三項(xiàng)電壓源型SPWM逆變器

1、摘要與整流相對(duì)應(yīng)，把直流電變成交流電稱為逆變。逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。本文通過利用MATLAB設(shè)計(jì)分析三相電壓源型逆變器PWM控制電路的方法,輸出電壓大小和波形的SPWM控制基本原理。給出了基于雙極性倍頻正弦脈沖寬度調(diào)制法的三相電壓源型逆變器的仿真實(shí)例，所謂調(diào)制法，即把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過信號(hào)波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。目前中小功率的逆變電路幾乎都采用了PWM技術(shù)。它使電力電子裝置的性能大大提高，因此它在電力電子技術(shù)的發(fā)展史上占有十分重要的地位。PWM控制技術(shù)正

2、是有賴于在逆變電路中的成功應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。關(guān)鍵詞 逆變 MATLAB SPWM 目錄摘要1概述11.1任務(wù)要求11.2逆變電路簡(jiǎn)介11.3 PWM簡(jiǎn)介22方案設(shè)計(jì)32.1主電路分析32.2驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)53 MATLAB仿真63.1三相SPWM波的產(chǎn)生63.2 SPWM逆變器仿真83.3 濾波器粗略分析114 心得體會(huì)12參考文獻(xiàn)14三相電壓源型SPWM逆變器的設(shè)計(jì)1概述1.1任務(wù)要求設(shè)計(jì)一三相電壓源型SPWM逆變器電路，已知直流電源電壓為250V,輸出200V,50HZ；三相對(duì)稱RL負(fù)載（星形接法），其中R的值為2、L的值為10mH。要求完成以下主要任務(wù)：（1）

3、方案設(shè)計(jì)；（2） 完成主電路的原理分析，各主要元器件的選擇；（3） 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)；（4） 利用MATLAB仿真軟件建模并仿真，獲取輸出電壓電流波形，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。1.2逆變電路簡(jiǎn)介與整流相對(duì)應(yīng)，把直流電變成交流電稱為逆變。當(dāng)交流側(cè)接在電網(wǎng)上，即交流側(cè)接有電源時(shí)，稱為有源逆變；當(dāng)交流側(cè)直接和負(fù)載連接時(shí)，稱為無源逆變。又逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路；它們也分別被稱為電壓源型逆變電路和電流源型逆變電路。其中，電壓源型逆變電路有以下主要特點(diǎn)：直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源，直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)，直流

4、回路呈現(xiàn)低阻抗；由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同；當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用，為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。1.3 PWM簡(jiǎn)介PWM（Pulse Width Modulation）控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形。PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)是面積等效原理，即：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。下面分析如何用一系列等幅不等

5、寬的脈沖來代替一個(gè)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個(gè)彼此相連的脈沖序列所組成的波形。如果把這些脈沖序列用相同數(shù)量的等幅不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，就可得到圖1-1所示的脈沖序列，這就是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，也稱為SPWM波。SPWM方式控制波形可分為單極性和雙極性。圖1-1 用PWM波代替正弦波OwtUd-Ud圖1-2 單極性SPWM控制方式波形如圖1-2所示為單極性SPWM控制方式波形，即如果在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)，三角載波只在正或負(fù)

6、的一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的SPWM波也只處于一個(gè)極性的范圍內(nèi)，叫做單極性控制方式。根據(jù)面積等效原理，不難得知SPWM還可等效為圖1-3中所示的PWM波，這種波形稱為雙極性SPWM波形，即如果在正弦調(diào)制波半個(gè)周期內(nèi)，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負(fù)之間變化，叫做雙極性控制方式。OwtUd-Ud圖1-3 雙極性SPWM控制方式波形2方案設(shè)計(jì)PWM逆變電路可分為電壓型和電流型兩種，目前實(shí)際應(yīng)用的幾乎都是電壓型電路，因此本節(jié)主要分析電壓型逆變電路的控制方法。要得到需要的PWM波形有兩種方法，分別是計(jì)算法和調(diào)制法。根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算PWM波各脈沖寬度和

7、間隔，據(jù)此控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形，這種方法稱為計(jì)算法。由于計(jì)算法較繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化。與計(jì)算法相對(duì)應(yīng)的是調(diào)制法，即把希望調(diào)制的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過信號(hào)波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，在調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形，這種情況應(yīng)用最廣。因此本設(shè)計(jì)采用調(diào)制法進(jìn)行仿真，而且三相橋式PWM逆變電路都是采用雙極性控制方式。2.1主電路分析圖2-1是采用IGBT作為開關(guān)器件的三相橋式PWM逆變電路。圖2-1 三相橋式PWM逆變電路三相橋式逆變器有六個(gè)帶反并聯(lián)續(xù)流二極管的

