三相方波逆变电路原理说明

1 引言

设计要求

本次课程设计题目要求为三相方波逆变电路的设计。设计过程从原理分析、元器件的选取，到方案的确定以及Matlab 仿真等，巩固了理论知识，基本达到设计要求。完成三相方波逆变电路的仿真，开关管选IGBT,直流电压为530V,

阻感负载，负载有功功率1KV y感性无功功率为100Var。

逆变的概念

逆变即直流电变成交流电，与整流相对应

电力系统中，将电网交流电通过整流技术变成直流电，然后通过逆变技术，将直流变成高频交流，再通过高频变压器降压，就达到缩小变压器体积和提高供电质量的目的了。

三相逆变

三相逆变技术广泛应用于交流传动、无功补偿等领域。在三相PWM交流

伺服系统中，一般采用三个桥臂的结构，即逆变桥主电路有6 个功率开关器件 (功率MOSFE或IGBT)构成，若每个开关器件都用一个单独的驱动电路驱动，则需6 个驱动电路，至少要配备4 个相互独立的直流电源为其供电，使得系统硬件结构复杂，可靠性下降，且调试困难，设计成本偏高。

2三相电压源型SPW逆变器

PWM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。PWh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。

SPW控制技术是PW M空制技术的主要应用，即输出脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效。

SPWM逆变电路及其控制方法

SPW逆变电路属于电力电子器件的应用系统，因此，一个完整的SPW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PW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。

所谓调制法，就是把希望输出的波形作为调制信号U t，把接收调制的信号作

为载波U c，通过信号波的调制得到所期望的PW波形。

三相方波逆变器

电路结构相同，只是控制方式不同。每一开关元件在输出电压的一个周期中闭合180°

（占空比为，因此，在任何时间，总有三个开关元件闭合。幅值关系：

,, /3 4Ud V6,,

直流电压利用率：U ab1 U d 0.78U d

A

U2

b10.78

U d

三相PWM逆变器提高直流电压利用率的方法

采用梯形波作为调制信号，可有效提高直流电压利用率；当梯形波幅值和三角波幅值相等时，梯形波所含的正弦基波分量幅值已经超过三角波幅值。采用这种调制方式时，决定功率开关器件通断的方法和用正弦波作为调制信号时完全相同。

三相PWM逆变器提高直流电压利用率的方法

梯形波的形状用三角化率s =Ut/ Uto描述，Ut为以横轴为底时梯形波的高，

Uto为以横轴为底边把梯形两腰延长后相交所形成的三角形的高；s =0时梯形波变为矩形波，s =1时梯形波变为三角波；梯形波含低次谐波，故调制后的PWM 波含同样的低次谐波（3, 5，7…），但线压中3及其倍数次谐波不存在。

3逆变器主电路设计

图3-1是SPW逆变器的主电路设计图。图中VI —V6是逆变器的六个功率开关器件，各由一个续流二极管反并联，整个逆变器由恒值直流电压U供电。一组三相对称的正弦参考电压信号由参考信号发生器提供，其频率决定逆变器输出

的基波频率，应在所要求的输出频率范围内可调。参考信号的幅值也可在一定范围内变化，决定输出电压的大小。三角载波信号U c是共用的，分别与每相参考

电压比较后，给出“正”或“零”的饱和输出，产生SPW脉冲序列波。U da，U db，U dc 作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。

当U ru U un U dj2时，给V4导通信号，给V1关断信号U un U^ 2，给

V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4导通。U d和U wn' 的

PWM波形只有U d/2两种电平。当U ru U c时，给V1导通信号，给V4关断信号，U un

U d/2。 U uv的波形可由U un U vn得出，当1和6通时，U uv U d，当3和4通时，U uv U d，当1和3或4和6通时，U uv=O。输出线电压PWI波由U d和0三种电平构成负载相电压

PWI波由(土2⑶ 5，( ± 1/3) U d和0共5 种电平组成。

图3-1 SPWM 逆变器的主电路设计图

防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由

开关器件的关断时间决定。死区时间会给输出的PWI波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。

4软件仿真

Matlab软件

Matlab软件提供的仿真工具箱Simulink是一个功能十分强大的仿真软件，它可以根据用户的需要方便的为系统建立模型，并且十分直观，仿真精度高，结

果准确。特别是其电力系统模块库PSB中包含了大量的电力电子功能模块，为我们仿真提供了极大的便利。

Matlab 提供了系统模型图形输入工具Simulink 工具箱。在Matlab 中的

电力系统模块库PSB以Simulink为运算环境，涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本原件和系统仿真模型。它由以下6 个子模块组成：电源模块库、连接模块库、测量模块库、电力电子模块库、电机模块库、基本件模块库。在这6 个基本模块库的基础上，根据需要还可以组合出常用的、复杂的其他模块添加到所需的模块库中，为电力系统的研究和仿真带来更多的方便。

建模仿真

第一步先建立主电路仿真模型。在simpowersystems 的electrical sources 库中选择直流电压源模块，参数设置如下图：

然后选择universal bridge模块，构成三相半桥电路。开关器件选带反并联二极管的IGBT，选择三相串联RLC负载模块，选为星形连接。将各模块相连, 边完成三相方波逆变器仿真模型的主电路部分。