柳 凌，钱祥忠

（温州大学 浙江 温州 325035）

随着电力电子技术的飞速发展，特别是随着大功率全控型电力电子器件(如GTO IGBT MOSFET IGCT等) 的开发成功和应用技术的不断成熟，电能变换技术出现了突破性进展，这也使得逆变器的SPWM技术[1]得到了快速发展和广泛应用。

三相电压桥式SPWM逆变电路[2-3]是电力电子技术中应用最广泛的电路之一。深刻理解和熟练掌握该电路的原理对于正确设计和实际使用三相SPWM逆变具有指导意义。但是该电路比较复杂，分析起来也非常困难，目前各种典型教材中对这部分的阐述都不太详细，对SPWM逆变控制介绍不多，特别的是对闭环控制涉及非常少。正因如此要想对这部分内容有一个好的理解和掌握有一定难度。

为了更好的研究三相电压桥式SPWM逆变，更好的帮助我们进行逆变器的研究和设计，我们可以采用计算机辅助设计和仿真的方法来对其进行研究。集成在Matlab中的动态系统建模、仿真工具Simulink具有编辑可视化以及极高的编程效率[4]，对该类系统的仿真研究具有极大的优越性，使PWM型逆变电源的计算机辅助分析和设计迈向可视化的方向，摆脱了大规模计算、算法选择及实现等工作的困扰，大大加快了我们的开发设计进程，缩短了设计开发周期。

1 三相电压桥式SPWM逆变原理

逆变器（inverter）是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成交流电（一般为220 V 50 Hz正弦或方波）。通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成．逆变技术的应用大大提高了电能的使用效率以及电源的质量，因此对于节约能源等方面有着重要的意义。

三相SPWM逆变器的主电路如图1所示，它由6个带反并联二极管的全控开关器件构成在控制上3个半桥间依次相差1/3个周期(120。)同一桥臂上下两开关轮流导通和关断滤波前相电压是幅值为Ud/2的方波(Ud为直流侧电压)线电压是幅值为Ud的方波。经过滤波等适当处理就可以变成我们需要的正弦波。

图1 三相SPWM主电路Fig. 1 Main circuit of three-phase SPWM

图2 双极性正弦脉宽调制图Fig. 2 Waveform Bipolar sine pulse width modulation

SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM方法。图2为双极性脉宽调制波的形式图。它是用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM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即可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。图2中Uc为等腰三角形的载波，Ur为正弦调制波，Ur1为逆变后的基波。调制波和载波的交点决定了SPWM脉冲序列的宽度和脉冲间的间隔宽度，如图2所示，当A相的Ur＞Uc时，图1中所示IGBT1导通，输出正弦脉冲电压Ud/2，当Ur＜Uc时，IGBT1关断。在Ur负半周，用同样方法控制IGBT4，输出负的脉冲电压序列，改变调制波频率时，输出电压基波频率随之改变，降低调制波幅值时如Ur，各段脉冲的宽度变窄，输出电压基波幅值减少。同样其他几个管子也是同样的方法控制其导通与关断。这种SPWM逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断，毫不停息，而流过负载的电流是按线电压规律变化的交变电流。

2 逆变器的建模

常见的逆变器有开环和闭环两种控制方式，开环控制的逆变器具有电路结构和控制简单的有点，但是其输出电压非常不稳定。而闭环控制正好可以克服开环电压输出不稳定的缺点。闭环控制的三相桥式电压型逆变系统框图如图3所示，它主要功能是采用SPWM控制方式将直流电压变换成交流电压，通过实时检测三相输出电压，然后通过信号的处理再与基准电压进行比较通过PI调节产生SPWM波，实时地调节逆变器输出电压的幅值，以满足实际要求。系统主回路选用IGBT作为开关器件，为了减少输出电压的谐波，逆变器输出端接有LC滤波电路[5-6]。

