三相电压型逆变器的仿真设计.docx

1、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

2、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

3、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

4、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

5、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。

6、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

7、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。在PWM调制电路中，载波为接受调制的信号波，设其频率为fc，而把想要得到的输出波形视为调制信号，设其频率为fr，两者之比称

8、为载波比，用N来表示。在PWM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fr和fc，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

9、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fr时我们会保持载波频率fc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

10、，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T1和桥臂T4视为一对，剩下的桥臂T2和T3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

11、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。T1与T2的栅极交替触发，但是T3的基极触发信号比T1落后。也就是说T3、T4的栅极信号与T2、T1的栅极触发信号相位是不同的，T3或者T4导通时，T2或者T1的导通时间向前移动了180-。这样输出的电压的正负脉冲宽度变为。只要改变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 图2.2 输出

12、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。图2

13、.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T1、T2、T3、T4、T5、T6、T1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12

14、0 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。在三相导通的SPWM桥式逆变电路中，其调制方法往往使用的是双极性调制方法。U、V、W三相同时公用一个载波Uc用来对SPWM进行控制，三相调制信号波正弦电压波依次设为Uru、Urv和Urw，它们的相位分别为0、120

15、、240。由于U、V、W各个相的元件的控制规律是完全相同的，现以U相为例进行简要诠释。当UruUc时，导通T1，由于T4与其同相，是互补导通的，所以T4是不，则以U相为基准相对于直流电源假设的中点N的电压UUN就为Ud/2。当UruUc时，T4导通，同理T1处于关断状态，UUN的值则为-Ud/2。当负载为感性负载时，由于电感的延迟作用，电流的方向及大小变化与纯电阻负载时的变化是不同的，因此在控制过程中，当给T1一个导通信号时，可能是T4导通，也有可能是续流二极管VD1导通。线电压UUV的输出波形是由UUN-UUN决定的，当臂T1和T6导通时，UUV正向加在电源上，UUV=Ud；当T3和T4导通

16、时，UUV反向加在电源上，UUV=-Ud；当臂T1和T3或臂T4和T6导通时，两相之间形成环流，电流不经过电源，UUV=0V。因此SPWM线电压的输出波形幅值分别有Ud、-Ud和0三种。负载相电压UUV、UUW、UVW可由下面的公式得到：(2.1)设负载的中点为N，其与直流电源的设想中点N之间的电压设为UUN，则负载每一相的相电压分别为(2.2)把上面的公式进行整理后，又由于三相电路三相是对称的，UUV+UUW+UVW=0，我们可以得到UUN=UUN-(UUN+UVN+UWN)/3。负载所输出的SPWM相电压波由(2/3)Ud、(-2/3)Ud、(1/3)Ud、(-1/3)Ud和0五种电平所构

17、成如图2.4所示。图2.4 三相电压型桥式逆变电路的工作波形2.5 逆变器的谐波分析2.5.1 谐波分析伴随着电力电子技术的迅猛发展，电力电子装置日益在各个用电领域中得到了广泛的应用，与此同时谐波所造成的危害也随之变得更加明显，各国对谐波问题都非常的关注。谐波不仅会降低电能在生产、传输和使用过程中的利用率，还会使电气设备过热，减少设备的使用寿命，严重的还会导致设备的烧毁。同样的也会使得电气设备产生振动与噪音，导致控制器件的自启动，因此消除谐波迫在眉睫。而消除谐波的前提是要掌握谐波的特性，因此就要对其进行分析。在电力系统的谐波分析中，人们主要采用各种谐波分析仪对谐波进行分析。但是当而所需分析的谐

18、波次数与基波频率是相互联系的，当输出为低基波频率时，分析的谐波次数会变的很高。一般应当采用频带较宽，运算能力强、存储量大的谐波分析仪表，但是在选择谐波分析仪表时，还要考虑选择合适的传感器，而传感器的带宽也会使得输入到仪表的信号的有效带宽与理想的有效宽带有偏差。而Matlab软件中FFT Analysis不仅能够提供谐波分析的平台，而且很好的避免了此类偏差6。2.5.2 Powergui FFT使用方法现在利用Simulink中的FFT Analysis对逆变系统的输出波形进行谐波分析7。Powergui的功能较为丰富，但是它只能对已经保存在工作界面(Workspace)里的数据进行分析，该格式

19、是一种时间结构体，所以要使用到Scope模块。按格式要求将想要进行分析的数据保存在工作空间，保存完毕后，打开Powergui FFT Analysis Tool，然后在Available Signals选项上选择将要分析的相关量。再对Fundamental frequency、Max frequency的参数进行设置，点击“Display”后便可以得到想要的输出频谱分析图。如果想要保存频谱分析图，只需要使用“Save as”，并且可以按照你所要的图片格式进行保存，可以看到Powergui FFT Analysis Tool是一个非常方便的工具。2.6 本章小结本章中简要的介绍了SPWM的原理，

