09電氣工程及其自動化邱迪摘要：本文簡要介紹了三相無源電壓型SPWM輸出的逆變器的構建和工作方式及其MATLAB仿真。關鍵詞：三相逆變器正弦脈寬調制(SPWM)技術MATLAB仿真Abstract:Thispaperintroducesbrieflytheconstructionof3-phaseinverterwhichoutputSPWMwaveandtheMATLAB-basedsimulation.Keyword:Three-phaseinverterSinusoidalPulseWidthModulationPowerelectronictechnology逆變器逆變器也稱逆變電源，是一種可將直流電變換為一定頻率下交流電的裝置。相對于整流器將交流電轉換為固定電壓下的直流電而言，逆變器可把直流電變換成頻率、電壓固定或可調的交流電，稱為DC-AC變換。這是與整流相反的變換，因而稱為逆變。REF_Ref310067202\r\h[1]逆變器的構建應用了電力電子學科中的很多關鍵技術。電路中電流的可控流通斷開的過程中應用了多種可控硅類型的電力電子器件；開關的控制過程應用了基于微處理器的現代控制技術；對于正弦波形的仿制過程應用了正弦波脈寬調制（SPWM）技術等等?，F代逆變技術的種類很多，可以按照不同的形式進行分類。其主要的分類方式如下：按逆變器輸出的相數，可分為單相逆變、三相逆變和多相逆變。按逆變器輸出能量的去向，可分為有源逆變和無源逆變。按逆變主電路的形式，可分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式逆變。按逆變主開關器件的類型，可分為晶閘管逆變、晶體管逆變、場效應管逆變等等。按輸出穩定的參量，可分為電壓型逆變和電流型逆變。按輸出電壓或電流的波形，可分為正弦波輸出逆變和非正弦波輸出逆變。按控制方式，可分為調頻式(PFM)逆變和調脈寬式(PWM)逆變。REF_Ref310067242\r\h[2]2三相逆變電路三相逆變電路，是將直流電轉換為頻率相同、振幅相等、相位依次互差為120°交流電的一種逆變網絡。圖SEQ圖\*ARABIC1三相逆變電路日常生活中使用的電源大都為單相交流電，而在工業生產中，由于諸多電力能量特殊要求的電氣設備均需要使用三相交流電，例如三相電動機。隨著科技的日新月異，很多設備業已小型化，許多原來工廠中使用的大型三相電氣設備都被改進為體積小、耗能低且便于攜帶的小型設備。盡管這些設備外形發生了很大的變化，其使用的電源類型——三相交流電卻始終無法被取代。在一些條件苛刻的環境下，電力的儲能形式可能只有直流電，如若在這樣的環境下使用三相交流電設備，就要求將直流電轉變為特定要求的三相交流電以供使用。這就催生了三相逆變器的產生。三相逆變電路電壓型逆變電路是指直流側采用電壓源的逆變電路，直流側的電源能夠提供幅值穩定不變的直流電。REF_Ref310067242\r\h[2]REF_Ref310068445\h圖1是一個電壓型逆變電路原理圖。SKIPIF1<0為直流側電壓源，兩側各加一個電容用來穩定電壓。SKIPIF1<0、SKIPIF1<0、SKIPIF1<0分別為ABC三相的控制開關。通過對三個開關的控制，便可以實現直流——交流（DC—AC）的轉換?，F設一個周期時間為t，將一個周期時間以SKIPIF1<0、SKIPIF1<0、SKIPIF1<0、SKIPIF1<0、SKIPIF1<0、SKIPIF1<0、六個時刻均分為六段。SKIPIF1<0對應零時刻，O點為等效接地點。圖SEQ圖\*ARABIC2圖1所示三相逆變電路進行特定開關控制后的波形圖如REF_Ref310068445\h圖1所示電路中按以下方式進行控制：SKIPIF1<0時刻：開關SKIPIF1<0閉合，SKIPIF1<0斷開。A處電壓變為SKIPIF1<0。