【正文】 三相負(fù)載的有功為 1KW，感性無功為 500Var，額定電壓為 413V，額定功率為 50HZ，直流電源的幅值為 530V。選擇內(nèi)部發(fā)生模式后，可在后面的選項(xiàng)中填寫開關(guān)頻率、調(diào)制深度、相位、基波頻率等信息。當(dāng)選擇“ list（ relative to specified Ease）”選項(xiàng)時(shí)，將使 FFT 分析結(jié)果，被顯示為對(duì)于某特定基準(zhǔn)頻率的脈沖序列，這個(gè)特定的基準(zhǔn)頻率，是由“基準(zhǔn)值（ Base value）”參數(shù)選項(xiàng)來決定的。當(dāng)存在多個(gè)輸入的時(shí)間結(jié)構(gòu)變量時(shí)，可以由一個(gè)多輸入示波器模塊產(chǎn)生。 1)Configuration：連接方式，在本次仿真中選擇的是 Y（ grounded）星型連接。前二者實(shí)現(xiàn)單相變流，后 者實(shí)現(xiàn)三相變流。 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 24 7）應(yīng)用軟件開發(fā)（包括用戶界面） ： 在開發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個(gè)文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強(qiáng)大的圖形標(biāo)注和處理功能，包括對(duì)性對(duì)起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向 Excel 和 HDF5 進(jìn)行連接 。 5）應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱 ： MATLAB 對(duì)許多專門的領(lǐng)域都開發(fā)了功能強(qiáng)大的模塊集和工具箱。 MATLAB 的這些函數(shù)集包括從最簡(jiǎn)單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復(fù)雜函數(shù)。新版本的 MATLAB 語(yǔ)言是基于最為流行的 C＋＋語(yǔ)言基礎(chǔ)上的，因此語(yǔ)法特征與 C＋＋語(yǔ)言極為相似，而且更加簡(jiǎn)單，更 加符合科技人員對(duì)數(shù)學(xué)表達(dá)式的書寫格式。 其優(yōu)勢(shì)在于 1）友好的工作平臺(tái)和編程環(huán)境 ： MATLAB 由一系列工具組成。 SVPWM 矢量組合模式的選擇 如何能降低逆變器的開關(guān)頻率是 SVPWM 矢量組合模式的關(guān)鍵之一，為了降低開關(guān)頻率，一般地，要求逆變器在每次改變輸出電壓矢量時(shí)都只改變其中一個(gè)橋臂的狀態(tài)。為了更清楚地河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 17 表現(xiàn)這幾個(gè)矢量之間 的關(guān)系，可以將這 8 個(gè)矢量繪制在復(fù)平面上，則 6個(gè)非零矢量分別位于一個(gè)正六邊形的 6 個(gè)頂點(diǎn)位置，而 2 個(gè)零矢量位于原點(diǎn)，如圖 ，圖中可以看出，相鄰兩 個(gè)非零矢量將正六邊形外切園平分為 6個(gè)頂角都是 3/? 的扇區(qū)。 因此一個(gè)沿圓形軌跡運(yùn)行的 SU 將在電機(jī)定子繞組中產(chǎn)生一個(gè)同樣沿圓形軌跡移動(dòng)的 s? ，而且 s? 得移動(dòng)速率與 SU 相同。 假設(shè)交流電機(jī)由理想對(duì)稱的正弦電壓供電，三相電壓 Au , Bu , Cu 可以用矩陣的形式表河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 15 式為 LCBAUtuuu???????????????????????3/4c o s ()3/2c o s (c o s32111????? （ ） 式中， LU 為線電壓有效值， 1? 為正弦供電電壓的角頻率。 圖 三相 SPWM 在 使用 SPWM 進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)需要考慮的問題是， SPWM 波并不是真的正弦波，只是用按照正弦規(guī)律變化的階梯來逼近正弦波，為此仍然存在大量的高次諧波，在實(shí)際控制河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 14 過程中必須采取有效的措施 來減少諧波分量。它們之間也必須保持 120176。