PWM逆变器的MATLAB/simulink仿真实现

论文总字数：23576字

目 录

摘要 1

1 绪论 1

1.1 课题概述 1

1.2 PWM技术的发展概况 1

1.3 本文主要工作 2

2 SPWM逆变器的原理 2

2.1 PWM逆变器原理 2

2.1.1 逆变原理 2

2.2 PWM控制的基本原理 3

2.2 SPWM逆变电路的基本控制方法 4

2.2.1计算法与调制法 4

2.2.2单极性与双极性调制 5

2.2.3 同步调制与异步调制 6

3 CHBPWM与SVPWM逆变器原理 7

3.1 CHBPWM逆变器 7

3.1.1 电流电流滞环跟踪控制原理 7

3.1.2三相电流滞环控制原理 7

3.2 SVPWM逆变器原理 8

3.2.1 电压空间矢量PWM简介 8

3.2.2 电压空间矢量PWM算法分析 8

4 PWM逆变电路仿真研究 11

4.1 MATLAB/simulink环境介绍 11

4.2 CHBPWM逆变器仿真 12

4.2.1 模型仿真的目标 12

4.2.2 滞环控制三相电流跟踪型逆变器仿真模型 12

4.2.3 仿真模型参数设置及说明 13

4.2.4 模型仿真及结果分析 14

4.3 SVPWM逆变器仿真 15

4.3.1 模型仿真目标 15

4.3.2 电压空间矢量逆变器的仿真模型 16

4.3.3 模型仿真及结果分析 24

5 总结与展望 26

参考文献 27

致 谢 28

PWM逆变器的MATLAB/simulink仿真实现

孙浩然

，China

Abstract：PWM technology is widely used in power electronics. This paper introduce sinusoidal pulse width modulation(SPWM), current hysteresis band pulse width modulation (CHBPWM) and space vector pulse width modulation (SVPWM) invertor with resistive load .Through the introduction of SPWM technology to explain the principle and development of PWM Technology; In this paper, the CHBPWM and SVPWM inverter modeling and simulation, especially for the SVPWM simulation algorithm for a detailed analysis and Simulation of each step. SPWM, CHBPWM, SVPWM technology has its own advantages, this paper analyzes the advantages and disadvantages of three kinds of PWM technology. In particular, SVPWM technology, its DC side voltage utilization rate is high, the output harmonic content is low. In the world of increasingly tense energy, the application of various PWM technology has broad prospects in the field of energy conservation.

Key words：Inverter； Current hysteresis band PWM；Space vector PWM；Simulation

1 绪论

1.1 课题概述

电压型逆变器在许多高性能电力电子装置中运用的非常广泛，因此这些系统中最重要的PWM控制技术得到人们的高度关注，和深入研究。所谓的PWM技术就是利用电力电子器件如IGBT、电力MOSFET等的开通或关断把直流的恒定的电压转化成一系列按一定规律排列的电压脉冲序列。PWM控制技术在逆变器中得到了广泛运用对逆变器影响最大。PWM控制技术正是因为逆变器广泛应用才得到快速的发展，同时也确保了其在电力电子技术中的关键地位。

PWM技术的应用克服了方波逆变器的许多不足，使得逆变器结构与性能得到改善。主要有三个方面：其一，使得逆变器结构简单；其二，利用PWM控制的单一的逆变电路可以同时调整输出的频率与电压，控制灵活方便且动态响应快；第三，逆变器输出的谐波含量大幅度降低。电流滞环跟踪PWM技术是一种非线性的控制方法，就是把实际电流波形与考需要得到的波形（参考波）经过滞环比较器进行比较，得出比较结果来控制电力电子开关的通断。电压空间矢量PWM技术是近些年逐渐发展成熟并被广泛应用的一种技术。这种方式控制的逆变器可以降低损耗、有利于实时控制、提高电压利用率。

MATLAB的图形化仿真模型系统，把代表电力电子器件、触发器、电阻、电源、电流表、电压表等实物的特有图形符号连接成电力电子系统，它虽然不是正真的物体却具有了实物的功能和相关特性。这种模型的仿真具有简单、方便、节省时间、准确性高与节约成本的优点。因此MATLAB在电力电子方面具有广泛的应用与研究价值。

