三相SPWM逆变器的仿真与研究.docx

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三相SPWM逆变器的仿真与研究

三相SPWM逆变器的仿真与研究

[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，设计简单等一系列优点，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。

本论文介绍了三相电压型SPWM逆变器的工作原理，仿真电路及matlab仿真。

文中还给出了用此逆变器构成的三相交流电动机变频调速系统，并对仿真结果进行分析。

[关键词]正弦脉宽调制，逆变器，电机变频调速，matlab仿真

Three-phaseSPWMinvertersimulationandresearch

Author:

HuangFei

（Grade9,Class1,MajorAutomation,ElectricalEngineering

Dept,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723003，Shaanxi）

Instructor:

ZhangPengChao

[Abstrac]Withthepowerelectronicstechnology,computertechnology,therapiddevelopmentofautomaticcontroltechnology,PWMtechnologyisdevelopingrapidly,SPWMsinepulsewidthmodulationprincipleofthistechnologyischaracterizedbysimple,versatile,withafixedswitchingfrequency,controlandregulationperformance,eliminateharmonicsthatcontainonlyafixedoutputvoltageofhighfrequencyharmoniccomponents,simpledesignandaseriesofadvantages,isagoodwaveformimprovementAct.Itwasasmallinverterplayedanimportantrole.SPWMtechnologybecomethemostwidelyusedinverterwithPWMtechnology.Therefore,thestudyofSPWMinvertercharacteristicsofthebasicworkingprincipleandtheroleofgreatsignificance.

Thispaperdescribesthethree-phasevoltageSPWMinverterworks,simulatecircuitsandmatlabsimulation.Thearticlealsogivesthecompositionwiththisthree-phaseACinvertermotorfrequencycontrolsystems,andsimulationresultswereanalyzed.

[Keywords]Sinusoidalpulsewidthmodulation,inverters,motorspeed,matlabsimulation

目录

引言

经过大约30多年的发展，交流调速电气传动已经上升为电气调速传动的主流。

在电气调速领域内，可以相信在不久的将来交流调速将会完全取代直流调速传动。

现在要求性能较高的中、小容量的交流调速传动，主要使用电子式电力变换器对交流电动机进行变频调速。

除变频以外的另一些简单的调速方案，如变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等，它们只有在特定场合有一定的应用。

由于电力电子学和微电子技术的发展，使变频调速技术近年来获得了飞速的发展，各种变频调速控制方式、PWM脉宽调制技术以及MCU微处理器和以大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等均在变频调速中获得了成功应用。

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，能消除谐波使输出电压只含有固定频率的高次谐波分量，设计简单等一系列优点，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。

根据生成SPWM波形的实现方式可以分为模拟控制和数字控制两种形式。

传统的模拟控制在逆变器中应用广泛，技术成熟，控制性能优良，但模拟控制也存在一些缺陷：

元件众多，设计周期长，调试复杂，不易管理维护等。

随着数字信号处理技术的蓬勃发展，数字控制技术已经成功地应用到电力电子与电力传动控制领域中来，逆变器的数字控制逐渐成为研究热点。

1PWM技术的应用

1.1PWM控制技术的研究意义

PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。

1964年A.Schonung和H.stemmler首先在<>评论上提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。

从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍占主导地位,并一直是人们研究的热点。

由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点，由此在交流传动乃至其它能量变换系统中得到广泛应用。

PWM控制技术大致可以分为三类，正弦PWM（包括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案，多重PWM也应归于此类），优化PWM及随机PWM。

正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势（如ABBACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等）；而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率（THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。

在70年代开始至80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般最高不超过5KHZ，电机绕组的电磁噪音及谐波引起的振动引起人们的关注。

为求得改善，随机PwM方法应运而生。

其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声（在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的），尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。

正因为如此，即使在IGBT已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机PWM仍然有其特殊的价值（DTC控制即为一例）；另一方面则告诉人们消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，因为随机PWM技术提供了一个分析、解决问题的全新思路。

