三相SPWM逆變器的調制建模和仿真

2013-09-19 10:29:32劉維亭

電子設計工程 2013年1期

陸兵，劉維亭

（江蘇科技大學電子信息學院，江蘇鎮江 212003）

隨著電力電子技術的發展，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。它的出現為中小型逆變器的發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軟件具有強大的數值計算功能，方便直觀的Simulink建模環境，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。可能是上面一個臂下面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間內的面積相等，通過改變調制波的頻率和幅值則可調節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[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 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的動態數學模型，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，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。通過適當的參數設置，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。