電壓脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（電壓 SPWM），顧名思義就是指利用全控型電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷把直流電壓變成電壓正弦的輸出，實(shí)現(xiàn)變壓、變頻控制并且可以較好的消除諧波。各種先進(jìn)的控制方式如正弦脈寬調(diào)制（ SPWM），空間矢量脈寬調(diào)制（ SVPWM），關(guān)聯(lián)指令脈寬調(diào)制等日趨成熟。逆變器的主功率元件的選擇至關(guān)重要，目前使用較多的功率元件有達(dá)林頓功率晶體管（ BJT），功率場(chǎng)效應(yīng)管（ MOSFET），絕緣柵晶體管（ IGBT）和可關(guān)斷晶閘管（ GTO）等，在小容量低壓系統(tǒng)中使用較多的器件為 MOSFET，因?yàn)?MOSFET具有較低的通態(tài)壓降和較高的開關(guān)頻率，在高壓大容量系統(tǒng)中一般均采用 IGBT 模塊，這是因?yàn)?MOSFET 隨著電壓的升高其通態(tài)電阻也隨之增大，而 IGBT 在中容量系統(tǒng)中占有較大的優(yōu)勢(shì)，而在特大容量（ 100KVA 以上）系統(tǒng) 中，一般均采用 GTO 作為功率元件。 逆變器主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 逆變器主要分為電壓型逆變器和電流型逆變器，電壓型逆變器由直流電壓中間電路供給一個(gè)恒定的直流電壓，其元件過電壓的可能性較小，但由于中間電路的內(nèi)阻小，負(fù)載的故障和換流失敗，易引起過電流。因此 交 — 直 — 交牽引系統(tǒng) 將更廣泛的運(yùn)用于電力機(jī)車中。由于異步電動(dòng)機(jī)軸功率大、體積小，使得機(jī)車具有適合低速大牽引力，以較少的動(dòng)軸保證列車高速運(yùn)行時(shí)所需的功率。但是直流電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上有嚴(yán)重的缺點(diǎn)，由于它存在電刷和換向器，致使電機(jī)不僅工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴，而且在運(yùn)行中容易產(chǎn)生火花和環(huán)火現(xiàn)象，這就要求電機(jī)換向片之間的電壓不能過高。同時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)體積減小，空間利用好，便能選擇更為合適的懸掛方式，從而簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)。 ②環(huán)節(jié) —— 直流環(huán)節(jié)濾波器基本作用是平滑Ａ處的紋波（脈動(dòng)），消除或減少諧波含量，改善機(jī)車的功率因數(shù)。經(jīng)過消化吸收，結(jié)合中國(guó)電力機(jī)車實(shí)際和優(yōu)秀的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，先后自主研制成功第 3代機(jī)車 11 種，有 SSSS SS SS SS8 以及它們的派生型 SS4b、 SS4c、 SS6b、 SS7b、 SS7c 第。 1979 年株 洲電力機(jī)車工廠設(shè)計(jì)試制成功 SS3型機(jī)車， SS3 是在吸收了 SS1 和 SS2 的成熟經(jīng)驗(yàn)。以 1979 年問世的第一 臺(tái) E120 型交流傳動(dòng)電力機(jī)車（原聯(lián)邦德國(guó) BBC 公司制造）為轉(zhuǎn)機(jī)，三相交流傳動(dòng)電力機(jī)車在德國(guó)第一些國(guó)家投入運(yùn)營(yíng)并得到迅速發(fā)展。采用直流制的國(guó)家主要有日本、法國(guó)、意大利等；采用單相低頻交流制的國(guó)家主要有德國(guó)、瑞典、奧地利、挪威和美國(guó)；采用單相工頻交流制的國(guó)家有法國(guó)、日本、印度、英國(guó)等。 逆變器在整個(gè)牽引系統(tǒng)中起到把直流電逆變成為 三相交流電的作用，供給電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，它對(duì)整個(gè)牽引系統(tǒng)是否能正常運(yùn)行起到重要作用。但是 對(duì)于交 — 直 — 交電力機(jī)車這種大功率場(chǎng)合，由于逆變器的的開關(guān)頻率較低，將會(huì)產(chǎn)生很大的低次諧波，輕則影響系統(tǒng)的性能，重則將導(dǎo)致整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的控制失敗，因此需要對(duì)其進(jìn)行 PWM 調(diào)制。 