三相電壓源型SPWM逆變器仿真設(shè)計(jì)與分析

與整流相對(duì)應(yīng)，把直流電變成交流電稱為逆變。當(dāng)交流側(cè)接在電網(wǎng)上，即交流側(cè)接有電源時(shí)，稱為有源逆變；當(dāng)交流側(cè)直接和負(fù)載連接時(shí)，稱為無源逆變。又逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路；它們也分別被稱為電壓源型逆變電路和電流源型逆變電路。其中，電壓源型逆變電路有以下主要特點(diǎn)：直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源，直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗；由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同；當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用，為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。

PWM（Pulse Width Modulation）控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形。PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)是面積等效原理，即：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。下面分析如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)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個(gè)彼此相連的脈沖序列所組成的波形。如果把這些脈沖序列用相同數(shù)量的等幅不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，就可得到圖1-1所示的脈沖序列，這就是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，也稱為SPWM波。SPWM方式控制波形可分為單極性和雙極性。

圖1-1  用PWM波代替正弦波

圖1-2 單極性SPWM控制方式波形

如圖1-2所示為單極性SPWM控制方式波形，即如果在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)，三角載波只在正或負(fù)的一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的SPWM波也只處于一個(gè)極性的范圍內(nèi)，叫做單極性控制方式。根據(jù)面積等效原理，不難得知SPWM還可等效為圖1-3中所示的PWM波，這種波形稱為雙極性SPWM波形，即如果在正弦調(diào)制波半個(gè)周期內(nèi)，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負(fù)之間變化，叫做雙極性控制方式。

圖1-3 雙極性SPWM控制方式波形

PWM逆變電路可分為電壓型和電流型兩種，目前實(shí)際應(yīng)用的幾乎都是電壓型電路，因此本節(jié)主要分析電壓型逆變電路的控制方法。要得到需要的PWM波形有兩種方法，分別是計(jì)算法和調(diào)制法。根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形，這種方法稱為計(jì)算法。由于計(jì)算法較繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化。與計(jì)算法相對(duì)應(yīng)的是調(diào)制法，即把希望調(diào)制的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過信號(hào)波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，在調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形，這種情況應(yīng)用最廣。因此本設(shè)計(jì)采用調(diào)制法進(jìn)行仿真，而且三相橋式PWM逆變電路都是采用雙極性控制方式。

圖2-1是采用IGBT作為開關(guān)器件的三相橋式PWM逆變電路。

圖2-1 三相橋式PWM逆變電路

三相橋式逆變器有六個(gè)帶反并聯(lián)續(xù)流二極管的IGBT組成，分別為VT1~VT6，直流側(cè)由兩個(gè)串聯(lián)電容，他們共同提供直流電壓Ud，負(fù)載為三相星形接法的阻感負(fù)載，調(diào)制電路分別由三相交流正弦調(diào)制波形和三角載波組成。其中三角載波頻率和正弦調(diào)制波頻

率之比稱為載波頻率，調(diào)制波幅值和載波幅值之比稱為調(diào)制度(也稱調(diào)制比，0<m1)，這

是SPWM調(diào)制中的兩個(gè)重要參數(shù)。三角載波和正弦調(diào)制波相互調(diào)制產(chǎn)生六路脈沖信號(hào)分

圖2-2 三相橋式PWM逆變電路波形

別給六個(gè)IGBT提供觸發(fā)信號(hào)。

U、V和W三相的PWM控制通常公用一個(gè)三角波載波，三相的調(diào)制信號(hào)、和依次相差120°。U、V和W各相功率開關(guān)器件的控制規(guī)律相同，現(xiàn)以U相為例來說明。當(dāng) > 時(shí)，給上橋臂V1以導(dǎo)通信號(hào)，給下橋臂V4以關(guān)斷信號(hào)，則U相相對(duì)于直流電源假想中點(diǎn)N’ 的輸出電壓 =/2。當(dāng) < 時(shí)，給V4以導(dǎo)通信號(hào)，給V1以關(guān)斷信號(hào)，則=/2。V1和V4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)始終是互補(bǔ)的。當(dāng)給V1(V4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)可能是V1(V4)導(dǎo)通也可能是二極管VD1(VD4) 續(xù)流導(dǎo)通，這要由阻感負(fù)載中                                 

