用的信号发生器模块是Matlab中的DiscretePWMGenerator模块。

该模块作用为产生PWM而用以控制IGBT等电桥的脉冲信号。

在Generatormode选项中选择3-armsbridge（6pulse），即三桥臂共需要六个脉冲信号用以控制6个电子管，Carrierfrequency为载波频率，改频率决定了一个周期内SPWM脉冲的密度。

Frequencyofoutputvoltage是输出电压频率，此处设置为国内标准50Hz。

图4-4脉冲信号参数调节模块

4.2仿真电路

图4-5系统中的仿真电路图

4.3仿真波形

在仿真中，在整流桥的输出和变压器的输出加入了电压测试模块，仿真时间设定为0.1s，并将测量结果显示在示波器上，输出波形如图4-6所示。

图4-6示波器输出的电压测量波形

将DiscretePWMGenerator模块中的载波频率由原来的1080Hz提高至2160Hz，所的波形如图4-7所示。

图4-7载波频率为2160Hz的波形

改变电压后可以注意到，波纹相对于50Hz时变小了，但由于每个周期内的脉冲数由21变成了11个，所以正弦效果大大降低了，可见提高输出电压频率后，不会改变载波频率，你变效果会降低。

波形如图4-8所示。

图4-8载波频率为2160Hz，输出电压频率为100Hz时的波形

将载波频率与输出电压频率固定在1080Hz和50Hz，去除负载后的波形如图4-9所示。

图4-9去除负载后的波形

改变负载有功功率为100W时，波形如图4-10所示。

图4-10负载有功功率为100W时的波形

负载有功功率为10KW时波形如图4-11所示。

图4-11负载有功功率为10KW波形

减小负载后可发现，在系统的启动初期，波形不稳定，有很大的震动，而后期则趋于稳定，波形与10KW并无差异。

增加有功功率可以使波形在启动时减少震荡，能够较快进入稳态。

第五章结论

本文通过对逆变器的概念、设计技术分类等方面的介绍，简要描述了三相无源型逆变器的构建方式及其内部结构。

同时也简要介绍了正弦波脉宽调试的技术。

通过应用Matlab软件，构建一个无源型三相逆变电路供电的系统，并进行仿真，再对仿真波形进行分析，定性讨论了逆变器的两个主要参数：

载波频率和输出电压频率及不同负载对系统仿真结果的影响，获得以下结论：

（一）在电压输出频率一定的情况下，载波频率的大小决定了每个周期内的仿真脉冲个数，既决定了正弦波形的仿真质量。

（二）负载有功功率越大，系统进入稳态的时间越快，较小的负载有功功率会在暂态时产生很大的波动。

（三）负载的容性功率的增大，一方面可使正弦电压仿真质量提高，但在另一方面会在暂态时产生过大的负载电压，并且延缓系统进入暂态的时间。

（四）负载的感性功率对于正弦电压的仿真并无太大的影响。

参考文献

[1]叶斌等.电力电子技术习题集[M].第一版.铁道出版社.1995.

[2]周明宝等.电力电子技术[M].第一版.机械工业出版社.1997.