三相逆变器设计与仿真

* * * 学 院本科毕业设计（论文）作者姓名 指导教师学科门类 所学专业 题 目代分类号学号 密级 提交论文日期成绩评定 Voltage-source SPWM Inverter电压型三相逆变器就是供给逆变器的交流电源是三相电电源， SPWM正弦脉宽调制法这项技术的特点是原理简单，通用性强，具有开关频率固定，控制和调节性能好，使输出电压只含有固定频率的高次谐波分量，并能够消除谐波，且设计简单等一系列的优点，SPWM 正弦脉宽调制法是一种比较好的波形改善的方法。

SPWM正弦脉宽调制法的出现为中型和小型逆变器的快速发展起到了一个重要的推动作用。

伴随着电力电子技术的高速发展，电压型三相SPWM逆变器已被广泛应用在各个领域之中，并且SPWM技术已经成为目前应用最为广泛的逆变用PWM技术。

通过电压型三相SPWM逆变器建模和仿真研究这项课题，能够加强自己对电压型三相SPWM逆变器控制原理和建模进行深入理解，并提高自己在三相电压逆变方面的计算机仿真能力，为今后自己从事交流电机控制与电源逆变相关工作打下良好的基础。

关键词：电压型；频率；SPWM；逆变器The AC power supply voltage three-phase inverter is supplied to the inverter is three-phase electric power supply, the technology of SPWM sine pulse width modulation method is simple in principle, strong versatility, with fixed switching frequency, control and regulation performance, so that the output voltage harmonic component contains only the fixed frequency, and can eliminate the harmonic, and has the advantages of simple design a series of, SPWM sine pulse width modulation method is a good waveform improvement. SPWM sine pulse width modulation method for the rapid development of medium and small inverter plays an important role in promoting. Along with the rapid development of power electronic technology, three-phase voltage-source SPWM inverter has been widely used in various fields, and the SPWM technology has become the most widely used PWM technology of inverter.Through research on Modeling and Simulation of three-phase voltage-source SPWM inverter this subject, it can make me have a strength to voltage three-phase SPWM inverter control principle and modeling a more depth understanding, and it can improve myself in the three-phase voltage inverter aspects of computer simulation ability, which can make me have a good foundation of engaged in AC motor control and power inverter related work.Key words: Voltage type; frequency SPWM; Inverter目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (III)1 引言 (1)2 电压型三相SPWM逆变器的工作原理及控制方法 (1)2.1 三相电压型逆变器电路 (1)2.2 SPWM控制的基本原理 (4)2.3电压型三相SPWM逆变器的实现及控制 (6)3 电压型三相SPWM逆变器的建模与仿真 (8)3.1 Simulink软件的介绍 (8)3.2 电压型三相SPWM逆变器的建模和仿真 (9)4 总结 (16)参考文献 (17)谢辞 (18)1 引言近年来，随着大功率全控型电力电子器件的研究与开发成功和应用技术的不断成熟，电能变换技术得到了突破性的进展，在一些领域中，已经开始使用各种新型逆变器电源，其中，也包括电动机。

三相SPWM逆变器仿真一、原理分析1、基本原理按照输出交流电压半周期内的脉冲数，脉宽调制（PWM）可分为单脉冲调制和多脉冲调制；按照输出电压脉冲宽度变化规律，PWM可分为等脉宽调制和正弦脉宽调制（SPWM）。

等脉宽调制产生的电压波形中谐波含量仍然很高，为了使输出电压波形中基波含量增大，应选用正弦波作为调制信号u R。

这是因为等腰三角形的载波u T上、下宽度线性变化，任何一条光滑曲线与三角波相交时，都会得到一组脉冲宽度正比于该函数值的矩形脉冲。

而且在三角载波u T不变条件下，改变正弦调制波u R的周期就可以改变输出脉冲宽度变化的周期；改变正弦调制波u R的幅值，就可改变输出脉冲的宽度，进而改变u D中基波u D1的大小。

