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1、三相无源电压型三相无源电压型 SPWM 逆变器的构建及其逆变器的构建及其 MATLAB 仿真仿真09 电气工程及其自动化 邱迪摘要：摘要：本文简要介绍了三相无源电压型 SPWM 输出的逆变器的构建和工作方式及其 MATLAB仿真。关键词：关键词： 三相逆变器 正弦脉宽调制(SPWM)技术 MATLAB 仿真 Abstract: This paper introduces briefly the construction of 3-phase inverter which output SPWM wave and the MATLAB-based simulation.Key word: Thr
2、ee-phase inverter Sinusoidal Pulse Width Modulation Power electronic technology1 逆变器逆变器1.11.1 逆变器的概念逆变器的概念逆变器也称逆变电源，是一种可将直流电变换为一定频率下交流电的装置。相对于整流器将交流电转换为固定电压下的直流电而言，逆变器可把直流电变换成频率、电压固定或可调的交流电，称为 DC-AC 变换。这是与整流相反的变换，因而称为逆变。11.21.2 逆变器涉及的技术逆变器涉及的技术逆变器的构建应用了电力电子学科中的很多关键技术。电路中电流的可控流通断开的过程中应用了多种可控硅类型的电力电子器
3、件；开关的控制过程应用了基于微处理器的现代控制技术；对于正弦波形的仿制过程应用了正弦波脉宽调制（SPWM）技术等等。1.31.3 逆变器的分类逆变器的分类现代逆变技术的种类很多，可以按照不同的形式进行分类。其主要的分类方式如下：1) 按逆变器输出的相数，可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变。2) 按逆变器输出能量的去向，可分为有源逆变和无源逆变。3) 按逆变主电路的形式，可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变。4) 按逆变主开关器件的类型，可分为晶闸管逆变、晶体管逆变、场效应管逆变等等。5) 按输出稳定的参量，可分为电压型逆变和电流型逆变。6) 按输出电压或电流的波形，可分为正弦波输出逆变和非
4、正弦波输出逆变。7) 按控制方式，可分为调频式(PFM)逆变和调脉宽式(PWM)逆变。22 三相逆变电路三相逆变电路三相逆变电路，是将直流电转换为频率相同、振幅相等、相位依次互差为 120交流电的一种逆变网络。图 1 三相逆变电路日常生活中使用的电源大都为单相交流电，而在工业生产中，由于诸多电力能量特殊要求的电气设备均需要使用三相交流电，例如三相电动机。随着科技的日新月异，很多设备业已小型化，许多原来工厂中使用的大型三相电气设备都被改进为体积小、耗能低且便于携带的小型设备。尽管这些设备外形发生了很大的变化，其使用的电源类型三相交流电却始终无法被取代。在一些条件苛刻的环境下，电力的储能形式可能只
5、有直流电，如若在这样的环境下使用三相交流电设备，就要求将直流电转变为特定要求的三相交流电以供使用。这就催生了三相逆变器的产生。2.12.1 电压型三相逆变电路电压型三相逆变电路电压型逆变电路是指直流侧采用电压源的逆变电路，直流侧的电源能够提供幅值稳定不变的直流电。2图 1 是一个电压型逆变电路原理图。为直流侧电压源，两侧各加一个电容用来稳定电压。dU、分别为 ABC 三相的控制开关。通过对三个开关的控制，便可以实现直流交ATBTCT流（DCAC）的转换。现设一个周期时间为 t，将一个周期时间以、六个时刻均分为六段。0t1t2t3t4t5t对应零时刻，O 点为等效接地点。0t图 2 图 1 所示
