SPWM三相逆变器仿真设计

课程设计任务书
学生姓名：徐志平专业班级：电气0902 指导教师：胡红明工作单位：武汉理工大学
题目: SPWM三相逆变器仿真
初始条件：
根据三相SPWM逆变器系统原理图设计对应的simulink仿真模型。

要求完成的主要任务:
（1）用simulink设计系统仿真模型；能够正常运行得到仿真结果（2）比较理论分析结果与仿真结果异同，总结规律。

时间安排：
2012年6月18日至2012年6月27日，历时一周半，具体进度安排见下表
指导教师签名：年月日
系主任（或责任教师）签名：年月日
摘要
由于电力电子学和微电子技术的发展，使变频调速技术近年来获得了飞速的发展，各种变频调速控制方式、PWM脉宽调制技术以及MCU微处理器和以大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等均在变频调速中获得了成功应用。

在电力电子技术中，PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。

即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。

SPWM正弦脉宽调制法这项技术的特点是原理简单，通用性强，具有开关频率固定，控制和调节性能好，能消除谐波使输出电压只含有固定频率的高次谐波分量，设计简单等一系列优点，是一种比较好的波形改善法。

它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。

SPWM技术成为目前应用最为广泛的逆变用PWM 技术。

而这次课程设计的主要目的就是对SPWM三相逆变器的仿真，通过运用了Matlab/Simulink和Power System Block(PSB)电力系统模块集工具箱仿真环境，对电路进行建模、计算和仿真分析。

关键词：SPWM 三相逆变器仿真波形
目录
1．SPWM控制原理分析 (1)
1.1 SPWM的基本原理 (1)
1.2 SPWM逆变电路及其控制方法 (2)
2.门极驱动IGBT简介及分析 (3)
2.1 IGBT简介 (3)
2.2 IGBT的动态特性分析 (4)
2.3 IGBT的特性和参数特点 (5)
3. 三相PWM逆变器的工作原理和结构电路 (5)
3.1 三相桥式PWM逆变电路 (5)
3.2 逆变器的工作原理 (6)
3.3逆变电路的波形和电压分析 (6)
4. 三相SPWM逆变器的仿真 (8)
4.1 三相SPWM逆变电路主电路 (8)
4.2 主电路模块 (9)
5. 仿真图形及其分析 (10)
5.1 当频率f改变，负载有功功率不变的时候。

(10)
5.2 当频率f不变，负载有功功率改变的时候 (11)
总结 (14)
参考文献 (15)
本科生课程设计成绩评定表 (16)
SPWM三相逆变仿真
1．SPWM控制原理分析
1.1 SPWM的基本原理
PWM(Pulse Width Modulation)控就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。

PWM控制技术最重要的理论基础是面积等效原理，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同如下所示
a)矩形脉冲b)三角脉冲c)正弦半波脉冲d)单位脉冲函
图1-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
所谓SPWM，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规率排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。

它广泛地用于直流交流逆变器等，比如高级一些的UPS就是一个例子。

三相SPWM是使用SPWM模拟市电的三相输出，在变频器领域被广泛的采用。

SPWM法就是用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。

三角波变化一个周期，它与正弦波有两个交点，控制逆变器中开关元件导通和关断各一次。

要准确的生成SPWM波形，就要精确的计算出这两个点的时间。

开关元件导通时间是脉冲宽度，关断时间是脉冲间隙。

正弦波的频率和幅值不同时，这些时间也不同，但对计算机来说，时间由软件实现，时间的控制由定时器完成，是很方便的，关键在于调制算法。

调制算法主要有自然采样法、规则采样
法、等面积法等。

1.2 SPWM逆变电路及其控制方法
SPWM逆变电路属于电力电子器件的应用系统，因此，一个完整的SPWM逆变电路应该由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。

由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断，来完成整个系统的功能。

目前应用最为广泛的是电压型PWM逆变电路,脉宽控制方法主要有计算机法和调制法两种，但因为计算机法过程繁琐，当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位发生变化时，结果都要变化，而调制法在这些方面有着无可比拟的优势，因
此，调制法应用最为广泛。

u，把接收调制的信号作所为调制法，就是把希望输出的波形作为调制信号t
u，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。

本次课程设计任务要求为载波c
设计SPWM三相逆变电路，输出PWM电压波形等效为正弦波，因而信号波采用正弦波，载波采用最常用的等腰三角形。

单相桥式电路既可以采取单极性调制，也可以采用双极性调制，而三相桥式PWM逆变电路，一般采用双极性控制方式。

（1）如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。

（2）如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。

图1-2双极性PWM控制方式
其中：载波比——载波频率f c与调制信号频率f r 之比N，既N = f c / f r 调制度――调制波幅值Ar与载波幅值Ac之比，即Ma＝Ar/Ac
同步调制——N 等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。