20、以及单相、三相逆变器的原理，并描述了谐波分析的意义与Matlab中的FFT工具的使用方法。为第4章的仿真提供了可靠的理论依据。3 Matlab/Simulink与元件简介3.1 Matlab/Simulink简介Matlab所用的是第四代计算机语言系统，其编程运算方式与进行科学运算方式是完全一致的8。由于它在科学计算、数据分析、系统建模与仿真等拥有很强的优势，因此目前Matlab受到各研究领域的关注，并广泛的应用于各个领域。而Simulink仅仅是Matlab的一个小部件，是一个对系统进行建模、仿真与分析的软件工具包。由于它的许多功能都是基于Matlab软件平台，而且又必须要在Matlab平台

21、上才能运行，因此有时也将Simulink称为Matlab的一个工具箱9。它能够实现动态系统建模和仿真环境的有机结合，同时还可以根据设计及要求，对系统进行修改与优化，从而提高系统工作的性能，实现系统的高效开发。Simulink的中文含义是仿真与链接，是simulation与link两个单词的组合缩写10。Simulink具有如下特点：(1) 它是按照设计功能的层次性对系统进行模型分割的，能够对复杂设计进行分割并进行有效的管理。以框图表示的系统包含输入、输出，框图中以调用的模块作为程序，以连成的模块模拟系统11。(2) 只要搭建系统模型，设置好仿真参数，便可启动仿真。这时Simulink会自动初始

22、化，并将系统模型转换为数学方程进行仿真。(3) 系统运行后的结果可以直接通过仿真波形进行观察，其效果与在实验室中利用示波器进行观察的结果是等效的。(4) 系统仿真数据可以以*.Mat格式的文件保存，这样其它相关软件也能处理。(5) 模型分析和诊断工具能够保证模型与电路系统的一致性，并指出模型中的错误所在12。3.2 绝缘栅双极晶体管IGBT简介及分析绝缘栅双极晶体管IGBT是现今发展最为迅速、应用最为广泛的第三代电压驱动型电力电子器件。晶闸管GTR由于电导调制效应使得其拥有很好的通流能力，但是它也有着双极型电流驱动器件的相应缺陷，比如开关速度却比较慢，且所需驱动功率也很大，电路比较复杂。而电力

23、MOSFET与晶闸管GTR的特性是相互互补。绝缘栅双极型晶体管IGBT就是将晶闸管GTR与电力MOSFET两者的优秀特性综合在了一起，因此其拥有简易的驱动方式、较大的峰值电流容量、能够自行关断、开关频率比较高等特性13。IGBT有如下几个特性：(1) IGBT开关速度快，开关损耗小，且无二次击穿现象。(2) 在电压以及电流为相同额定值的情况下，IGBT拥有比较大的安全工作区，且抗脉冲电流冲击的能力也很大。(3) IGBT在通态时的电压压降往往要比电力MOSFET要低，尤其是在电流较大的情况下。(4) IGBT的耐压和通流能力高，开关频率也很高。(5) 高输入阻抗，类似于MOSFET的输入特性。

24、3.3 整流桥模型整流桥是交流-直流变换的核心部件，在Simulink中有Universal Bridge元件模块14，该模块有4个输入端子和2个输出端子。双击后会出现一个对话框，其各个参数如下：(1)Number of bridge arms：桥臂的数量。(2) Port configuration：端口形式，即输入与输出端口的设置。(3) Snubber resistance Rs (Ohms)：缓冲电阻Rs，如若消除缓冲电阻，可将其值设为inf。(4) Snubber capacitance Cs (F)：缓冲电容Cs，单位F，以消除缓冲电容，设为0；若设为纯电阻，则设置为inf。(5)

25、 Resistance Ron (Ohms)：用来设置晶闸管单元的内阻值，单位为。(6) Inductance Lon (H)：用来设置晶闸管单元的内电感值，单位为H。(7) Forward voltage Vf (V)：用来设置晶闸管单元的正向管压降，单位为V。3.4 PWM发生器PWM发生器是采用PWM技术的控制电路的核心部件。PWM发生器有一个输入端和一个输出端，其功能如下：(1) Signal (s)：当调制信号作为内部产生模式时，此端子不需要连接；当作为外部产生模式时，此端子则需连接由用户定义的调制信号。(2) Pulses：主要根据主电路桥臂的结构进行选择，定向的产生2、4、6、1

26、2路的PWM脉冲。双击PWM发生器模块会出现一个对话框，各参数定义如下：(1)Generator Mode：根据仿真系统的主电路构成选择所对应的桥式电路。(2) Carrier frequency (Hz)：载波频率，单位Hz。(3) Internal generation of modulating signal (s)：用来选择调制信号产生方式，分为内产生方式和外产生方式。(4) Modulation index (0m1)：调制索引值m，为载波的幅值与调制信号波的幅值之比，只有在内产生的方式下才可以选择，按要求取值在0到1之间。(5) Frequency of output voltag

