电压型三相SPWM逆变器建模和仿真研究教案资料.docx
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电压型三相SPWM逆变器建模和仿真研究教案资料
电压型三相SPWM逆变器建模和仿真研究
***学院
本科毕业设计（论文）
题目
（中、英文）
电压型三相SPWM逆变器建模和仿真研究
Voltage-sourceSPWMInverter
ModelingandSimulationofThree-phase
摘要
电压型三相逆变器就是供给逆变器的交流电源是三相电电源，SPWM正弦脉宽调制法这项技术的特点是原理简单，通用性强，具有开关频率固定，控制和调节性能好，使输出电压只含有固定频率的高次谐波分量，并能够消除谐波，且设计简单等一系列的优点，SPWM正弦脉宽调制法是一种比较好的波形改善的方法。
SPWM正弦脉宽调制法的出现为中型和小型逆变器的快速发展起到了一个重要的推动作用。
伴随着电力电子技术的高速发展，电压型三相SPWM逆变器已被广泛应用在各个领域之中，并且SPWM技术已经成为目前应用最为广泛的逆变用PWM技术。
通过电压型三相SPWM逆变器建模和仿真研究这项课题，能够加强自己对电压型三相SPWM逆变器控制原理和建模进行深入理解，并提高自己在三相电压逆变方面的计算机仿真能力，为今后自己从事交流电机控制与电源逆变相关工作打下良好的基础。
关键词：
电压型；频率；SPWM；逆变器
Abstract
TheACpowersupplyvoltagethree-phaseinverterissuppliedtotheinverteristhree-phaseelectricpowersupply,thetechnologyofSPWMsinepulsewidthmodulationmethodissimpleinprinciple,strongversatility,withfixedswitchingfrequency,controlandregulationperformance,sothattheoutputvoltageharmoniccomponentcontainsonlythefixedfrequency,andcaneliminatetheharmonic,andhastheadvantagesofsimpledesignaseriesof,SPWMsinepulsewidthmodulationmethodisagoodwaveformimprovement.SPWMsinepulsewidthmodulationmethodfortherapiddevelopmentofmediumandsmallinverterplaysanimportantroleinpromoting.Alongwiththerapiddevelopmentofpowerelectronictechnology,three-phasevoltage-sourceSPWMinverterhasbeenwidelyusedinvariousfields,andtheSPWMtechnologyhasbecomethemostwidelyusedPWMtechnologyofinverter.
ThroughresearchonModelingandSimulationofthree-phasevoltage-sourceSPWMinverterthissubject,itcanmakemehaveastrengthtovoltagethree-phaseSPWMinvertercontrolprincipleandmodelingamoredepthunderstanding,anditcanimprovemyselfinthethree-phasevoltageinverteraspectsofcomputersimulationability,whichcanmakemehaveagoodfoundationofengagedinACmotorcontrolandpowerinverterrelatedwork.
Keywords:
Voltagetype;frequencySPWM;Inverter
1引言
近年来，随着大功率全控型电力电子器件的研究与开发成功和应用技术的不断成熟，电能变换技术得到了突破性的进展，在一些领域中，已经开始使用各种新型逆变器电源，其中，也包括电动机。
但是因为逆变器电源之类大功率电力电子装置的结构复杂，如果直接对大功率电力电子装置进行试验，不但花费高，且费时耗力，因此对它们的研制过程中，需要借助计算机仿真技术对其机理与特性、控制方法的有效进行验证，来预测并解决潜在的问题，同时缩短了研制时间和研究所花的费用。
SPWM正弦脉宽调制法这项技术的特点是原理简单，通用性强，具有开关频率固定，控制和调节性能好，使输出电压只含有固定频率的高次谐波分量，并能够消除谐波，且设计简单等一系列的优点，SPWM正弦脉宽调制法是一种比较好的波形改善的方法。
SPWM正弦脉宽调制法的出现为中型和小型逆变器的快速发展起到了一个重要的推动作用。
伴随着电力电子技术的高速发展，电压型三相SPWM逆变器已被广泛应用在各个领域之中，并且SPWM技术已经成为目前应用最为广泛的逆变用PWM技术[3]。
模拟控制和数字控制是根据生成SPWM波形的实现方式划分的两种形式，传统的模拟控制方式在逆变器中的控制性能优良，技术成熟，应用非常广泛，但是模拟控制方式也存在着许多的缺陷，例如：
设计周期长，不易管理维护，元件众多等缺点。
随着数字信号处理技术的飞速发展，电力电子与电力传动控制领域中以成功的应用了数字控制技术，逆变器的数字控制逐渐成为人们研究热点课题。