这就是正弦脉宽调制（sine pulse width modulated,SPWM）。

2、正弦脉宽调制方法（此处仅介绍了采样法）SPWM是以获得正弦电压输出为目标的一种脉宽调制方式。

这里就以应用最普遍的三相电压源型逆变电路来讨论SPWM具体实现方法。

下图就是三相电压源型PWM逆变器主电路结构图：图—1上图为一三相电压源型PWM逆变器，VT1~VT6为高频自关断器件，VD1~VD6为与之反并联的快速恢复二极管，为负载感性无功电流提供通路。

两个直流滤波电容C串联接地，中点O’可以认为与三相Y接负载中点O等电位。

逆变器输出A、B、C三相PWM电压波形取决于开关器件VT1~VT6上的驱动信号波行，即PWM的调制方式。

假设逆变电路采用双极性SPWM控制，三相公用一个三角形载波u T,三相正弦调制信号u RA、u RB、u RC互差120o,可用A相来说明功率开关器件的控制规律，正如下图中所示。

当u RA>u T时，在两电压的交点处，给A相上桥臂元件VT1导通信号、下桥臂元件VT4关断信号，则A相与电源中点O’间的电压u AO’=E/2。

当u RA<u T时，在两电压的交点处给VT4导通信号、VT1关断信号，则u AO’=-E/2。

运动控制系统课程设计课题：三相桥式PWM逆变器仿真研究系别：专业：姓名：学号：成绩：河南城建学院目录一、设计目的 (2)二、设计任务及要求 (2)三、方案设计 (2)1、三相桥式PWM逆变电路的工作原理 (2)2、状态空间模型 (3)3、系统的可控性和可观测性 (6)3.1 可控性判断 (6)3.2 可观测性判断 (6)4、整体方案设计 (7)5、仿真建模 (7)5.2三相桥式PWM逆变电路仿真建模 (9)5.3三相逆变电源总体电路仿真建模 (11)6、仿真结果 (11)6.1直流升压斩波电路仿真结果 (11)6.2三相桥式PWM逆变电路仿真实现结果 (12)6.3闭环反馈电路仿真实现结果 (13)6.4三相逆变电源总体仿真实现结果 (13)四、心得体会 (15)五、参考文献 (16)一、设计目的随着电力电子技术，计算机技术，自动控制技术的迅速发展，PWM技术得到了迅速发展，PWM正弦脉宽调制法这项技术的特点是原理简单，通用性强，具有开关频率固定，控制和调节性能好，能消除谐波使输出电压只含有固定频率的高次谐波分量，设计简单等一系列有点，是一种比较好的波形改善法。

它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。

PWM技术成为目前应用最为广泛的逆变用PWM技术。

因此，研究PWM逆变器的基本工作原理和作用特性意义十分重大。

二、设计任务及要求自拟负载，可选用电机或阻感负载等，画出系统主电路和控制电路的结构图，并进行仿真或实验验证系统的合理性。

三、方案设计1、三相桥式PWM逆变电路的工作原理Nuuu图1 三相桥式PWM型逆变电路图1是三相桥式逆变电路，这种电路采用双极性控制方式。

U 、V 和W 三相的PWM 控制通常公用一个三角波载波c u ，三相的调制信号rU u 、rV u 和rW u 依次相差120°。

U 、V 和W 各相功率开关器件的控制规律相同，现以U 为例来说明。

当c rU u u >时，上桥臂V1导通，下桥臂V4关断，则U 相相对于直流电源假想中点'N 的输出电压2/'N d U U u = 。

电力电子建模仿真报告
一、仿真要求
设计一个三相SPWM逆变器，使得输出相电压100Hz，有效值220V，负载RL类型（R=50Ω，L=10mH）直流母线电压540V，观察输出电流波形，对电流电压进行谐波分析。

