三相逆變器Matlab仿真

1、 09 電氣工程及其自動化邱迪摘要：本文簡要介紹了三相無源電壓型SPWM輸出的逆變器的構(gòu)建和工作方式及其MATLAB仿真。關(guān)鍵詞： 三相逆變器正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)MATLAB仿真Abstract:This paper introduces briefly the construction of 3-phase inverter which output SPWM wave and the MATLAB-based simulation.Key word: Three-phase inverter Sinusoidal Pulse Width ModulationPower electr

2、onic technology1 逆變器逆變器也稱逆變電源，是一種可將直流電變換為一定頻率下交流電的裝置。相對于整流器將交流電轉(zhuǎn)換為固定電壓下的直流電而言，逆變器可把直流電變換成頻率、電壓固定或可調(diào)的交流電，稱為DC-AC變換。這是與整流相反的變換，因而稱為逆變。1逆變器的構(gòu)建應(yīng)用了電力電子學(xué)科中的很多關(guān)鍵技術(shù)。電路中電流的可控流通斷開的過程中應(yīng)用了多種可控硅類型的電力電子器件；開關(guān)的控制過程應(yīng)用了基于微處理器的現(xiàn)代控制技術(shù)；對于正弦波形的仿制過程應(yīng)用了正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)等等。現(xiàn)代逆變技術(shù)的種類很多，可以按照不同的形式進(jìn)行分類。其主要的分類方式如下：1) 按逆變器輸出的相數(shù)，可分為

3、單相逆變、三相逆變和多相逆變。2) 按逆變器輸出能量的去向，可分為有源逆變和無源逆變。3) 按逆變主電路的形式，可分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式逆變。4) 按逆變主開關(guān)器件的類型，可分為晶閘管逆變、晶體管逆變、場效應(yīng)管逆變等等。5) 按輸出穩(wěn)定的參量，可分為電壓型逆變和電流型逆變。6) 按輸出電壓或電流的波形，可分為正弦波輸出逆變和非正弦波輸出逆變。7) 按控制方式，可分為調(diào)頻式(PFM)逆變和調(diào)脈寬式(PWM)逆變。22 三相逆變電路三相逆變電路，是將直流電轉(zhuǎn)換為頻率相同、振幅相等、相位依次互差為120°交流電的一種逆變網(wǎng)絡(luò)。圖 1 三相逆變電路日常生活中使用的電源大都為單相交

4、流電，而在工業(yè)生產(chǎn)中，由于諸多電力能量特殊要求的電氣設(shè)備均需要使用三相交流電，例如三相電動機(jī)。隨著科技的日新月異，很多設(shè)備業(yè)已小型化，許多原來工廠中使用的大型三相電氣設(shè)備都被改進(jìn)為體積小、耗能低且便于攜帶的小型設(shè)備。盡管這些設(shè)備外形發(fā)生了很大的變化，其使用的電源類型三相交流電卻始終無法被取代。在一些條件苛刻的環(huán)境下，電力的儲能形式可能只有直流電，如若在這樣的環(huán)境下使用三相交流電設(shè)備，就要求將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)樘囟ㄒ蟮娜嘟涣麟娨怨┦褂谩＿@就催生了三相逆變器的產(chǎn)生。三相逆變電路電壓型逆變電路是指直流側(cè)采用電壓源的逆變電路，直流側(cè)的電源能夠提供幅值穩(wěn)定不變的直流電。2圖 1是一個電壓型逆變電路原理圖。

