三相电压型逆变器的仿真设计
1 引言
1.1 课题由来和探究的意义
在近几十年的发展中，逆变电路的应用变的越来越广泛。但是现实中如蓄电池、太阳能电池等都是直流电，而在工厂、家庭、交通等领域所用的电中交流电占据了很大的比例，为了能够给这些负载提供所需电源，就需要使用逆变电路[1]。
随着电力电子学以及微电子技术的不断创新，相对于传统的电压型逆变电路，采用了脉冲调制技术不仅可以把直流变成交流，同时还能够进行调压、调频。作为一个不断创新的革命力量，凭借着可靠性、成本性能和高效节能等优势，逆变电路拥有广阔的市场和发展前景[2]。可以说正是由于逆变电路的不断发展，脉冲宽度调制技术才有了长足的发展，并在电力电子技术领域中取得了至关重要的地位。
又由于大功率电子设备结构比较复杂，如果直接对装置进行逆变实验，费用是相当昂贵而且很费时间，因此在发展的过程中，我们需要利用计算机仿真技术，对设备的运行机制和特点进行有效性的试验，以达到预测问题并解决问题的同时缩短研制时间的目的。而Matlab软件拥有强大的数值计算功能以及直观的Simulink仿真平台，使得复杂电力电子装置在建模仿真方面成为可能。
1.2 研究方法和内容
本课题将针对现今社会对逆变式电源的需求，按照设计思路对逆变过程进行剖析，然后利用Matlab仿真软件对逆变系统进行了设计、建模、Matlab 的仿真与谐波分析等。在此之前还会对设计过程所需要的原理进行一定的分析，以及对所要用的元器件的也会简要介绍一下。
1.3 本章小结
本次设计根据选题表中的要求，对系统和最终成果进行大体的描述。阐述了本课
题的由来与研究意义以及所要实现的目的和要求。
2 SPWM逆变器原理与分析
2.1 SPWM原理
在逆变电力系统中尤其是在中、小型的逆变电力系统中，PWM调制技术的使用是非常广泛的。然所谓的PWM控制技术就是脉宽调制控制技术，其原理就是利用全控型电力电子器件(本课题选用的是IGBT)的通断，把直流电压逆变成具有一定形状的能够满足输出需求的电压脉冲序列，从而在惯性电路中实现输出电压的变压、变频控制的目的，同时还会在一定程度上消除谐波，这种技术简称为PWM控制技术。其中面积等效原则是脉冲控制技术最为基本的理论依据。当冲量相等但是形状却不相同的窄脉冲如果加在了相同且具有惯性环节的电路上时，其效果即输出波形基本相似。其中冲量是指窄脉冲的面积。如若用傅立叶变换对各冲量所对应的输出波形进行相关分析，我们会发现它们是非常的接近，仅仅在高频段有略微的差异。
所谓的SPWM仅仅是在脉冲宽度调制技术的基础上以正弦波作为调制波，从而在经过适当的滤波之后便能够得到类似于正弦波的输出波形。其中用来控制开关通断的正弦矩形脉冲波时往往使用的是正弦波与三角波相交的方式，以此来确定每个矩形脉冲的宽度。一般我们会使用等腰三角波作为载波，这是因为在等腰三角波上的任意一个点的水平宽度是与其所对应的高度成线性相关的，并且能保证波形的左右对称。当它与任意一个幅值变化不是很大的调制波相交时，在交叉口开关电路对其进行导通和关断，所得到的脉冲宽度与信号的振幅是成正比例关系的，这种方法称为自然采样法[3]。如果使用正弦波进行调制时，其所输出的波也就是SPWM波了。如果改变调制信号波的频率或者幅值其电路中所要输出电压的频率或者幅值也会发生相应的改变。
2.2 SPWM逆变电路控制方法
目前电源电压型SPWM逆变器使用是最广泛的，脉冲宽度的控制方法也很多，但主要的有计算方法和调制方法两种，但计算法在计算过程相当复杂，当所要输出的电压波的频率、幅值或者相位只要有一个因素发生了变化时，其计算结果就会都相应发生改变。而调制法就很好的克服了这个缺点，并且还拥有设计简单等无可比拟的优势。因此，现今调制法应用的最为广泛。
在调制方法中，一个周期内的载波与正弦波会相交两次，在交点处控制电路会控制逆变系统中与之相应开关元件各通断一次。而为了精确的输出SPWM波，就必须计算出这两个交汇点的确切时间。当正弦波大于载波时开关导通，其脉冲宽度则为开关元件的导通时间，相对应的，关断时间则称为脉冲间隙。当载波的频率和幅值发生变化时，脉冲宽度和脉冲间隙时间也会相应的发生变化。如果使用计算机的话，当处理好调制算法之后，时间的控制再由定时软件来完成时就会变得很方便，一般的调制方法往往采取自然采样法或者规则采样法。
自然采样法是最为基本的一种采样方法，所得到的波也是非常接近正弦波的，但是在其求解的过程中，依然要解决复杂的超越方程，这在采用微机控制时需要花费很多的计算时间，因此在工程中应用的不是很广泛。而规则采样法是一种比较容易实现并很实用的一种方法，其方法与自然采样法相似，但计算量却大大的减少了。与自然采样法不同之处就是规则采样法的每一个脉冲的中点都被要求与相应的三角波的中点相对称。而对于三相桥式逆变器电路来说，就应该要形成三相的SPWM波形，一般来说三相的三角波载波是同一个载波，只是其相位依次相差120°。
，而把想要得到在PWM调制电路中，载波为接受调制的信号波，设其频率为f
c
的输出波形视为调制信号，设其频率为f
，两者之比称为载波比，用N来表示。在PWM
r