SKIPIF1<0時刻：開關SKIPIF1<0關閉，SKIPIF1<0打開。C處電壓變為SKIPIF1<0。SKIPIF1<0時刻：開關SKIPIF1<0閉合，SKIPIF1<0斷開。B處電壓變為SKIPIF1<0。SKIPIF1<0時刻：開關SKIPIF1<0關閉，SKIPIF1<0打開。A處電壓變為SKIPIF1<0。SKIPIF1<0時刻：開關SKIPIF1<0閉合，SKIPIF1<0斷開。C處電壓變為SKIPIF1<0。SKIPIF1<0時刻：開關SKIPIF1<0關閉，SKIPIF1<0打開。B處電壓變為SKIPIF1<0。下一周期的SKIPIF1<0時刻：開關SKIPIF1<0閉合，SKIPIF1<0斷開。A處電壓變為SKIPIF1<0。隨后每個周期各個開關都一次按上述規律閉合斷開，即可得到相位互差120°的三相交流電。但其波形還是分段周期內的等電壓幅值電。其波形如REF_Ref310068433\h圖2所示。圖SEQ圖\*ARABIC3A相開關同時閉合時的電路圖由于開關的控制并不是理想的那么精密，在同一相的兩個正負開關在各自閉合斷開的瞬間有可能同時斷開或同時閉合。若同時閉合，如REF_Ref310070300\h圖3所示，直流側電壓源短路發生危險。因此，為保證兩開關在斷開閉合時不會發生重疊，在同時開關閉合瞬間改為一段死區時間，即兩開關首先同時關閉一段時間SKIPIF1<0，而后其中一個開關再進行下一步閉合動作。SKIPIF1<0時間內，正負開關均斷開，而后再打開其中一個，保證了交替過程中不會有同時打開的可能。SKIPIF1<0的具體時間長短則要根據實際中使用的器件性能參數予以確定。加入死區后的三相電路波形如REF_Ref121189056\h圖4加入死區后的波形圖所示。圖SEQ圖\*ARABIC4加入死區后的波形圖接入負載的三相逆變電路如REF_Ref310154192\h圖5所示接入負載的三相逆變電路。圖SEQ圖\*ARABIC5接入星形三相負載的三相逆變電路SKIPIF1<0、SKIPIF1<0、SKIPIF1<0分別為ABC三相的負載阻抗。根據不同的性質，可分為電阻性阻抗、電容性阻抗和電感性阻抗。其中，感性負載與容性負載的電流相位和電壓相位是不同相的。對于電感型的負載，電流不能突變，那么如REF_Ref310155224\h圖4中的開關轉換的時刻，因為正負向開關均斷開，這樣會在兩側造成很大的開路電壓，極易造成器件或電路的損壞。因此，需要對電路進行改進。保護措施是為每個開關并聯一個二極管。如REF_Ref310155820\h圖6所示。圖SEQ圖\*ARABIC6開關并聯二極管后的電路加裝六個二極管后，即使正負開關均閉合，也可為電流提供續流的通路，避免了發生上述危險情況。3正弦脈寬調制（SinusoidalPulseWidthModulation，SPWM）技術SPWM（正弦脈寬調制）技術是指利用PWM（脈寬調制）技術來模擬輸出具有正弦特性的電壓或電流波形。如REF_Ref310685517\h圖7所示為電壓源型SPWM調制原理，若把一個正弦半波劃分為N等分，每一等分的正弦波形的面積都可用一個與該面積相等的等幅矩形脈沖來代替，矩形脈沖的中點與正弦波每一等分的中點重合。于是，由N（圖中N=12）個等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦的半周等效。這一系列矩形脈沖就是期望逆變器輸出的正弦PWM波形(簡稱SPWM)。REF_Ref310686372\r\h[4]圖SEQ圖\*ARABIC7SPWM正弦波原理圖SEQ圖\*ARABIC8雙極性SPWM產生原理每個脈沖的寬度可以由理論計算取得，但實際應用中常用正弦調制波（即信號波）與三角形脈沖（載波）的比較得出準確的閉合關斷時刻。如REF_Ref310780052\h圖8所示。