三相电压源型SPWM逆变器的设计1概述1.1逆变电路简介

与整流相对应，把直流电变成交流电称为逆变。当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变；当交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变。又逆变电路根据直流侧电源性质不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路；它们也分别被称为电压源型逆变电路和电流源型逆变电路。其中，电压源型逆变电路有以下主要特点：直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源，直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗；由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同；当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。1.2 PWM简介

PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。PWM控制技术的重要理论基础是面积等效原理，即：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。把正弦半波分成N等分，就可以把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。如果把这些脉冲序列用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积(冲量)相等，就可得到图1-1所示的脉冲序列，这就是PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM波。SPWM方式控制波形可分为单极性和双极性。

图1-1  用PWM波代替正弦波

图1-2 单极性SPWM控制方式波形

如图1-2所示为单极性SPWM控制方式波形，即如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。根据面积等效原理，不难得知SPWM还可等效为图1-3中所示的PWM波，这种波形称为双极性SPWM波形，即如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。

图1-3 双极性SPWM控制方式波形2三相电压源逆变器工作原理

PWM逆变电路可分为电压型和电流型两种，目前实际应用的几乎都是电压型电路，因此本节主要分析电压型逆变电路的控制方法。要得到需要的PWM波形有两种方法，分别是计算法和调制法。根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形，这种方法称为计算法。由于计算法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。与计算法相对应的是调制法，即把希望调制的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，在调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形，这种情况应用最广。因此本设计采用调制法进行仿真，而且三相桥式PWM逆变电路都是采用双极性控制方式。

图2-1是采用IGBT作为开关器件的三相桥式PWM逆变电路。

图2-1 三相桥式PWM逆变电路

三相桥式逆变器有六个带反并联续流二极管的IGBT组成，分别为VT1~VT6，直流侧由两个串联电容，他们共同提供直流电压Ud，负载为三相星形接法的阻感负载，调制电路分别由三相交流正弦调制波形和三角载波组成。其中三角载波频率和正弦调制波频

率之比称为载波频率，调制波幅值和载波幅值之比称为调制度(也称调制比，0

1)，这

是SPWM调制中的两个重要参数。三角载波和正弦调制波相互调制产生六路脉冲信号分

图2-2 三相桥式PWM逆变电路波形

别给六个IGBT提供触发信号。

U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波

，三相的调制信号

、

和

依次相差120°。U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U相为例来说明。当

>

时，给上桥臂V1以导通信号，给下桥臂V4以关断信号，则U相相对于直流电源假想中点N’ 的输出电压

=

/2。当

<

时，给V4以导通信号，给V1以关断信号，则

=

/2。V1和V4的驱动信号始终是互补的。当给V1(V4)加导通信号时可能是V1(V4)导通也可能是二极管VD1(VD4) 续流导通，这要由阻感负载中

电流的方向来决定，这和单相桥式PWM逆变电路在双极性控制时的情况相同。V相及W相的控制方式都和U相相同。电路的波形如图2-2所示。可以看出，

、

和

的PWM波形都只有±

/2两种电平。图中的线电压

的波形可由

-

得出。可以看出，当桥臂1和6导通时，

=

，当桥臂3和4导通时，

= -

，当桥臂1和3或桥臂4和6导通时，

= 0。因此，逆变器的输出线电压PWM波由±

和0三种电平构成。图2-2中的负载相电压

可由下式求得

=

-

                                            (2-1)

从波形上和上式可以看出，负载相电压的PWM波由(±2/3)

、(±1/3)

和0共五种电平组成。3Matlab仿真建模与分析

方案设计好了，原理也已分析的差不多了，接下来最重要的一环就是仿真了，首先三相SPWM逆变器要想工作，最重要的就是按要求生成三相SPWM信号波。3.1三相SPWM波的产生

将正弦波和三角波按照调制度和载波比进行一些比较和运算，便可调制出所需的SPWM信号波。仿真过程中涉及到具体逆变器电路的调制比计算问题：

输出线电压

的基波幅值与直流电源电压的关系如下，

=0.866m

                       (3-1)

输出线电压

的基波有效值为，

=0.612m

                         (3-2)

假如本设计要求是：直流电源电压

为400V，输出线电压基波幅值为300V(50Hz)，根据式3-1可得m=300/400/0.866=0.866 。

根据原理分析，本设计采用双极性PWM控制方式波形，公用一个等腰三角载波，采用三个幅值、频率相同相位互差120°的三相交流正弦波形作为调制波。三相SPWM控制波形的发生电路如图3-1所示，在Simulink的“Source”库中选择“Clock”模块，以提供仿真时间t,乘以