1.2 PWM技术的发展概况

上个世纪60年代英国研究人员通过把通信系统广泛使用的调制技术引入到交流传动的应用中去,便有了正弦脉宽调制(SPWM)变频变压的概念,为交流传动的应用拓展了新的领域。毋庸置疑,这种脉宽调制技术的引入使得交流传动技术的应用得到了扩展，如在电力机车、数控机床、轧钢等方面的运用。到20世纪90年代,SPWM在各种应用场合中占据了主导地位，成为人们研究的热点。从一开始采用模拟电路将一定频率的参考正弦波与三角调制波进行比较,产生PWM波来控制电力电子器件,到后来采用完全数字化的方法对PWM控制信号的实现实时输出。为了提高电压利用率，经过深入研究Bowes等人进一步提出了准优化PWM技术,这种方法是在原有基波的基础上再叠加一个幅值为基波幅值1/4大小的三次谐波。准优化PWM和电压空间矢量PWM(SVPWM)具有共同之处。但SVPWM是从磁通幅值不变得到的,其等效调制波形中含有一定的三次谐波。由于它具有控制简单、数字化实现方便等好处,已逐步替代传统SPWM技术。虽然准优化PWM和SVPWM技术已经具有优化PWM的某些特征,但是,它们还不是真正意义上的优化。

事实上,优化PWM的方法提出的时间更早。上个世纪60年代初A·Kemick等人在IEEE杂志发表的一篇叫作“消除谐波静止逆变器”的文章中,已经可以看到后来被F·G·TumbullE和H·S·Patel,R·G·Hof大量研究的消除低次谐波PWM的身影。虽然优化PWM有一些缺点如计算复杂且难以实时控制，但由于它具有一般PWM方法所不具备的如电压利用率高、功率开关次数少以及可实现特定优化目标等特殊优点，因此,人们一直保持这方面的深入研究。另外必须必须提及的是A·B·lPunkett在20世纪80年代初提出的电流滞环比较式PWM技术以及在此基础上发展起来的全数字化的无差拍控制(deadbeat contorl)PWM技术。这两种方案都具有容易实现的特点。第一种方案采用滞环比较的模拟技术,当环宽足够小电力电子开关频率足够高时,可得到非常接近理想正弦波的电流波形。第二种方案充分考虑了数字化采样时间的影响,希望使得电流误差为零,对电流、电压的负反馈进行PI调节,输出效果良好并成为一种简单实用的数字化PWM方案,在逆变器和有源滤波器中的应用越来越广泛。从上个世纪80年代中期以来,人们对PWM逆变器的电磁噪音越来越关注。一般的PWM逆变器输出电压及电流中包括许多谐波成分,这些谐波的存在而产生的转矩脉动作用在定转子时就会使电机绕组产生振动而发出噪声。解决这个问题的方法有两种，一种是提高电力电子开关频率,使其超过人耳能感触的范围但是这种方法同时增加了开关损耗;另一种是随机PWM,它以改变输出所含谐波的频谱分布为重点,使逆变器输出电压及输出电流的谐波均分在较宽的频带范围内,从而抑制了噪声和减少了机械共振^[5]。

1.3 本文主要工作

本文首先介绍了PWM控制技术的基本原理，通过分析单相和三相SPWM逆变器原理使读者对PWM控制技术有初步的理论认识。进而本文着重介绍了CHBPWM和SVPWM的控制原理并给出了其在MATLAB/simulink中的控制模型和仿真电路并详细介绍了其控制模型的原理和每一模块的仿真结果。最后对整个逆变电路进行仿真得出仿真结果并通过仿真结果体现CHBPWM与SVPWM控制的优点。

2 SPWM逆变器的原理

2.1 PWM逆变器原理

2.1.1 逆变原理

直流-交流变换器是指将直流电转化为交流电的一种变换器，由于其是交流-直流（整流）的逆过程，因此，通常当直流-交流变换器称为逆变器，如图1所示逆变器由电力电子电路及其控制电路组成。实际应用中我们把主电路称为逆变电路，它由电力电子器件（IGBT、电力MOSFET等）和辅助电气元件（电阻、电感和电容等）组成。当逆变器交流侧直接与交流电源相接，把直流电变成同频率的交流电送到电网上的称为有源逆变；把逆变器交流侧直接和负载相连，把直流电变成交流电供给负载使用的逆变方式叫无源逆变。逆变器是一种具有广泛运用的变流器，如现在的许多新能源发电装置都是发出直流电，当这些电源需要向负载供电时就需要使用逆变器把直流电变为交流电。此外，许多其他设备的核心也是逆变电路，例如用于对交流电机调速的变频器、用于加热使用的感应电源以及可以不间断供电电源等^[1]。

图1 逆变电路框图

如图2-a所示的是单相桥式逆变器的主电路，图中S₁、S₂、S₃、S₄是单相桥式逆变电路4个桥臂上的开关，假设他们是理想开关。当理想开关S₁、S₄导通，而S₂、S₃断开时，输出电压U₀为正；当U₂、S₃闭合，S₁、S₄断开时，输出电压U₀为负。其图形如2-b所示。这样就把直流电变成了交流电。根据交流侧所需频率改变两组开关的切换频率，就可以改变交流侧输出频率。这就是逆变电路最基本的原理。当负载是电阻负载时输出电压电流波形相同幅值i₀=u₀/R，当负载为阻感负载时输出电压和电流波形不同，电流呈指数变化具体如图2-b所示。

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