三相方波逆变电路原理说明

三相方波逆变电路原理说

明

Revised by Jack on December 14,2020

目录

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1KW，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MOSFET 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SPWM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。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。

SPWM控制技术是PWM控制技术的主要应用，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

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。

所谓调制法，就是把希望输出的波形作为调制信号

u，把接收调制的信号

t

u，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。

作为载波

c

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180o (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：Array

直流电压利用率

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 =U t/U to描述，U t为以横轴为底时梯形波的高，U to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 图3-1U 供电。

da U ，db U ，当ru 2un d U U U <=-时，给V4导通信号，给V1关断信号un 2d U U =-，给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通。d U 和'wn U 的PWM 波形只有/2d U ±两种电平。当c ru U U >时，给V1导通信号，给V4关断信号，/2un d U U '=-。uv U 的波形可由vn un U U ''-得出，当1和6通时，d uv U U =，当3和4通时，d uv U U =-，当1和3或4和6通时，uv U =0。输出线电压PWM 波由d U ±和0三种电平构成负载相电压PWM 波由(±2/3)d U ，(±

1/3)d U 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PWM 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。