1、基于 Matlab/Simulink 的三相 SPWM 逆变器的建模与仿真姓 名：*（班级：*）【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/S
2、imulink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 ，三相的调制信号 、 和 一次相差 120。U、V 和 W 各相curUurVru功率开关器件的控制规律相同，现以 U 相为
3、例来说明。当 时，给上桥ruc臂 以导通信号，给下桥臂 以关断信号，则 U 相相对于直流电源假想中点1V4的输出电压 。当 时，给 以导通信号，给 以关断信号，N2/dUNu=rUuc4V1V则 。 和 的驱动信号始终是互补的。当给 （ ）加导通信号时，/-dUu14V14可能是 （ ）导通，也可能是二极管 （ ）续流导通，这要由阻感负载14 1D4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。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
4、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
5、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。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 Continuouspowerguiv+-Voltage Measurement
6、2v+-Voltage Measurement1v+-Voltage MeasurementgABC+-Universal BridgeScope5Scope4Scope3Scope2Scope1Scopesignal rmsRMSPulsesPWM Generator3Multimeter23Multimeter13MultimeterDC Voltage Source21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 BridgeSimulink/SimPoweSystem/Power Electronics/Universal
7、 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 RMSSimulink/SimPoweSystem/Measurements/Continuous Measuremants/RMS3.3 主要参数设置3.3.1 PWM Generator 的参数设置图 33.3.2 Universal Bridge 的参数设置图 43.3.3 万用表 MultimeterMultimeter 其参数设置如图 5 所示：图 5Multimeter1 其参数设置如下：图 6Mu
8、ltimeter2 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0 0.05 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-10010Ub: 0 0.05 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-10010Ub: 20 0.05 0.01 0.015 0.02 0.02
9、5 0.03 0.035 0.04-10010Ub: 1图 7 逆变器的输出电压波形0 0.05 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-20020Ib: 0 0.05 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-20-1001020Ib: 20 0.05 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-20-1001020Ib: 1图 8 逆变器输出电流波形图 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
10、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，2009.52 薛定宇. 基于 Matlab/Simulink 的系统仿真技术与应用. 北京：清华大学出版社，20063 陈国呈. PWM 逆变技术及应用. 北京：中国电力出版社 , 2007