调制方式中，往往跟据载波比N的数值是否不变即载波与调制信号波同步与否，我们
将其分为异步调制和同步调制两种。
2.2.1 同步调制
同步调节f
r 和f
c
，但是载波比N始终为一个常数，即为同步调制。采用同步调制
有很多优点，其中不但可以保证在输出的电压半个周期内的矩形脉冲个数是固定不变的，还可以保证每个周期内信号波输出的脉冲个数以及脉冲相位也基本不发生改变。在三相PWM逆变系统中，人们通常只会采用一个载波，此时我们一般会取数值为3的整数倍作为三相PWM逆变系统的载波比，目的是为了保证三相PWM逆变器输出的波形是三相对称的。如果载波比为奇数时，则经过同步调制后，系统输出的波形的正半波与负半波将会始终保持对称，且使输出的三相波形之间保持120°的对称关系。但是当调制信号为低频率时，相邻的两个脉冲之间的间距就会变大，谐波相应的也会变大。若逆变器输出频率很高时，相应的载波频率又会变得过高，开关器件就会无法正常工作，从而无法得到所要输出的波形。
2.2.2 异步调制
如果采用异步调制方式就可以弥补同步调制的不足之处。与同步调制相反，在异步调制中，在变频系统的变频范围内，载波和调制信号相异步。一般在调节调制波频
率f
r 时我们会保持载波频率f
c
为一个常数，这样在低频段时就会提高载波比。从而在
输出电压半个周期波内，脉冲个数随着调制信号的降低反而有所增加，相应地还会减少负载转矩的脉动及噪音，有利于改善系统的工作性能。但异步调制方式在低频工作时，却失去了同步调制的优点。当调制信号频率变大时，即载波比N反而变小，半个周期内的脉冲个数就会减少，这样SPWM脉冲反而会更加不对称，这时信号波的一个很小的变化都会引起SPWM脉冲的波动，使得输出的SPWM波与想要输出的正弦波相差甚远。如果是三相SPWM型逆变器，三相输出的波形对称性也会变的更糟，因此异步调制方式一般都工作在较高的载波频率段中。
2.3 单相电压型SPWM逆变器原理分析
主电路为单相全桥逆变电路如图2.1所示。它有四个桥臂，我们把桥臂T
1
和桥臂
T 4视为一对，剩下的桥臂T
2
和T
3
视为一对，每一对上的两个桥臂同时导通或者同时关
断，不为一对的桥臂是相互交替导通的，其导通宽度为180°。其输出的电压与电流波形图如图2.2所示。
当负载如果为阻感性负载时，我们可以使用移相调压的方式来改变所希望输出电压的幅值。单相全桥逆变电路如图2.1所示。绝缘栅双极型晶体管的触发信号仍然是
180°正偏、180°反偏。T
1与T
2
的栅极交替触发，但是T
3
的基极触发信号比T
1
落后θ。
也就是说T
3、T
4
的栅极信号与T
2
、T
1
的栅极触发信号相位是不同的，T
3
或者T
4
导通时，
T 2或者T
1
的导通时间向前移动了180°-θ。这样输出的电压的正负脉冲宽度变为θ。只
要改变θ便可以改变输出的电压数值。在纯电阻的负载时，这种移相调压方式依然适用[4]。
图2.1 逆变器主电路
U d
U d
u
i 0t
t
T T
图2.2 输出波形
单相电压型逆变电路的特点是：
(1) 直流侧为电压源或大电容，这样直流侧电压基本上就没有波动。
(2) 输出电压为等幅但不等宽的矩形波，负载的阻抗大小决定输出的电流值。
(3) 当负载为阻性或感性时需提供无用功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功功率提供通道，逆变桥各桥臂应并联反馈二极管。在Simulink 的元件模块中IGBT 各有一个续流二极管反向与之并联。在主电路后加了一个滤波电路，其目的是用于滤除高次谐波，消除谐波对输出电压波形、幅值的影响[5]。
2.4 三相SPWM 逆变器的原理分析
作为应用最为广泛的三相逆变电路。三相SPWM 桥式逆变电路一般可以认作为是由三个单相的逆变电路所组成如图2.3所示。
Ud/2
Ud/2
图2.3 三相电压型桥式逆变电路
三相电压型桥式逆变电路一般采用180°导通的工作方式，即同一相上的两个桥臂的导通宽度都为180°，同一相位的两个桥臂为交替导通，非同一相的桥臂导通的角度相互依次相差120°，这样在不管何时都将会有三个桥臂同时导通。三个桥臂的导通情况比较复杂，有可能是上面一个桥臂与下面两个桥臂同时导通，也有可能是上面两个桥臂与下面一个桥臂同时导通。由于都是在同一相的上下两个桥臂之间进行换流的，因此有时也被称为纵向换流。
在三相桥式逆变电路中，各晶闸管的导通次序是T
1、T
2
、T
3
、T
4
、T
5
、T
6
、T
1
……每
个桥臂依次相距60?触发导通。根据桥臂的导通时间，我们将三相桥式逆变系统分为180?和120?两种导通型。当逆变电路为180?导通型时，在任意时间点都将有三个桥臂同时导通，导通时间宽度为180?，同一相的两个桥臂是相互交替导通的。而在120?导通型逆变电路中，桥臂导通时间变为120?，且每个瞬间只有两个不同相的桥臂导通，同一相上的上下两个桥臂不再是互补导通，而是之间有60?的时间间隔，当某一相上下两个桥臂都没导通时，其感性电流将从该桥臂中与晶闸管反并联的二极管中续流导通。