三相電壓型逆變器的技術(shù)研究

三相電壓型逆變器的技術(shù)研究湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)三相電壓型PWM逆變器PWM逆變器電路比較簡單，功率可以進(jìn)行雙方向的流動(dòng)，擁有較小的輸出電壓THD，輸出濾波器體積小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為電壓型和電流型兩種。電壓型逆變電路容易實(shí)現(xiàn)，電路比較簡易方便，不需要復(fù)雜的輸出濾波器就可以減小電磁干擾。目前，電壓型逆變電路的研究的比電流型逆變電路的研究更深入，應(yīng)用更廣泛。2.1逆變器的介紹2.1.1逆變器原理三相逆變器是一種由DC變?yōu)锳C的變壓器，它與轉(zhuǎn)化器一樣是一種電壓逆變的過程。轉(zhuǎn)換器是將電網(wǎng)的交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的12V直流輸出，而逆變器的作用是將Adapter輸出的12V直流電壓改為輸出高頻高壓交流電；兩個(gè)元器件都采用了脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)。它們的核心部分是一個(gè)PWM集成控制器，不同的是Adapter采用的是UC3842芯片，而逆變器則用的是TL5001芯片。TL5001芯片的工作電壓范圍為3.6～40V之間，芯片內(nèi)部由誤差放大器，調(diào)節(jié)器、振蕩器、控制死區(qū)的PWM發(fā)生器、低壓保護(hù)回路及短路保護(hù)回路等組成[6]。輸入端口部分：輸入端有3個(gè)信號源，12V直流輸入VIN、工作使能電壓ENB及Panel電流控制信號DIM。VIN由Adapter提供，ENB的電壓是由主板上的MCU提供，電壓的值是0V或3V，當(dāng)ENB上電壓為0V時(shí)，此時(shí)逆變器不進(jìn)行工作，而ENB上電壓3V時(shí)，逆變器進(jìn)入工作狀態(tài)；而DIM電壓由主板提供，它的電壓范圍是0～5V，如果把不同的DIM值反饋給PWM控制器反饋端，那么逆變器向負(fù)載提供的電流也不同，得出DIM值越小，輸出電流越大的結(jié)論[7]。電壓驅(qū)動(dòng)回路：ENB端口電平是高時(shí)，Panel的燈管被輸出的高電壓點(diǎn)亮。PWM控制回路：由內(nèi)部參考電壓、誤差放大器、振蕩器和PWM、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、短路保護(hù)、輸出晶體管等部件組成。直流變換：由MOS開關(guān)和蓄能電感組成電壓變換電路，開關(guān)動(dòng)作由輸入脈沖經(jīng)過放大器放大后驅(qū)使MOS管后開關(guān)，并允許直流電壓對電感進(jìn)行充放電，電感的另一端得到交流電壓。LC振蕩及輸出回路：保證啟動(dòng)燈管時(shí)必須的1600V電壓，并啟動(dòng)之后將電路內(nèi)電壓降至800V的一種電路。輸出電壓反饋：當(dāng)負(fù)載工作時(shí)，反饋采樣電壓，起到穩(wěn)定I逆變器電壓輸出的作用。通俗的講，逆變器是一種將直流電能源轉(zhuǎn)化為交流電能源的一種設(shè)備。它的主電路由逆變橋、控制邏輯裝置和濾波電路組成。在生活中被廣泛的使用。簡單逆變器的工作原理如下所述。通過一個(gè)震蕩芯片，或特殊的電路，控制震蕩信號，例如輸出100HZ信號，放大這個(gè)信號，推動(dòng)MOS管進(jìn)行開關(guān)，這樣直流電輸入之后，經(jīng)過這個(gè)MOS管的開關(guān)動(dòng)作，就形成一定的交流特性，通過修改電路，我們可以得到正弦波，然后發(fā)送到工頻變壓器，公頻變壓器是220V變?yōu)?V的變壓器，意思是輸入220V得到24V，輸入24V則得到220V。變壓器輸出，輸出后再送到穩(wěn)壓電路，保護(hù)電路，這個(gè)電壓送給負(fù)載。2.1.2逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及開關(guān)狀態(tài)三相電壓型PWM逆變器采用半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2.1所示。這是最常見的一種三相逆變器，有6個(gè)功率開關(guān)管，交流側(cè)采用三相對稱的無中線連接。