三相SPWM逆變器的調(diào)制建模和仿真詳解

　　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，這項技術(shù)的特點是通用性強，原理簡單。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(jié)構(gòu)復(fù)雜，若直接對裝置進(jìn)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(jī)仿真技術(shù)，對裝置的運行機(jī)理與特性，控制方法的有效性進(jìn)行試驗，以預(yù)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(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，并對其輸出特性進(jìn)行仿真分析。首先介紹的是三相電壓型橋式逆變電路原理，其次闡述了SPWM逆變器的工作原理及特點，最后詳細(xì)介紹了三相電壓源SPWM逆變器的建模與仿真結(jié)構(gòu)，具體的跟隨小編一起了解一下。

　　一、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，即每個橋臂的導(dǎo)電角度為180°，同一相上下2個橋臂交替導(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個橋臂同時導(dǎo)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(dǎo)通。因為每次換流都是在同一相上下兩個橋臂之間進(jìn)行的，因此也被稱為縱向換流。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，給V1關(guān)斷，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。

　　二、SPWM逆變器的工作原理及特點

　　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(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，就要精確的計算出這兩個點的時間。開關(guān)元件導(dǎo)通時間是脈沖寬度，關(guān)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(jī)來說，時間定時器來實現(xiàn)。調(diào)制方法可以自己選擇。

　　SPWM逆變器具有以下特點：

　　1、電路簡單，主電路結(jié)構(gòu)和方波逆變器一樣，但只用一個半功率級就可以實現(xiàn)輸出電壓、頻率、相位的調(diào)節(jié)；

　　2、可以使用不可控整流橋，使系統(tǒng)對電網(wǎng)的功率因數(shù)與逆變器輸出電壓值無關(guān)；

　　3、可以同時進(jìn)行調(diào)頻、調(diào)壓，與支流環(huán)節(jié)的原件參數(shù)無關(guān)，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度無關(guān)；

　　4、可以獲得非常小的諧波含量，理論上諧波分布在載波兩側(cè)。 SPWM是Sine Pulse Width Modulation的英文縮寫，即正弦脈寬調(diào)制，它最早來源于通信中的調(diào)制技術(shù)，其最基本原理是用一種參考波，即調(diào)制波，去和一個頻率N倍于它的三角波比較，就可以得到一組幅值相等，而脈寬按照調(diào)制波相位、幅值和頻率變化的矩形波，再用這個波形去控制開關(guān)管的開通于關(guān)斷，就可以得到同樣波形的高壓脈沖。由于參考波通常是正弦波，所以這種技術(shù)通常被稱為正弦脈寬調(diào)制技術(shù)，即SPWM技術(shù)。

　　三、三相電壓源SPWM逆變器的建模與仿真

　　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。

　　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。

　　四、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。

　　五、結(jié)論

　　通過上述采用Matlab／Simulink對三相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)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，建模過程更接近實際電路設(shè)計過程，且使用簡便，也對三相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，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(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。