8、IGBT組成，分別為VT1VT6，直流側(cè)由兩個(gè)串聯(lián)電容，他們共同提供直流電壓Ud，負(fù)載為三相星形接法的阻感負(fù)載，調(diào)制電路分別由三相交流正弦調(diào)制波形和三角載波組成。其中三角載波頻率和正弦調(diào)制波頻率之比稱為載波頻率，調(diào)制波幅值和載波幅值之比稱為調(diào)制度(也稱調(diào)制比，0<m1)，這是SPWM調(diào)制中的兩個(gè)重要參數(shù)。三角載波和正弦調(diào)制波相互調(diào)制產(chǎn)生六路脈沖信號(hào)分圖2-2 三相橋式PWM逆變電路波形別給六個(gè)IGBT提供觸發(fā)信號(hào)。U、V和W三相的PWM控制通常公用一個(gè)三角波載波uc，三相的調(diào)制信號(hào)urU 、urV和urW依次相差120°。U、V和W各相功率開關(guān)器件的控制規(guī)律相同，現(xiàn)以U相為例來

9、說明。當(dāng)urU > uc時(shí)，給上橋臂V1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)于直流電源假想中點(diǎn)N 的輸出電壓uUN' = Ud/2。當(dāng)urU < uc時(shí)，給V4以導(dǎo)通信號(hào)，給V1以關(guān)斷信號(hào)，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，這要由阻感負(fù)載中 電流的方向來決定，這和單相橋式PWM逆變電路在雙極性控制時(shí)的情況相同。V相及W相的控制方式都和U相相同。電路的波形如圖2-2所示。可以看出，uUN' 、uVN'和uWN'的PWM

10、波形都只有±Ud/2兩種電平。圖中的線電壓uUV的波形可由uUN - uVN'得出?？梢钥闯?，當(dāng)橋臂1和6導(dǎo)通時(shí)，uUV = Ud，當(dāng)橋臂3和4導(dǎo)通時(shí)，uUV = -Ud，當(dāng)橋臂1和3或橋臂4和6導(dǎo)通時(shí)，uUV = 0。因此，逆變器的輸出線電壓PWM波由±Ud和0三種電平構(gòu)成。圖2-2中的負(fù)載相電壓uUN可由下式求得 uUN = uUN - uUN'+ uVN + uWN'3 (式2-1)從波形上和上式可以看出，負(fù)載相電壓的PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共五種電平組成。三相橋式逆變器多選用絕緣柵雙極晶體管，即IG

11、BT，它既具有MOSFET的工作速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、熱溫度性好的優(yōu)點(diǎn)，又包含了GTR的載流量大、阻斷電壓高等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，是取代GTR的理想開關(guān)器件，而且通態(tài)壓降低、開關(guān)速度快。本設(shè)計(jì)中IGBT的額定電流可取(1.52)Ud/R即(187.5250)A，額定電壓可取(23) Ud/2即(250375)V，可以根據(jù)相關(guān)實(shí)際情況選取IRG的K系列的IGBT。2.2驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)型器件，它的柵射極之間有數(shù)千皮法左右的極間電容，為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路具有較小的輸出電阻。使IGBT開通的柵射極間驅(qū)動(dòng)電壓一般取1520V。同樣，關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓(一般取-

12、5-15V)有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。在柵極串入一低值電阻(數(shù)十歐左右)可以減下寄生震蕩，該電阻阻值應(yīng)隨被驅(qū)動(dòng)器件電流額定值的增大而減下。IGBT的驅(qū)動(dòng)多采用專用的混合集成驅(qū)動(dòng)器，例如三菱公司的M579系列(如M57962L和M57959L)和富士公司的EXB系列(如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851) 。同一系列不同型號(hào)其引腳和接線基本相同，只是適用被動(dòng)器件的容量和開關(guān)頻率以及輸入電流幅值等參數(shù)有所不同。圖2-3給出了M57962L型IGBT驅(qū)動(dòng)器的原理和接線圖。這些混合集成驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部都具有退飽和檢測(cè)和保護(hù)環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)生過電流時(shí)能快速響應(yīng)但慢速關(guān)斷IGBT，并向外部電路

