三相SPWM逆變器的調制建模和仿真

陸 兵，劉維亭

（江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

隨著電力電子技術的發(fā)展，SPWM正弦脈寬調制法正逐漸被人們熟悉，這項技術的特點是通用性強，原理簡單。具有開關頻率固定，控制和調節(jié)性能好，能消除諧波，設計簡單，是一種比較好的波形改善法。它的出現(xiàn)為中小型逆變器的發(fā)展起了重要的推動作用。由于大功率電力電子裝置的結構復雜，若直接對裝置進行實驗，且代價高費時費力，故在研制過程中需要借助計算機仿真技術，對裝置的運行機理與特性，控制方法的有效性進行試驗，以預測并解決問題，縮短研制時間。MATLAB軟件具有強大的數(shù)值計算功能，方便直觀的Simulink建模環(huán)境，使復雜電力電子裝置的建模與仿真成為可能。本文利用MATLAB/Simulink為SPWM逆變電路建立系統(tǒng)仿真模型，并對其輸出特性進行仿真分析。SPWM技術成為目前應用最為廣泛的逆變用PWM技術。因此，研究SPWM逆變器的基本工作原理和作用特性意義十分重大[1]。

1 三相電壓型橋式逆變電路

三相電壓型橋式逆變電路如圖1所示，電壓型三相橋式逆變電路的基本工作方式也是180°導電方式，即每個橋臂的導電角度為180°，同一相上下2個橋臂交替導電，各相開始導電的角度依次相差120°。這樣，在任一瞬間，將有3個橋臂同時導通?？赡苁巧厦嬉粋€臂下面2個臂，也可能是上面兩個臂下面一個臂同時導通。因為每次換流都是在同一相上下兩個橋臂之間進行的，因此也被稱為縱向換流[2]。當urU>uc時，給上橋V1臂以導通信號，給下橋臂V4以關斷信號，則U相相對于電源假想中點 N′的輸出電壓 uUN′=Ud/2。 當 urU＜uc時，給 V4導通，給 V1關斷，則 uUN′=-Ud/2。V1和 V4的驅動信號始終是互補的。 當給 V1（V4）加導通信號時，可能是 V1（V4）導通，也可能是二極管 VD1（VD4）續(xù)流導通[3]。

2 SPWM逆變器的工作原理

PWM的全稱是Pulse Width Modulation（脈沖寬度調制），它是通過改變方波的占空比來改變等效的輸出電壓。所謂的SPWM，他是根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦波是等效的，對于正弦波的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱SPWM波形[4]。就是在PWM的基礎上改變了調制脈沖方式，脈沖寬度時間占空比按正弦規(guī)律排列，這樣的輸出波形經過適當?shù)臑V波就可以得到正弦波輸出。它廣泛的應用于直流交流逆變器等。

圖1 三相橋式逆變電路原理圖Fig.1 Three phase full bridge SPWM inverter

SPWM法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的PWM法，SPWM法就是用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓面積與所希望輸出的正弦波在相應區(qū)間內的面積相等，通過改變調制波的頻率和幅值則可調節(jié)逆變電路輸出的電壓和幅值[5]。

要準確的生成SPWM波形，就要精確的計算出這兩個點的時間。開關元件導通時間是脈沖寬度，關段時間是脈沖間隙。正弦波的頻率和幅值不同時，這些時間也不同，但對計算機來說，時間定時器來實現(xiàn)[6]。調制方法可以自己選擇。

3 三相電壓源SPWM逆變器的建模與仿真

3.1 三相電壓源SPWM逆變器的MATLAB/Simulink建模

SPWM逆變器EDMATLAB/Simulink仿真模型如圖2所示。

圖2 SPWM逆變器的MATLAB/Simulink仿真模型Fig.2 MATLAB/Simulink simulation model of SPWM inverter

3.2 其他參數(shù)設置

逆變器的仿真建模如圖2所示，有效值測量模塊RMS設置其參數(shù) Fundamental frequency（Hz）為 50 Hz，電壓設置為220 V，阻感性負載R=3，L=0.01三負載設置相同。

4 仿真結果

下面是輸出交流頻率為f=50 Hz，調制度為m=0.7時的曲線 ，逆變器電壓和電流輸出波形如圖3和圖4所示，A相阻感性負載的電流有效值如圖5所示。

5 結 論

通過上述采用Matlab/Simulink對三相SPWM逆變器進行建模和仿真的過程證明了Matlab/Simulink有良好的用戶界面和模型結構，尤其是Power System Broswer為電氣系統(tǒng)仿真省去了復雜的過程。它提供了極為有用的電力電子器件模塊，用戶不需要自己編程且不需推導系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型，建模過程更接近實際電路設計過程，且使用簡便，也對三相SPWM逆變器有了進一步的理解。

在使用Matlab的Simulink進行仿真時，很多時候波形不能夠快速正確的出現(xiàn)，這時就需要研究其深層次的原理，同時要注意Matlab的仿真的一些細節(jié)。通過適當?shù)膮?shù)設置，選擇能夠滿足的控制方式，運用SPWM控制技術，可以有效減小輸出電壓和輸出電流的諧波分量，改善輸出波形。

圖3 逆變器輸出電壓波形Fig.3 Output voltage wave of inverter

圖4 逆變器的輸出電流波形Fig.4 Output current wave of inverter

圖5 A相阻感性負載的電流有效值Fig.5 Valid values for resistive inductive load current of part A

[1]王兆安.電力電子技術[M].北京:機械工業(yè)出版社，2009.

[2]薛定宇.基于Matlab/Simulink的系統(tǒng)仿真技術與應用[M].北京:清華大學出版社，2006.

[3]陳國呈.PWM逆變技術及應用[M].北京:中國電力出版社，2007.

[4]陳伯時，陳敏遜.交流調速系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社，1998.

[5]張燕賓.SPWM變頻調速應用技術[M].北京:機械工業(yè)出版社，2002.

[6]李永東.交流電機數(shù)字控制系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2002.