是電源，，，為三相逆變器電網(wǎng)端電壓，,、為輸出三相電壓，、，是輸出濾波，控制開關(guān)MOSFETVT1和6個(gè)二極管VD1～VD6并聯(lián)作為電路的開關(guān)。圖2.1三相電壓PWM逆變器主電路圖三相電壓PWM逆變器，任意時(shí)刻的情況下上下橋臂不能同時(shí)導(dǎo)通開關(guān)管，意思就是無論在上或下橋臂，只有1個(gè)開關(guān)(VT6，VT4，VT2)或(VT1，VT3，VT5)處于開通狀態(tài)。為了更加方便地分析開關(guān)工作，用“0”代表下橋臂處于通電狀態(tài)(VTi和VDi導(dǎo)通)，上橋臂處于關(guān)斷狀態(tài)(VTi或VDi關(guān)斷)；用“1”代表上橋臂處于導(dǎo)通狀態(tài)(VTi或VDi導(dǎo)通)，下橋臂處于關(guān)斷狀態(tài)(VTj和VDj關(guān)斷)，三個(gè)橋臂的全部開關(guān)管按照不同組合方式會(huì)產(chǎn)生8種開關(guān)狀態(tài)(000～111)。其中(000)、(111)為零開關(guān)狀態(tài)，(100～101)為非零開關(guān)狀態(tài)。例如N(000)代表所有上橋臂關(guān)斷，橋臂輸出電壓為零，稱此狀態(tài)為零狀態(tài)；(001)表示u、v相橋臂導(dǎo)通、w相橋臂導(dǎo)通。8種開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)8種輸出電壓ur，即U1(000)、U2(100)、U3(010)、U4(011)、U5(001)、U6(101)、U7(111)。逆變器的輸出電壓改成空間電壓矢量的公式：（2.1）（2.2）（2.3）當(dāng)SuSvSw=000～111時(shí)，想應(yīng)的U0(000)、U1（l00)、U2(1l0)、U3（010）、U4(011)、U5(001)、U6(101)、U7(111)，變化值為2UDC／3，如圖2.2所示。圖2.2逆變器輸出空間圖2.1.3逆變器換流過程我們假設(shè)逆變器中電流的方向如圖2.1表示，電路中i1、i2、i3、i4、i5、i6表示逆變器每個(gè)橋臂上的流動(dòng)電流，全部是直流端上的電流，電流方向與電路中顯示的箭頭方向一致。輸出端口的交流電壓在空間矢量圖上分為6個(gè)區(qū)域，顯示在圖2.2。I區(qū)：0=0~60°Ⅱ區(qū)：0=60°~120°Ⅲ區(qū)：0=120°~180°IV區(qū)：0=180°~240°，V區(qū)：0=240°~300°Ⅵ區(qū)：0=300°~360°，如圖2.3所示。根據(jù)輸出電流的流向方向不同，可以將電流矢量劃為6個(gè)區(qū)間，第一區(qū)間：θ=-30°~30°，iu>0，iv>0，iw>0；第二區(qū)間：θ=30°~90°，iu>0，iv>0，iw<0；第三區(qū)間：θ=90°~150°，iu<0，iv>0，iw<0；第四區(qū)間：θ=150°~210°，iu<0，iv>0，iw>0；第五區(qū)間：θ=210°~270°，iu<0，iv<0，iw>0；第六區(qū)間：θ=270°~330°，iu>0，iv<0，iw>0；如圖2.3所示。圖2.3工作區(qū)間劃分根據(jù)圖中的工作區(qū)間劃分，分析逆變電路換流過程：(1)T作狀態(tài)在T狀態(tài)區(qū)間，eu>0、ev<0、ew<0，由于直流電源E比較高，iu>0，iv<0，iw<0，電路能實(shí)現(xiàn)逆變，換流過程與開關(guān)狀態(tài)如圖2．4所示。圖2.4a為(100)開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)的換流過程，“上橋臂通電下橋臂關(guān)閉，v、w相橋臂通電上橋臂關(guān)閉，即VTl、VT4、VT2通電，橋臂輸出端線電壓Uuv=UDC、Uwv=0、Uwu=-UDC，電流的流向沿圖中的虛箭頭流動(dòng)。圖2.4b為(110)在開關(guān)狀態(tài)下的換流過程，u，v相上橋臂通電下橋臂關(guān)閉，w相下橋臂通電上橋臂關(guān)閉，即VT1、VT3、VT2導(dǎo)通，橋臂端輸出電壓“U=0、Uvw=UDC、Uwu=UDC，圖中箭頭代表電流流向”，u，v相電感L存儲(chǔ)磁場能量。(2)其他區(qū)間逆變器其他的工作區(qū)間的換流過程與I區(qū)間相似，省略。