MATLAB三相SPWM逆變器的調(diào)制建模和仿真設(shè)計(jì)

ID:442456 · 發(fā)表于 2018-12-8 23:24

摘要：對(duì)三相橋式逆變電路原理及其 SPWM 控制原理進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，針對(duì)開(kāi)環(huán) SPWM 電壓的不穩(wěn)定提出一種電壓閉環(huán) SPWM 控制模型。在 Matlab/Simulink 軟件環(huán)境中分別建立了三相 SPWM 逆變器開(kāi)環(huán)仿真模型和具有電壓調(diào)節(jié)作用的 SPWM 閉環(huán)仿真模型，分別對(duì)其進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明電壓閉環(huán) SPWM 控制比開(kāi)環(huán) SPWM 控制具有更好的動(dòng)靜態(tài)特性。得出的結(jié)論對(duì)三相橋式逆變器的原理的理解、參數(shù)的確定、電路的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

1．引言

三相無(wú)源電壓型SPWM逆變器就是通過(guò)PWM技術(shù)把直流電變換成交流電的裝置。相對(duì)于整流器將交流電轉(zhuǎn)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(diào)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[1] 。MATLAB軟件具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能,本文利用MATLAB/Simulik為SPWM逆變電路建立系統(tǒng)仿真模型，并對(duì)其輸出特性進(jìn)行仿真分析。SPWM技術(shù)成為目前應(yīng)用最為廣泛的逆變PWM技術(shù)。
2．三相電壓型橋式逆變電路

三相電壓型橋式逆變電路如圖1所示，該電路采用雙極性的控制方式，其基本的工作方式是180度的導(dǎo)電方式，每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為180度，同一相（即同一橋臂）上下兩個(gè)橋臂交替導(dǎo)電，各相開(kāi)始導(dǎo)電的角度依次相差120度。這樣在任一瞬間，將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。可能是上面一個(gè)臂下面兩個(gè)臂，也可能是上面兩個(gè)橋臂下面一個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。因?yàn)槊看螕Q相都是用一相上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行，因此也被稱為縱向換流。為了防止同一相上下兩個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通而引起直流側(cè)電源短路，要采取“先斷后通”的方法。當(dāng)Uru>Uc時(shí)，給上橋V1臂以導(dǎo)通信號(hào)，給下橋臂V4以關(guān)斷信號(hào)，則U相相對(duì)于電源假想中點(diǎn)N'的輸出電壓UuN'=Ud／2。當(dāng)Uru<Uc時(shí)，給V4導(dǎo)通信號(hào)，給V1關(guān)斷信號(hào)，則UuN'=-Ud／2。V1和V4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)始終是互補(bǔ)的。當(dāng)給V1(V4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是二極管VD1(VD4)續(xù)流導(dǎo)通[1-2]。

圖1 三相電壓型橋式逆變電路

Fig.1 The three-phase voltage type inverter circuit

可以看出，V相及W相的控制方式都和U相同。當(dāng)橋臂1和6導(dǎo)通時(shí)，Uuv=Ud，橋臂3和4導(dǎo)通時(shí)，Uuv=-Ud，當(dāng)橋臂1和3或橋臂4和6導(dǎo)通時(shí)，Uuv=0。因此，逆變器的輸出線電壓PWM波由+Ud和-Ud還有0三種電平構(gòu)成。

3．SPWM逆變器的基本工作原理

我們所用的PWM原理是:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。PWM是通過(guò)改變方波的占空比來(lái)改變等效的輸出電壓。特點(diǎn)是通用性強(qiáng)，原理簡(jiǎn)單，具有開(kāi)關(guān)頻率固定，控制及調(diào)節(jié)性能好，能消除諧波，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化易懂，是一種較好的波形改善方法。我們所用的SPWM是根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦波是等效的，對(duì)于正弦波的負(fù)半周也可以用同樣的方法得到PWM波