從主電路系統(tǒng)的特點(diǎn)可以看出電力機(jī)車最近幾十年來的發(fā)展過程。 從 80年代末 90年代初開始，世界上特別是西歐和日本，隨著既有電力機(jī)車的更新?lián)Q代和高速鐵路的蓬勃發(fā)展，電力機(jī)車的研制迅速向交流傳動(dòng)。并在 SS1 基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)的。 1996 年 AC4000 交流傳動(dòng)電力機(jī)車研制成功，這是我國(guó)電力機(jī)車事業(yè)發(fā)展上 的一個(gè)重要的里程碑，是我國(guó)鐵路電傳動(dòng)機(jī)車開始步入交流傳動(dòng)機(jī)車的發(fā)展時(shí)期。采用不同的整流電 路，其濾波電路也不同，功能有所差別。 。從而限制了直流電動(dòng)機(jī)的功率和容量，滿足不了鐵路牽引向高速、重載方向發(fā)展的要求。與同樣功率等級(jí)的直流電機(jī)比較，異步電機(jī)的質(zhì)量低 30%左右，因此減少了簧下質(zhì)量，減小對(duì)線路的作用力。 論文主要的工作 逆變器在整個(gè)牽引系統(tǒng)中起到把直流電逆變成為三相交流電的作用，供給電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，它對(duì)整個(gè)牽引系統(tǒng)是否能正常運(yùn)行起到重要作用。再生制動(dòng)時(shí)，為了使電流反向，與晶閘管反向了二極管，因此晶閘管毋需反向耐壓；電流型逆變器由直流電流中間電路供給一個(gè)恒定的直流電流，由于將電感串聯(lián)在中間電路中，有較大的阻抗，半導(dǎo)體器件一般不會(huì)產(chǎn)生過電流。在電力機(jī)車上的開關(guān)器件常用 IGBT 和 GTO，開關(guān) IGBT 元件稱為絕緣門極雙極型晶體管，它兼有功率 MOOSFET 高輸入阻抗特性（電壓控制型）和雙極型器件的通態(tài)特性，同時(shí)開關(guān)頻率也遠(yuǎn)高于 GTO 元件。使用這些先進(jìn)的控制方式可以很大 的提高逆變器的工作效率。 SPWM（正弦脈寬調(diào)制）是將正弦波變成寬度漸變的脈沖波，其中的脈沖波的寬度變化規(guī)律完全符合正弦的變化規(guī)律。的相位差。根據(jù)實(shí)驗(yàn)課知，當(dāng)三角載波的頻率越高，出現(xiàn)的諧波幅度就會(huì)越小， SPWM 的電流波形就越好，因而，希望可以盡量提高載波頻率來降低電流的諧波分量。采用電壓空間矢的概念，定子電壓空 間矢量 SU 可定義為 )(32 3432 ?? jCjBAS eueuuU ??? （ ） 與此 類似，還可以定義出交流電機(jī)的定子電流空間矢量 SI 和定子磁鏈空間矢量 s? ： )(32 3432 ?? jCjBAS eieiiI ??? （ ） )(32 3432 ?? ???? jCjBAS ee ??? （ ） 其中 ， Ai ， Bi ， Ci 和 A? , B? , C? 分別代表電機(jī)的三相定子電流和定子磁鏈。電壓空間矢量脈沖寬度調(diào)制正是以調(diào)節(jié)交流電機(jī)定子磁鏈空間矢量 s? 軌跡為目的對(duì) SU 進(jìn)行直接控制的一種調(diào)制方法。 圖 由于 逆變器輸出電壓空間矢量只可能處于 7 個(gè)離散的位置（ 7U 和 0U 所處的位置相同）上，因此理論上講是不可能產(chǎn)生真正的連續(xù)電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)的軌跡的。 如 表 中所式第 1扇區(qū)的矢量組合模式 0U , 1U , 2U , 7U , 2U , 1U , 0U ，其特點(diǎn)是，每個(gè)開關(guān)周河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 20 期都以 0U （ {0 0 0}）開始，從 0U 變化到 1U （ {1 0 0}）時(shí)只有 A 相橋臂的狀態(tài)發(fā)生了改變 ；從 1U 變化到 2U （ {1 1 0}）也只有 B 相橋臂的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變，其他可以類推。這些工具方便用戶使用 MATLAB 的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。使之更利于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的科技人員使用。