在电力拖动领域，解决好电动机的无级调速问题有着十分重要的意义，电机调速性能的提高可以大大提高工农业生产设备的加工精度、工艺水平以及工作效率，从而提高产品的质量和数量;对于风机、水泵负载，如果采用调速的方法改变其流量，节电效率可达20%-60%。

众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标。

在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直流电机调速所垄断，这是和实际中交流电机的广泛使用是一对存在的矛盾，许多应用交流电机的设备为了达到调节被控对象的目的，只能采用物理的方法，例如采用风门，阀门控制流量等，这样浪费能源的问题就很突出，费用就大。

而且在采用直流调速的方面由于直流电机固有的缺点—换相器和电刷的存在，使得维修工作量大，事故率高，电机的大容量使用受到限制，在易燃易爆的场合无法使用，因此开发交流调速势在必行。

变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是目前运用最广泛且最有发展前途的调速方式。

交流电动机变频调速系统的种类很多，从早起提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型，脉宽调制等各种变频器。

目前变频调速的主要方案有：

交-交变频调速，交-直-交变频调速，同步电动机自控式变频调速，正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速，矢量控制变频调速等。

这些变频调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平。

随着电力电子技术的发展，特别是可关断晶闸管GT0，电力晶体管GTR，绝缘门极晶体管IGBT，MOS晶闸管及MTC等具有自关断能力全控功率元件的发展，再加上控制单元也从分离元件发展到大规模数字集成电路及采用微机控制，从而使变频装置的快速性，可靠性及经济性不断提高，变频调速系统的性能也得到不断完善。

PWM控制技术在逆变电路中的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM技术。

常用的PWM技术主要包括：

正弦脉宽调制（SPWM）、选择谐波调制（SHEPWM）、电流滞环调制（CHPWM）和电压空间矢量调制（SVPWM）。

PWM技术用于变频器的控制，可以改善变频器的输出波形，降低谐波并减小转矩脉动。

同时也简化了变频器的结构，加快了调节速度，提高了系统的动态响应。

随着电力电子器件制造技术的发展和新型电路变换器的不断出现，现代控制理论向交流调速领域的渗透，特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，交流电动机调速技术正向高频化、数字化和智能化方向发展。

控制策略的应用：

由于电力电子电路良好的控制特性及现代微电子技术的不断进步，使几乎所有新的控制理论，控制方法都得以在交流调速装置上应用和尝试。

从最简单的转速开环恒压频比控制发展到基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制和基于动态模型保持定子磁链恒定的直接转矩控制

1.2PWM控制技术的发展现状

一、课题背景

正弦逆变电源作为一种可将直流电能有效地转换为交流电能的电能变换装置被广泛地应用于国民经济生产生活中,其中有:

针对计算机等重要负载进行断电保护的交流不间断电源UPS（UninterruptlePowerSupply）;针对交流异步电动机变频调速控制的变频调速器;针对智能楼宇消防与安防的应急电源EPS（EmergencePowerSupply）;针对船舶工业用电的岸电电源SPS（ShorePowerSupply）;还有针对风力发电、太阳能发电等而开发的特种逆变电源等等.随着控制理论的发展与电力电子器件的不断革新,特别是以绝缘栅极双极型晶体管IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）为代表的自关断可控型功率半导体器件出现,大大简化了正弦逆变电源的换相问题,为各种PWM型逆变控制技术的实现提供了新的实现方法,从而进一步简化了正弦逆变系统的结构与控制.

电力电子器件的发展经历了晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、晶体管（BJT）、绝缘栅晶体管（IGBT）等阶段。

目前正向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、模块化、复合化方向发展，与其他电力电子器件相比，IGBT具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点，为了达到这些高性能，采用了许多用于集成电路的工艺技术，如外延技术、离子注入、精细光刻等。

IGBT最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。

它的并联不成问题，由于本身的关断延迟很短，其串联也容