基于Matlab的三相橋式SPWM逆變器建模與仿真

柳 凌，錢祥忠

（溫州大學(xué) 浙江 溫州 325035）

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是隨著大功率全控型電力電子器件(如GTO IGBT MOSFET IGCT等) 的開發(fā)成功和應(yīng)用技術(shù)的不斷成熟，電能變換技術(shù)出現(xiàn)了突破性進(jìn)展，這也使得逆變器的SPWM技術(shù)[1]得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

三相電壓橋式SPWM逆變電路[2-3]是電力電子技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的電路之一。深刻理解和熟練掌握該電路的原理對(duì)于正確設(shè)計(jì)和實(shí)際使用三相SPWM逆變具有指導(dǎo)意義。但是該電路比較復(fù)雜，分析起來也非常困難，目前各種典型教材中對(duì)這部分的闡述都不太詳細(xì)，對(duì)SPWM逆變控制介紹不多，特別的是對(duì)閉環(huán)控制涉及非常少。正因如此要想對(duì)這部分內(nèi)容有一個(gè)好的理解和掌握有一定難度。

為了更好的研究三相電壓橋式SPWM逆變，更好的幫助我們進(jìn)行逆變器的研究和設(shè)計(jì)，我們可以采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和仿真的方法來對(duì)其進(jìn)行研究。集成在Matlab中的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真工具Simulink具有編輯可視化以及極高的編程效率[4]，對(duì)該類系統(tǒng)的仿真研究具有極大的優(yōu)越性，使PWM型逆變電源的計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)邁向可視化的方向，擺脫了大規(guī)模計(jì)算、算法選擇及實(shí)現(xiàn)等工作的困擾，大大加快了我們的開發(fā)設(shè)計(jì)進(jìn)程，縮短了設(shè)計(jì)開發(fā)周期。

1 三相電壓橋式SPWM逆變?cè)?/h2>

逆變器（inverter）是把直流電能（電池、蓄電瓶）轉(zhuǎn)變成交流電（一般為220 V 50 Hz正弦或方波）。通俗的講，逆變器是一種將直流電（DC）轉(zhuǎn)化為交流電（AC）的裝置。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成．逆變技術(shù)的應(yīng)用大大提高了電能的使用效率以及電源的質(zhì)量，因此對(duì)于節(jié)約能源等方面有著重要的意義。

三相SPWM逆變器的主電路如圖1所示，它由6個(gè)帶反并聯(lián)二極管的全控開關(guān)器件構(gòu)成在控制上3個(gè)半橋間依次相差1/3個(gè)周期(120。)同一橋臂上下兩開關(guān)輪流導(dǎo)通和關(guān)斷濾波前相電壓是幅值為Ud/2的方波(Ud為直流側(cè)電壓)線電壓是幅值為Ud的方波。經(jīng)過濾波等適當(dāng)處理就可以變成我們需要的正弦波。

圖1 三相SPWM主電路Fig. 1 Main circuit of three-phase SPWM

圖2 雙極性正弦脈寬調(diào)制圖Fig. 2 Waveform Bipolar sine pulse width modulation

SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的PWM方法。圖2為雙極性脈寬調(diào)制波的形式圖。它是用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值即可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。圖2中Uc為等腰三角形的載波，Ur為正弦調(diào)制波，Ur1為逆變后的基波。調(diào)制波和載波的交點(diǎn)決定了SPWM脈沖序列的寬度和脈沖間的間隔寬度，如圖2所示，當(dāng)A相的Ur＞Uc時(shí)，圖1中所示IGBT1導(dǎo)通，輸出正弦脈沖電壓Ud/2，當(dāng)Ur＜Uc時(shí)，IGBT1關(guān)斷。在Ur負(fù)半周，用同樣方法控制IGBT4，輸出負(fù)的脈沖電壓序列，改變調(diào)制波頻率時(shí)，輸出電壓基波頻率隨之改變，降低調(diào)制波幅值時(shí)如Ur，各段脈沖的寬度變窄，輸出電壓基波幅值減少。同樣其他幾個(gè)管子也是同樣的方法控制其導(dǎo)通與關(guān)斷。這種SPWM逆變橋在工作時(shí)，同一橋臂的兩個(gè)逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規(guī)律交替地導(dǎo)通和關(guān)斷，毫不停息，而流過負(fù)載的電流是按線電壓規(guī)律變化的交變電流。