函數(shù)所能解決的問題其大致包括矩陣運(yùn)算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號(hào)運(yùn)算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、工程中的優(yōu)化問題、稀疏矩 陣 運(yùn)算、復(fù)數(shù) 的各種運(yùn)算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學(xué)運(yùn)算、多維數(shù)組操作以及建模動(dòng)態(tài)仿真等。一般來說，它們都是由特定領(lǐng)域的專家開發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評(píng)估不同的方法而不需要自己編寫代碼。 器件介紹及參數(shù)設(shè)置 （ 1） DC Voltage Source；直流電壓源，其功能是為電路提供一個(gè)理想的直流電壓符號(hào)如 圖 （ a）所示，正端使用一個(gè)“ +”標(biāo)明。由于本次仿真是關(guān)于三相逆變器的仿真，所以選擇三個(gè)橋臂、 6個(gè)開關(guān)器件。 2） Nominal phasetophase voltage Vn（ Vrms）：額定電壓，設(shè)為 413V 3） Nominal frequency fn（ Hz）：額定頻率，設(shè)為 50Hz 4） Active power P（ W）：有功功率，設(shè)為 1000W 5） Inductive reactive power QL（ positive var）：感性無功，設(shè)為 100Var 6） Inductive reactive powe QC（ negative var）：容性無功，設(shè)為 0 （ 7） powergui：用于電路和系統(tǒng)分析的工具 ，其模塊的外形封裝形式和屬性對(duì)話框如圖 （ a）、（ b）所示。 Signal Number（信號(hào)編號(hào)）：指定“輸入（ Input）”參數(shù)選項(xiàng)中被選為輸入信號(hào)的編號(hào)。 1 Base value（基準(zhǔn)值）：指定所有顯示諧波的基準(zhǔn)頻率值 1 Disply（顯示）：顯示所選測(cè)量量的快速傅里葉分析結(jié)果 （ 8） DiscretePWM Generator： 離散 PWM發(fā)生器，是為 GTO、 IGBT等自關(guān)斷器件提供門極驅(qū)動(dòng) PWM信號(hào)。此外的調(diào)制深度仍然在 0和 1之間。其仿真圖如圖 所示。 電壓空間矢量 SVPWM SVPWM 控制信號(hào)由“ Discrete SV PWM Generator“模塊生產(chǎn)。分別輸入電壓空間矢量的 ?? 軸分量或其幅值、角度。 or DC）”選項(xiàng)時(shí)，將使 FFT 分析結(jié)果，被顯示為相對(duì)于基波頻率量或者直流量而言的脈沖序列。 Structure（結(jié)構(gòu)）：列出呈現(xiàn)在工作空間的時(shí)間結(jié)構(gòu)變量（是由示波器模塊設(shè)定置） Input（輸入）：選擇“ Structure”參數(shù)選項(xiàng)中被選為時(shí)間結(jié)構(gòu)變量，作為輸入信號(hào)。 （ a） 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 27 （ b） 圖 RLC串聯(lián)負(fù)載 符號(hào)及 參數(shù)對(duì)話框 參數(shù)設(shè)置 如下所述。分別代表一個(gè)橋臂、兩個(gè)橋臂、三個(gè)橋臂，各自包含 2 個(gè)開關(guān)器件、 4 個(gè)開關(guān)器件、 6 個(gè)開關(guān)器件。工具箱是 MATLAB 函數(shù)的子程序庫(kù)，每一個(gè)工具箱都是為某一類學(xué)科專業(yè)和應(yīng)用而定制的，主要包括信號(hào)處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、小波分析和系統(tǒng)仿真等方面的應(yīng)用。另外新版本的 MATLAB 還著重在圖形用戶界面 （ GUI）的制作上作了很大的改善，對(duì)這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。在計(jì)算要求相同的情況下，使用 MATLAB 的編程工作量會(huì)大大減少。用戶可以在命令窗口中將輸入語(yǔ)句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個(gè)較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序（ M 文件）后再一起運(yùn)行。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