三相电压源型SPWM逆变器的设计1概述1.逆变电路简介
对应于整流，将直流电变成交流电称为逆变。当交流侧连接到电网上，即当交流侧连接到电源时，称为有源逆变器；当交流侧直接连接到负载时，称为无源逆变器。根据直流侧电源的性质，逆变电路可分为两种类型：直流侧为电压源，称为电压逆变电路；直流侧为电流源，称为电流逆变电路；也称为电压源逆变电路和电流源逆变电路。其中，电压源逆变电路具有以下主要特点：直流侧为电压源，或并联电容大，相当于电压源，直流侧电压基本无脉动，直流电路阻抗低，交流侧输出电压波形为矩形波，与负载阻抗角无关。交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗不同而不同；当交流侧为阻感负载时，需要提供无功功率，直流侧电容缓冲无功能量。为了为交流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥臂并联反馈二极管。1.2 PWM简介
PWM(Pulse Width Modulation)控制是调节脉冲宽度的技术，即通过调节一系列脉冲宽度，等效获得所需的波形。PWM控制技术的重要理论基础是面积等效原理，即当冲量相等、形状不同的窄脉冲加入惯性环节时，效果基本相同。如何用一系列等幅不等宽的脉冲代替正弦半波？将正弦半波分成N等分，将正弦半波视为由N个相互连接的脉冲序列组成的波形。如果用相同数量的等宽矩形脉冲代替这些脉冲序列，使矩形脉冲的中点与相应正弦波部分的中点重叠，使矩形脉冲等于相应正弦波部分的面积（冲量），则可以得到图1-1所示的脉冲序列，即PWM波形。根据正弦的规律，这种脉冲的宽度与正弦波相等PWM波形，又称波形SPWM波。SPWM波形控制可分为单极性和双极性。
图1-1用PWM波代替正弦波
图1-2 单极性SPWM波形控制模式
如图1-2所示单极性SPWM控制波形，即如果三角载波在正弦调制波的半个周期内只在正负极性范围内发生变化，则得到的SPWM波也只在性范围内，称为单极控制。根据面积等效原理，不难知道SPWM图1-3中也可以等效PWM波，这种波形称为双极性SPWM波形，即如果三角载波在正负极性之间在正弦调制波的半个周期内连续变化，SPWM波也在正负之间变化，称为双极控制。
图1-3 双极性SPWM波形2三相电压源逆变器工作原理
PWM逆变电路可分为电压型和电流型。目前几乎所有的电压电路都用于实际应用。因此，本节主要分析了电压逆变电路的控制方法。需要什么PWM计算法和调制法有两种波形方法。准确计算正弦波频率、振幅值和半周期脉冲数PWM波各脉冲的宽度和间隔可以通过控制逆变电路开关器件的通断来获得所需的脉冲PWM该方法称为计算法。当输出正弦波的频率、输出正弦波的频率、振幅或相位发生变化时，结果会发生变化。与计算法相对应的是调制方法，即将希望调制的波形作为调制信号，接受调制的信号作为载波，通过调制信号波获得预期PWM波形。当信号波调制为正弦波时，通常使用等腰三角波作为载波SPWM波形，这种情况应用最广。因此，本设计采用调制法进行模拟，三相桥式PWM逆变电路采用双极控制。
图2-1是采用IGBT作为开关器件的三相桥式PWM逆变电路。
图2-1 三相桥式PWM逆变电路
三相桥式逆变器有六个带反并连续流二极管IGBT成分，分别是VT1~VT6.直流侧由两个串联电容器共同提供直流电压Ud，负载是三相星形连接的阻感负载，调制电路由三相交流正弦调制波和三角载波组成。三角载波频率和正弦调制波频率
比率称为载波频率，调制波幅值与载波幅值之比称为调制系统(也称调制比，0
1)，这
是SPWM调制中的两个重要参数。三角载波和正弦调制波相互调制，产生六路脉冲信号
图2-2 三相桥式PWM逆变电路波形
别给六个IGBT提供触发信号。
U、V和W三相的PWM控制通常用于三角于控制
，三相调制信号
、
和
依次相差120°。U、V与W相功率开关器件的控制规律相同，以U相为例。
>
给上桥臂V1用导通信号给下桥臂V4关闭信号，U相对于直流电源的假想中点N’ 的输出电压
=
/2。当
<
时，给V4.给出导通信号V1.关闭信号
=
/2。V1和V4的驱动信号总是互补的。当给予时V1(V4)可能会添加导通信号V1(V4)导通也可能是二极管VD1(VD4) 通过阻感负载续流导通
电流的方向取决于单相桥式PWM双极控制时逆变电路的情况相同。VW相的控制方法与U相同。电路的波形如图2-2所示。
、
和
的PWM波形都只有±
/2电平。图中的线电压
的波形可由
-
可见，当桥臂1和6导通时，
=
，当桥臂3和4导通时，
= -
，当桥臂1和3或4和6导通时，
= 0.因此，逆变器的输出线电压PWM波由±
它由0三个电平组成。图2-2中的负载相电压
可以下式求得
=
-
(2-1)
从波形和上部类型可以看出，负载相电压PWM波由(±2/3)
、(±1/3)
它由五个电平组成：三Matlab模拟建模与分析
方案设计完了，原理也差不多分析了。下一个最重要的环节是模拟。首先，三相SPWM逆变器要工作，最重要的是按要求生成三相SPWM信号波。3.1三相SPWM波的产生