2 逆變器的建模

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(jiǎn)單的有點(diǎn)，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(diǎn)。閉環(huán)控制的三相橋式電壓型逆變系統(tǒng)框圖如圖3所示，它主要功能是采用SPWM控制方式將直流電壓變換成交流電壓，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)三相輸出電壓，然后通過信號(hào)的處理再與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較通過PI調(diào)節(jié)產(chǎn)生SPWM波，實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的幅值，以滿足實(shí)際要求。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，逆變器輸出端接有LC濾波電路[5-6]。

圖3 三相電壓橋式SPWM逆變系統(tǒng)框圖Fig. 3 Structure diagram of three-phase full bridge inverter

圖4 SPWM逆變系統(tǒng)仿真模型Fig.4 Simulation model of SPWM inverter

本系統(tǒng)是在Matlab2012a的版本下完成的，系統(tǒng)框圖4所示，圖4(a)是開環(huán)仿真的系統(tǒng)模型圖，圖4(b)是電壓閉環(huán)仿真系統(tǒng)模型圖。直流側(cè)電壓都設(shè)置為650 V，輸出頻率都設(shè)置為50 Hz。在模型中可以通過并聯(lián)或串聯(lián)斷路器breaker的方法來設(shè)置負(fù)載和直流電壓源的跳變。仿真算法選用ode45算法，仿真時(shí)間為0.2 s。

在圖4(b)所示的系統(tǒng)模型中，控制系統(tǒng)是非常重要的這是區(qū)別于開環(huán)控制的主要部分?？刂葡到y(tǒng)包括兩個(gè)部分，一是電壓調(diào)節(jié)部分（如圖4(c)所示）：對(duì)實(shí)時(shí)采集過來的電壓進(jìn)行降維、比較、PI調(diào)節(jié)等數(shù)學(xué)處理和計(jì)算；一是SPWM波產(chǎn)生部分（如圖4(d)所示）：將前面數(shù)字PI輸出的信號(hào)進(jìn)行還原再與三角載波進(jìn)行比較生成S P WM波對(duì)開關(guān)管進(jìn)行控制最終調(diào)解輸出電壓。其中在進(jìn)行降維和還原的過程中要用到park變換和ipark變換[7-8]，其變換公式如下：

3 SPWM的仿真分析

圖5所示分別為開環(huán)SPWM控制和閉環(huán)SPWM控制的仿真波形圖。

圖5 負(fù)載突變時(shí)三相電壓波形圖Fig.5 Three-phase voltage waveforms of load sudden change

其中在0.1 s時(shí)負(fù)載從初始值20 kW跳變到30 kW。從仿真輸出的三相相電壓可以看出，當(dāng)負(fù)載突變時(shí)開環(huán)SPWM控制電壓將會(huì)隨負(fù)載變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)電壓降低了約20 V。而電壓閉環(huán)SPWM控制電壓將會(huì)很快穩(wěn)定回到設(shè)定值(在0.1 s前后電壓大小不變)，具有很好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性。

圖6所示分別為直流電源突變的時(shí)候的波形，在0.1 s時(shí)候直流電壓由原來的650 V突變?yōu)?00 V。圖所示為開環(huán)SPWM仿真波形，圖所示為電壓閉環(huán)SPWM仿真波形。從圖中可以看出在直流電壓源突變的時(shí)候開環(huán)SPWM控制電壓也會(huì)突變，并且不會(huì)穩(wěn)定在原來的值了（0.1s前后電壓相差約25 V）。而電壓閉環(huán)波形會(huì)有小小的變化不過馬上就穩(wěn)定在預(yù)定值，其動(dòng)態(tài)特性比較好。

4 結(jié) 論

圖6 電壓突變時(shí)三相電壓波形圖Fig.6 Three-phase voltage waveforms of voltage change

通過上面的仿真分析我們可以得出：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)載或者電源的變化會(huì)影響逆變的輸出電壓；3)通過電壓閉環(huán)控制的反饋?zhàn)饔每梢苑€(wěn)定逆變器的電壓輸出，其穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性都很好；4)在逆變器后面接LC濾波器可以有效的減少輸出電壓的諧波。通過上述分析和總結(jié)使我們更深入理解三相電壓橋式逆變器的SPWM控制，為研究三相電壓橋式SPWM逆變器提供一定的理論指導(dǎo)，對(duì)設(shè)計(jì)三相電壓橋式SPWM逆變器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和參數(shù)選取有一定實(shí)際參考價(jià)值。

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