三相电压型SPWM逆变器的仿真_胡拓宇

正弦脉宽调制技术 SPWM 是用所期 望 的 正 弦 波 为 “调 制 波 ”，而 以 N 倍于调制波频率的三角波(或锯齿波)为“载波”的一种逆变器控 制技术[1]。 这项技术的特点是原理简单，通用性强，控制和调节性能好， 具有消除谐波、 调节和稳定输出电压的多种作用, 是一种比较好的波 形改善法，在目前的中小型逆变器中获得了广泛的应用。 逆变器是将 直流变为定频定压或调频调压交流电的变换器，传统方法是利用晶闸 管组成的方波逆变电路实现， 但由于其含有较大成分低次谐波等缺 点，近十余年来，由于电力电子技术的迅速发展，全控型快速半导体器 件 BJT，IGBT，GTO 等 的 发 展 和 PWM 的 控 制 技 术 的 日 趋 完 善 ， 使 SPWM 逆变器得以迅速发展并广泛使用[2]。
定的程序设计时间和地点，四到五个班开发一个公共机房备用。
通过以上方式的教学改革，经过几轮教学实践的检验，我们发现
这种教学改革，极大的激发了学生的学习积极性，摒除了以往教学模
式的弊端，提高了学生在程序开发方面的程序整体意识，真正的为学
生打开了通往程序员岗位的大门。 科
［责任编辑：汤静］
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（上接第 107 页）
end if
rsKCB.close
sqlKCB = "SELECT * FROM WGZX_1kcb where RQ='"+CSTR(RQ)
+"' and cpbm='"+cpbm+"' AND djbm='"+djbm+"'"
rsKCB.open sqlKCB,myconn,1,3
if rsKCB.recordcount=0 then rsKCB.addnew rsKCB("rq")=cdate(RQ) rsKCB("cpbm")=cpbm //产品编码 rsKCB("cpmc")=cp_mc //产品名称
由仿真波形图可以看到，输出线电压的幅值为 310V，等于直流电 压的大小。
从上面的仿真波形可以看出，系统启动过后，很短时间达到了平 稳状态，之后一直保持在稳定状态，说明整个系统非常稳定，性能优 良。 科
● 【参考文献】
［1］陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].3 版.北京:机械工业出版社，2003． ［2］祝 龙 记 ，王 汝 林 .基 于 直 接 转 矩 控 制 的 高 性 能 磁 链 观 测 与 速 度 观 测 [J]. 电 机 与 控 制 学 报 ，2004（3）：209－211． ［3］ 张立. 基于 89C52 单片机同步电动机微机励磁装置的设计 [J]. 煤矿机械， 2008，2：183－185．
图 1 三相PWM 型桥式逆变电路
1.2 控制电路分析 SPWM 调制法就是把希望输出的波形作为调制信号 ，把接受调制
的信号作为载波，通过信号波的调制得到所希 望 的 PWM 波 形 。 通 常 采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多。 因为 等腰三角波上的任一点的水平宽度和高度呈线性关系且左右对称，当
科技信息
○机械与电子○
SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION
2011 年 第 17 期
三相电压型 SPWM 逆变器的仿真
胡拓宇 （合肥煤炭工业设计研究院 安徽 合肥 230041）
【摘 要 】为 了 缩 短 对 大 功 率 电 子 装 置(如 逆 变 电 源)的 研 制 周 期 和 减 少 研 制 费 用,借 助 计 算 机 仿 真 技 术,利 用 Matlab 软 件 中 Simulink 和 Power System Blochset 建立了以 IGBT(绝缘栅双极性晶体管)为开关器件具有数字 PI 调压功能的 SPWM 电压型 逆 变 电 源 仿 真 模 型,对 其 输 出 特性进行仿真,并利用傅里叶快速变换(FFT)分析工具对其仿真输出电压进行谐波分析。 仿真模型分别考虑了主电路和控制器模型,较为精确地 反映了实际情况,验证了此模型和仿真方法的正确性。 最后应用到三相逆变器调速系统中，仿真结果显示其控制效果良好，完全符合实际电机 控制的要求。
1.1 主电路分析 三相 SPWM 逆变器的主电路如 图 1 所 示 ， 它 由 6 个 带 反 并 联 二
极管的全控开关器件构成。 在控制上，3 个半桥间依次相差 1/3 个周期 (120°)，同一桥臂上下两开关轮流导通和关断。 滤波前相电压是幅值为 Ud/2 的方波(Ud 为直流侧电压)，线电压是幅值为 Ud 的方波。
