三相逆变器Matlab仿真

三相逆变器M a t l a b仿真 Revised by Jack on December 14,2020

三相无源电压型SPWM逆变器的构建及其MATLAB仿真

09 电气工程及其自动化邱迪

摘要：本文简要介绍了三相无源电压型SPWM输出的逆变器的构建和工作方式及其MATLAB仿真。

关键词：三相逆变器正弦脉宽调制(SPWM)技术 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 Modulation Power electronic technology

1逆变器

逆变器的概念

逆变器也称逆变电源，是一种可将直流电变换为一定频率下交流电的装置。相对于整流器将交流电转换为固定电压下的直流电而言，逆变器可把直流电变换成频率、电压固定或可调的交流电，称为DC-AC变换。这是与整流相反的变换，因而称为逆变。

逆变器涉及的技术

逆变器的构建应用了电力电子学科中的很多关键技术。电路中电流的可控流通断开的过程中应用了多种可控硅类型的电力电子器件；开关的控制过程应用了基于微处理器的现代控制技术；对于正弦波形的仿制过程应用了正弦波脉宽调制（SPWM）技术等等。

逆变器的分类

现代逆变技术的种类很多，可以按照不同的形式进行分类。其主要的分类方式如下：

1)按逆变器输出的相数，可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变。

2)按逆变器输出能量的去向，可分为有源逆变和无源逆变。

3)按逆变主电路的形式，可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变。

4)按逆变主开关器件的类型，可分为晶闸管逆变、晶体管逆变、场效应管

逆变等等。

5)按输出稳定的参量，可分为电压型逆变和电流型逆变。

6)按输出电压或电流的波形，可分为正弦波输出逆变和非正弦波输出逆

变。

7)按控制方式，可分为调频式(PFM)逆变和调脉宽式(PWM)逆变。

2 三相逆变电路

三相逆变电路，是将直流电转换为频率相同、振幅相等、相位依次互差为120°交流电的一种逆变网络。

图 1 三相逆变电路

日常生活中使用的电源大都为单相交流电，而在工业生产中，由于诸多电力能量特殊要求的电气设备均需要使用三相交流电，例如三相电动机。随着科技的日新月异，很多设备业已小型化，许多原来工厂中使用的大型三相电气设备都被改进为体积小、耗能低且便于携带的小型设备。尽管这些设备外形发生了很大的变化，其使用的电源类型——三相交流电却始终无法被取代。在一些条件苛刻的环境下，电力的储能形式可能只有直流电，如若在这样的环境下使用三相交流电设备，就要求将直流电转变为特定要求的三相交流电以供使用。这就催生了三相逆变器的产生。

电压型三相逆变电路

电压型逆变电路是指直流侧采用电压源的逆变电路，直流侧的电源能够提供幅值稳定不变的直流电。

是一个电压型逆变电路原理图。d U 为直流侧电压源，两侧各加一个电容用来稳定电压。±A T 、±B T 、±C T 分别为ABC 三相的控制开关。通过对三个开关的控制，便可以实现直流——交流（DC —AC ）的转换。

现设一个周期时间为t ，将一个周期时间以0t 、1t 、2t 、3t 、4t 、5t 、六个时刻均分为六段。0t 对应零时刻，O 点为等效接地点。

图 2 图1所示三相逆变电路进行特定开关控制后的波形图

如所示电路中按以下方式进行控制：

0t 时刻：开关+A T 闭合，-A T 断开。A 处电压变为2

d U +

。 1t 时刻：开关+C T 关闭，-C T 打开。C 处电压变为2

d U -。 2t 时刻：开关+B T 闭合，-B T 断开。B 处电压变为2

d U +。 3t 时刻：开关+A T 关闭，-A T 打开。A 处电压变为2

d U -。 4t 时刻：开关+C T 闭合，-C T 断开。C 处电压变为2

d U +。 5t 时刻：开关+B T 关闭，-B T 打开。B 处电压变为2d U -。 下一周期的

0t 时刻：开关+A T 闭合，-A T 断开。A 处电压变为期各个开关都一次按上述规律闭合断开，即可得到相位互差120°波形还是分段周期内的等电压幅值电。其波形如所示。

图 3 A 相开关同时闭合时的电路图

由于开关的控制并不是理想的那么精密，在同一相的两个正负开关在各自闭合断开的瞬间有可能同时断开或同时闭合。若同时闭合，如所示，直流侧电压源短路发生危险。

因此，为保证两开关在断开闭合时不会发生重叠，在同时开关闭合瞬间改为一段死区时间，即两开关首先同时关闭一段时间d t ，而后其中一个开关再进行下一步闭合动作。d t 时间内，正负开关均断开，而后再打开其中一个，保证了交替过程中不会有同时打开的可能。d t 的具体时间长短则要根据实际中使用的器件性能参数予以确定。加入死区后的三相电路波形如所示。

图 4 加入死区后的波形图

接入负载的三相逆变电路

如所示接入负载的三相逆变电路。

图 5 接入星形三相负载的三相逆变电路

A Z 、

B Z 、

C Z 分别为ABC 三相的负载阻抗。根据不同的性质，可分为电阻性阻抗、电容性阻抗和电感性阻抗。其中，感性负载与容性负载的电流相位和电压相位是不同相的。对于电感型的负载，电流不能突变，那么如中的开关转换的时刻，因为正负向开关均断开，这样会在两侧造成很大的开路电压，极易造成器件或电路的损坏。因此，需要对电路进行改进。

保护措施是为每个开关并联一个二极管。如所示。

图 6 开关并联二极管后的电路

加装六个二极管后，即使正负开关均闭合，也可为电流提供续流的通路，避免了发生上述危险情况。

3 正弦脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation ，SPWM ）技术

SPWM （正弦脉宽调制）技术是指利用PWM （脉宽调制）技术来模拟输出具有正弦特性的电压或电流波形。如所示为电压源型SPWM 调制原理，若把一个正弦半波划分为N 等分，每一等分的正弦波形的面积都可用一个与该面积相等的等幅矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。于是，由N （图中

N=12）个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦的半周等效。这一系列矩形脉冲就是期望逆变器输出的正弦PWM 波形(简称SPWM)。

图 7 SPWM 正弦波原理

图 8 双极性SPWM 产生原理

每个脉冲的宽度可以由理论计算取得，但实际应用中常用正弦调制波（即信号波）与三角形脉冲（载波）的比较得出准确的闭合关断时刻。如所示。