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    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
    關鍵詞:橋式正弦波導通

    陸 兵,劉維亭

    (江蘇科技大學 電子信息學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

    隨著電力電子技術的發(fā)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(jié)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(xiàn)為中小型逆變器的發(fā)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(shù)值計算功能,方便直觀的Simulink建模環(huán)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(tǒng)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??赡苁巧厦嬉粋€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(xù)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(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(guī)律排列,這樣的輸出波形經過適當?shù)臑V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(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(qū)間內的面積相等,通過改變調制波的頻率和幅值則可調節(jié)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(xiàn)[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(shù)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(shù) 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(tǒng)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(tǒng)的動態(tài)數(shù)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(xiàn),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(jié)。通過適當?shù)膮?shù)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。

    圖3 逆變器輸出電壓波形Fig.3 Output voltage wave of inverter

    圖4 逆變器的輸出電流波形Fig.4 Output current wave of inverter

    圖5 A相阻感性負載的電流有效值Fig.5 Valid values for resistive inductive load current of part A

    [1]王兆安.電力電子技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

    [2]薛定宇.基于Matlab/Simulink的系統(tǒng)仿真技術與應用[M].北京:清華大學出版社,2006.

    [3]陳國呈.PWM逆變技術及應用[M].北京:中國電力出版社,2007.

    [4]陳伯時,陳敏遜.交流調速系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998.

    [5]張燕賓.SPWM變頻調速應用技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.

    [6]李永東.交流電機數(shù)字控制系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.

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