二、仿真模型
图1 SPWM三相逆变电路仿真模型
三、仿真分析
设置参数，即将调制波频率设为100Hz，载波频率设为基波的30倍（载波比N=30），即3000Hz，m=0.9，负载RL类型（R=50Ω，L=10mH），直流母线电压540V，在powergui 中设置为离散仿真模式，采样时间设为1e-006s，运行仿真模型。

双击powergui，选择FFT 分析。

图2 SPWM三相逆变电路输出A相电流a I的波形
图3 SPWM三相逆变电路输出A相电流a I的FFT分析
U的波形图4 SPWM三相逆变电路输出A相电流a
U的FFT分析
图5 SPWM三相逆变电路输出A相电流a
由上面分析可知，电流谐波分布中最高的为28次谐波，最高频率为3000Hz时的THD=12.63%，输出电流近似为正弦波。

电压谐波分布中最高的为28次谐波，最高频率为3000Hz时的THD=79.22%。

四、仿真总结
通过适当的参数设置（如载波比N、调制度m等），运用SPWM控制技术，可以有效减小输出电压和输出电流的谐波分量，改善输出波形，可以很好的实现逆变电路的运行要求。

课程设计任务书学生姓名：徐志平专业班级：电气0902 指导教师：胡红明工作单位：武汉理工大学题目: SPWM三相逆变器仿真初始条件：根据三相SPWM逆变器系统原理图设计对应的simulink仿真模型。

要求完成的主要任务:（1）用simulink设计系统仿真模型；能够正常运行得到仿真结果（2）比较理论分析结果与仿真结果异同，总结规律。

时间安排：2012年6月18日至2012年6月27日，历时一周半，具体进度安排见下表指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日摘要由于电力电子学和微电子技术的发展，使变频调速技术近年来获得了飞速的发展，各种变频调速控制方式、PWM脉宽调制技术以及MCU微处理器和以大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等均在变频调速中获得了成功应用。

在电力电子技术中，PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。

即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。

SPWM正弦脉宽调制法这项技术的特点是原理简单，通用性强，具有开关频率固定，控制和调节性能好，能消除谐波使输出电压只含有固定频率的高次谐波分量，设计简单等一系列优点，是一种比较好的波形改善法。

它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。

SPWM技术成为目前应用最为广泛的逆变用PWM 技术。

而这次课程设计的主要目的就是对SPWM三相逆变器的仿真，通过运用了Matlab/Simulink和Power System Block(PSB)电力系统模块集工具箱仿真环境，对电路进行建模、计算和仿真分析。

关键词：SPWM 三相逆变器仿真波形目录1．SPWM控制原理分析 (1)1.1 SPWM的基本原理 (1)1.2 SPWM逆变电路及其控制方法 (2)2.门极驱动IGBT简介及分析 (3)2.1 IGBT简介 (3)2.2 IGBT的动态特性分析 (4)2.3 IGBT的特性和参数特点 (5)3. 三相PWM逆变器的工作原理和结构电路 (5)3.1 三相桥式PWM逆变电路 (5)3.2 逆变器的工作原理 (6)3.3逆变电路的波形和电压分析 (6)4. 三相SPWM逆变器的仿真 (8)4.1 三相SPWM逆变电路主电路 (8)4.2 主电路模块 (9)5. 仿真图形及其分析 (10)5.1 当频率f改变，负载有功功率不变的时候。

三相电压型桥式逆变电路设计及仿真摘要：在电力电子这门技术短短几十年的发展历程中,这门技术应用于工业、电力、铁路、通信、城轨、电网、航天航空等多个领域。

逆变器作为电力电子重要转换装置，即将直流电转变成交流电，往往在其中利用不同的开断控制器件可以在不同场合下满足各种用户的需求。

关键词：三相；电压型桥式；逆变器；电路设计；引言逆变技术是一种应用功率半导体器件将直流电变换为交流电的变流技术。

随着电力半导体器件的发展，逆变技术广泛应用于航空、电动汽车、新能源和并网逆变等方面。

由电力电子功率半导体器件组成的逆变电路是逆变器中的核心部分，由于功率器件处于不停的开关状态，导致逆变电路成为系统的薄弱装置，是主要的失效组件。

在整个逆变系统中，任何一个器件的故障或者损坏都会导致整个电路甚至系统的瘫痪，造成严重的安全事故或经济损失，因此提高功率器件的可靠性是提高整个逆变系统可靠性的重要环节。