➢基本同步调制方式，f r 变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定；
➢三相电路中公用一个三角波载波，且取N 为3的整数倍，使三相输出对称；
➢为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数；
➢f r 很低时，f c 也很低，由调制带来的谐波不易滤除；
➢f r 很高时，f c 会过高，使开关器件难以承受。

异步调制***——载波信号和调制信号不同步的调制方式。

➢通常保持f c 固定不变，当f r 变化时，载波比N 是变化的；
➢在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称；
➢当f r 较低时，N 较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小；
➢当f r 增高时，N 减小，一周期内的脉冲数减少，PWM 脉冲不对称的影响就变大。

2.门极驱动IGBT简介及分析
2.1 IGBT简介
绝缘门极双极型晶体管（IGBT）本质上是一个场效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个P 型层。

根据国际电工委员会的文件建议，其各部分名称基本沿用场效应晶体管的相应命名。

IGBT的结构剖面图如图1所示。

它在结构上类似于MOSFET ，其不同点在于IGBT是在N沟道功率MOSFET 的N+基板（漏极）上增加了一个P+ 基板（IGBT 的集电极），形成PN结j1 ，并由此引出漏极、栅极和源极则完全与MOSFET相似。

图2-1 IGBT 结构剖面图
由图可以看出，IGBT 相当于一个由MOSFET 驱动的厚基区GTR ，其简化
等效电路如图3所示。

图中Rdr 是厚基区GTR 的扩展电阻。

IGBT 是以GTR 为
主导件、MOSFET 为驱动件的复合结构。

2.2 IGBT 的动态特性分析
图2-2 IGBT 的动态图
与MOSFET 的相似，因为开通过 程中IGBT 在大部分时间作为MOSFET 运行
u CE 的下降过程分为t fv1和t fv2两段。

t fv1——IGBT 中MOSFET 单独工作的电
压下降过程；t fv2——MOSFET 和PNP 晶体管同时工作的电压下降过程 。

电流下降时间又可分为t fi1和t fi2两段。

t fi1——IGBT 内部的MOSFET 的
关断过程，i C 下降较快；t fi2——IGBT 内部的PNP 晶体管的关断过程，i C 下降
较慢IGBT 中双极型PNP 晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也
t t t 10%90%10%90%U I C 0U GE U GEM I CM U CEM t fv1t fv2t off t on t fi1t fi2t d(off)t f t d(on)t r U CE(on)U GEM U GEM I CM I CM
引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET。

2.3 IGBT的特性和参数特点
1）IGBT开关速度快，开关损耗小，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET 相当,无二次击穿现象；
2）在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力；
3）IGBT的通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域；
4) 与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时可以保持开关频率高;
5) 输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。

3. 三相PWM逆变器的工作原理和结构电路
3.1 三相桥式PWM逆变电路
用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路。

但在三相逆变电路中，应用最为广泛的还是三相桥式逆变电路。

采用IGBT作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路如图3所示，可以看成是由三个半桥逆变电路组成。

图3-1 三相电压型桥式逆变电路
电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为了方便分析，画作串联的两个电容器并标出假想中点N'。

和单相半桥、全桥逆变电路相同，三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是180︒导电方式，即每个桥臂的导电角度为180︒，同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度以此相差120︒。

这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。

可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。

因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流。

3.2 逆变器的工作原理
在三相桥式逆变电路中，各管的导通次序同整流电路一样，也是T1、T2、
T3……T6、T1……各管的触发信号依次互差60︒。

根据各管的导通时间可以分为180︒ 导通型和120︒导通型两种工作方式，在180︒导通型的逆变电路中，任意瞬间都有三只管子导通，各管导通时间为180︒，同一桥臂中上下两只管子轮流导通，称为互补管。

在120︒导通型逆变电路中，各管导通120︒，任意瞬间只有不同相的两只管子导通，同一桥臂中的两只管子不是瞬时互补导通，而是有60︒的间隙时间，当某相中没有逆变管导通时，其感性电流经该相中的二极管流通。

3.3逆变电路的波形和电压分析
以下分析三相电压型桥式逆变电路的工作波形。

对于U 相输出来说，当桥
臂1导通时，2UN d u U '=，当桥臂4导通时，2UN d u U '=-。

因此，UN u '的波形
是幅值为/2d U 的矩形波。

V 、W 两相的情况和U 相类似，VN u '、WN u '的波形形
状和UN u '相同，只是相位依次差120°。

负载线电压可由下式求出：
⎪⎭
⎪⎬⎫-=-=-= UN'WN'WU WN'VN'VW VN'UN'UV u u u u u u u u u
设负载中点N 与直流电源假想中点N '之间的电压为
NN u '，则负载各相的相电
压分别为：
⎪⎭⎪⎬⎫-=-=-=' NN WN'WN NN' VN'VN NN' UN'UN u u u u u u u u u
三相电压型桥式逆变电路的工作波形如图3-2所示。