13、給出故障信號(hào)。M57962L輸出的正驅(qū)動(dòng)電壓均為+15V左右，負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓為-10V。對(duì)大功率IGBT器件來講，一般采用由專業(yè)廠家或者生產(chǎn)該器件的廠家提供的專用驅(qū)動(dòng)模塊。圖2-3 M57962L型IGBT驅(qū)動(dòng)器的原理和接線圖3 MATLAB仿真方案設(shè)計(jì)好了，原理也已分析的差不多了，接下來最重要的一環(huán)就是仿真了，首先三相SPWM逆變器要想工作，最重要的就是按要求生成三相SPWM信號(hào)波。3.1三相SPWM波的產(chǎn)生將正弦波和三角波按照調(diào)制度和載波比進(jìn)行一些比較和運(yùn)算，便可調(diào)制出所需的SPWM信號(hào)波。仿真過程中涉及到具體逆變器電路的調(diào)制比計(jì)算問題：輸出線電壓uUV的基波幅值與直流電源電壓的關(guān)系如下， u

14、UVm= 3 m12Ud=0.866mUd (式3-1)輸出線電壓uUV的基波有效值為， uUVr=12uUVm=0.612mUd (式3-2)本設(shè)計(jì)要求直流電源電壓Ud為250V，輸出線電壓基波幅值為200V(50Hz)，根據(jù)式3-1可得m=200/250/0.866=0.92 。根據(jù)原理分析，本設(shè)計(jì)采用雙極性PWM控制方式波形，公用一個(gè)等腰三角載波，采用三個(gè)幅值、頻率相同相位互差120°的三相交流正弦波形作為調(diào)制波。三相SPWM控制波形的發(fā)生電路如圖3-1所示，在Simulink的“Source”庫中選擇“Clock”模塊，以提供仿真時(shí)間t,乘以 2fr 后，再通過一個(gè)“sin”

15、模塊即為sin，乘以調(diào)制比m(圖中Constant常量模塊)后可得到所需的正弦波調(diào)制信號(hào)，通過設(shè)置相位即可產(chǎn)生三相正弦波信號(hào)。三角載波信號(hào)由“Source”庫中的“Repeating Sequence”模塊產(chǎn)生,參數(shù)設(shè)置為【0 1/fc/4 2/fc/4 1/fc】和【-1 0 1 -1】，示波器采樣頻率設(shè)置高一些，便可生成頻率為fc的三角載波。將調(diào)制波和載波通過一些運(yùn)算與比較，即可得出三相SPWM觸發(fā)脈沖波形。圖3-1 三相SPWM控制波形發(fā)生電路新建一個(gè)M文件，將圖3-1中的示波器Scope1(Scope是觀察單相SPWM波形的)的名稱設(shè)置為INV1，則可根據(jù)程序輸出圖3-2的調(diào)制信號(hào)和三

16、角載波波形。程序如下：圖3-2 三相SPWM控制波形subplot(1,1,1); plot(INV1.time,INV1.signals.values);axis(0 0.04 -1 1);為了使仿真簡(jiǎn)便，參數(shù)易于設(shè)置，而且SPWM是應(yīng)用非常廣泛的一種控制方式，因此圖3-1所示的SPWM發(fā)生電路已封裝成子模塊。3.2 SPWM逆變器仿真三相電壓源型SPWM逆變器仿真電路如圖3-3所示：圖3-3 三相電壓源型SPWM逆變器設(shè)置參數(shù)，將調(diào)制度m設(shè)置為0.92，調(diào)制波頻率設(shè)為50Hz，載波比N一般取3的整數(shù)倍以使三相輸出波形嚴(yán)格對(duì)稱，設(shè)為基波的30倍（載波比N=30），即載波頻率為1500Hz，仿

17、真時(shí)間設(shè)為0.04s(實(shí)際仿真調(diào)試中仿真0.04s已足夠分析)，在powergui(powergui是電力圖形用戶界面，是電路和系統(tǒng)分析的圖形界面，提供了相當(dāng)豐富的分析工具)中設(shè)置為離散仿真(Discrete)模式，采樣時(shí)間設(shè)為1e-006s，運(yùn)行仿真圖形，然后建立m文件，程序如下所示：subplot(3,1,1);plot(inv.time,inv.signals(1).values);title(' Uab線電壓波形')axis(0 0.04 -300 300)subplot(3,1,2);plot(inv.time,inv.signals(2).values);title

18、('A相輸出電壓Ua波形');subplot(3,1,3);plot(inv.time,inv.signals(3).values);axis(0 0.04 -40 40);title('A相輸出電流Ia波形');運(yùn)行程序，便可得到輸出波形，如圖3-4所示：圖3-4 三相電壓源型SPWM逆變電路輸出波形分析上圖可知，逆變器的輸出線電壓PWM波由±Ud和0三種電平構(gòu)成，負(fù)載相電壓的PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共五種電平組成，與第2章中圖2-2的分析一致，說明仿真正確。下面對(duì)輸出波形進(jìn)行FFT分析。已知Ud= 250