5、為直流側(cè)電壓源，兩側(cè)各加一個電容用來穩(wěn)定電壓。、分別為ABC三相的控制開關(guān)。通過對三個開關(guān)的控制，便可以實現(xiàn)直流交流（DCAC）的轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)設(shè)一個周期時間為t，將一個周期時間以、六個時刻均分為六段。對應(yīng)零時刻，O點為等效接地點。圖 2圖1所示三相逆變電路進(jìn)行特定開關(guān)控制后的波形圖如圖 1所示電路中按以下方式進(jìn)行控制：時刻：開關(guān)閉合，斷開。A處電壓變?yōu)椤r刻：開關(guān)關(guān)閉，打開。C處電壓變?yōu)?。時刻：開關(guān)閉合，斷開。B處電壓變?yōu)椤r刻：開關(guān)關(guān)閉，打開。A處電壓變?yōu)?。時刻：開關(guān)閉合，斷開。C處電壓變?yōu)?。時刻：開關(guān)關(guān)閉，打開。B處電壓變?yōu)?。下一周期的時刻：開關(guān)閉合，斷開。A處電壓變?yōu)椤ｋS后每個周期各個開關(guān)都

6、一次按上述規(guī)律閉合斷開，即可得到相位互差120°的三相交流電。但其波形還是分段周期內(nèi)的等電壓幅值電。其波形如圖 2所示。圖 3 A相開關(guān)同時閉合時的電路圖由于開關(guān)的控制并不是理想的那么精密，在同一相的兩個正負(fù)開關(guān)在各自閉合斷開的瞬間有可能同時斷開或同時閉合。若同時閉合，如Error! Reference source not found.所示，直流側(cè)電壓源短路發(fā)生危險。因此，為保證兩開關(guān)在斷開閉合時不會發(fā)生重疊，在同時開關(guān)閉合瞬間改為一段死區(qū)時間，即兩開關(guān)首先同時關(guān)閉一段時間，而后其中一個開關(guān)再進(jìn)行下一步閉合動作。時間內(nèi)，正負(fù)開關(guān)均斷開，而后再打開其中一個，保證了交替過程中不會有同時

7、打開的可能。的具體時間長短則要根據(jù)實際中使用的器件性能參數(shù)予以確定。加入死區(qū)后的三相電路波形如圖 4 加入死區(qū)后的波形圖所示。圖 4 加入死區(qū)后的波形圖接入負(fù)載的三相逆變電路如圖 5所示接入負(fù)載的三相逆變電路。圖 5 接入星形三相負(fù)載的三相逆變電路、分別為ABC三相的負(fù)載阻抗。根據(jù)不同的性質(zhì)，可分為電阻性阻抗、電容性阻抗和電感性阻抗。其中，感性負(fù)載與容性負(fù)載的電流相位和電壓相位是不同相的。對于電感型的負(fù)載，電流不能突變，那么如圖 4中的開關(guān)轉(zhuǎn)換的時刻，因為正負(fù)向開關(guān)均斷開，這樣會在兩側(cè)造成很大的開路電壓，極易造成器件或電路的損壞。因此，需要對電路進(jìn)行改進(jìn)。保護(hù)措施是為每個開關(guān)并聯(lián)一個二極管。如

8、圖 6所示。圖 6 開關(guān)并聯(lián)二極管后的電路加裝六個二極管后，即使正負(fù)開關(guān)均閉合，也可為電流提供續(xù)流的通路，避免了發(fā)生上述危險情況。3正弦脈寬調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）技術(shù)SPWM（正弦脈寬調(diào)制）技術(shù)是指利用PWM（脈寬調(diào)制）技術(shù)來模擬輸出具有正弦特性的電壓或電流波形。如圖 7所示為電壓源型SPWM調(diào)制原理，若把一個正弦半波劃分為N等分，每一等分的正弦波形的面積都可用一個與該面積相等的等幅矩形脈沖來代替，矩形脈沖的中點與正弦波每一等分的中點重合。于是，由N（圖中N=12）個等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦的半周等效。這一系列矩形脈

9、沖就是期望逆變器輸出的正弦PWM波形(簡稱SPWM)。4圖 7 SPWM正弦波原理圖 8 雙極性SPWM產(chǎn)生原理每個脈沖的寬度可以由理論計算取得，但實際應(yīng)用中常用正弦調(diào)制波（即信號波）與三角形脈沖（載波）的比較得出準(zhǔn)確的閉合關(guān)斷時刻。如圖 8所示。載波的頻率直接影響了pwm脈沖的密度，這也直接影響了以該信號波作為控制信號的整流橋整流后的結(jié)果，通過Matlab仿真可以清楚的觀察到影響。4 MATLAB仿真Matlab軟件作為教學(xué)、科研和工程設(shè)計的重要方針工具，已成為首屈一指的計算機(jī)仿真平臺。該軟件的應(yīng)用可以解決電機(jī)電器自動化領(lǐng)域的諸多問題。利用其中的Simulink模塊可以完成對三相無源電壓型S