图3-2 三相电压型桥式逆变电路的工作波形
下面对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量分析。

把输出线电压 展开成 傅里叶级数得：
23111(sin sin 5sin 7sin11......)5711
d
UV U u t t t t ωωωωπ=--+ 231sin (1)sin k d n U t n t n ωωπ⎡⎤=+-⎢⎥⎣⎦
∑ 式中，61n k =±，k 为自然数。

输出线电压有效值UV U 为
220
10.8162UV UV d U u d t U πωπ==⎰
基波幅值1UV m U 和基波有效值1UV U 分别为
123 1.1d
UV m d U U U π
=
=；116
0.782
UV m
UV d d U U U U π
=
=
=
接下来，我们再对负载相电压UN u 进行分析。

把UN u
展开成傅里叶级数得
2111(sin sin 5sin 7sin11......)5711
d UN U u t t t t ωωωωπ=++++
21
=
sin sinn d n U t t n ωωπ+∑（）
式中，61n k =±，k 为自然数。

负载相电压有效值UN U
为
22
10.4712UN
UN
d U u
d t U π
ωπ
=
=⎰
基波幅值
1UN m
U 和基波有效值1
UN U 分别为
120.637d
UN m d U U U π
=
=；110.452
UN m
UN d U U U =
= 4. 三相SPWM 逆变器的仿真 4.1 三相SPWM 逆变电路主电路
图4—1 三相逆变电路主电路
图4-1为三相逆变电路主电路的仿真电路。

在仿真电路图中，双击元件，可得到各元件的属性设置。

改变各项的值，运行并通过示波器来显示各个量的变化，以便比较和研究。

4.2 主电路模块
图4-2 LC滤波器
图4-3 PWM IGBT Inverter参数设置
根据设计任务要求，直流电源电压为240V，其参数设置图如图4-4所示
图4-4 直流电压参数设置
5. 仿真图形及其分析
运行MatlAB仿真软件，并点击示波器即可得到输出交流电压，交流电流的波形，如下图所示。

5.1 当频率f改变，负载有功功率不变的时候。

1）当f=150HZ,P=5e4W时，波形如下：
图5-1 f=150HZ下三相交流电压、电流输出波形
2）当f=50HZ，P=5e4时，波形如下：
图5-2 f=50HZ下三相交流电压、电流输出波形 3）当f=650HZ，P=5e4时，波形如下：
图5-3 f=650HZ下三相交流电压、电流输出波形5.2 当频率f不变，负载有功功率改变的时候
1）当f=150HZ，P=5e4时，波形如下：
图5-4 P=5e4下三相交流电压、电流输出波形2）当f=150HZ，P=5e9时，波形如下：
图5-5 P=5e9下三相交流电压、电流输出波形3）当f=150HZ，P=5e-2时，波形如下：
图5-6 P=5e-2下三相交流电压、电流输出波形
由上可以看出SPWM方式下三相交流电压、电流输出波形与频率f和负载有功功功率P有关。

总结
在这次历经两个多星期的课程设计中我收获良多。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，比如有时候被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我们总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。

最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。

自己看起来多完美的设计在实践下就漏洞百出了。

并且我在做设计的过程中发现有很多东西，也知道自己的很多不足之处，知道自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固.以前认为学了没用的课程现在也用到了。

经过这次的电力电子课程设计后，我从中学到了很多东西。

在我们学了《电路》、《电力电子技术基础》之后，对专业课程基础知识已经有了最基本的掌握和接触。

在经过独立设计，我成功的完成了本次设计。

对于我个人而言，我熟练的掌握了设计三相电压型逆变电路的一般方法，还进一步熟悉了其原理。

开始拿到课题难免会感到陌生，不过经过自己亲手实践后才发现，只有经过实践运用得来的知识，才是真正属于自己的东西
而且在这次课设过程中我对于Matlab软件的熟悉进一步的增强，也在对Matlab的某些功能方面有了更深一刻的理解和认知。

参考文献
【1】王兆安刘进军电力电子技术北京：机械工业出版社2009
【2】康华光电子技术基础数字部分北京：高等教育出版社2005
【3】刘凤君现代逆变技术及应用北京：电子工业出版社2006
【4】李宏王崇武现代电力电子技术基础北京：机械工业出版社2009 【5】陈国呈PWM逆变技术及应用北京：中国电力出版社2007
【6】陈国呈PWM电力电子变换技术北京：中国电力出版社2007
【7】洪乃刚电力电子技术基础北京：清华大学出版社2008
【8】叶云云《三相SPWM控制器的研究设计》.《中国教育技术装备》 2009年09期.
【9】 Charles K.Alexander和Matthew N.O.Sadiku. Fundamentals of Electric Circuits. 清华大学出版社 2009.12
本科生课程设计成绩评定表
指导教师签字：
2012 年月日。