形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和

正弦波等效的PWM波，也稱為SPWM波。

就是在PWM的基礎(chǔ)上改變了脈沖調(diào)制方式。脈沖寬度時(shí)間占空比按正弦規(guī)律排列，

這樣的輸出波形經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臑V波就可以得到正弦波輸出。它廣泛的應(yīng)用到直流交流逆變器等。SPWM法就是利用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化和正弦波等效的PWM波形，即SPWM波形控制逆變電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷[2-3]。其雙極型PWM控制方式波形如圖2所示

圖2 雙極型PWM控制方式波形

Fig.2 bipolarPWM waveform control method

4．三相無(wú)源電壓型SPWM逆變器的建模與仿真

4.1三相電壓源SPWM逆變器的simulik建模

常見(jiàn)的逆變器有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式，開(kāi)環(huán)控制的逆變器具有電路結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單，但是其輸出電壓非常不穩(wěn)定。而閉環(huán)控制正好可以克服開(kāi)環(huán)電壓輸出不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。反饋環(huán)節(jié)是通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三相輸出電壓，然后通過(guò)信號(hào)的處理再與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較通過(guò)PI調(diào)節(jié)產(chǎn)生SPWM波，實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓的幅值，以滿足實(shí)際要求。圖3a SPWM逆變閉環(huán)系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)框圖3b的仿真模型可以在開(kāi)環(huán)和閉環(huán)仿真之間切換。

圖3a SPWM逆變器的反饋環(huán)節(jié)

Fig.3a The feedback part of SPWM inverter

圖3b SPWM逆變器的仿真模型

Fig.3b The simulation model of SPWM inverter

4.2 其他參數(shù)設(shè)置

直流側(cè)的電壓都設(shè)置為580V,輸出頻率都設(shè)置為50Hz。系統(tǒng)主回路選用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件，為了減少輸出電壓的諧波，逆變器輸出端接LC濾波電路，L=2mH,=4Kvar，負(fù)載端串聯(lián)斷路器breaker的方法來(lái)設(shè)置負(fù)載的跳變。仿真算法選用ode45算法，仿真時(shí)間為0.1s。

5．仿真結(jié)果及仿真特性分析

2、圖4所示分別為開(kāi)環(huán)SPWM控制和閉環(huán)SPWM控制的三相電壓及有效值仿真波形圖。

圖4a 開(kāi)環(huán)SPWM控制三相電壓波形圖

Fig.4a voltage waveforms of open loop SPWM control

圖4b 閉環(huán)SPWM控制三相電壓波形圖

Fig.4b voltage waveforms of closed loop SPWM control

其中在0.05s時(shí)負(fù)載從初始值60kW跳變到70kW。從仿真輸出的三相相電壓可以看出，當(dāng)負(fù)載突變時(shí)開(kāi)環(huán)SPWM控制電壓將隨負(fù)載變化，啟動(dòng)瞬間三相的電壓波動(dòng)較大，穩(wěn)態(tài)時(shí)電壓降低了約15v,有效值約降了25v。而電壓閉環(huán)SPWM控制電壓將會(huì)很快穩(wěn)定回到設(shè)定值，具有很好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性。

4．結(jié)論

通過(guò)上面所述的用Matlab/Simulink對(duì)三相無(wú)源電壓型SPWM逆變器進(jìn)行了建模與仿真，證明了Matlab/Simulink有比較好的用戶界面和模型結(jié)構(gòu)，為用到仿真的廣大用戶提供了足夠的電力電子器件，仿真結(jié)果清

晰可靠。

此次的建模過(guò)程讓我受益匪淺，對(duì)于三相無(wú)源電壓型SPWM逆變器的工作原理又有了進(jìn)一步的了解，彌補(bǔ)了以前不會(huì)的內(nèi)容。比如，1）SPWM控制技術(shù)控制逆變器在經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臑V波可以很好的把直流電逆變成我們所需要的交流電；2）負(fù)載的突變可以影響逆變的輸出電壓。3）通過(guò)電壓閉環(huán)控制的反饋?zhàn)饔每梢苑€(wěn)定逆變器的電壓輸出，其穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性都很好。

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