27、e (Hz)：输出的频率，单位Hz，只有在调制信号为内产生的方式时才可以选择。(6) Phase of output voltage (degrees)：输出电压的初始相位。3.5 本章小结在本章中简要的介绍了仿真所需的关键元件的相关设置，并对Matlab进行了描述，为第4章的Matlab的建模提供理论依据，从而便于相关参数的设置。4 SPWM逆变电路的仿真与分析4.1 单相SPWM逆变电路的仿真与分析单相SPWM逆变电路的仿真模型如图4.1所示。图4.1 单相SPWM逆变电路的仿真模型相关参数的设定：电路的输入直流电压为100V，输出交流电的频率为50Hz，电阻R=1，电感为1e-6H。使直

28、流电压为100V，调制信号频率为50Hz，载波比N=30，其仿真波形如图4.2所示。图4.2 仿真波形图当频率为50Hz时，其一个周期的时间为0.02s，本文中为了方便观察对比，取时间为0.06s，也就是三个周期，由仿真图我们可以看出，其电压电流输出波形正好为三个周期，仿真与理论相符。直流电压为100V，调制信号频率设为50Hz，载波比N=60，其仿真波形图如图4.3所示。图4.3 仿真波形图直流电压为200V，调制信号频率为50Hz，载波比N=30，其仿真波形图如图4.4所示。图4.4 仿真波形图直流电压为100V，调制信号频率为100Hz，载波比N=30，其仿真波形图如图4.5所示。时间(

29、s)图4.5 仿真波形图从上面的波形图的对比我们不难发现，输出的交流电压的幅值与输入的直流电压的值成正相关，而与载波比无关。输出的交流频率由调制信号的频率决定，输出的交流电流与输入的电压、电感、电阻有关。而载波比决定输出交流电的精度，载波比越大交流电的精度越好。一方面，由于LC滤波电路的电阻上存在压降，开关管也有一定的电压降，所以得出的电压幅值要小于期望值。另一方面，又由于采用SPWM电压型逆变电路中的晶闸管的导通时间一般都会小于关断时间，于是为避免同一桥臂上的两管子发生同时导通的事故，通常会将理想SPWM驱动信号过零点时的上升沿延迟一段时间，但是这样又会产生死区效应15。因此逆变器的实际输出

30、电压波形与理论上的电压波形相比会有一定的偏差。当调制索引值即m=0.7，载波比N=30时的谐波如图4.6所示。我们可以看到，基次谐波的的幅值最大，谐波随着次数的变大幅值越来越小，在15次谐波的幅值会突然变大，对系统中的元器件会有很大的干扰，THD(谐波失真)值为94.84%。图4.6 谐波分析图当调制索引值即m=1，载波比N=60时如图4.7所示。图4.7 谐波分析图我们可以看见奇次谐波变大了，其他规律没有发生太大的变化。但是其THD(谐波失真)变为92.31%，可见随着载波比的变大，谐波失真越来越小，即输出的交流波形精度越来越好，与之前的波形图分析的结论相一致。当调制索引值即m=1，载波比N

31、=30时其谐波分析图4.8所示。图4.8 谐波分析图我们就会发现其中的THD变成53.48%，谐波失真变小了。所以调制索引值、载波比对SPWM逆变器的谐波特性有很大的影响。提高调制深度和载波比都可以很好的改善逆变器的输出的波形。但是由于载波比的提高的前提是要开关器件的开关速度能够承受的住，当载波比太高时，系统将会无法正常工作。另外再加上开关的损耗等因素，开关频率不会太高。4.2 三相SPWM逆变器的仿真与分析三相SPWM逆变电路的仿真模型如图4.9所示。图4.9 三相逆变电路主电路在仿真电路图中，双击元件，可以对相关元件的特性进行设置。改变相关的数值，运行并通过Scope模块来显示各个量的波形

32、变化，以便比较和研究。相关参数的设定如图4.10、图4.11所示。图4.10 LC滤波器图4.11 PWM IGBT Inverter参数设置三相SPWM逆变器的分析方法与单相逆变器的分析方法相似。当直流电源电压为200V，载波比N=30，调制索引值m=0.7，电阻R=1，电感L=1e-3H，调制信号的频率为50Hz。运行Matlab仿真软件，并双击Scope即可得到实际输出的交流电压波形和交流电流的波形如图4.12所示。图4.12 三相输出波形频率为50Hz时，一个时间周期为0.02s，由此可以看出三相中的每一相的仿真图与理论相符合。再由三相依次相差120，即一个周期的三分之一时间，约为0.007s，从上面的仿真图的分析可以知道仿真图是与理论相符。当直流电源电压为400V，载波