后，再通过一个“sin”模块即为sin

，乘以调制比m(图中Constant常量模块)后可得到所需的正弦波调制信号，通过设置相位即可产生三相正弦波信号。三角载波信号由“Source”库中的“Repeating Sequence”模块产生,参数设置为[0  1/

/4  3/

/4  1/

]和[0  -1  1  0],其中，fc为载波的频率，也叫PWM开关频率，比如设置开关频率为3kHz，将fc替换成3000即可。另外，示波器采样频率设置高一些，便可生成频率为

的三角载波。将调制波和载波通过一些运算与比较，即可得出三相SPWM触发脉冲波形。图3-2给出了调制信号和三角载波波形。

图3-1 三相SPWM控制波形发生电路

图3-2 三相SPWM控制波形

为了使仿真简便，参数易于设置，而且SPWM是应用非常广泛的一种控制方式，因此图3-1所示的SPWM发生电路已封装成子模块。3.2SPWM逆变器仿真

三相电压源型SPWM逆变器仿真电路如图3-3所示，且负载为阻感负载(R=10Ω，电感L=10mH)。

图3-3 三相电压源型SPWM逆变器

设置参数，将调制度m设置为0.866，调制波频率设为50Hz，载波比N一般取3的整数倍以使三相输出波形严格对称，设为基波的60倍(载波比N=60)，即载波频率为3000Hz，仿真时间设为0.04s(实际仿真调试中仿真0.04s已足够分析)，在powergui(powergui是电力图形用户界面，是电路和系统分析的图形界面，提供了相当丰富的分析工具)中设置为离散仿真(Discrete)模式，采样时间设为5e-006s，运行仿真图形。

运行程序，便可得到输出波形，如图3-4所示：

(从上到下依次为：负载电流、线电压Vab和相电压Va)

图3-4 三相电压源型SPWM逆变电路输出波形

分析上图可知，逆变器的输出线电压PWM波由±

和0三种电平构成，负载相电压的PWM波由(±2/3)

、(±1/3)

和0共五种电平组成，与第2章中图2-2的分析一致，说明仿真正确。下面对输出波形进行FFT分析。

已知

= 400V，载波频率和调制信号频率分别为3000Hz和50Hz，载波比N=60。输出线电压的FFT分析结果如图3-5所示，据图可知，输出线电压的基波幅值为300.5V，与要求的输出300V误差很小，仿真结果正确，谐波分布中最高的为56、64次谐波，考虑最高频率为9000Hz时谐波总畸变率THD=83.32% 。输出相电压的FFT分析结果如图3-6所示，据图可知，输出相电压的基波幅值为173.4V=300.5/

V，说明三相波形基本对称，考虑最高频率为9000Hz时谐波总畸变率THD=83.38% 。输出相电流的FFT分析结果如图3-7所示，据图可知，输出相电流的基波幅值为16.55A，考虑最高频率为9000Hz时谐波总畸变率THD=7.27% ，近似为正弦波。

图3-5 输出负载线电压的FFT分析

图3-6 输出负载相电压的FFT分析

图3-7 输出负载相电流的FFT分析3.3 滤波器粗略分析

经过以上对输出波形的FFT分析，可知输出负载线电压(或者相电压)的谐波含量非常高，实际应用中需要加入滤波电路以使输出电压、电流近似为正弦波。在此可以用MATLAB设计一个简单的LC滤波器(参数为调试的粗略参数，在此不进行相关的复杂计算)。电路如图3-8所示：

图3-8 带滤波器的SPWM逆变器

输出相电压的FFT分析结果如图3-9所示，从图中可以看出，输出相电压近似为正弦波，基波幅值为178.2V，考虑最高频率为9000Hz时THD=1.58% ，可见低通滤波器会稍微影响到输出的电压值，但可以大大减少谐波含量，可以使负载运行在最佳状态。

图3-9 滤波后的输出相电压FFT分析

综上所述，PWM控制方法主要是正弦调制信号波和三角波载波相比较的方法。由PWM控制原理和谐波分析可知，当载波比足够高时，用这种方法所得到的输出波形中不含低次谐波，只含和载波频率有关的谐波。输出波形中所含谐波的多少是衡量PWM控制方法优劣的重要标志，但不是唯一的标志。提高逆变电路的直流电压利用率、减少开关次数等也是很重要的。直流电压利用率是逆变电路所能输出的交流电压基波最大幅值U1m和直流侧电压Ud之比，提高直流电压利用率可以提高逆变器的输出能力。减少功率器件的开关次数可以降低开关损耗。此外，不同的负载性质和不同的应用场合对逆变电路都会有不同的要求。因此，实际中有多种改进方法以提高PWM型逆变电路综合性能或某一特别关心的性能。