MATLAB软件具有强大的数值计算功能，电压型三相SPWM逆变器建模和仿真研究是利用MATLAB软件中的SIMULINK建立一个三相电压型SPWM逆变器系统的仿真模型，并对其输出特性进行仿真分析
2电压型三相SPWM器的工作原理及控制方法
2.1三相电压型逆变电路
电力电子器件的各种交流装置可以对不同形式的电能（交流与直流之间）进行变换，主要有AC-DC、AC-AC、DC-AC和DC-DC变换装置，因为它们都工作在开关状态，因此可以进行高效率的能量变换。
其中直-交逆变器根据中间直流环节储能器件的不同可分为：
电容器储能的电压型逆变器和电感器储能的电流型逆变器。
我们通过三个单项逆变电路可以组合一个三相逆变电路，但在三相逆变电路中，应用最为广泛的还是三相桥式逆变电路，采用IGBT作为开关器件的三相电压型逆变器的主电路图如图2-1所示，可以看成由三个半桥逆变电路组成。
图2-1三相电压型逆变器的主电路结构
两种工作模式
在图2-1给出的三相电压型逆变器中，每一相都有上下两个桥臂，每一个桥臂采用一支主管V和一支续流二极管VD反并联构成。
该电压型逆变器有两种工作方式。
一种是导通方式，在任何时候都只有不同相的两支主管导通。
同一相的两支主管在一个周期内各导通，它们之间切换时分别有的间隙时间。
当某相没有主管导通时，该相感性电流经该相的续流二极管流通。
一个周期内的各主管工作模式按照2-2所示的顺序循环工作。
可以看出每次的换相都是在上面3个桥臂内部或下面3个桥臂内部（按照顺序）依次进行，因此称为横向换相。
在导通方式下，由于同一桥臂中上下两主管有的间隙，所以不存在同一相上下直流短路的问题，对换流安全有利。
但是该电路在实际应用中，需要注意在换流瞬间要防止电感性负载电流中断引起过大的尖峰电压危及主管。
由于该电路主管利用率较低，所以一般情况下电压型逆变器不采用这种工作方式。
图2-2导通型运行方式
电压型逆变器的另一种工作方式是导通方式，任何时刻都有不同相的三支主管导通。
同一相上下两个桥臂的主管交替导通，各自导通半个周期。
一个周期内各个主管的运行方式按照图2-3所示的顺序循环工作。
可以看出它的换向是纵向换相，因为每次换相都是在同一相上下两个桥臂之间进行的。
要采取“先断后通”的方法来防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源的短路。
也就是先给应关断的器件以关断信号，待其关断后留出一定的时间裕量，之后再给应该导通的器件发出开通信号，也就是说，在同一相的上下两个桥臂的开关之间留下短暂的死区时间，所留的死区时间的长短是由开关器件的开关速度决定的，器件的开关速度越快的话，所留的死区时间就会越短,这种“先断后通”的方法对在上下桥臂通断互补方式下工作的其他电路也是可以应用的[2]。
图2-3导通型运行方式
电压型逆变器在一般情况下都会采用导通型的控制方法。
在简单的三相逆变电路中，如果上桥臂导通下桥臂关断，那么逆变器输出高电平；如果下桥臂导通上桥臂关断，那么逆变器输出低电平。
这种情况下逆变器的输出电压为
（2-1）
、、分别是三相逆变器的开关函数，以为例，=1，表示逆变桥桥臂上开关闭合，下开关断开；而当=0时，则正相反，下开关闭合，上开关断开。
上面式（2-1）的相电压选择了逆变器负母线为参考电位，如果相电压参考电位选择为负载的中性点，的电位为，那么相电压数学表达式如下：
（2-2）
上式中的负载相电压与三相开关函数之间的关系见表（2-1）。
表2-1电压型逆变器的控制型号与输出电压的关系
编号
、、
三相交流电压（*）
0
000
0
0
0
1
001
2
010
3
011
4
100
5
101
6
110
7
111
0
0
0
2.2SPWM控制的基本原理
对于形状不同但冲量相等的窄脉冲而言，将不同形状相等冲量的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，它们得出的结果基本一样，这是在采样控制理论中的重要结论。
效果基本相同就是指环节的输出响应波基本一样，冲量就是指窄脉冲的面积。
假如把一个输出波形用傅里叶变换分析的话，那么它的低频段非常的接近，但是它在高频段有点差异[6]。
例如，图2-4中的、、为三个不同形状的窄脉冲，其中一个图形为矩形的脉冲，一个图形为三角形的脉冲一个图形为正弦半波的脉冲，但是它们各图形各自的面积（也就是冲量）都等于1，所以，当把这几个脉冲依次的加在具有惯性的同一个环节的时候，它们各自的输出响应也会将会一样，那么当这些窄脉冲变成图2-4所示的单位脉冲函数时，这些脉冲的环节响应就会变为该环节的脉冲过渡函数[1]。
（a）矩形的脉冲（b）三角形的脉冲（c）正弦半波的脉冲（d）单位脉冲函数
图2-4形状不相同但是冲量相同的各种窄脉冲
面积和形状分别为图2-4的、、、的窄脉冲为图2-5中的电压窄脉冲，其为电路的输入，输入是加在惯性环节的电路上，设它的电流为该电路的输出，在图2-5中给出了不同的窄脉冲时，的响应波形[1]。
从下图2-5b的波形中可以看得出来，在的上升阶段，脉冲形状不同时的形状也略有不同，但是在其下降阶段它们的波形几乎是一模一样[7]。
可得出脉冲越窄的情况下，各个波形的差异也就会越来越小,如果把上述脉冲周期性地施加，那么响应也变为周期性的。
图2-5各种冲量相同的窄脉冲的响应波形
上面所说的原理可把其称为面积等效原理，成为PWM控制技术的重要的理论基础的是面积等效原理
接下来分析如何利用
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