a)100開關(guān)換流過程b）110開關(guān)換流過程圖2.4逆變器工作區(qū)間換流過程2.1.4逆變器的運(yùn)行和控制穩(wěn)態(tài)條件中，PWM逆變器交流端口矢量關(guān)系如圖2.5。a）純電感特性運(yùn)行b）單位功率因數(shù)整流運(yùn)行c）純電容特性運(yùn)行d）單位功率因數(shù)逆變運(yùn)行圖2.5逆變器交流端口矢量圖為了便于分析，忽略三相PWM逆變器一側(cè)交流端的電阻和諧波量只研究基波分量。（圖中，E代表交流電網(wǎng)電動(dòng)勢矢量，V代表交流電壓矢量，VL代表交流測電感電壓矢量，I代表交流電流矢量）這樣就可以分析得到：當(dāng)參考矢量是交流一側(cè)電網(wǎng)上的電動(dòng)勢矢量時(shí)，控制一側(cè)交流端口電壓矢量y可以使得PWM逆變器在框圖上的四個(gè)象限中運(yùn)行。假設(shè)IJl定值，則I”l=cotII也是一個(gè)固定值，因此得到PWM逆變器交流電壓矢量y端點(diǎn)是一個(gè)以半徑為I運(yùn)動(dòng)的圓。當(dāng)y點(diǎn)行進(jìn)到A點(diǎn)時(shí)，滯后電動(dòng)一側(cè)上的勢矢量為E90°，此時(shí)PWM逆變器顯示是純電感，圖a所示；當(dāng)y端點(diǎn)處于B端時(shí)，交流矢量J平行于矢量E平行并且J與E的方向是相同的，PWM逆變器變?yōu)閱挝粫r(shí)間內(nèi)功率因數(shù)處于一種調(diào)整電流狀態(tài)，圖b所示；當(dāng)y端點(diǎn)位于C端時(shí)，提前交流一側(cè)電動(dòng)勢的矢量為E90°，PWM逆變器上電網(wǎng)一側(cè)是純電容，圖c所示；當(dāng)y端點(diǎn)處于D點(diǎn)時(shí)，J平行于交流側(cè)上電動(dòng)勢的矢量E且J與E方向相反，PWM逆變器變?yōu)閱喂β蔬\(yùn)行因數(shù)逆變狀態(tài)，圖d所示。根據(jù)上面的PWM逆變器四種特殊工作狀態(tài)，推斷一般情況，得到PWM逆變器在四象限下運(yùn)動(dòng)的規(guī)律：(1)當(dāng)交流電壓矢量Y位于圓形軌道，PWM逆變器工作狀態(tài)是整流。在此期間，PWM逆變器吸收來自電網(wǎng)側(cè)的感應(yīng)無功功率和有功功率，并將能量從逆變器轉(zhuǎn)移到DC側(cè)。當(dāng)PWM逆變器工作在B點(diǎn)時(shí)，它處于統(tǒng)一功率因數(shù)整流器的狀態(tài)，而電壓矢量Y端點(diǎn)位于一個(gè)點(diǎn)上，逆變器只吸收電網(wǎng)的感應(yīng)無功功率，而不吸收有功功率。(2)當(dāng)交流電壓矢量Y位于圓形軌道BC時(shí)，PWM逆變器仍處于整流狀態(tài)。同時(shí)，逆變器需要從電網(wǎng)側(cè)吸收無功功率和有功功率，并將能量從逆變器側(cè)轉(zhuǎn)移到DC側(cè)。當(dāng)電壓矢量Y端點(diǎn)位于C點(diǎn)時(shí)，逆變器只吸收電網(wǎng)的容性無功而不吸收有功功率。(3)當(dāng)交流電壓矢量Y在圓形軌道d時(shí)，PWM逆變器為逆變器。在此期間，逆變器將電容式無功功率和有功功率轉(zhuǎn)移到電網(wǎng)，并將能量從逆變器的DC側(cè)轉(zhuǎn)移到電網(wǎng)側(cè)。當(dāng)電壓矢量Y位于D點(diǎn)時(shí)，逆變器處于逆變器功率因數(shù)。(4當(dāng)交流電壓矢量V位于圓形軌道DA，PWM逆變器是逆變器。在這一時(shí)期同時(shí)，將感應(yīng)無功功率和有功功率傳輸給電網(wǎng)，并將能量從逆變器的DC側(cè)轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)側(cè)。因此，只要控制電網(wǎng)側(cè)電流，就可以使逆變四象限運(yùn)行。PWM逆變器電網(wǎng)側(cè)電流控制，可以間接控制交流電壓控制，也可以通過直接控制電網(wǎng)側(cè)電流閉環(huán)。2.2數(shù)學(xué)模型的建立對三相電壓型PWM逆變器建設(shè)數(shù)學(xué)模型，為了更好的研究控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，分別從三相ABC靜止坐標(biāo)系、兩相靜止αβ坐標(biāo)系和兩相同步旋轉(zhuǎn)由坐標(biāo)系中建立數(shù)學(xué)模型[11]。