10、PWM逆變器的仿真，并通過仿真獲取逆變器的一些特性圖等數(shù)據(jù)。圖 9 系統(tǒng)Simulink 仿真Error! Reference source not found.所示為一套利用三相逆變器進(jìn)行供電的系統(tǒng)的Matlab仿真。系統(tǒng)由一個380v的直流電源供電，經(jīng)過三相整流橋整流為三相交流電,并進(jìn)行SPWM正弦脈寬調(diào)制。輸出經(jīng)過一個三相變壓器隔離后通入一個三相的RLC負(fù)載模塊（Three phase parallel RLC）。加入了兩個電壓測量單元 voltage measurement和voltage measurement1，并將結(jié)果輸出到示波器模塊Scope1.4.1 仿真中的各個模塊及其參數(shù)

11、設(shè)定1) 整流橋圖 10 通用三相整流橋模塊圖 11 Universal bridge 及其參數(shù)設(shè)置通用三相整流橋為Simulink中的Universal bridge模塊。圖 11為該模塊的參數(shù)設(shè)置對話框。其中Number of bridge arms（橋臂個數(shù)）為3，Power Electronic device（電力電子器件）選用IGBT/Diodes（晶閘管）。2) SPWM脈沖信號發(fā)生器模塊圖 12 SPWM脈沖發(fā)生器圖 12為為控制通用三相整流橋產(chǎn)生SPWM的脈沖信號發(fā)生器，使用的是Matlab中的Discrete PWM Generator模塊。該模塊的作用即為為產(chǎn)生PWM而用以

12、控制IGBTs等電橋的脈沖信號。圖 13為該模塊的參數(shù)設(shè)置，在Generator mode選項中選擇3-arms bridge(6 pulse),既三橋臂共需要六個脈沖信號用以控制如圖 6中所示的六個電子管。Carrier frequency為載波頻率，該頻率的大小決定了一個周期內(nèi)SPWM脈沖的密度（如圖 8所示）。Frequency of output voltage是輸出電壓的頻率，此處設(shè)置為國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的50Hz。圖 13 PWM脈沖生成模塊及其參數(shù)設(shè)置3) 其他模塊為模擬真實供電效果，在仿真系統(tǒng)中，整流橋輸出的電壓通入一個三相變壓器后接入一個三相的RLC負(fù)載模塊。三相變壓器的原邊為三角形繞

13、組，副邊為星型繞組。負(fù)載標(biāo)稱電壓：220v，標(biāo)稱頻率50Hz，有功功率：1000W，電感無功功率：0W，電容無功功率：500W。圖 14 變壓器及負(fù)載模塊4.2 仿真特性分析在仿真中，在整流橋的輸出和變壓器的輸出加上了電壓測量模塊，并將測量顯示在了一個示波器模塊上。仿真時間設(shè)定為0.1s。如圖 15所示便是仿真后的輸出結(jié)果，上部分為整流橋的輸出波形，下部分為變壓器副邊的電壓波形。圖 15 示波器輸出波形將示波器的橫軸時間設(shè)定為0.01s后的圖形如下：圖 163s內(nèi)的波形圖觀察波形可知，沒半個周期輸出的脈沖數(shù)為21個。載波頻率與輸出電壓頻率改變對波形的影響1. 將Discrete PWM Gen

