逆变电路的MATLAB仿真研究毕业论文(5)

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图16 单相SPWM逆变电路波形图

通过上述一系列仿真分析得到如下结论：SPWM逆变器的谐波特性与载波频率有密切关系。

4.2 三相SPWM逆变电路的仿真研究

4.2.1 三相SPWM逆变电路的数学分析

三相SPWM逆变电路的主电路与三相方波逆变电路的主电路相同，只是控制信号的时序分布不同，如图5。三相SPWM逆变电路与单相SPWM逆变电路原理相类似，载波信号uc仍然采用对称三角波，赋值频率分别为Ucm和fc，调制信号幅值和频率分别为Usm和fs的三相正弦波usa、usb和usc。以a相桥臂为例，当usa>uc时，S4导通S1关断，另外两个桥臂依此类推。如图17为载波比p=3时的三相SPWM逆变电路输出地基本波形。

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图17三相SPWM逆变电路原理波形图

各相的上下桥臂的功率器件以互补方式轮流导通，所以各相相对于中性点N的电压为双极性SPWM波形，并且此波形与各相峭壁上的功率器件的驱动信号同步变化。输出地线电压即为相应两相对于N点的电压的向量差，线电压在±Ud和0之间变化，但总体呈现单极性形状，负载为星形连接且相电压波形较为复杂，可能是0、±Ud/3、±2Ud/3。

调制波与逆变电路交流端输出电压的基波同相位，与线电压相差30°。载波比均为3的整数倍以此来保证三相之间的相位差，并且这个倍数必须是奇数倍来保证双极性调制时每相波形是正负对称的半波，这样在信号波的180°时正好是正负半周的分界点。由于波形左右对称，谐波中就不会有偶次谐波。在实际逆变情况中，载波频率远高于调制波频率时，由于不对称产生的谐波影响非常小，可以忽略不计。

SPWM波的傅里叶级数也是利用贝塞尔函数推导出来的。在线性调制区域内，三相SPWM逆变电路输出线电压的基波有效值为√6mUd/4，幅值为√3m Ud/2，直流电压利用率为0.866，是方波逆变电路的0.785。所以，如果使用二极管整流桥为逆变电路提供直流电源，逆变器的输出电压很可能不能满足负载额定电压的需求，这也是SPWM逆变电路的主要不足之处。

输出电压主要集中在

为偶数时，k=6m+1，其中m为正整数。

由上述数学分析可知，载波频率整数倍处不再存在高次谐波，SPWM波形的谐波分布带有明显的“集簇”分布特性，也就是一簇一簇的集中分布于频率是载波频率的整数倍的两侧，并且每一簇谐波中，距离谐波中心越远，也就是k值越大，谐波幅值也就越小，影响最大的低次谐波就是p-2次。此外，由于3的整数倍次谐波是零序分量，所以逆变

处，其中n为奇数时，k=3(2m-1)±1, n

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器输出线电压中将不存在3的整数次倍谐波。 4.2.2三相SPWM逆变电路的仿真分析 4.2.2.1建立仿真模型

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第一步建立主电路及控制电路仿真模型。在Simpowersystems的“Electrical Sources”库中选择直流电压源模块，在对话框中将直流电压设置为530V；然后在“Power Electronics”库中选择“Universal Bridge”模块，桥臂数设置为3，构成三相电路，开关器件为带有反并联二极管的IGBT；在“Elements”库中选择三相串联的串联RLC支路模块，在设置为星形连接，额定电压为413V、额定频率50Hz，有功功率为1kW，感性无功功率为500Var，容性无功功率为0；在Simpowersystem的“Sink”库中选择“Scope”示波器模块；在的“Simulink”的“Signal Routing”库中选择“Demux”模块，Demux模块的输出接口设为3。按照如图18所示将各模块连接，SPWM控制信号由Simpowersystems中的“Discrete SPWM Generator”产生，选择三桥六脉冲模式，这样就完成了三相方波逆变电路的主电路和控制电路部分，如图18所示。

图18 三相SPWM逆变电路仿真模型

第二步进行运行仿真。将串联RLC支路模块的设置为测量电压和电流，再利用“Measurements”库中的“Multimeter”模块就可以观察逆变器的输出电压、电流。 4.2.2.2分析仿真结果

调制深度m设为1，基波输出频率仍为50Hz，载波频率为基波频率的30倍，即1500Hz。

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仿真时间设为0.06s。仍将采用上节用到的powergui模块对波形进行FFT分析。选择ode45的仿真算法，在“powergui”的对话框中选择离散仿真模式，采样时间为10-7s，运行后可得仿真结果，交流相电压、相电流、线电压和直流电流波形如图19所示。

图19三相SPWM逆变电路波形图

由输出电压谐波分析观察到输出电压幅值为0.866 Ud，谐波分布主要在开关频率的整数倍附近，相电流的谐波畸变率为3.56%。

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结论

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经过上述一系列单相、三相以及方波逆变电路和SPWM逆变电路的一系列的数学分析与仿真特点，现主要从谐波含量，谐波畸变率和直流电压利用率等方面将各电路的仿真优劣之处总结如下

(1)单相方波逆变电路。单相方波逆变电路输出的电压是交变方波，交流端频率可以通过调节驱动信号的频率来改变，电压的形状和幅值的调节只可以通过改变直流母线的电压或者通过移相进行调节。输出电压包含基波和奇次谐波，谐波的频率与幅值之间成反比。方波逆变电路的谐波畸变率较高，不能满足相当部分负载的要求。直流电压利用率是波逆变电路的一个重要指标，而方波逆变器输出电压的基波峰值是直流电压的1.273倍，它的直流电压利用率在逆变器中是相对较高的，这也是方波逆变器的最大优点。

(2)三相方波逆变电路。从配电负载平衡的要求和用电设备本身的特性两方面来考虑，较大容量的逆变器大都采用三相结构。输出电压中除含有基波外，还含有高阶的奇次谐波，但不含有3的整数倍谐波，谐波阶数越高幅值越小，整体来说输出电压谐波含量高，尤其低次谐波成分含量丰富，输出电压的谐波畸变率较单相方波逆变率低，但仍处于较高水平。输出电压频率可调但幅值不可调，可以通过改变直流电压来调节输出交流电压。直流电压利用率

(3)单相SPWM逆变电路。正弦脉冲宽度调制是目前应用较多的一种逆变控制技术，SPWM逆变电路输出电压的基波幅值随调制深度线性变化，通过控制调制信号即可调节逆变器输出电压的频率和幅值。谐波尤其是低次谐波和直流电压利用率不是一成不变的而是与调制深度密切相关。提高载波比将有效提高输出电压的质量。

(4)三相SPWM逆变电路。三相SPWM逆变电路与单相SPWM逆变电路相类似，波形中没有偶次谐波，载波频率倍的高次谐波不再存在，也不存在3的整数倍次谐波。输出电压的谐波畸变率低，这也是SPWM逆变电路德尔主要优点。

仿真过程中对于MATLAB软件的应用可以总结出如下优点，采用Matlab/Simulink对

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