三项电压源型SPWM逆变器

1、摘要与整流相对应，把直流电变成交流电称为逆变。逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。本文通过利用MATLAB设计分析三相电压源型逆变器PWM控制电路的方法,输出电压大小和波形的SPWM控制基本原理。给出了基于双极性倍频正弦脉冲宽度调制法的三相电压源型逆变器的仿真实例，所谓调制法，即把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM技术。它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。PWM控制技术正

2、是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。关键词 逆变 MATLAB SPWM 目录摘要1概述11.1任务要求11.2逆变电路简介11.3 PWM简介22方案设计32.1主电路分析32.2驱动电路的设计53 MATLAB仿真63.1三相SPWM波的产生63.2 SPWM逆变器仿真83.3 滤波器粗略分析114 心得体会12参考文献14三相电压源型SPWM逆变器的设计1概述1.1任务要求设计一三相电压源型SPWM逆变器电路，已知直流电源电压为250V,输出200V,50HZ；三相对称RL负载（星形接法），其中R的值为2、L的值为10mH。要求完成以下主要任务：（1）

3、方案设计；（2） 完成主电路的原理分析，各主要元器件的选择；（3） 驱动电路的设计；（4） 利用MATLAB仿真软件建模并仿真，获取输出电压电流波形，并对结果进行分析。1.2逆变电路简介与整流相对应，把直流电变成交流电称为逆变。当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变；当交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变。又逆变电路根据直流侧电源性质不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路；它们也分别被称为电压源型逆变电路和电流源型逆变电路。其中，电压源型逆变电路有以下主要特点：直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源，直流侧电压基本无脉动，直流

4、回路呈现低阻抗；由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同；当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。1.3 PWM简介PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。PWM控制技术的重要理论基础是面积等效原理，即：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。下面分析如何用一系列等幅不等

5、宽的脉冲来代替一个正弦半波。把正弦半波分成N等分，就可以把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。如果把这些脉冲序列用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就可得到图1-1所示的脉冲序列，这就是PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM波。SPWM方式控制波形可分为单极性和双极性。图1-1 用PWM波代替正弦波OwtUd-Ud图1-2 单极性SPWM控制方式波形如图1-2所示为单极性SPWM控制方式波形，即如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负

6、的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。根据面积等效原理，不难得知SPWM还可等效为图1-3中所示的PWM波，这种波形称为双极性SPWM波形，即如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。OwtUd-Ud图1-3 双极性SPWM控制方式波形2方案设计PWM逆变电路可分为电压型和电流型两种，目前实际应用的几乎都是电压型电路，因此本节主要分析电压型逆变电路的控制方法。要得到需要的PWM波形有两种方法，分别是计算法和调制法。根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和

7、间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形，这种方法称为计算法。由于计算法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。与计算法相对应的是调制法，即把希望调制的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，在调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形，这种情况应用最广。因此本设计采用调制法进行仿真，而且三相桥式PWM逆变电路都是采用双极性控制方式。2.1主电路分析图2-1是采用IGBT作为开关器件的三相桥式PWM逆变电路。图2-1 三相桥式PWM逆变电路三相桥式逆变器有六个带反并联续流二极管的

8、IGBT组成，分别为VT1VT6，直流侧由两个串联电容，他们共同提供直流电压Ud，负载为三相星形接法的阻感负载，调制电路分别由三相交流正弦调制波形和三角载波组成。其中三角载波频率和正弦调制波频率之比称为载波频率，调制波幅值和载波幅值之比称为调制度(也称调制比，0<m1)，这是SPWM调制中的两个重要参数。三角载波和正弦调制波相互调制产生六路脉冲信号分图2-2 三相桥式PWM逆变电路波形别给六个IGBT提供触发信号。U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波uc，三相的调制信号urU 、urV和urW依次相差120°。U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U相为例来

9、说明。当urU > uc时，给上桥臂V1以导通信号，给下桥臂V4以关断信号，则U相相对于直流电源假想中点N 的输出电压uUN' = Ud/2。当urU < uc时，给V4以导通信号，给V1以关断信号，则uUN' =-Ud/2。V1和V4的驱动信号始终是互补的。当给V1(V4)加导通信号时可能是V1(V4)导通也可能是二极管VD1(VD4) 续流导通，这要由阻感负载中 电流的方向来决定，这和单相桥式PWM逆变电路在双极性控制时的情况相同。V相及W相的控制方式都和U相相同。电路的波形如图2-2所示。可以看出，uUN' 、uVN'和uWN'的PWM

