MATLAB三相SPWM逆變器的調(diào)制建模和仿真設(shè)計

ID:442456 · 發(fā)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(huán) SPWM 電壓的不穩(wěn)定提出一種電壓閉環(huán) SPWM 控制模型。在 Matlab/Simulink 軟件環(huán)境中分別建立了三相 SPWM 逆變器開環(huán)仿真模型和具有電壓調(diào)節(jié)作用的 SPWM 閉環(huán)仿真模型，分別對其進行仿真分析。仿真結(jié)果表明電壓閉環(huán) SPWM 控制比開環(huán) SPWM 控制具有更好的動靜態(tài)特性。得出的結(jié)論對三相橋式逆變器的原理的理解、參數(shù)的確定、電路的設(shè)計有一定的參考價值和指導(dǎo)意義。

1．引言

三相無源電壓型SPWM逆變器就是通過PWM技術(shù)把直流電變換成交流電的裝置。相對于整流器將交流電轉(zhuǎn)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(diào)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(shù)值計算功能,本文利用MATLAB/Simulik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(shù)成為目前應(yīng)用最為廣泛的逆變PWM技術(shù)。
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(dǎo)電方式，每個橋臂的導(dǎo)電角度為180度，同一相（即同一橋臂）上下兩個橋臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)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(dǎo)通�？赡苁巧厦嬉粋€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(dǎo)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(guān)器件同時導(dǎo)通而引起直流側(cè)電源短路，要采取“先斷后通”的方法。當(dāng)Uru>Uc時，給上橋V1臂以導(dǎo)通信號，給下橋臂V4以關(guān)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(dāng)Uru<Uc時，給V4導(dǎo)通信號，給V1關(guān)斷信號，則UuN'=-Ud／2。V1和V4的驅(qū)動信號始終是互補的。當(dāng)給V1(V4)加導(dǎo)通信號時，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是二極管VD1(VD4)續(xù)流導(dǎo)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(dāng)橋臂1和6導(dǎo)通時，Uuv=Ud，橋臂3和4導(dǎo)通時，Uuv=-Ud，當(dāng)橋臂1和3或橋臂4和6導(dǎo)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(gòu)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(huán)節(jié)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(guān)頻率固定，控制及調(diào)節(jié)性能好，能消除諧波，結(jié)構(gòu)設(shè)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(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(fù)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，也稱為SPWM波。

就是在PWM的基礎(chǔ)上改變了脈沖調(diào)制方式。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(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波就可以得到正弦波輸出。它廣泛的應(yīng)用到直流交流逆變器等。SPWM法就是利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(guān)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(huán)和閉環(huán)兩種控制方式，開環(huán)控制的逆變器具有電路結(jié)構(gòu)和控制簡單，但是其輸出電壓非常不穩(wěn)定。而閉環(huán)控制正好可以克服開環(huán)電壓輸出不穩(wěn)定的缺點。反饋環(huán)節(jié)是通過實時監(jiān)測三相輸出電壓，然后通過信號的處理再與基準(zhǔn)電壓進行比較通過PI調(diào)節(jié)產(chǎn)生SPWM波，實時地調(diào)節(jié)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(huán)系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)框圖3b的仿真模型可以在開環(huán)和閉環(huán)仿真之間切換。

圖3a SPWM逆變器的反饋環(huán)節(jié)

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(shù)設(shè)置

直流側(cè)的電壓都設(shè)置為580V,輸出頻率都設(shè)置為50Hz。系統(tǒng)主回路選用IGBT作為開關(guān)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(fù)載端串聯(lián)斷路器breaker的方法來設(shè)置負(fù)載的跳變。仿真算法選用ode45算法，仿真時間為0.1s。

5．仿真結(jié)果及仿真特性分析

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

圖4a 開環(huán)SPWM控制三相電壓波形圖

Fig.4a voltage waveforms of open loop SPWM control

圖4b 閉環(huán)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(fù)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(dāng)負(fù)載突變時開環(huán)SPWM控制電壓將隨負(fù)載變化，啟動瞬間三相的電壓波動較大，穩(wěn)態(tài)時電壓降低了約15v,有效值約降了25v。而電壓閉環(huán)SPWM控制電壓將會很快穩(wěn)定回到設(shè)定值，具有很好的穩(wěn)定性和動態(tài)特性。

4．結(jié)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(jié)構(gòu)，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(jié)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(nèi)容。比如，1）SPWM控制技術(shù)控制逆變器在經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波可以很好的把直流電逆變成我們所需要的交流電；2）負(fù)載的突變可以影響逆變的輸出電壓。3）通過電壓閉環(huán)控制的反饋作用可以穩(wěn)定逆變器的電壓輸出，其穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性都很好。

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