MATLAB三相SPWM逆變器的調制建模和仿真設計

ID:442456 · 發表于 2018-12-8 23:24

摘要：對三相橋式逆變電路原理及其 SPWM 控制原理進行簡單的分析，針對開環 SPWM 電壓的不穩定提出一種電壓閉環 SPWM 控制模型。在 Matlab/Simulink 軟件環境中分別建立了三相 SPWM 逆變器開環仿真模型和具有電壓調節作用的 SPWM 閉環仿真模型，分別對其進行仿真分析。仿真結果表明電壓閉環 SPWM 控制比開環 SPWM 控制具有更好的動靜態特性。得出的結論對三相橋式逆變器的原理的理解、參數的確定、電路的設計有一定的參考價值和指導意義。

1．引言

三相無源電壓型SPWM逆變器就是通過PWM技術把直流電變換成交流電的裝置。相對于整流器將交流電轉換為固定電壓下的直流電而言，逆變器可把直流電變換成頻率、電壓固定或可調的交流電，稱為DC-AC變換。這是與整流相反的變換，因而稱為逆變[1] 。MATLAB軟件具有強大的數值計算功能,本文利用MATLAB/Simulik為SPWM逆變電路建立系統仿真模型，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PWM技術。
2．三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，該電路采用雙極性的控制方式，其基本的工作方式是180度的導電方式，每個橋臂的導電角度為180度，同一相（即同一橋臂）上下兩個橋臂交替導電，各相開始導電的角度依次相差120度。這樣在任一瞬間，將有三個橋臂同時導通。可能是上面一個臂下面兩個臂，也可能是上面兩個橋臂下面一個橋臂同時導通。因為每次換相都是用一相上下兩個橋臂之間進行，因此也被稱為縱向換流。為了防止同一相上下兩個橋臂的開關器件同時導通而引起直流側電源短路，要采取“先斷后通”的方法。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導通信號，給V1關斷信號，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)續流導通[1-2]。

圖1 三相電壓型橋式逆變電路

Fig.1 The three-phase voltage type inverter circuit

可以看出，V相及W相的控制方式都和U相同。當橋臂1和6導通時，Uuv=Ud，橋臂3和4導通時，Uuv=-Ud，當橋臂1和3或橋臂4和6導通時，Uuv=0。因此，逆變器的輸出線電壓PWM波由+Ud和-Ud還有0三種電平構成。

3．SPWM逆變器的基本工作原理

我們所用的PWM原理是:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。PWM是通過改變方波的占空比來改變等效的輸出電壓。特點是通用性強，原理簡單，具有開關頻率固定，控制及調節性能好，能消除諧波，結構設計簡化易懂，是一種較好的波形改善方法。我們所用的SPWM是根據面積等效原理，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律變化而和

正弦波等效的PWM波，也稱為SPWM波。

就是在PWM的基礎上改變了脈沖調制方式。脈沖寬度時間占空比按正弦規律排列，

這樣的輸出波形經過適當的濾波就可以得到正弦波輸出。它廣泛的應用到直流交流逆變器等。SPWM法就是利用脈沖寬度按正弦規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[2-3]。其雙極型PWM控制方式波形如圖2所示

圖2 雙極型PWM控制方式波形

Fig.2 bipolarPWM waveform control method

4．三相無源電壓型SPWM逆變器的建模與仿真

4.1三相電壓源SPWM逆變器的simulik建模

常見的逆變器有開環和閉環兩種控制方式，開環控制的逆變器具有電路結構和控制簡單，但是其輸出電壓非常不穩定。而閉環控制正好可以克服開環電壓輸出不穩定的缺點。反饋環節是通過實時監測三相輸出電壓，然后通過信號的處理再與基準電壓進行比較通過PI調節產生SPWM波，實時地調節逆變器的輸出電壓的幅值，以滿足實際要求。圖3a SPWM逆變閉環系統的反饋環節，系統框圖3b的仿真模型可以在開環和閉環仿真之間切換。

圖3a SPWM逆變器的反饋環節

Fig.3a The feedback part of SPWM inverter

圖3b SPWM逆變器的仿真模型

Fig.3b The simulation model of SPWM inverter

4.2 其他參數設置

直流側的電壓都設置為580V,輸出頻率都設置為50Hz。系統主回路選用IGBT作為開關器件，為了減少輸出電壓的諧波，逆變器輸出端接LC濾波電路，L=2mH,=4Kvar，負載端串聯斷路器breaker的方法來設置負載的跳變。仿真算法選用ode45算法，仿真時間為0.1s。

5．仿真結果及仿真特性分析

2、圖4所示分別為開環SPWM控制和閉環SPWM控制的三相電壓及有效值仿真波形圖。

圖4a 開環SPWM控制三相電壓波形圖

Fig.4a voltage waveforms of open loop SPWM control

圖4b 閉環SPWM控制三相電壓波形圖

Fig.4b voltage waveforms of closed loop SPWM control

其中在0.05s時負載從初始值60kW跳變到70kW。從仿真輸出的三相相電壓可以看出，當負載突變時開環SPWM控制電壓將隨負載變化，啟動瞬間三相的電壓波動較大，穩態時電壓降低了約15v,有效值約降了25v。而電壓閉環SPWM控制電壓將會很快穩定回到設定值，具有很好的穩定性和動態特性。

4．結論

通過上面所述的用Matlab/Simulink對三相無源電壓型SPWM逆變器進行了建模與仿真，證明了Matlab/Simulink有比較好的用戶界面和模型結構，為用到仿真的廣大用戶提供了足夠的電力電子器件，仿真結果清

晰可靠。

此次的建模過程讓我受益匪淺，對于三相無源電壓型SPWM逆變器的工作原理又有了進一步的了解，彌補了以前不會的內容。比如，1）SPWM控制技術控制逆變器在經過適當的濾波可以很好的把直流電逆變成我們所需要的交流電；2）負載的突變可以影響逆變的輸出電壓。3）通過電壓閉環控制的反饋作用可以穩定逆變器的電壓輸出，其穩態特性和動態特性都很好。

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