6、三相逆变电路进行特定开关控制后的波形图如图 1 所示电路中按以下方式进行控制：时刻：开关闭合，断开。A 处电压变为。0tATAT2dU时刻：开关关闭，打开。C 处电压变为。1tCTCT2dU时刻：开关闭合，断开。B 处电压变为。2tBTBT2dU时刻：开关关闭，打开。A 处电压变为。3tATAT2dU时刻：开关闭合，断开。C 处电压变为。4tCTCT2dU时刻：开关关闭，打开。B 处电压变为。5tBTBT2dU下一周期的时刻：开关闭合，断开。A 处电压变为。随后每个周期各个开关0tATAT2dU都一次按上述规律闭合断开，即可得到相位互差 120的三相交流电。但其波形还是分段周期内的等电压幅值电
7、。其波形如图 2 所示。图 3 A 相开关同时闭合时的电路图由于开关的控制并不是理想的那么精密，在同一相的两个正负开关在各自闭合断开的瞬间有可能同时断开或同时闭合。若同时闭合，如 Error!Error! ReferenceReference sourcesource notnot found.found.所示，直流侧电压源短路发生危险。因此，为保证两开关在断开闭合时不会发生重叠，在同时开关闭合瞬间改为一段死区时间，即两开关首先同时关闭一段时间，而后其中一个开关再进行下一步闭合动作。时间内，正负dtdt开关均断开，而后再打开其中一个，保证了交替过程中不会有同时打开的可能。的具体时间长dt短则要
8、根据实际中使用的器件性能参数予以确定。加入死区后的三相电路波形如图 4 加入死区后的波形图所示。图 4 加入死区后的波形图2.12.1 接入负载的三相逆变电路接入负载的三相逆变电路如图 5 所示接入负载的三相逆变电路。图 5 接入星形三相负载的三相逆变电路、分别为 ABC 三相的负载阻抗。根据不同的性质，可分为电阻性阻抗、电容性AZBZCZ阻抗和电感性阻抗。其中，感性负载与容性负载的电流相位和电压相位是不同相的。对于电感型的负载，电流不能突变，那么如图 4 中的开关转换的时刻，因为正负向开关均断开，这样会在两侧造成很大的开路电压，极易造成器件或电路的损坏。因此，需要对电路进行改进。保护措施是为
9、每个开关并联一个二极管。如图 6 所示。图 6 开关并联二极管后的电路加装六个二极管后，即使正负开关均闭合，也可为电流提供续流的通路，避免了发生上述危险情况。3 正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）技术）技术SPWM（正弦脉宽调制）技术是指利用 PWM（脉宽调制）技术来模拟输出具有正弦特性的电压或电流波形。如图 7 所示为电压源型 SPWM 调制原理，若把一个正弦半波划分为 N 等分，每一等分的正弦波形的面积都可用一个与该面积相等的等幅矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。于是，由 N（图中 N=12）个
10、等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦的半周等效。这一系列矩形脉冲就是期望逆变器输出的正弦 PWM 波形(简称 SPWM)。4图 7 SPWM 正弦波原理图 8 双极性 SPWM 产生原理每个脉冲的宽度可以由理论计算取得，但实际应用中常用正弦调制波（即信号波）与三角形脉冲（载波）的比较得出准确的闭合关断时刻。如图 8 所示。载波的频率直接影响了 pwm 脉冲的密度，这也直接影响了以该信号波作为控制信号的整流桥整流后的结果，通过 Matlab 仿真可以清楚的观察到影响。4 MATLAB 仿真仿真Matlab 软件作为教学、科研和工程设计的重要方针工具，已成为首屈一指的计算机仿真平台。该软件的应
11、用可以解决电机电器自动化领域的诸多问题。利用其中的 Simulink 模块可以完成对三相无源电压型 SPWM 逆变器的仿真，并通过仿真获取逆变器的一些特性图等数据。图 9 系统 Simulink 仿真Error! Reference source not found.所示为一套利用三相逆变器进行供电的系统的 Matlab 仿真。系统由一个 380v 的直流电源供电，经过三相整流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 RLC 负载模块（Three phase parallel RLC） 。加入了两个电压测量单元 voltage measur