三相電壓型PWM逆變器主電路結(jié)構(gòu)如圖所示。建立其數(shù)學(xué)模型，假設(shè)：①交流端是三相對稱正弦電壓；②開關(guān)管是理想開關(guān)，忽略功率損耗和斷延；③濾波電感是理想中線性的，不需要考慮飽和。由上述假設(shè)得到三相電壓型逆變器的主電路如圖2.6所示。圖2.6三相電壓型PWM逆變器主電路圖中，eu、ev、ew為電壓端；Ll、L2、L3為濾波電感，值是L；R代表電阻；Su、Sv、Sw為開關(guān)，Sj是二值單極性開關(guān)函數(shù)，當(dāng)Sj(j=u、V、w)=1時(shí)，上橋臂的開關(guān)管通電，下橋臂的開關(guān)管關(guān)閉，當(dāng)Sj(j=u、V、w)=0時(shí)，上橋臂的開關(guān)管關(guān)閉，下橋臂的開關(guān)管通電；UDC為直流側(cè)電壓；C是電容；Uru、Urv、Urw是輸出端交流相電壓，iL為直流電流。2.2.1三相ABC坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型在三相靜止ABC坐標(biāo)系下建立數(shù)學(xué)模型，我們先假設(shè)對稱網(wǎng)側(cè)電壓源及輸出端電流為：（2-1）（2.4）（2-1）（2.5）上面兩式中，eu、ev、ew是網(wǎng)側(cè)的三個(gè)電壓，iou、iov、iow是三個(gè)輸出端電流，φ是交流電壓和輸出端交流型電流相位之差，ω為是輸出端交流型電的角頻率，Em是相電壓的波峰峰值，Im是相電流的波峰峰值。對于輸出端交流應(yīng)用基爾霍夫電壓定律(LVL)，由公式2.6可得：（2.6）或者寫成向量的形式為（2.7）式中，uru=SuuDC+uON，urv=SvuDC+uON，urw=SuuDC+uON；uON表示下面橋臂的節(jié)點(diǎn)O與三相輸出電壓的中性點(diǎn)N之間的電壓；e，i，u分別表示交流電網(wǎng)電壓、電流和逆變橋輸出電壓矢量。對于三相對稱系統(tǒng)，有：（2.8）可得（2.9）那么有（2.10）對直流輸入側(cè)應(yīng)用基爾霍夫電流定律(KCL),由圖2.3得（2.11）式中，iDC=Suiou+Sviov+Swiow。綜合式(2.3)和式(2.8),得到電壓PWM逆變器在三相ABC坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型為：（2.12）數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)圖如圖2.7所示：圖2.7三相電壓型PWM逆變器在三相ABC坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)

2.2.2兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型想要在在兩相靜止αβ坐標(biāo)系中建設(shè)數(shù)學(xué)模型，我們要將逆變器在ABC坐標(biāo)系中的系統(tǒng)變量通過計(jì)算輸入到到αβ坐標(biāo)系中。兩種變換方法分別是等量變換和正交變（等功率變換）。在兩坐標(biāo)系中變換前后的矢量等于等價(jià)變換；兩坐標(biāo)坐標(biāo)系中的功率變換等于功率改變。逆變電源的控制策略一般采用等效改變，而功率變換控制策略和矩陣求逆運(yùn)算采用等功率交換。等量變換矩陣及其逆矩陣為：（2.13）等功率變換及其逆矩陣分別為：（2.14）2.2.3采用等量變換的數(shù)學(xué)模型三相電壓PWM逆變器的參數(shù)變量經(jīng)過計(jì)算等量交換后，得到兩相靜止αβ坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：（2.15）式中，，，，。對于三相對稱系統(tǒng)，有，，。變化為：（2.16）三相電壓型PWM逆變器經(jīng)過等量矩陣變換后，在兩相靜止αβ坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)如圖2.8所示：圖2.8在兩相靜止αβ坐標(biāo)系下采用等量變化的逆變器的數(shù)學(xué)模型2.2.5采用等功率變換數(shù)學(xué)模型三相電壓PWM逆變器的參數(shù)經(jīng)過等功率計(jì)算變化后，得到兩相靜止αβ坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：（2.17）式中，，，。