近年来，随着计算机技术的进步，以计算机为基础的仿真技术广 泛地应用于各个领域。 在电力电子方面，采用计算机仿真可以帮助研 究人员深入了解系统的各种特性，对比不同控制方案的优劣，选择合 适的结构和最优的参数，同时避免了设计研发的盲目性,加速了设计 周期，节约了开发成本。 本文介绍了利用 MATLAB 软件对 SPWM 逆变 器带电阻负载的仿真过程，并给出仿真结果。
［责任编辑：张慧］
图 4 逆变器输出的相电压
图 5 负载侧 A 相电流 103
3 带 RL 负载仿真
SPWM 逆变电路模型如图 3 所示。 直流电压设置为 310V，三相串 联 RL 负载模块为星型连接，电阻为 2 欧姆，电感为 0.01 亨利，额定电 压为 250V，额定频率为 50Hz。 仿真时间为 0.5s，在 Powergui 中设置为 离散仿真模式，采样时间为 1.2×10-5s。
set rsKCB = nothing
// 关 闭 连 接
End Function
代码由学生以组为单位完成。 在程序开发的最后一个步骤，程序
测试上，我们采用的是学生以组为单位互相测评分的方式，教师在这
一过程中，负责监督引导，查缺补漏。
在整个程序设计过程中， 由于现在学生以基本都拥有了个人电
脑，因此，为了保证学生在程序设计时思路的连续性，原则上不安排固
end if
rsKCB.close
sqlKCB = "SELECT * FROM pbdjbm where djbm='"+djbm+"'" // 选
择等级编码字段
rsKCB.open sqlKCB,myconn,1,1
dj_mc=""
if rsKCB.recordcount=1 then
dj_mc=trim(rsKCB("djmc"))
∶
∶
rsKCB("bqjc_slห้องสมุดไป่ตู้)=0
// 本 期 结 存 数 量
end if
rsKCB("bqsr_sl")=rsKCB("bqsr_sl")+srsl
rsKCB("bqsr_js")=rsKCB("bqsr_js")+srjs
rsKCB.update
// 表 单 更 新
rsKCB.close
end if
// 设 置 库 连 接
if rsKCB.recordcount=1 then
maxrq=rsKCB("rq")
end if
if not isDate(maxrq) then
maxrq=date-100
end if
// 设 置 记 录 判 别 条 件
rsKCB.close
if cdate(rq)=cdate(maxrq) AND cdate(maxrq)=DATE then // 入 库 单 比
1 三相 SPWM 逆变器的基本原理
他与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路 中开关器件的通断进行控制时，就可以得到宽度正比于信号波幅值的 脉冲，这符合 PWM 控制的要求。
调制法得到的 SPWM 波有两种方法：单极性和双极性。 两者的区 别在于三角载波的不同的是一种是单极 性 SPWM 波 。 另 一 个 是 双 极 性 SPWM 波。 为得到双极性 SPWM 波，必须将三角载波略作调整，使 其在正弦信号波的半个周期内又正由负， 所 得 PWM 波 也 有 正 有 负 ， 如图 2 所示。
【关键词】逆变器；建模；仿真
0 引言
随着大功率全控型电 力 电 子 器 件(如 GTO、IG2BT、MOSFET、IGCT 等) 的开发成功和应用技术的不断成熟, 近年来电能变换技术出现了 突 破 性 进 展,各 种 新 型 逆 变 器 已 开 始 在 各 类 直 流 电 源 、UPS、交 流 电 机 变频调速、高压直流输电系统等领域中得到应用,并使得有源电力滤 波 器 (APF) 、 静 止 无 功 发 生 器 (SVG) 以 及 各 种 灵 活 交 流 输 电 系 统( FACTS) 和配电系统 FACTS (DFACTS) 中各种装置的研制成为可能.由 于大功率电力电子装置的结构非常复杂,若直接对装置进行试验,代价 高且费时费力,故在研制过程中需要借助计算机仿真技术,对装置的运 行机理与特性、控制方法的有效性进行验证,以预测并解决问题,缩短 研制时间.
图 2 三角波调制的双极性 SPWM 波 2 系统的仿真模型的建立
在以上分析的基础上，采用美 国 Mathworks 公 司 推 出 的 MATLAB 软件进行仿真，该软件在科学计算、数据分析、系统建模与仿真、图形 图 像 处 理 、网 络 控 制 、自 动 控 制 、通 信 系 统 、DSP 处 理 系 统 等 不 同 领 域 得到了广泛应用， 并具有自身的独特优势。 而本文则是利用了 MATLAB 软件中的 SIMULINK 仿真软件包，进行系统仿真。 SIMULINK 可以实现可视化建模和多种环境间的文件共享与数据交换，在仿真建 模上具有极大优势[3]。 SIMULINK 允许用户根 据 个 人 需 要 建 立 自 己 的 仿真模块，把理论研究和工程实现有机结合，对设计提供了很大的帮 助。