三相電壓型橋式逆變電路設計及仿真

胡琬茹 李尉弘 陳書瓊 袁友汶 臧天祥 劉全東

（中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都 610213）

1 概述

在電力電子這門技術短短幾十年的發展歷程中,這門技術應用于工業、電力、鐵路、通信、城軌、電網、航天航空等多個領域。逆變器作為電力電子重要轉換裝置，即將直流電轉變成交流電，往往在其中利用不同的開斷控制器件可以在不同場合下滿足各種用戶的需求。

SPWM 控 制 技 術, 即 Sinusoidal Pulse Width Modulation，同時也叫做正弦脈寬調制技術,人們往往在對逆變電路的控制中采用SPWM 技術。早在1960 年左右，PWM 控制技術就運用在交流傳動中, 并且成為變頻控制技術中的核心技術。

本文選用IGBT 作為開關器件，搭建三相橋式逆變電路，并用SPWM 調制技術來控制電路中開關器件的開斷，加入閉環反饋系統，保證輸出電壓和電流的電壓利用率，最后通過Matlab/Simulink 軟平臺仿真，驗證設計的可行性。

2 電路設計

論文中所探討的三相電壓型橋式逆變器電路，選用一個額定輸出功率為3KVA 的三相逆變器為主要實驗對象。該實驗對象的主要參數如下：

（1）直流輸入電壓：DC800V；

（2）輸出線電壓：AC220V±2%；

（3）輸出相電壓：AC160V±2%；

（4）額定輸出頻率：5 0HZ；

（5）額定功率因素：COSφ=0.8；

（6）額定輸出功率：3KVA；

（7）總諧波畸變率＜5% 。

該實驗對象的額定輸出功率為3KVA，因為三相電壓型橋式逆變器的電路結構為三相對稱型，所以可知其每一相的輸出功率都為額定功率的1/3。再根據額定電流的計算公式，可以得到其額定輸出電流為：

又知道其功率因素，則可得到每相的無功電流Iq和有功電流Ip分別為：

在電路運行的時候，要綜合考慮多種情況。例如，負載的性質發生突變時，由于濾波電路中有一個電感，由電感的性質決定，我們要用電容去補償電感的無功功率，當帶阻感性負載，且功率因素COSφ=0.8時，變壓器副邊濾波電感電流有效值為：

則可得出變壓器原邊電流有效值為19.6A，最大值為27.7A。

當為純阻性負載時，變壓器副邊電感電流為：

則變壓器原邊電流最大值為22.65A，根據以上算出的數據，為符合其電壓和電流的條件，選擇一個參數為40A/1700V 的IGBT 放在逆變主電路中。

即可根據式（1）和式（2）得出確定的電感值和電容值。

同時為了提高系統的性能，需要在橋式逆變電路的輸出側加入反饋，這里考慮兩種反饋方式，一種方法是在逆變橋輸出側線路上采集電壓，然后再與期望值做一次比較，并且將他們之間的相差數據反饋回逆變橋的輸入端，構成一個單閉環系統，這種方式相較于沒有反饋參數的開環系統，它的優勢便在于能通過調節某個參數，自動消去系統中的誤差，正因如此，它具有較好的抗干擾能力，并且對元器件在切換時的動作靈敏度較低，可以幫助系統改善其響應特性，并且這種方法易于實現[3-4]，不過因為單閉環系統的局限性，只能對一個參數進行調節，但實際運用中，整個電路往往涉及到多個參數，單個調節器便不能夠滿足對電路動態性能的調節，故而不太能在實際中得到廣泛運用。另一種方式是在第一種單閉環方式的基礎上，加入電流采集環節，將電流采集點放在電路的輸出端，把采集到的電流數據與標準電流數據做比對，構成一個電流內環，除此之外，為滿足系統的動態性能，要加入電壓參數的數據采集，將電壓數據的采集點放到LC 濾波電路的輸出側，把二個電壓值也做一個比對，構成一個電壓外環，形成一個完整的雙閉環系統，如圖1 所示。

圖1 雙閉環系統框圖

同時，這二種方法都采用雙極性的SPWM 控制方式，控制開關器件的通斷，輸出有效的電壓波形。

在開環系統和單閉環系統中存在的問題，都哭在雙閉環系統中得到很好的解決，在矯正誤差的同時，抵抗一定的干擾，改善因為使用單個調節器導致的調節參數不夠多，整個系統動態性能相對較差的缺點。

在進行電流內環設計時，將三相坐標系轉化為二相旋轉dq 系統時，二軸的變量會產生耦合，要想消除這種耦合，可以利用前饋解耦的控制策略[5-6]，其原理是用PI調節器去代替電流調節器，這時VLd和VLq的控制方程就可以寫為：

式中，Kip，Kis分別為電流內環的比例調節增益，以及電流內環的積分調節增益，i*Ld，i*Lq為iLd，iLq電流指令值。

根據電容電壓的性質，在極短的周期中，其值可以看做是固定的，由于這個原因，在設計中忽略電容的參數，合并常數項，得到化簡后的電流內環框圖，如圖2 所示。

圖2 電流內環控制框圖

在進行電壓外環的設計時，我們不再像設計電流內環一樣，再采用解耦控制，而是采取不解耦控制。因為電壓外環如果再進行解耦控制，就會增加系統的參數，而參數并不是越多越好，過多的參數反而不利益對系統進行控制和調節，而且，如果系統中的采樣頻率足夠大，電壓外環便不需要像電流內環一樣進行解耦控制，故整理化簡后的電壓外環環框圖，如圖3 所示。

圖3 電壓外環控制結構框圖

3 MATLAB 仿真測試

3.1 三相橋式逆變電路總體電路仿真模型

根據主電路和控制電路的設計的分析，利用Matlab/Simulink 仿真平臺搭建仿真模型，如圖4 所示，進行可行性和有效性分析。

圖4 三相電壓型橋式逆變電路仿真模型

3.2 三相橋式逆變電路仿真結果

從理論上可知，輸入的原始直流電壓必定為一個固定值，在仿真模型中表現為一條固定的直線，從仿真實驗中可以看到，輸入的原始電流含有大量諧波，如圖5 所示。

圖5 輸入電流的波形圖

在經過橋式逆變電路后，原始直流電壓雖然已由一條固定的直線轉換為方波，但是整個波形中都帶有大量的諧波，如圖6 所示，此時電壓經過LC 濾波電路，可以使電壓的波形形態從方波轉變為正弦波形式，因為三相結構對稱，相位角各相差120°，故以A 相為例，得到輸出的電壓和電流波形如圖7 所示。

圖6 經過橋式逆變后的電壓波形

圖7 輸出電壓電流波形圖

截取A 相的圖形，并進行FFT 分析，從圖8 中可以看出，電壓和電流波形已經基本滿足要求，并且可以看出電壓的諧波含量和電流的諧波含量均能滿足實驗對象所要求的諧波含量值。

圖8 輸出電壓、電流波形諧波含量圖

4 結論

本文研究的三相電壓型橋式逆變電路，在常規橋式逆變電路結構后加入了電感電容結構的濾波電路進行濾波，并采用現在主流的電子器件控制方式-SPWM 雙極性控制方式控制電子器件的通斷，為了增強電路的整體穩定性，加入電壓外環電流內環的雙閉環反饋設計，最后經過電路輸出的電壓可以滿足從單相直流電轉換為三相交流電的需求，同時，輸出的三相電壓的波形均呈正弦形態，頻率、幅值、相位角均滿足要求，可以應用于實際生活中。