12、ement 和 voltage measurement1，并将结果输出到示波器模块 Scope1.4.1仿真中的各个模块及其参数设定仿真中的各个模块及其参数设定1) 整流桥整流桥图 10 通用三相整流桥模块图 11 Universal bridge 及其参数设置通用三相整流桥为 Simulink 中的 Universal bridge 模块。图 11 为该模块的参数设置对话框。其中 Number of bridge arms（桥臂个数）为 3，Power Electronic device（电力电子器件）选用IGBT/Diodes（晶闸管） 。2) SPWM 脉冲信号发生器模块脉冲信号发生器模
13、块图 12 SPWM 脉冲发生器图 12 为为控制通用三相整流桥产生 SPWM 的脉冲信号发生器，使用的是 Matlab 中的 Discrete PWM Generator 模块。该模块的作用即为为产生 PWM 而用以控制 IGBTs 等电桥的脉冲信号。图 13 为该模块的参数设置，在 Generator mode 选项中选择 3-arms bridge(6 pulse),既三桥臂共需要六个 脉冲信号用以控制如图 6 中所示的六个电子管。Carrier frequency 为载波频率，该频率的大小决定 了一个周期内 SPWM 脉冲的密度（如图 8 所示） 。Frequency of outpu
14、t voltage 是输出电压的频率， 此处设置为国内标准的 50Hz。图 13 PWM 脉冲生成模块及其参数设置3) 其他模块其他模块 为模拟真实供电效果，在仿真系统中，整流桥输出的电压通入一个三相变压器后接入一个三相 的 RLC 负载模块。三相变压器的原边为三角形绕组，副边为星型绕组。负载标称电压：220v，标 称频率 50Hz，有功功率：1000W，电感无功功率：0W，电容无功功率：500W。图 14 变压器及负载模块4.2仿真特性分析仿真特性分析在仿真中，在整流桥的输出和变压器的输出加上了电压测量模块，并将测量显示在了一个示波 器模块上。仿真时间设定为 0.1s。如图 15 所示便是仿
15、真后的输出结果，上部分为整流桥的输出波 形，下部分为变压器副边的电压波形。图 15 示波器输出波形将示波器的横轴时间设定为 0.01s 后的图形如下：图 16 0.03s 内的波形图观察波形可知，没半个周期输出的脉冲数为 21 个。4.2.1 载波频率与输出电压频率改变对波形的影响载波频率与输出电压频率改变对波形的影响1.将 Discrete PWM Generator 模块中的载波频率有原来的 1080Hz 提高至 2160Hz。所得波形如 图 17 所示。图 17 载波频率为 2160Hz 时的波形图 1可以清楚的观察到，PWM 脉冲密度加大，正弦波形较原来更加光滑。放大后的波形图如下：图
16、 18 载波频率为 2160Hz观察图形可知，没半个周期内的脉冲个数为 43 个。 由两个仿真结果可见，载波频率直接影响了波形的光滑度，载波频率越大波纹越小仿正弦效果越好。但也应注意到频率过高有可能对整流桥器件产生影响，所以也不能过于高。2.载波频率为 1080Hz，将输出电压的频率提高为 100Hz 后：图 19 输出电压为 100Hz 载波频率 1080图 20 放大图 输出电压为 100Hz观察波形，没半个周期内的脉冲个数为 11 个。 改变输出电压后可以注意到，波纹想对于 50Hz 时变小了，但由于没半个周期内的脉冲个数由 21 个变为了 11 个，所以仿正弦效果大大下降了，可见如若提高输出电压的频率后，不改变载波频率，逆变效果会打折扣。 3.载波频率为 2160Hz，输出电压频率为 100Hz 时的仿真图形图 21 载波频率 2160Hz 输出电压频率 100Hz图 22 2160Hz/100Hz 放大图观察波形，没办个周期内的脉冲个数为 21 个