對于三相對稱系統(tǒng)，有，，。變化為：（2.18）三相電壓PWM逆變器中的參數(shù)經(jīng)過等功率計(jì)算用矩陣變換的方式后，在兩相靜止αβ坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型如圖2.9所示。圖2.9采用等功率變換的逆變器的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)2.2.6兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型想要在在兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中數(shù)學(xué)模型，先將逆變器在三相ABC坐標(biāo)系中的參數(shù)變量計(jì)算后放入兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系。方法是等量變換或者等功率變換。1.采用等量變換建立數(shù)學(xué)模型將三相ABC坐標(biāo)系中逆變器的系統(tǒng)變量變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中，等量變換矩陣：（2.19）逆矩陣：（2.20）三相電壓型PWM逆變器的各變量經(jīng)過等量變換后，得到兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：（2.21）由于，，變化為：（2.22）三相電壓PWM逆變器通過等量矩陣計(jì)算得到在兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)如圖2.10所示。圖2.10在dq坐標(biāo)系下采用等量變換的逆變器數(shù)學(xué)模型2采用等功率變換的數(shù)學(xué)模型將三相ABC坐標(biāo)系中的參數(shù)變量計(jì)算后放入到兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中，所需要的等功率變換矩陣為：（2.23）逆矩陣是：（2.24）三相電壓型PWM逆變器經(jīng)過等功率變換后，在兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型為：（2.25）由于，，變化為：（2.26）三相電壓PWM逆變器通過等功率矩陣計(jì)算改變在兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)如圖所示：圖2.11在兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下采用等功率變換的逆變器的數(shù)學(xué)模型結(jié)2.3本章小結(jié)本章主要分析了三相電壓型PWM逆變器主電路，采用三相對稱無中線連接方式的半橋結(jié)構(gòu)作為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，8種開關(guān)狀態(tài)的工作區(qū)間。交流電壓空間矢量在6個(gè)區(qū)域內(nèi)工作，本章對逆變器在每個(gè)工作區(qū)域內(nèi)的換流過程做了分析，并分析了逆變器的四種特殊運(yùn)行狀態(tài)。

3SPWM控制系統(tǒng)的應(yīng)用3.1SPWM的工作原理首先簡單介紹一下最簡單也是最基礎(chǔ)的波形調(diào)制PWM。PWM的全稱是PulseWidthModulation（脈沖寬度調(diào)制），它是通過對可控性開關(guān)器件的開通與關(guān)斷時(shí)間之比，從而調(diào)節(jié)電壓的輸出波形來實(shí)現(xiàn)脈沖寬度的調(diào)制。調(diào)節(jié)電壓波形還可以進(jìn)行頻率調(diào)制，即改變開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷次數(shù)。本文我們采用的是SPWM的波形調(diào)制方法。SPWM是在PWM的基礎(chǔ)上把開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間比進(jìn)行正弦規(guī)律排列，從而達(dá)到正弦脈沖寬度調(diào)制。使輸出的波形更加的規(guī)則化，方便我們進(jìn)行等效技術(shù)和模擬。