10、波形都只有±Ud/2两种电平。图中的线电压uUV的波形可由uUN - uVN'得出。可以看出，当桥臂1和6导通时，uUV = Ud，当桥臂3和4导通时，uUV = -Ud，当桥臂1和3或桥臂4和6导通时，uUV = 0。因此，逆变器的输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成。图2-2中的负载相电压uUN可由下式求得 uUN = uUN - uUN'+ uVN + uWN'3 (式2-1)从波形上和上式可以看出，负载相电压的PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共五种电平组成。三相桥式逆变器多选用绝缘栅双极晶体管，即IG

11、BT，它既具有MOSFET的工作速度快、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性好的优点，又包含了GTR的载流量大、阻断电压高等多项优点，是取代GTR的理想开关器件，而且通态压降低、开关速度快。本设计中IGBT的额定电流可取(1.52)Ud/R即(187.5250)A，额定电压可取(23) Ud/2即(250375)V，可以根据相关实际情况选取IRG的K系列的IGBT。2.2驱动电路的设计IGBT是电压驱动型器件，它的栅射极之间有数千皮法左右的极间电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路具有较小的输出电阻。使IGBT开通的栅射极间驱动电压一般取1520V。同样，关断时施加一定幅值的负驱动电压(一般取-

12、5-15V)有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一低值电阻(数十欧左右)可以减下寄生震荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减下。IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器，例如三菱公司的M579系列(如M57962L和M57959L)和富士公司的EXB系列(如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851) 。同一系列不同型号其引脚和接线基本相同，只是适用被动器件的容量和开关频率以及输入电流幅值等参数有所不同。图2-3给出了M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图。这些混合集成驱动器内部都具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路

13、给出故障信号。M57962L输出的正驱动电压均为+15V左右，负驱动电压为-10V。对大功率IGBT器件来讲，一般采用由专业厂家或者生产该器件的厂家提供的专用驱动模块。图2-3 M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图3 MATLAB仿真方案设计好了，原理也已分析的差不多了，接下来最重要的一环就是仿真了，首先三相SPWM逆变器要想工作，最重要的就是按要求生成三相SPWM信号波。3.1三相SPWM波的产生将正弦波和三角波按照调制度和载波比进行一些比较和运算，便可调制出所需的SPWM信号波。仿真过程中涉及到具体逆变器电路的调制比计算问题：输出线电压uUV的基波幅值与直流电源电压的关系如下， u

14、UVm= 3 m12Ud=0.866mUd (式3-1)输出线电压uUV的基波有效值为， uUVr=12uUVm=0.612mUd (式3-2)本设计要求直流电源电压Ud为250V，输出线电压基波幅值为200V(50Hz)，根据式3-1可得m=200/250/0.866=0.92 。根据原理分析，本设计采用双极性PWM控制方式波形，公用一个等腰三角载波，采用三个幅值、频率相同相位互差120°的三相交流正弦波形作为调制波。三相SPWM控制波形的发生电路如图3-1所示，在Simulink的“Source”库中选择“Clock”模块，以提供仿真时间t,乘以 2fr 后，再通过一个“sin”

15、模块即为sin，乘以调制比m(图中Constant常量模块)后可得到所需的正弦波调制信号，通过设置相位即可产生三相正弦波信号。三角载波信号由“Source”库中的“Repeating Sequence”模块产生,参数设置为【0 1/fc/4 2/fc/4 1/fc】和【-1 0 1 -1】，示波器采样频率设置高一些，便可生成频率为fc的三角载波。将调制波和载波通过一些运算与比较，即可得出三相SPWM触发脉冲波形。图3-1 三相SPWM控制波形发生电路新建一个M文件，将图3-1中的示波器Scope1(Scope是观察单相SPWM波形的)的名称设置为INV1，则可根据程序输出图3-2的调制信号和三

16、角载波波形。程序如下：图3-2 三相SPWM控制波形subplot(1,1,1); plot(INV1.time,INV1.signals.values);axis(0 0.04 -1 1);为了使仿真简便，参数易于设置，而且SPWM是应用非常广泛的一种控制方式，因此图3-1所示的SPWM发生电路已封装成子模块。3.2 SPWM逆变器仿真三相电压源型SPWM逆变器仿真电路如图3-3所示：图3-3 三相电压源型SPWM逆变器设置参数，将调制度m设置为0.92，调制波频率设为50Hz，载波比N一般取3的整数倍以使三相输出波形严格对称，设为基波的30倍（载波比N=30），即载波频率为1500Hz，仿