載波的頻率直接影響了pwm脈沖的密度，這也直接影響了以該信號波作為控制信號的整流橋整流后的結果，通過Matlab仿真可以清楚的觀察到影響。MATLAB仿真Matlab軟件作為教學、科研和工程設計的重要方針工具，已成為首屈一指的計算機仿真平臺。該軟件的應用可以解決電機電器自動化領域的諸多問題。利用其中的Simulink模塊可以完成對三相無源電壓型SPWM逆變器的仿真，并通過仿真獲取逆變器的一些特性圖等數據。圖SEQ圖\*ARABIC9系統Simulink仿真REF_Ref316844005\h圖9所示為一套利用三相逆變器進行供電的系統的Matlab仿真。系統由一個380v的直流電源供電，經過三相整流橋整流為三相交流電,并進行SPWM正弦脈寬調制。輸出經過一個三相變壓器隔離后通入一個三相的RLC負載模塊（ThreephaseparallelRLC）。加入了兩個電壓測量單元voltagemeasurement和voltagemeasurement1，并將結果輸出到示波器模塊Scope1.仿真中的各個模塊及其參數設定整流橋圖SEQ圖\*ARABIC10通用三相整流橋模塊圖SEQ圖\*ARABIC11Universalbridge及其參數設置通用三相整流橋為Simulink中的Universalbridge模塊。REF_Ref316844234\h圖11為該模塊的參數設置對話框。其中Numberofbridgearms（橋臂個數）為3，PowerElectronicdevice（電力電子器件）選用IGBT/Diodes（晶閘管）。SPWM脈沖信號發生器模塊圖SEQ圖\*ARABIC12SPWM脈沖發生器REF_Ref317013188\h圖12為為控制通用三相整流橋產生SPWM的脈沖信號發生器，使用的是Matlab中的DiscretePWMGenerator模塊。該模塊的作用即為為產生PWM而用以控制IGBTs等電橋的脈沖信號。REF_Ref317014290\h圖13為該模塊的參數設置，在Generatormode選項中選擇3-armsbridge(6pulse),既三橋臂共需要六個脈沖信號用以控制如REF_Ref310155820\h圖6中所示的六個電子管。Carrierfrequency為載波頻率，該頻率的大小決定了一個周期內SPWM脈沖的密度（如REF_Ref310780052\h圖8所示）。Frequencyofoutputvoltage是輸出電壓的頻率，此處設置為國內標準的50Hz。圖SEQ圖\*ARABIC13PWM脈沖生成模塊及其參數設置其他模塊為模擬真實供電效果，在仿真系統中，整流橋輸出的電壓通入一個三相變壓器后接入一個三相的RLC負載模塊。三相變壓器的原邊為三角形繞組，副邊為星型繞組。負載標稱電壓：220v，標稱頻率50Hz，有功功率：1000W，電感無功功率：0W，電容無功功率：500W。圖SEQ圖\*ARABIC14變壓器及負載模塊仿真特性分析在仿真中，在整流橋的輸出和變壓器的輸出加上了電壓測量模塊，并將測量顯示在了一個示波器模塊上。仿真時間設定為0.1s。如REF_Ref317018112\h圖15所示便是仿真后的輸出結果，上部分為整流橋的輸出波形，下部分為變壓器副邊的電壓波形。圖SEQ圖\*ARABIC15示波器輸出波形將示波器的橫軸時間設定為0.01s后的圖形如下：圖SEQ圖\*ARABIC163s內的波形圖觀察波形可知，沒半個周期輸出的脈沖數為21個。載波頻率與輸出電壓頻率改變對波形的影響將DiscretePWMGenerator模塊中的載波頻率有原來的1080Hz提高至2160Hz。所得波形如REF_Ref317018816\h圖17所示。圖SEQ圖\*ARABIC17載波頻率為2160Hz時的波形圖1可以清楚的觀察到，PWM脈沖密度加大，正弦波形較原來更加光滑。