SPWM波的形成過程需要精確的控制可靠型開關(guān)器件的開通和關(guān)斷時(shí)間之比，還有精確的計(jì)算出三角波和正弦波的兩個(gè)交點(diǎn)。整個(gè)計(jì)算過程可以用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，通過各個(gè)模塊的配合可簡單精確實(shí)現(xiàn)。在其中使用到的調(diào)制算法主要有自然采樣法和規(guī)則采用法等，規(guī)則采用法更加利于實(shí)現(xiàn)而且計(jì)算量小。3.2SPWM的結(jié)構(gòu)電路在逆變器中我們會(huì)對電壓波形進(jìn)行調(diào)制，PWM技術(shù)在逆變電路中得到了重要且廣泛的應(yīng)用。在電壓波形調(diào)制中選擇PWM調(diào)制得到的是等效直流波形，而SPWM的性能更為優(yōu)越得到的是等效正弦波形，更方便我們進(jìn)行定量計(jì)算和等效。無論是PWM和SPWM技術(shù)它們最基本的原理還是面積等效原理。以上所述都是規(guī)則調(diào)制，還可以進(jìn)行不規(guī)則調(diào)制。目前三相逆變電路最常用的是三相橋式逆變電路，下面對三相橋式逆變電路的原理結(jié)合圖來簡單說明一下。三相橋式逆變電路如圖所示，由六個(gè)全控型開關(guān)器件來完成逆變，由于IGBT綜合性能優(yōu)異，故使用較多。也可以使用晶閘管，但往往需要額外加上外電源來實(shí)現(xiàn)逆變完成。如圖所示，我們可以看到整個(gè)電路由六個(gè)全控型器件和相應(yīng)的與其并聯(lián)的二極管及電容電感等，利用可控開關(guān)器件的關(guān)斷能力，可以實(shí)現(xiàn)直流到交流的逆變，而且開關(guān)器件的頻率就是交流電的頻率。而二極管我們成為不可控器件，它的作用是為我們進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，而且當(dāng)其所對應(yīng)的全控型器件處于關(guān)斷時(shí)，它可以為電流連續(xù)提供續(xù)流通道。在三相橋式逆變電路中，各管的導(dǎo)通次序同整流電路一樣，也是Q1、Q2、Q6、Q1……Q6各管的觸發(fā)信號依次互差60°。在逆變電路中全控型器件的導(dǎo)通我們最常用到的是180度和120度兩種，在原理上完全相同，只是在空間中相差了一個(gè)角度，180度的上下兩個(gè)橋臂導(dǎo)通互補(bǔ)，而120度的兩個(gè)晶體管會(huì)同時(shí)導(dǎo)通但在導(dǎo)通過程中會(huì)有一個(gè)角度差為60度。還可以將全控型器件的導(dǎo)通角度設(shè)置為150度，無論導(dǎo)通角度為多少它們的基本原理都一樣。在不同情況下選擇合適的角度。3.3SPWM的基波電壓和空間矢量PWM調(diào)制我們通常在說到電動(dòng)機(jī)的電壓時(shí)，在電壓中我們所想要的是有更多基波，在對SPWM波形進(jìn)行分析時(shí)我們希望其基波所占比例能盡可能多，這樣可以提高效率和電壓利用率。將SPWM波形展開成傅立葉級數(shù)可以有效的幫助我們找到基波電壓它是一個(gè)對稱的正弦波且是奇次周期函數(shù)。下面是其表達(dá)式：k=1，3，5....（3.1）（3.2）要注意到，在SPWM逆變器中會(huì)出現(xiàn)電壓利用效率偏低的情況，輸出電壓的基波相比情況下會(huì)是交-直-交變頻器的85%-90%，這樣就好導(dǎo)致電機(jī)對電壓的利用降低，由于電容的作用是穩(wěn)定電壓，所以為克服以上的不足之處，并聯(lián)一個(gè)容量大的電容可以起到穩(wěn)定和提高電壓的作用。下面分別介紹脈寬調(diào)制的制約條件和SVPWM原理（1）脈寬調(diào)制的制約條件由于脈寬調(diào)制的特性，逆變器主電路的開關(guān)器件的開關(guān)頻率在電壓輸出的期間開關(guān)頻率為n。如果想要SPWM的調(diào)制準(zhǔn)確性越高，則要求我們把開關(guān)頻率提高，可以把正弦波形分成很多波段，各個(gè)波段的脈沖寬度會(huì)相應(yīng)的減小，從而可有效的提高精確到。但在實(shí)際情況中，由于開關(guān)器件自身的限制會(huì)導(dǎo)致調(diào)制的準(zhǔn)確性受到限制。這就是最終的制約條件。那么什么是SVPWM控制呢，下面進(jìn)行簡單介紹。