1三相逆变器结构本文所研究的三相逆变器采用三相三线制结构，如图1所示，其中Lf和Cf分别为LC滤波器的滤波电感和滤波电容。

三相三线制结构无法直接为单相负荷供电，可采用附加△/Y变压器等方法引出中线。

当负荷为不平衡或非线性负荷时，对图1所示结构来说，电压控制目标是保证三相输出线电压对称。

图1三相逆变器结构2电路设计论文中所探讨的三相电压型桥式逆变器电路，选用一个额定输出功率为3KVA的三相逆变器为主要实验对象。

该实验对象的主要参数如下：（1）直流输入电压：DC800V（2）输出线电压：AC220V±2%（3）输出相电压：AC160V±2%（4）额定输出频率：50HZ（5）额定功率因素：COSφ=0.8（6）额定输出功率：3KVA（7）总谐波畸变率＜5%（8）该实验对象的额定输出功率为3KVA，因为三相电压型桥式逆变器的电路结构为三相对称型，所以可知其每一相的输出功率都为额定功率的1/3。

再根据额定电流的计算公式，可以得到其额定输出电流为：又知道其功率因素，则可得到每相的无功电流Iq和有功电流Ip分别为：在电路运行的时候，要综合考虑多种情况。

《电气工程综合训练III》报告设计题目：三相并网逆变器分析、设计与仿真专业班级：学生姓名：学生学号：指导老师：许完成日期：2016年1月13日江苏大学·电气信息工程学院1.训练题目：三相并网逆变器分析、设计与仿真2.训练目标：通过本课程的综合训练，掌握电力电子变换器及其控制系统的数学建模、性能分析、参数设计和基于PSIM软件的仿真验证，为后续毕业设计及未来工作与科研奠定一定的电气工程综合实践基础。

3.训练内容：三相并网逆变器的并网原理与数学模型，基于PI控制器的矢量控制策略及参数设计，三相SVPWM调制技术，三相软件PLL技术及参数设计，三相并网逆变器系统的PSIM仿真分析。

N4.训练要求：独立完成训练内容，正确分析工作原理，合理设计相关参数，正确搭建仿真模型，有效获得仿真结论，作业封面全班统一，文字图表布局整齐，采用A4纸张打印并装订。

一、新能源发电与并网技术新能源是指传统能源之外的各种形式能源，包括太阳能、风能、水能、地热能、生物质能和海洋能。

新能源发电是指某些中小型发电装置靠近用户侧安装，它既可以独立于公共电网直接为少量用户提供电能，也能直接接入配网，与公共电网一起为用户提供电能。

新能源发电主要包括：光伏发电系统、风力发电系统、燃料电池、水能发电系统、海洋能发电系统、地热能发电系统、生物质发电装置以及储能装置等。

根据用户及使用目的的不同，新能源发电可用于备用电站、电力调峰、冷热电联供以及边远地区的独立供电等多种用途。

中小容量燃气轮机发电、风力发电机组以及以直流电形式存在的太阳能光伏电池、燃料电池等分布式电源发出的电能无法直接供给交流负荷，须经一定的接口并网。

分布式发电并网接口方式分电力电子逆变器接口和常规旋转电机接口类，前者在体积、重量、变换效率、可靠性、电性能等方面均优于后者，目前主要装置是并网逆变器。

逆变器的拓扑结构是关键，关系到逆变器的效率和成本。

一方面新能源大规模并网要求电网不断提高适应性和安全稳定控制能力，主要体现在：电网调度需要统筹全网各类发电资源，使全网的功率供给与需求达到实时动态平衡，并满足安全运行标准；电网规划需要进行网架优化工作，通过确定合理的大规模新能源基地的网架结构和送端电源结构，实现新能源与常规能源的合理布局和优化配置；输电环节需要采用高压交／直流送出技术，提升电网的输送能力，降低输送功率损耗。

