三相逆变器Matlab仿真

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1、三相无源电压型SPWM逆变器的构建及其MATLAB仿真09 电气工程及其自动化 邱迪 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：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: Three-phase inverter Sinusoidal Pu

2、lse Width Modulation Power electronic technology1 逆变器1.1 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。11.2 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(SP

3、WM)技术等等。1.3 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，是将

4、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。o Aq Ro C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

5、相逆变器的产生。2.1 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。U为直流侧电压源，两侧各加一个电容用来稳定电压。dT 、T 、T 分别为 ABC 三相的控制开关。通过对三个开关的控制，便可以实现直流交流 AB C（DCAC ）的转换。现设一个周期时间为t，将一个周期时间以10、11、j t3、14、15、六个时刻均分为六段。to对应零时刻，0点为等效接地点。图 2 图 1 所示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：Ut时刻：开关T闭合，T断开。A处电压变为

6、+十。0A+A-2Ut时刻：开关T关闭，T打开。C处电压变为-十。1 c+c-2Ut时刻：开关T闭合，T断开。B处电压变为+十。2 B+B-2Ut时刻：开关T关闭，T打开。A处电压变为卡。3 A+A-2Ut时刻：开关T闭合，T断开。C处电压变为+才。Ut时刻：开关T关闭，T打开。B处电压变为-十。5B+B-2每个周期各个开关期内的等下一周期的t时刻：开关T闭合，T断开。A处电压变为+笃A+A-2电压幅值电。其波形如图 2 所示。图 3 A 相开关同时闭合时的电路图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

7、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，如错误!未找到引用源。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t，而后其中一个开关再进行下一步闭合动作。t时间内，正负开 dd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。 td 的具体时间长短则 要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。死2U27巧2图 4 加入死区后的波形图尸关卄关二断卄，Ta幵年 z闭合兀一附幵斷弃开关丁；+闭合.兀卄关冲，断卄，斗

8、用甘t2.1 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5 / 21如图 5 所示接入负载的三相逆变电路。Z 、 Z 、 Z 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ABC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

9、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（Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM）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打/T6706

10、7gio n11 12图7 SPWM正弦波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

11、性图等数据。图 9 系统 Simulink 仿真错误!未找到引用源。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 measurement和voltage measurements 并将结果输出到示波器模块Scopel.4.1 仿真中的各个模块及其参数设定1) 整流桥Universal 日id羽e*3 sirms图 10 通用三相整流桥模块

12、吕 Block Parameters:二相暉流桥Uniwersal Bridge (皿ask) (link)*This block impleiiierLt a bridge of selected, poer electronics devices. Series RC Eriubber circuitm are cannecled in parallel urith each siuitch device. Press Help for suggested snubber value a when the model is discretised Fd工 most applications

13、 the in.ternal indu.ctLon of diodesthyristars should be set lazeroParamet ersNumber oi btidge axnis: 3Snubber resistance Rs COhjns)10000Snubber capacitarice Cs (F)iiPower Electronic device IGBT / DiodesRon (OhjnE)le-4Forward volt ages Device Vf (V) s Diode V d. (V)11rf , rt ()rrrOKCancelHelpApply图 1

14、1 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Pulses-J：.aDiscretePWIM GenerstE-r6 p u Is归图 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DiscretePWM 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o 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 output voltage是输出电压的频率，此处设 置为国内标准的 50Hz。吕 Source Block Parameters: Discrete PWM Geinera