根据调制系统和载波比对正弦波和三角波进行比较和操作，可以调制所需的SPWM信号波。具体逆变器电路的调制比计算涉及模拟过程：
输出线电压
基波幅值与直流电源电压的关系如下，
=0.866m
(3-1)
输出线电压
基波的有效值为，
=0.612m
(3-2)
假如本设计要求是：直流电源电压
为400V，输出线电压基的波幅值为300V(50Hz)，根据式3-1可得m=300/400/0.866=0.866 。
根据原理分析，本设计采用双极性PWM波形控制模式，公共等腰三角载波，三幅值，相同频率相差120°三相交流正弦波形作为调制波。SPWM控制波形的发生电路如图3-1所示Simulink的“Source库中选择Clock提供模拟时间的模块t,乘以
之后，通过一个sin”模块即为sin
，乘以调制比m(图中Constant常量模块相位，可以获得所需的正弦波调制信号。三角载波信号由Source”库中的“Repeating Sequence模块生成，参数设置为[01/
/43/
/4nbsp;1/
]和[0 -1 1 0],其中，fc为载波的频率，也叫PWM开关频率，比如设置开关频率为3kHz，将fc替换成3000即可。另外，示波器采样频率设置高一些，便可生成频率为
的三角载波。将调制波和载波通过一些运算与比较，即可得出三相SPWM触发脉冲波形。图3-2给出了调制信号和三角载波波形。
图3-1 三相SPWM控制波形发生电路
图3-2 三相SPWM控制波形
为了使仿真简便，参数易于设置，而且SPWM是应用非常广泛的一种控制方式，因此图3-1所示的SPWM发生电路已封装成子模块。3.2SPWM逆变器仿真
三相电压源型SPWM逆变器仿真电路如图3-3所示，且负载为阻感负载(R=10Ω，电感L=10mH)。
图3-3 三相电压源型SPWM逆变器
设置参数，将调制度m设置为0.866，调制波频率设为50Hz，载波比N一般取3的整数倍以使三相输出波形严格对称，设为基波的60倍(载波比N=60)，即载波频率为3000Hz，仿真时间设为0.04s(实际仿真调试中仿真0.04s已足够分析)，在powergui(powergui是电力图形用户界面，是电路和系统分析的图形界面，提供了相当丰富的分析工具)中设置为离散仿真(Discrete)模式，采样时间设为5e-006s，运行仿真图形。
运行程序，便可得到输出波形，如图3-4所示：
(从上到下依次为：负载电流、线电压Vab和相电压Va)
图3-4 三相电压源型SPWM逆变电路输出波形
分析上图可知，逆变器的输出线电压PWM波由±
和0三种电平构成，负载相电压的PWM波由(±2/3)
、(±1/3)
和0共五种电平组成，与第2章中图2-2的分析一致，说明仿真正确。下面对输出波形进行FFT分析。
已知
= 400V，载波频率和调制信号频率分别为3000Hz和50Hz，载波比N=60。输出线电压的FFT分析结果如图3-5所示，据图可知，输出线电压的基波幅值为300.5V，与要求的输出300V误差很小，仿真结果正确，谐波分布中最高的为56、64次谐波，考虑最高频率为9000Hz时谐波总畸变率THD=83.32% 。输出相电压的FFT分析结果如图3-6所示，据图可知，输出相电压的基波幅值为173.4V=300.5/
V，说明三相波形基本对称，考虑最高频率为9000Hz时谐波总畸变率THD=83.38% 。输出相电流的FFT分析结果如图3-7所示，据图可知，输出相电流的基波幅值为16.55A，考虑最高频率为9000Hz时谐波总畸变率THD=7.27% ，近似为正弦波。
图3-5 输出负载线电压的FFT分析
图3-6 输出负载相电压的FFT分析
图3-7 输出负载相电流的FFT分析3.3 滤波器粗略分析
经过以上对输出波形的FFT分析，可知输出负载线电压(或者相电压)的谐波含量非常高，实际应用中需要加入滤波电路以使输出电压、电流近似为正弦波。在此可以用MATLAB设计一个简单的LC滤波器(参数为调试的粗略参数，在此不进行相关的复杂计算)。电路如图3-8所示：
图3-8 带滤波器的SPWM逆变器
输出相电压的FFT分析结果如图3-9所示，从图中可以看出，输出相电压近似为正弦波，基波幅值为178.2V，考虑最高频率为9000Hz时THD=1.58% ，可见低通滤波器会稍微影响到输出的电压值，但可以大大减少谐波含量，可以使负载运行在最佳状态。
图3-9 滤波后的输出相电压FFT分析
综上所述，PWM控制方法主要是正弦调制信号波和三角波载波相比较的方法。由PWM控制原理和谐波分析可知，当载波比足够高时，用这种方法所得到的输出波形中不含低次谐波，只含和载波频率有关的谐波。输出波形中所含谐波的多少是衡量PWM控制方法优劣的重要标志，但不是唯一的标志。提高逆变电路的直流电压利用率、减少开关次数等也是很重要的。直流电压利用率是逆变电路所能输出的交流电压基波最大幅值U1m和直流侧电压Ud之比，提高直流电压利用率可以提高逆变器的输出能力。减少功率器件的开关次数可以降低开关损耗。此外，不同的负载性质和不同的应用场合对逆变电路都会有不同的要求。因此，实际中有多种改进方法以提高PWM型逆变电路综合性能或某一特别关心的性能。