14、erator模塊中的載波頻率有原來的1080Hz提高至2160Hz。所得波形如圖 17所示。圖 17 載波頻率為2160Hz時的波形圖1可以清楚的觀察到，PWM脈沖密度加大，正弦波形較原來更加光滑。放大后的波形圖如下：圖 18載波頻率為2160Hz觀察圖形可知，沒半個周期內(nèi)的脈沖個數(shù)為43個。由兩個仿真結(jié)果可見，載波頻率直接影響了波形的光滑度，載波頻率越大波紋越小仿正弦效果越好。但也應(yīng)注意到頻率過高有可能對整流橋器件產(chǎn)生影響，所以也不能過于高。2. 載波頻率為1080Hz，將輸出電壓的頻率提高為100Hz后：圖 19 輸出電壓為100Hz 載波頻率1080圖 20 放大圖 輸出電壓為100Hz

15、觀察波形，沒半個周期內(nèi)的脈沖個數(shù)為11個。改變輸出電壓后可以注意到，波紋想對于50Hz時變小了，但由于沒半個周期內(nèi)的脈沖個數(shù)由21個變?yōu)榱?1個，所以仿正弦效果大大下降了，可見如若提高輸出電壓的頻率后，不改變載波頻率，逆變效果會打折扣。3. 載波頻率為2160Hz，輸出電壓頻率為100Hz時的仿真圖形圖 21 載波頻率2160Hz 輸出電壓頻率 100Hz圖 22 2160Hz/100Hz放大圖觀察波形，沒辦個周期內(nèi)的脈沖個數(shù)為21個，與1080Hz可見，在提高了輸出電壓頻率的同時，成比例的提高載波頻率，便可以使得仿正弦波保持原來的波形質(zhì)量。4.2.2 改變負(fù)載對輸出的影響將載波頻率與輸出電壓

16、頻率固定為1080Hz和50Hz。a) 去除負(fù)載后（既變壓器副邊開路）的仿真波形。圖 23 去除負(fù)載后的仿真波形b) 改變負(fù)載有功功率為100W。 圖 24減小負(fù)載有功功率為100W的波形減小負(fù)載后可以發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)啟動的初期，波形不穩(wěn)定有很大的震蕩而后期則趨于穩(wěn)定，波形與1000W時相比并無差別。c) 改變負(fù)載有功功率為10KW的波形圖 25 有功功率為10KW時的波形增加有功功率后，啟動時波形震蕩減小能夠較快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。d) 減小容性無功功率為50W。圖 26 減小容性無功功率為50W減小容性功率后，可發(fā)現(xiàn)波形在正弦波形基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了大幅震蕩。e) 增大容性功率為5000W。圖 27 增大容性

17、功率為5000W圖 28增大容性功率后，波形較之前更為光滑，但啟動時產(chǎn)生了波動，但進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后波形仿制效果更佳理想。f) 增大感性功率。圖 29 感性功率為1000W圖 30 感性功率為5000W由圖可見，感性功率的增大會減小峰值電壓。但對正弦波的仿制并無太大影響結(jié)論本文通過對逆變器的概念、設(shè)計技術(shù)、分類等方面的介紹，簡要描述了三相無源電壓型逆變器的構(gòu)建方式及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。同時，也簡要介紹了正弦脈寬調(diào)制技術(shù)。通過應(yīng)用Matlab軟件，構(gòu)建了一個使用無源型三相逆變電路供電的系統(tǒng)，并進(jìn)行了仿真。在對獲得的仿真波形分析中，定性地討論了逆變器的兩個主要參數(shù)載波頻率和輸出電壓頻率以及不同負(fù)載對系統(tǒng)仿真結(jié)果的影響。獲得以下結(jié)論：(一) 在電壓輸出頻率一定的情況下，載波頻率的大小決定了每個周期內(nèi)的仿正弦脈沖個數(shù)，既決定了正弦波形的仿制質(zhì)量。(二) 負(fù)載有功功率越大，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的時間越快，較小的負(fù)載有功功率會在暫態(tài)時產(chǎn)生很大的波動。(三) 負(fù)載的容性無功功率的增大，一方面可以使得正弦電壓仿制質(zhì)量提高，但另一方面會在暫態(tài)時產(chǎn)生過大的過載電壓，并且延緩系統(tǒng)進(jìn)