三相SPWM逆變器的調(diào)制建模和仿真

摘要：簡(jiǎn)單介紹了三相SPWM逆變器的組成和工作原理，通過計(jì)算機(jī)時(shí)三相SPWM逆變器進(jìn)行Matlab／Simulink建模和仿真，研究逆變電路的輸入輸出及其特性。仿真分析經(jīng)逆變后得到的電壓電流的特性。通過運(yùn)用Matlab／Simulink和Power System Block(PSB)電力系統(tǒng)模塊集工具箱仿真環(huán)境，對(duì)電路進(jìn)行建模、計(jì)算和仿真分析。MATLAB軟件中的Simulink，是為數(shù)不多的完全滿足這些條件和要求的軟件。并且憑借他在科學(xué)計(jì)算方面的天然優(yōu)勢(shì)建立了從設(shè)計(jì)構(gòu)思到最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的可視化橋梁。被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。
關(guān)鍵詞：SPWM；三相逆變器；Matlab／Simulink；仿真

    隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，SPWM正弦脈寬調(diào)制法正逐漸被人們熟悉，這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)是通用性強(qiáng)，原理簡(jiǎn)單。具有開關(guān)頻率固定，控制和調(diào)節(jié)性能好，能消除諧波，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(dòng)作用。由于大功率電力電子裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若直接對(duì)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，且代價(jià)高費(fèi)時(shí)費(fèi)力，故在研制過程中需要借助計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)裝置的運(yùn)行機(jī)理與特性，控制方法的有效性進(jìn)行試驗(yàn)，以預(yù)測(cè)并解決問題，縮短研制時(shí)間。MATLAB軟件具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能，方便直觀的Simulink建模環(huán)境，使復(fù)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(duì)其輸出特性進(jìn)行仿真分析。SPWM技術(shù)成為目前應(yīng)用最為廣泛的逆變用PWM技術(shù)。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 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(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為180°，同一相上下2個(gè)橋臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度依次相差120°。這樣，在任一瞬間，將有3個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。可能是上面一個(gè)臂下面2個(gè)臂，也可能是上面兩個(gè)臂下面一個(gè)臂同時(shí)導(dǎo)通。因?yàn)槊看螕Q流都是在同一相上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行的，因此也被稱為縱向換流。當(dāng)urU>uc時(shí)，給上橋V1臂以導(dǎo)通信號(hào)，給下橋臂V4以關(guān)斷信號(hào)，則U相相對(duì)于電源假想中點(diǎn)N’的輸出電壓uUN'=Ud／2。當(dāng)urU<uc時(shí)，給V4導(dǎo)通，給V1關(guān)斷，則uUN'=Ud／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。

2 SPWM逆變器的工作原理
    PWM的全稱是Pulse Width Modulation(脈沖寬度調(diào)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(duì)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波形，也稱SPWM波形。就是在PWM的基礎(chǔ)上改變了調(diào)制脈沖方式，脈沖寬度時(shí)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)用于直流交流逆變器等。
    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(guān)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(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出的電壓和幅值。
    要準(zhǔn)確的生成SPWM波形，就要精確的計(jì)算出這兩個(gè)點(diǎn)的時(shí)間。開關(guān)元件導(dǎo)通時(shí)間是脈沖寬度，關(guān)段時(shí)間是脈沖間隙。正弦波的頻率和幅值不同時(shí)，這些時(shí)間也不同，但對(duì)計(jì)算機(jī)來說，時(shí)間定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)。調(diào)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。

3．2 其他參數(shù)設(shè)置
    逆變器的仿真建模如圖2所示，有效值測(cè)量模塊RMS設(shè)置其參數(shù)Fundamental frequency(Hz)為50 Hz，電壓設(shè)置為220 V，阻感性負(fù)載R=3，L=0．01三負(fù)載設(shè)置相同。

4 仿真結(jié)果
    下面是輸出交流頻率為f=50 Hz，調(diào)制度為m=0．7時(shí)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(fù)載的電流有效值如圖5所示。

5 結(jié)論
    通過上述采用Matlab／Simulink對(duì)三相SPWM逆變器進(jìn)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(jié)構(gòu)，尤其是Power System Broswer為電氣系統(tǒng)仿真省去了復(fù)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(dǎo)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，建模過程更接近實(shí)際電路設(shè)計(jì)過程，且使用簡(jiǎn)便，也對(duì)三相SPWM逆變器有了進(jìn)一步的理解。
    在使用Matlab的Simulink進(jìn)行仿真時(shí)，很多時(shí)候波形不能夠快速正確的出現(xiàn)，這時(shí)就需要研究其深層次的原理，同時(shí)要注意Matlab的仿真的一些細(xì)節(jié)。通過適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置，選擇能夠滿足的控制方式，運(yùn)用SPWM控制技術(shù)，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。