三相SPWM逆变电路仿真
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三相SPWM逆变电路仿真
摘要:利用MATLAB软件中的电力系统模块库,为三相电压型逆变器建立了仿真模型,对其输出特性进行了仿真分析,并利用快速傅里叶变换(FFT)分析工具对逆变器的输出电压进行了谐波分析。仿真实例表明了此模型和仿真方法的正确性。
关键词:逆变电路；脉宽调制(PWM)；快速傅里叶变换(FFT) ；谐波；MATLAB
0 引言
随着大功率全控型电力电子器件(如GTO、IG2BT、MOSFET、IGCT 等)的开发成功和应用技术的不断成熟,近年来电能变换技术出现了突破性进展,各种新型逆变器已开始在各类直流电源、UPS、交流电机变频调速、高压直流输电系统等领域中得到应用,由于大功率电力电子装置的结构非常复杂,若直接对装置进行试验,代价高且费时费力,故在研制过程中需要借助计算机仿真技术,对装置的运行机理与特性、控制方法的有效性进行验证,以预测并解决问题,缩短研制时间。MATLAB软件具有强大的数值计算功能,方便直观的Simulink建模环境,使复杂电力电子装置的建模与仿真成为可能。本文利用MATLAB/Simulink为SPWM(脉宽调制)逆变电路建立系统仿真模型,并对其输出特性进行仿真分析。
1 SPWM电压型逆变电路的基本原理
SPWM控制是通过对每周期内输出脉冲个数和每个脉冲宽度的控制来改善逆变器的输出电压、电流波形。它是现代交流变频调速的一种重要的控制方式。三相逆变器主回路原理图如下所示,图中V1-V6为6个开关元件,由SPWM调制器控制其开通与关断。逆变器产生的SPWM 波形,施加给三相负载。
图1 三相逆变器主电路
2 通过matlab/simulink建立仿真电路如下图所示：
通过matlab/simulink建立仿真图形，主要参数为：直流电压为530V。脉冲频率为1650Hz，调制比为1，电压频率为50Hz。
Discre te ,
Ts = 5e -007 s.
pow e rgui
g A B C
+
-
Universal Bridge
A B C
Three-Phase
Series RLC Load Scope
3
Multimeter
Pulse s
Discrete
PWM Generator
t
2e-005 s
Discrete On/Off Delay
i +-C urrent Measurement
530V
id
uan
ia uab
图2 用simulink 实现的仿真模型
3 死区时间对三相输出电压和电流的影响
为防止在垂直换流中桥上下壁器件产生共态导通，在互补式控制极脉冲下，必须插入死区。死区的宽度必须保证退出导通的器件可靠关断，也即在垂直换流过程中实施先关断后导通的程序。死区的设置会对输出电压波形产生畸变，对逆变电路带来不利的影响。
理想的SPWM 波形除含有载波频率及其频带中的高次谐波外，低次谐波几乎不存在。然而，死区的引入使得低次谐波不能完全被消除。计算机仿真结果表明，死区产生的主要是低奇次谐波。
4 仿真结果
基于上述模型和分析,对SPWM 逆变电路系统动态性能进行仿真,得到了系统的动态仿真曲线图。左边为没有加死区时间的波形，右边为加死区时间后的波形。
00.0050.010.0150.020.0250.03-400
-300-200-100010020030040000.0050.010.0150.020.0250.03
-400
-300-200-1000100200300400
图3 加死区前Uan 图4 加死区后Uan
00.0050.010.0150.020.0250.03-2
-1.5-1-0.500.511.5200.0050.010.0150.020.0250.03
-2
-1.5-1-0.500.511.52
图5加死区前ia 图6加死区后ia
00.0050.010.0150.020.0250.03
-600
-400-200
200
400
600
00.0050.010.0150.020.0250.03
-600
-400
-200
200
400
600
图7 加死区前Uab 图8 加死区后Uab
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
00.20.40.60.811.21.41.61.820
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
00.20.40.60.811.21.41.61.82
图9 加死区前id 图10加死区后id
0.01
0.02
0.030.04
0.05
0.06
-200
0200Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 2 cycles
Time (s)
1000
200030004000
5000
51015202530Frequency (Hz)
Fundamental (50Hz) = 265 , THD= 68.47%
M a g (% o f F u n d a m e n t a l )
0.01
0.02
0.030.04
0.05
0.06
-200
0200Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 2 cycles
Time (s)
1000
200030004000
5000
51015202530
Frequency (Hz)
Fundamental (50Hz) = 244.9 , THD= 76.32%
M a g (% o f F u n d a m e n t a l )
图11 加死区前Uan 的谐波分析 图12 加死区后Uan 的谐波分析