電流的方向來決定，這和單相橋式PWM逆變電路在雙極性控制時(shí)的情況相同。V相及W相的控制方式都和U相相同。電路的波形如圖2-2所示�？梢钥闯�， 、和的PWM波形都只有±/2兩種電平。圖中的線電壓的波形可由 - 得出�？梢钥闯觯�當(dāng)橋臂1和6導(dǎo)通時(shí)， = ，當(dāng)橋臂3和4導(dǎo)通時(shí)， = -，當(dāng)橋臂1和3或橋臂4和6導(dǎo)通時(shí)， = 0。因此，逆變器的輸出線電壓PWM波由±和0三種電平構(gòu)成。圖2-2中的負(fù)載相電壓可由下式求得

從波形上和上式可以看出，負(fù)載相電壓的PWM波由(±2/3)、(±1/3)和0共五種電平組成。

方案設(shè)計(jì)好了，原理也已分析的差不多了，接下來最重要的一環(huán)就是仿真了，首先三相SPWM逆變器要想工作，最重要的就是按要求生成三相SPWM信號(hào)波。

將正弦波和三角波按照調(diào)制度和載波比進(jìn)行一些比較和運(yùn)算，便可調(diào)制出所需的SPWM信號(hào)波。仿真過程中涉及到具體逆變器電路的調(diào)制比計(jì)算問題：

輸出線電壓的基波幅值與直流電源電壓的關(guān)系如下，

                     =0.866m                       (3-1)

輸出線電壓的基波有效值為，

                                            =0.612m                         (3-2)

假如本設(shè)計(jì)要求是：直流電源電壓為400V，輸出線電壓基波幅值為300V(50Hz)，根據(jù)式3-1可得m=300/400/0.866=0.866 。

根據(jù)原理分析，本設(shè)計(jì)采用雙極性PWM控制方式波形，公用一個(gè)等腰三角載波，采用三個(gè)幅值、頻率相同相位互差120°的三相交流正弦波形作為調(diào)制波。三相SPWM控制波形的發(fā)生電路如圖3-1所示，在Simulink的“Source”庫(kù)中選擇“Clock”模塊，以提供仿真時(shí)間t,乘以后，再通過一個(gè)“sin”模塊即為sin，乘以調(diào)制比m(圖中Constant常量模塊)后可得到所需的正弦波調(diào)制信號(hào)，通過設(shè)置相位即可產(chǎn)生三相正弦波信號(hào)。三角載波信號(hào)由“Source”庫(kù)中的“Repeating Sequence”模塊產(chǎn)生,參數(shù)設(shè)置為[0  1//4  3//4  1/]和[0  -1  1  0],其中，fc為載波的頻率，也叫PWM開關(guān)頻率，比如設(shè)置開關(guān)頻率為3kHz，將fc替換成3000即可。另外，示波器采樣頻率設(shè)置高一些，便可生成頻率為的三角載波。將調(diào)制波和載波通過一些運(yùn)算與比較，即可得出三相SPWM觸發(fā)脈沖波形。圖3-2給出了調(diào)制信號(hào)和三角載波波形。

圖3-1 三相SPWM控制波形發(fā)生電路

圖3-2 三相SPWM控制波形

為了使仿真簡(jiǎn)便，參數(shù)易于設(shè)置，而且SPWM是應(yīng)用非常廣泛的一種控制方式，因此圖3-1所示的SPWM發(fā)生電路已封裝成子模塊。

三相電壓源型SPWM逆變器仿真電路如圖3-3所示，且負(fù)載為阻感負(fù)載（R=10Ω，電感L=10mH）。

圖3-3 三相電壓源型SPWM逆變器

設(shè)置參數(shù)，將調(diào)制度m設(shè)置為0.866，調(diào)制波頻率設(shè)為50Hz，載波比N一般取3的整數(shù)倍以使三相輸出波形嚴(yán)格對(duì)稱，設(shè)為基波的60倍（載波比N=60），即載波頻率為3000Hz，仿真時(shí)間設(shè)為0.04s(實(shí)際仿真調(diào)試中仿真0.04s已足夠分析)，在powergui(powergui是電力圖形用戶界面，是電路和系統(tǒng)分析的圖形界面，提供了相當(dāng)豐富的分析工具)中設(shè)置為離散仿真(Discrete)模式，采樣時(shí)間設(shè)為5e-006s，運(yùn)行仿真圖形。