放大后的波形圖如下：圖SEQ圖\*ARABIC18載波頻率為2160Hz觀察圖形可知，沒半個周期內的脈沖個數為43個。由兩個仿真結果可見，載波頻率直接影響了波形的光滑度，載波頻率越大波紋越小仿正弦效果越好。但也應注意到頻率過高有可能對整流橋器件產生影響，所以也不能過于高。載波頻率為1080Hz，將輸出電壓的頻率提高為100Hz后：圖SEQ圖\*ARABIC19輸出電壓為100Hz載波頻率1080圖SEQ圖\*ARABIC20放大圖輸出電壓為100Hz觀察波形，沒半個周期內的脈沖個數為11個。改變輸出電壓后可以注意到，波紋想對于50Hz時變小了，但由于沒半個周期內的脈沖個數由21個變為了11個，所以仿正弦效果大大下降了，可見如若提高輸出電壓的頻率后，不改變載波頻率，逆變效果會打折扣。載波頻率為2160Hz，輸出電壓頻率為100Hz時的仿真圖形圖SEQ圖\*ARABIC21載波頻率2160Hz輸出電壓頻率100Hz圖SEQ圖\*ARABIC222160Hz/100Hz放大圖觀察波形，沒辦個周期內的脈沖個數為21個，與1080Hz可見，在提高了輸出電壓頻率的同時，成比例的提高載波頻率，便可以使得仿正弦波保持原來的波形質量。4.2.2改變負載對輸出的影響將載波頻率與輸出電壓頻率固定為1080Hz和50Hz。去除負載后（既變壓器副邊開路）的仿真波形。圖SEQ圖\*ARABIC23去除負載后的仿真波形改變負載有功功率為100W。圖SEQ圖\*ARABIC24減小負載有功功率為100W的波形減小負載后可以發現，在系統啟動的初期，波形不穩定有很大的震蕩而后期則趨于穩定，波形與1000W時相比并無差別。改變負載有功功率為10KW的波形圖SEQ圖\*ARABIC25有功功率為10KW時的波形增加有功功率后，啟動時波形震蕩減小能夠較快進入穩態。減小容性無功功率為50W。圖SEQ圖\*ARABIC26減小容性無功功率為50W減小容性功率后，可發現波形在正弦波形基礎上，產生了大幅震蕩。增大容性功率為5000W。圖SEQ圖\*ARABIC27增大容性功率為5000W圖SEQ圖\*ARABIC28增大容性功率后，波形較之前更為光滑，但啟動時產生了波動，但進入穩態后波形仿制效果更佳理想。增大感性功率。圖SEQ圖\*ARABIC29感性功率為1000W圖SEQ圖\*ARABIC30感性功率為5000W由圖可見，感性功率的增大會減小峰值電壓。但對正弦波的仿制并無太大影響結論本文通過對逆變器的概念、設計技術、分類等方面的介紹，簡要描述了三相無源電壓型逆變器的構建方式及其內部結構。同時，也簡要介紹了正弦脈寬調制技術。通過應用Matlab軟件，構建了一個使用無源型三相逆變電路供電的系統，并進行了仿真。在對獲得的仿真波形分析中，定性地討論了逆變器的兩個主要參數——載波頻率和輸出電壓頻率以及不同負載對系統仿真結果的影響。獲得以下結論：在電壓輸出頻率一定的情況下，載波頻率的大小決定了每個周期內的仿正弦脈沖個數，既決定了正弦波形的仿制質量。負載有功功率越大，系統進入穩態的時間越快，較小的負載有功功率會在暫態時產生很大的波動。負載的容性無功功率的增大，一方面可以使得正弦電壓仿制質量提高，但另一方面會在暫態時產生過大的過載電壓，并且延緩系統進入暫態的時間。負載的感性功率對于正弦電壓的仿制并無太大影響。參考文獻：程漢湘編著.電力電子技術[M].科學出版社,2007李愛文，張承慧編著.現代逆變技術及其應用[M].北京市：科學出版社,2000洪乃剛編著.電力電子技術基礎[M].北京市：清華大學出版社,2008.馮垛生主編.交流調速系統[M].北京市：機械工業出版社,2008.05.OOSKIPIF1<0SKIPIF1<0OSKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<