三相SPWM逆变器的调制建模和仿真详解

随着电力电子技术的演进，SPWM正弦脉宽调制法正逐渐被人们熟悉，这项科技的特性是通用性强逆变器仿真，原理简洁。具有开关温度固定，控制和调节性能好，能防止串扰，设计简单，是一种比较好的波形改善法。它的发生为中小型逆变器的演进起了重要的助推作用。由于大功率电力电子装置的构架复杂，若直接对装置进行试验，且损失高费时费力，故在研发过程中应该通过计算机仿真技术，对装置的运行机制与特点，控制方式的有效性进行实验，以分析并缓解问题，缩短研发时间。

MATLAB软件具备超强的数值计算用途，方便直观的Simulink建模环境，使复杂电力电子装置的模型与仿真成为可能。本文利用MATLAB／Simulink为SPWM逆变电路建立平台仿真建模，并对其输出特性进行仿真分析。首先介绍的是三相电压型桥式逆变电路原理，其次阐述了SPWM逆变器的工作原理及特征，最后具体介绍了三相电压源SPWM逆变器的模型与仿真结构，具体的跟随小编一起了解一下。

一、三相电压型桥式逆变电路

三相电压型桥式逆变电路如图1所示，电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式也是180°导电模式，即每个桥臂的导电角度为180°，同一相上下2个桥臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120°。这样，在任一瞬间，将有3个桥臂同时导通。可能是前面一个臂后面2个臂，也可能是前面两个臂上面一个臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行的，因此也被称为纵向换流。当urU》uc时，给上桥V1臂以导通信号逆变器仿真，给下桥臂V4以关断信号，则U相相对于电池假想中点N’的输出功率uUN‘=Ud／2。当urU《uc时，给V4导通，给V1关断，则uUN’=Ud／2。V1和V4的驱动信号始终是互补的。当给V1（V4）加导通信号时，可能是V1（V4）导通，也可能是二极管VD1（VD4）续流导通。

二、SPWM逆变器的工作原理及特性

SPWM，他是依据面积等效原理，PWM波形和占空比是等效的，对于正弦波的负半周，也可以用相同的方式得到PWM波形。像这种脉冲的间距按正弦规律变化而和占空比等效的PWM波形，也称SPWM波形。就是在PWM的基础上改变了调制脉冲模式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，这样的输出波形经过适当的检波就可以得到占空比输出。它广泛的应用于直流交流逆变器等。

SPWM法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM法，SPWM法就是用脉宽宽度按正弦规律变化和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关元件的通断，使其输出的脉宽电压面积与所希望输出的占空比在相应区间内的体积相同，通过改变调制波的速率和幅值则可调节逆变电路输出的电流和幅值。

要具体的生成SPWM波形，就要准确的推导出这两个点的时间。开关器件导通时间是脉宽宽度，关段时间是脉冲间隙。正弦波的频度和幅值不同时，这些时间也不同，但对计算机来说，时间定时器来实现。调制方式可以自己选取。

SPWM逆变器具有下列特征：

1、电路简单，主电路结构和方波逆变器一样，但只用一个半功率级就可以实现输出电流、频率、相位的调节；

2、可以使用不可控整流桥，使系统对电力的电流因数与逆变器输出功率值无关；

3、可以同时进行调频、调压，与支流环节的原件参数无关，系统的动态响应速率无关；

4、可以获得非常小的串扰含量，理论上谐波分布在频域两侧。 SPWM是Sine Pulse Width Modulation的英文简写，即正弦脉宽调制，它最早来源于通信中的调制技术，其最基本机理是用一种参考波，即调制波，去和一个频率N倍于它的三角波比较，就可以得到一组幅值相同，而脉冲按照调制波相位、幅值和速率变化的矩形波，再用这个波形去控制开关管的开通于关断，就可以受到相同波形的高压脉冲。由于参考波一般是占空比，所以这种技术通常被称为正弦脉宽调制技术，即SPWM技术。

三、三相电压源SPWM逆变器的模型与仿真

1、三相电压源SPWM逆变器的MATLAB／Simulink建模

SPWM逆变器EDMATLAB／Simulink仿真建模如图2所示。

2、其他参数设定

逆变器的仿真模型如图2所示，有效值测量组件RMS设置其参数Fundamental frequency（Hz）为50 Hz，电压设置为220 V，阻感性负载R=3，L=0．01三负载设置相等。

四、仿真结果

下面是输出交流频率为f=50 Hz，调制度为m=0．7时的曲线，逆变器电压和功率输出波形如图3和图4所示，A相阻感性负载的电压有效值如图5所示。

五、结论

通过上述采用Matlab／Simulink对三相SPWM逆变器进行模型和仿真的过程证明了Matlab／Simulink有良好的用户界面和建模结构，尤其是Power System Broswer为电气系统仿真省去了复杂的过程。它提供了极为有用的电力电子器件模块，用户不需要自己编程且不需推导系统的动态物理模型，建模过程更接近实际电路设计过程，且使用简便，也对三相SPWM逆变器有了进一步的理解。

在使用Matlab的Simulink进行仿真时，很多之后波形不能够迅速正确的出现，这时就须要研究其深层次的机理，同时要留意Matlab的仿真的一些细节。通过适度的参数设定，选择才能满足的控制方法，运用SPWM控制技术，可以有效降低输出功率和输出电压的纹波分量，改善输出波形。

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