图3 三相电压桥式SPWM逆变系统框图Fig. 3 Structure diagram of three-phase full bridge inverter

图4 SPWM逆变系统仿真模型Fig.4 Simulation model of SPWM inverter

本系统是在Matlab2012a的版本下完成的，系统框图4所示，图4(a)是开环仿真的系统模型图，图4(b)是电压闭环仿真系统模型图。直流侧电压都设置为650 V，输出频率都设置为50 Hz。在模型中可以通过并联或串联断路器breaker的方法来设置负载和直流电压源的跳变。仿真算法选用ode45算法，仿真时间为0.2 s。

在图4(b)所示的系统模型中，控制系统是非常重要的这是区别于开环控制的主要部分。控制系统包括两个部分，一是电压调节部分（如图4(c)所示）：对实时采集过来的电压进行降维、比较、PI调节等数学处理和计算；一是SPWM波产生部分（如图4(d)所示）：将前面数字PI输出的信号进行还原再与三角载波进行比较生成S P WM波对开关管进行控制最终调解输出电压。其中在进行降维和还原的过程中要用到park变换和ipark变换[7-8]，其变换公式如下：

3 SPWM的仿真分析

图5所示分别为开环SPWM控制和闭环SPWM控制的仿真波形图。

图5 负载突变时三相电压波形图Fig.5 Three-phase voltage waveforms of load sudden change

其中在0.1 s时负载从初始值20 kW跳变到30 kW。从仿真输出的三相相电压可以看出，当负载突变时开环SPWM控制电压将会随负载变化，稳态时电压降低了约20 V。而电压闭环SPWM控制电压将会很快稳定回到设定值(在0.1 s前后电压大小不变)，具有很好的稳定性和动态特性。

图6所示分别为直流电源突变的时候的波形，在0.1 s时候直流电压由原来的650 V突变为500 V。图所示为开环SPWM仿真波形，图所示为电压闭环SPWM仿真波形。从图中可以看出在直流电压源突变的时候开环SPWM控制电压也会突变，并且不会稳定在原来的值了（0.1s前后电压相差约25 V）。而电压闭环波形会有小小的变化不过马上就稳定在预定值，其动态特性比较好。

4 结 论

图6 电压突变时三相电压波形图Fig.6 Three-phase voltage waveforms of voltage change

通过上面的仿真分析我们可以得出：1)SPWM控制技术控制逆变器在经过适当的滤波可以很好的把直流电逆变成我们所需要的交流电；2)负载或者电源的变化会影响逆变的输出电压；3)通过电压闭环控制的反馈作用可以稳定逆变器的电压输出，其稳态特性和动态特性都很好；4)在逆变器后面接LC滤波器可以有效的减少输出电压的谐波。通过上述分析和总结使我们更深入理解三相电压桥式逆变器的SPWM控制，为研究三相电压桥式SPWM逆变器提供一定的理论指导，对设计三相电压桥式SPWM逆变器系统的设计和参数选取有一定实际参考价值。

[1]宋淑苹.基于SPWM技术的独立逆变电源设计[D].保定:河北大学,2011.

[2]王云亮.电力电子技术[M].北京:电子工业出版社,2009.

[3]王兆安.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2009.

[4]薛定宇.基于Matlab/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2006.

[5]殷进军.LCL滤波并网逆变器的数字单环控制技术研究[D].武汉:华中科技大学,2012.

[6]曾正,杨欢,赵荣祥,等.基于无源哈密尔顿系统理论的LC滤波并网逆变器控制[J].电网技术,2012,36(4):207-212.ZENG Zheng,YANG Huan,ZHAO Rong-xiang,et al.A novel control strategy for grid-connected inverters with LC filter based on passive Hamiltonian theory[J].Power System Technology,2012,36(4):207-212.

[7]宋淼.三相四桥臂逆变器控制策略的研究[D].武汉：华中科技大学,2010.

[8]郑丹,曾国宏,沈志达,等.基于Park变换的改进谐波分析算法[J].计算机工程与设计,2009,30(6):1480-1482.ZHENG Dan,ZENG Guo-hong,SHEN Zhi-da,et al.Improved harmonic diction method based on park conversation[J].Computer Engineering and Design,2009,30(6):1480-1482.