19、V，載波頻率和調(diào)制信號(hào)頻率分別為1500Hz和50Hz，載波比N=30。輸出線電壓的FFT分析結(jié)果如圖3-5所示，據(jù)圖可知，輸出線電壓的基波幅值為199.1V，與要求的輸出200V誤差很小，仿真結(jié)果正確，諧波分布中最高的為28、32次諧波，考慮最高頻率為4500Hz時(shí)諧波總畸變率THD=77.39% 。輸出相電壓的FFT分析結(jié)果如圖3-6所示，據(jù)圖可知，輸出相電壓的基波幅值為114.9V=199.1/3 V，說明三相波形基本對(duì)稱，考慮最高頻率為4500Hz時(shí)諧波總畸變率THD=77.38% 。輸出相電流的FFT分析結(jié)果如圖3-7所示，據(jù)圖可知，輸出相電流的基波幅值為31.68A，考慮最高頻率為

20、4500Hz時(shí)諧波總畸變率THD=21.07% ，近似為正弦波。圖3-5 輸出負(fù)載線電壓的FFT分析圖3-6 輸出負(fù)載相電壓的FFT分析圖3-7 輸出負(fù)載相電流的FFT分析3.3 濾波器粗略分析經(jīng)過以上對(duì)輸出波形的FFT分析，可知輸出負(fù)載線電壓(或者相電壓)的諧波含量非常高，實(shí)際應(yīng)用中需要加入濾波電路以使輸出電壓、電流近似為正弦波。在此可以用MATLAB設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的LC濾波器(參數(shù)為調(diào)試的粗略參數(shù)，在此不進(jìn)行相關(guān)的復(fù)雜計(jì)算)。電路如圖3-8所示：圖3-8 帶濾波器的SPWM逆變器輸出相電壓的FFT分析結(jié)果如圖3-9所示，從圖中可以可以看出，輸出相電壓近似為正弦波，基波幅值為111.3V，考慮

21、最高頻率為4500Hz時(shí)THD=3.07% ，可見低通濾波器會(huì)稍微影響到輸出的電壓值，但可以大大減少諧波含量，可以使負(fù)載運(yùn)行在最佳狀態(tài)。圖3-9 濾波后的輸出相電壓FFT分析綜上所述，PWM控制方法主要是正弦調(diào)制信號(hào)波和三角波載波相比較的方法。由PWM控制原理和諧波分析可知，當(dāng)載波比足夠高時(shí)，用這種方法所得到的輸出波形中不含低次諧波，只含和載波頻率有關(guān)的諧波。輸出波形中所含諧波的多少是衡量PWM控制方法優(yōu)劣的重要標(biāo)志，但不是唯一的標(biāo)志。提高逆變電路的直流電壓利用率、減少開關(guān)次數(shù)等也是很重要的。直流電壓利用率是逆變電路所能輸出的交流電壓基波最大幅值U1m和直流側(cè)電壓Ud之比，提高直流電壓利用率可

22、以提高逆變器的輸出能力。減少功率器件的開關(guān)次數(shù)可以降低開關(guān)損耗。此外，不同的負(fù)載性質(zhì)和不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)逆變電路都會(huì)有不同的要求。因此，實(shí)際中有多種改進(jìn)方法以提高PWM型逆變電路綜合性能或某一特別關(guān)心的性能。4 心得體會(huì)在本次三相電壓源型SPWM逆變器的設(shè)計(jì)過程中，歷經(jīng)百般波折，通過幾個(gè)晝夜的艱苦奮戰(zhàn)，終于在我?guī)捉^望的最后關(guān)頭突然跳出來一個(gè)窗口，仿真運(yùn)行成功了，波形正確，當(dāng)時(shí)可謂手舞足蹈、歡欣雀躍，總算努力沒有白費(fèi)，俗話說得好：堅(jiān)持，就意味著一切。本次電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)感受頗深，受益匪淺。一抽到題目，看到是“三相電壓源型SPWM逆變器的設(shè)計(jì)”一開始確實(shí)腦子一片空白，不知道從何著手，但仔細(xì)想了想，此設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就在于SPWM、逆變器這兩個(gè)詞，自認(rèn)為電力電子基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)的還算可以吧，感覺就有了些許眉目，然后就迅速的把課本上第四章逆變電路和第七章PWM控制技術(shù)又復(fù)習(xí)了一遍，根據(jù)書上逆變器的原理和第七章的三相SPWM逆變電路的原理分析，便可確定主電路以及它的輸出波形，因此，此設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就在于按照要求生成SPWM控制波形，最后這次可設(shè)就簡(jiǎn)化為了“產(chǎn)生SPWM控制信號(hào)”。但是就在我沾沾自喜之余，突然在我的前面出現(xiàn)了一條柵欄，讓我寸步難行，調(diào)制比該