三相SSPWM 逆变电路的建模及应用仿真一、电路原理1、三相逆变电路原理图1 采用IGBT 作为开关器件的三相桥式电压型逆变电路。

图1 三相PWM 逆变电路当c rU U U >时，给V1导通信号，给V4关断信号，2/`'d UN U U =； 当c rU U U <时，给V4导通信号，给V1关断信号，2/`'d UN U U -=。

当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1 ( VD4 )导通。

`'UN U 、`'VN U 和`'WN U 的PWM 波形只有2/d U+两种电平。

UV U 波形可由`'UN U 、`'VN U 得出，当1和6通时，UV U =Ud ，当3和4通时，UV U =Ud -，当1和3或4和6通时，UV U =0。

VW U 、WU U 的波形可同理得出。

2、正弦脉冲宽度调制SPWM 原理PWM （Pulse Width Modulation ）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对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 控制技术的重要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。

下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。

把正弦半波分成N 等分，就可以把正弦半波看成由N 个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。

如果把这些脉冲序列用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就可得到图2所示的脉冲序列，这就是PWM 波形。

像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM 波形，也称为SPWM 波。

如图2所示。

tV t v m ωsin )(1=0tω4θ5θππ21θ2θ3θ7θ8θ9θππ210πtωdV dV -)(t v ab (b))(t v 103π1245109876105π107π109π1θ=2θ=0(a)(b)SPWM 等效电压(a)正弦电压312345图2 SPWM 调制原理SPWM 调制方式根据载波三角波的不同，可以分为单极性和双极性两种，分别称为SSPWM 和BSPWM 。

院（系）：电气工程学院摘要根据三相桥式SPWM逆变电路的工作原理以及特点，采用Simulink中的相关模块建立仿真模型，仿真分析其典型电流、电压波形和工作过程，得到了三相桥式SPWM控制波、负载线电压、负载相电压、负载相电流、负载中性点电压、电源电流波形，解决了三相桥式SPWM逆变电路教学中的难点问题。

利用该模型辅助三相桥式SPWM逆变电路教学，直观生动，交互性强，动态显示传真波形。

论述了单项正弦波逆变器的工作原理，介绍了SG3524的功能及产生SPWM波的方法，对逆变器的控制及保护电路做了详细介绍，给出了输出电压波形的实验结果。

关键词：三相桥式SPWM逆变；Simulink；仿真；波形；目录第1章绪论 (1)第2章课程设计的方案 (2)2.1三相桥式SPWM逆变电路的设计内容及要求........ 错误!未定义书签。

2.2SPWM逆变器的工作原理 ........................ 错误!未定义书签。

第3章 SPWM逆变器的工作原理. (4)3.1工作原理 (4)3.2 控制方式 (5)3.2.1单极性正弦脉宽调制 (5)3.2.2双极性正弦脉宽调制 (6)3.3 正弦脉宽调制的调制算法 (7)3.3.1 自然采样法 (7)3.3.2规则采样法 (7)3.3.3 双极性正弦波等面积法 (7)第四章MATLAB仿真设计 (8)4.1 主电路 (8)4.2 控制电路设计 (9)4.3仿真结果与分析 (10)第五章课程设计总结 (15)参考文献 (16)第1章绪论电力电子技术是跨越电力技术、电子技术和控制技术理论三个领域的一门新兴交叉学科，它主要研究应用了电路领域的各种电力半导体器件及其装置，以实现对电能的变换和控制。

它可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。

电力电子技术广泛应用于一般工业、交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等。

该课程已成为电气工程与自动化、自动化、电力系统自动化等电类专业的重要专业基础课。