17、真时间设为0.04s(实际仿真调试中仿真0.04s已足够分析)，在powergui(powergui是电力图形用户界面，是电路和系统分析的图形界面，提供了相当丰富的分析工具)中设置为离散仿真(Discrete)模式，采样时间设为1e-006s，运行仿真图形，然后建立m文件，程序如下所示：subplot(3,1,1);plot(inv.time,inv.signals(1).values);title(' Uab线电压波形')axis(0 0.04 -300 300)subplot(3,1,2);plot(inv.time,inv.signals(2).values);title

18、('A相输出电压Ua波形');subplot(3,1,3);plot(inv.time,inv.signals(3).values);axis(0 0.04 -40 40);title('A相输出电流Ia波形');运行程序，便可得到输出波形，如图3-4所示：图3-4 三相电压源型SPWM逆变电路输出波形分析上图可知，逆变器的输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成，负载相电压的PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共五种电平组成，与第2章中图2-2的分析一致，说明仿真正确。下面对输出波形进行FFT分析。已知Ud= 250

19、V，载波频率和调制信号频率分别为1500Hz和50Hz，载波比N=30。输出线电压的FFT分析结果如图3-5所示，据图可知，输出线电压的基波幅值为199.1V，与要求的输出200V误差很小，仿真结果正确，谐波分布中最高的为28、32次谐波，考虑最高频率为4500Hz时谐波总畸变率THD=77.39% 。输出相电压的FFT分析结果如图3-6所示，据图可知，输出相电压的基波幅值为114.9V=199.1/3 V，说明三相波形基本对称，考虑最高频率为4500Hz时谐波总畸变率THD=77.38% 。输出相电流的FFT分析结果如图3-7所示，据图可知，输出相电流的基波幅值为31.68A，考虑最高频率为

20、4500Hz时谐波总畸变率THD=21.07% ，近似为正弦波。图3-5 输出负载线电压的FFT分析图3-6 输出负载相电压的FFT分析图3-7 输出负载相电流的FFT分析3.3 滤波器粗略分析经过以上对输出波形的FFT分析，可知输出负载线电压(或者相电压)的谐波含量非常高，实际应用中需要加入滤波电路以使输出电压、电流近似为正弦波。在此可以用MATLAB设计一个简单的LC滤波器(参数为调试的粗略参数，在此不进行相关的复杂计算)。电路如图3-8所示：图3-8 带滤波器的SPWM逆变器输出相电压的FFT分析结果如图3-9所示，从图中可以可以看出，输出相电压近似为正弦波，基波幅值为111.3V，考虑

21、最高频率为4500Hz时THD=3.07% ，可见低通滤波器会稍微影响到输出的电压值，但可以大大减少谐波含量，可以使负载运行在最佳状态。图3-9 滤波后的输出相电压FFT分析综上所述，PWM控制方法主要是正弦调制信号波和三角波载波相比较的方法。由PWM控制原理和谐波分析可知，当载波比足够高时，用这种方法所得到的输出波形中不含低次谐波，只含和载波频率有关的谐波。输出波形中所含谐波的多少是衡量PWM控制方法优劣的重要标志，但不是唯一的标志。提高逆变电路的直流电压利用率、减少开关次数等也是很重要的。直流电压利用率是逆变电路所能输出的交流电压基波最大幅值U1m和直流侧电压Ud之比，提高直流电压利用率可

22、以提高逆变器的输出能力。减少功率器件的开关次数可以降低开关损耗。此外，不同的负载性质和不同的应用场合对逆变电路都会有不同的要求。因此，实际中有多种改进方法以提高PWM型逆变电路综合性能或某一特别关心的性能。4 心得体会在本次三相电压源型SPWM逆变器的设计过程中，历经百般波折，通过几个昼夜的艰苦奋战，终于在我几近绝望的最后关头突然跳出来一个窗口，仿真运行成功了，波形正确，当时可谓手舞足蹈、欢欣雀跃，总算努力没有白费，俗话说得好：坚持，就意味着一切。本次电力电子技术课程设计感受颇深，受益匪浅。一抽到题目，看到是“三相电压源型SPWM逆变器的设计”一开始确实脑子一片空白，不知道从何着手，但仔细想了想，此设计的关键就在于SPWM、逆变器这两个词，自认为电力电子基础知识学的还算可以吧，感觉就有了些许眉目，然后就迅速的把课本上第四章逆变电路和第七章PWM控制技术又复习了一遍，根据书上逆变器的原理和第七章的三相SPWM逆变电路的原理分析，便可确定主电路以及它的输出波形，因此，此设计的关键就在于按照要求生成SPWM控制波形，最后这次可设就简化为了“产生SPWM控制信号”。但是就在我沾沾自喜之余，突然在我的前面出现了一条栅栏，让我寸步难行，调制比该