（2）空間矢量PWM控制空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)，其原本目的是從被控制的電機(jī)角度出發(fā)，目標(biāo)是讓三相交流電機(jī)產(chǎn)生圓形磁場，以逼近電機(jī)的最佳性能。隨著研究的深入，空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)，也是一種非常實(shí)用的三相電壓源逆變器控制技術(shù),現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于逆變器、交流電機(jī)、永磁同步電機(jī)的控制中。SVPWM技術(shù)具有電壓利用率高、輸出電壓諧波值較小、數(shù)字化實(shí)現(xiàn)較為容易等諸多優(yōu)勢[17]。（3）空間矢量算法原理為了進(jìn)行模擬三相正弦波電壓供電時(shí)所形成的空間效果，可以用三相逆變器中不同的電路開關(guān)狀態(tài)來模擬實(shí)現(xiàn)，效果非常接近。這八種矢量可以通過α-β坐標(biāo)變換，將代表三相電壓的三維矢量映射到更為簡單地的α-β二維坐標(biāo)系，兩個(gè)零矢量落在坐標(biāo)原點(diǎn)處，其他六個(gè)非零矢量分別相隔60度，并將坐標(biāo)以原點(diǎn)為中心分成六個(gè)扇區(qū)。將六個(gè)矢量的終端依次連接，構(gòu)成一個(gè)正六邊形，如下圖4-2所示。假設(shè)T0是兩個(gè)傳統(tǒng)零矢量之和，T1、T2分別為兩個(gè)矢量的作用時(shí)間之和T為載波周期假設(shè)當(dāng)前輸出電壓在扇形I區(qū)，則在圖3.2二維坐標(biāo)系中可以得到以下等式：（3.3）圖3.2三相全橋逆變器空間矢量二維坐標(biāo)圖扇區(qū)系數(shù)N與所處扇區(qū)的關(guān)系如表3.1所示。表3.1扇區(qū)系數(shù)N與所處扇區(qū)的關(guān)系表扇區(qū)系數(shù)N315421所處扇區(qū)ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ令，綜上敘述可以計(jì)算出，和，定義（3.4）在六個(gè)扇區(qū)對應(yīng)的相鄰非零矢量作用時(shí)間分配如下表所示表3.2不同扇區(qū)，與，和關(guān)系表扇區(qū)ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ3.4最大升壓調(diào)制法和簡單升壓調(diào)制法最大升壓調(diào)制法：這種調(diào)制法其原理是同事原本的八種傳統(tǒng)零矢量順序保持不變。最大升壓調(diào)制法插入直通區(qū)間的辦法：維持傳統(tǒng)的六個(gè)傳統(tǒng)有效矢量的時(shí)間和位置不變，在這些傳統(tǒng)零矢量的區(qū)間中插入符合目前升壓需求的的直通區(qū)間。被插入的直通區(qū)間可以被看成載波大于被調(diào)制波或小于被調(diào)制波的區(qū)間。被加入的可調(diào)的直通區(qū)間可以方便地用來增加升壓系數(shù)，而且這種調(diào)制方法能較大幅度調(diào)高升壓系數(shù)，但缺點(diǎn)在于不能任意控制直通區(qū)間的寬度。簡單升壓調(diào)制法：同最大升壓調(diào)制法一樣，插入直通的方式也是來自七種直通矢量，維持原本的八種傳統(tǒng)零矢量保持不變。簡單升壓調(diào)制法插入直通區(qū)間的方法：維持傳統(tǒng)的六個(gè)有效矢量時(shí)間和位置不變，在原本傳統(tǒng)零矢量的區(qū)間加入適量的直通區(qū)間。被加入的直通區(qū)間可以看成一條直線與三角載波相交的交點(diǎn)之間的區(qū)間，直線平行于橫軸，直線高度小于三角載波幅值。被加入的可調(diào)的直通區(qū)間可以方便地用來調(diào)節(jié)升壓系數(shù)的大小。在所有的Z源逆變器脈寬調(diào)制方法中，這種方法是最容易實(shí)現(xiàn)的。3.5本章小結(jié)本章我們介紹了為了研究PWM逆變器我們采用的SPWM的波形調(diào)制方法，SPWM的基本工作原理和結(jié)構(gòu)電路圖以及為了控制SPWM所采用的控制方式。