運(yùn)行程序，便可得到輸出波形，如圖3-4所示：

（從上到下依次為：負(fù)載電流、線電壓Vab和相電壓Va）

圖3-4 三相電壓源型SPWM逆變電路輸出波形

分析上圖可知，逆變器的輸出線電壓PWM波由±和0三種電平構(gòu)成，負(fù)載相電壓的PWM波由(±2/3)、(±1/3)和0共五種電平組成，與第2章中圖2-2的分析一致，說明仿真正確。下面對(duì)輸出波形進(jìn)行FFT分析。

已知= 400V，載波頻率和調(diào)制信號(hào)頻率分別為3000Hz和50Hz，載波比N=60。輸出線電壓的FFT分析結(jié)果如圖3-5所示，據(jù)圖可知，輸出線電壓的基波幅值為300.5V，與要求的輸出300V誤差很小，仿真結(jié)果正確，諧波分布中最高的為56、64次諧波，考慮最高頻率為9000Hz時(shí)諧波總畸變率THD=83.32% 。輸出相電壓的FFT分析結(jié)果如圖3-6所示，據(jù)圖可知，輸出相電壓的基波幅值為173.4V=300.5/ V，說明三相波形基本對(duì)稱，考慮最高頻率為9000Hz時(shí)諧波總畸變率THD=83.38% 。輸出相電流的FFT分析結(jié)果如圖3-7所示，據(jù)圖可知，輸出相電流的基波幅值為16.55A，考慮最高頻率為9000Hz時(shí)諧波總畸變率THD=7.27% ，近似為正弦波。

圖3-5 輸出負(fù)載線電壓的FFT分析

圖3-6 輸出負(fù)載相電壓的FFT分析

圖3-7 輸出負(fù)載相電流的FFT分析

經(jīng)過以上對(duì)輸出波形的FFT分析，可知輸出負(fù)載線電壓(或者相電壓)的諧波含量非常高，實(shí)際應(yīng)用中需要加入濾波電路以使輸出電壓、電流近似為正弦波。在此可以用MATLAB設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的LC濾波器(參數(shù)為調(diào)試的粗略參數(shù)，在此不進(jìn)行相關(guān)的復(fù)雜計(jì)算)。電路如圖3-8所示：

圖3-8 帶濾波器的SPWM逆變器

輸出相電壓的FFT分析結(jié)果如圖3-9所示，從圖中可以看出，輸出相電壓近似為正弦波，基波幅值為178.2V，考慮最高頻率為9000Hz時(shí)THD=1.58% ，可見低通濾波器會(huì)稍微影響到輸出的電壓值，但可以大大減少諧波含量，可以使負(fù)載運(yùn)行在最佳狀態(tài)。

圖3-9 濾波后的輸出相電壓FFT分析

綜上所述，PWM控制方法主要是正弦調(diào)制信號(hào)波和三角波載波相比較的方法。由PWM控制原理和諧波分析可知，當(dāng)載波比足夠高時(shí)，用這種方法所得到的輸出波形中不含低次諧波，只含和載波頻率有關(guān)的諧波。輸出波形中所含諧波的多少是衡量PWM控制方法優(yōu)劣的重要標(biāo)志，但不是唯一的標(biāo)志。提高逆變電路的直流電壓利用率、減少開關(guān)次數(shù)等也是很重要的。直流電壓利用率是逆變電路所能輸出的交流電壓基波最大幅值U1m和直流側(cè)電壓Ud之比，提高直流電壓利用率可以提高逆變器的輸出能力。減少功率器件的開關(guān)次數(shù)可以降低開關(guān)損耗。此外，不同的負(fù)載性質(zhì)和不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)逆變電路都會(huì)有不同的要求。因此，實(shí)際中有多種改進(jìn)方法以提高PWM型逆變電路綜合性能或某一特別關(guān)心的性能。