4SPWM在三相逆變器中的MATLAB仿真4.1三相PWM逆變器的輸出電壓波形仿真下面簡單的介紹三相SPWM逆變器仿真圖用MATLAB構(gòu)建模型，用MATLAB中的仿真模塊SIMULINK對整個(gè)仿真模型進(jìn)行仿真。其中需要用到PWM脈沖發(fā)生器和多功能橋模塊。圖4.1三相SPWM逆變器仿真模型如圖所示，對多功能橋設(shè)為三相橋臂，開關(guān)器件選擇了IGBT。為了能夠通過多路測量器來觀察和測量全控型器件的電壓和電流的承受能力，在進(jìn)行測量之前應(yīng)選擇好適合的電壓和電流以適合逆變器的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，在進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí)應(yīng)注意參數(shù)的準(zhǔn)確性比如：三角波頻率應(yīng)為600Hz，以便于能清晰的觀察輸出時(shí)電壓的波形變化。在實(shí)際應(yīng)用中頻率會(huì)高得多。需要說明的是調(diào)制方式并不唯一可以選擇內(nèi)部產(chǎn)生和外產(chǎn)生。下面給出了參數(shù)設(shè)置對話框圖和電壓輸出波形[19]。圖4.2參數(shù)設(shè)置對話框圖4.3SPWM波形發(fā)生器圖4.4參數(shù)設(shè)置對話框a)輸出電壓（A相）b）輸出電壓（B相）c）輸出電壓(d)三相輸出電流圖4.5電壓為500V時(shí)輸出波形接著，我們改變?nèi)嗄孀兤麟娐返碾妷?，?00V改為300V，觀察仿真結(jié)果。圖4.6改變電壓參數(shù)a)輸出A相b）輸出B相c）輸出C相d）三相輸出圖4.7電壓為300V時(shí)的輸出波形圖4.8改變負(fù)載R值然后我們在不改變電壓（仍為300V）的情況下，改變?nèi)?xiàng)逆變器中的電阻（R）值，觀察仿真結(jié)果。a)輸出A相b)輸出B相c)輸出C相d)三相輸出圖4.9電壓為300V，R為1?時(shí)的輸出波形由以上仿真結(jié)果可以看出，輸出的SPWM波形無限接近正弦波，SPWM的調(diào)制效果比PWM更加精確。原因是開關(guān)器件自身的限制會(huì)影響調(diào)制結(jié)果，另外PWM波中的諧波會(huì)使調(diào)制效果變差。改變電壓會(huì)使輸出電壓的峰值產(chǎn)生變化，而如果改變負(fù)載中的電阻值，會(huì)使輸出電壓頻寬發(fā)生改變。

結(jié)語本次設(shè)計(jì)是以三相逆變器的設(shè)計(jì)與仿真為研究核心，從最開始的發(fā)展歷史以及工作原理闡述和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單分析，逆變器其主要功能就是把直流電變化成交流電，其作用和研究意義十分明顯。本文開始介紹了典型的逆變器電壓型逆變器，其使用方法也很簡單。隨即就逆變器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析，最后采用了SPWM的方式在Matlab中進(jìn)行仿真，得到仿真波形圖。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，提高了對問題的分析能力和知識整體的運(yùn)用能力，但同時(shí)也暴露出自身的去點(diǎn)。在設(shè)計(jì)過程中對電路整體把握不夠具體，對于細(xì)節(jié)的處理不仔細(xì)。這就表明我們在對于知識的理解上還是不夠，知識的基礎(chǔ)不牢導(dǎo)致在對知識的延伸時(shí)不能貫通。所以在以后的學(xué)習(xí)中應(yīng)在掌握好基礎(chǔ)的同時(shí)在嘗試去應(yīng)用自己所學(xué)的理論，把理論運(yùn)用到實(shí)踐中。本次設(shè)計(jì)不僅讓我回顧了學(xué)過的理論還將這些知識結(jié)合在在一個(gè)系統(tǒng)中，對于論文中所提到的知識點(diǎn)，在以前的認(rèn)識基礎(chǔ)上更加有了新的理解。在設(shè)計(jì)剛開始的時(shí)候，從意識的毫無頭緒，到整體的系統(tǒng)構(gòu)建出來之后思路就變得清晰。所以我們一定要先把握整體，再對系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，最終達(dá)到對問題的理解與應(yīng)用。最后的繪制模型圖和仿真時(shí)，更是讓我們提高了對MATLAB的運(yùn)用。整個(gè)設(shè)計(jì)過程雖然有一定困難，但最終還是得到良好解決。

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