三相电压型桥式逆变电路设计及仿真

胡琬茹 李尉弘 陈书琼 袁友汶 臧天祥 刘全东

（中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610213）

1 概述

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。

SPWM 控 制 技 术, 即 Sinusoidal Pulse Width Modulation，同时也叫做正弦脉宽调制技术,人们往往在对逆变电路的控制中采用SPWM 技术。早在1960 年左右，PWM 控制技术就运用在交流传动中, 并且成为变频控制技术中的核心技术。

本文选用IGBT 作为开关器件，搭建三相桥式逆变电路，并用SPWM 调制技术来控制电路中开关器件的开断，加入闭环反馈系统，保证输出电压和电流的电压利用率，最后通过Matlab/Simulink 软平台仿真，验证设计的可行性。

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：5 0HZ；

（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% 。

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。例如，负载的性质发生突变时，由于滤波电路中有一个电感，由电感的性质决定，我们要用电容去补偿电感的无功功率，当带阻感性负载，且功率因素COSφ=0.8时，变压器副边滤波电感电流有效值为：

则可得出变压器原边电流有效值为19.6A，最大值为27.7A。

当为纯阻性负载时，变压器副边电感电流为：

则变压器原边电流最大值为22.65A，根据以上算出的数据，为符合其电压和电流的条件，选择一个参数为40A/1700V 的IGBT 放在逆变主电路中。

即可根据式（1）和式（2）得出确定的电感值和电容值。

同时为了提高系统的性能，需要在桥式逆变电路的输出侧加入反馈，这里考虑两种反馈方式，一种方法是在逆变桥输出侧线路上采集电压，然后再与期望值做一次比较，并且将他们之间的相差数据反馈回逆变桥的输入端，构成一个单闭环系统，这种方式相较于没有反馈参数的开环系统，它的优势便在于能通过调节某个参数，自动消去系统中的误差，正因如此，它具有较好的抗干扰能力，并且对元器件在切换时的动作灵敏度较低，可以帮助系统改善其响应特性，并且这种方法易于实现[3-4]，不过因为单闭环系统的局限性，只能对一个参数进行调节，但实际运用中，整个电路往往涉及到多个参数，单个调节器便不能够满足对电路动态性能的调节，故而不太能在实际中得到广泛运用。另一种方式是在第一种单闭环方式的基础上，加入电流采集环节，将电流采集点放在电路的输出端，把采集到的电流数据与标准电流数据做比对，构成一个电流内环，除此之外，为满足系统的动态性能，要加入电压参数的数据采集，将电压数据的采集点放到LC 滤波电路的输出侧，把二个电压值也做一个比对，构成一个电压外环，形成一个完整的双闭环系统，如图1 所示。

图1 双闭环系统框图

同时，这二种方法都采用双极性的SPWM 控制方式，控制开关器件的通断，输出有效的电压波形。

在开环系统和单闭环系统中存在的问题，都哭在双闭环系统中得到很好的解决，在矫正误差的同时，抵抗一定的干扰，改善因为使用单个调节器导致的调节参数不够多，整个系统动态性能相对较差的缺点。

在进行电流内环设计时，将三相坐标系转化为二相旋转dq 系统时，二轴的变量会产生耦合，要想消除这种耦合，可以利用前馈解耦的控制策略[5-6]，其原理是用PI调节器去代替电流调节器，这时VLd和VLq的控制方程就可以写为：

式中，Kip，Kis分别为电流内环的比例调节增益，以及电流内环的积分调节增益，i*Ld，i*Lq为iLd，iLq电流指令值。

根据电容电压的性质，在极短的周期中，其值可以看做是固定的，由于这个原因，在设计中忽略电容的参数，合并常数项，得到化简后的电流内环框图，如图2 所示。

图2 电流内环控制框图

在进行电压外环的设计时，我们不再像设计电流内环一样，再采用解耦控制，而是采取不解耦控制。因为电压外环如果再进行解耦控制，就会增加系统的参数，而参数并不是越多越好，过多的参数反而不利益对系统进行控制和调节，而且，如果系统中的采样频率足够大，电压外环便不需要像电流内环一样进行解耦控制，故整理化简后的电压外环环框图，如图3 所示。

图3 电压外环控制结构框图

3 MATLAB 仿真测试

3.1 三相桥式逆变电路总体电路仿真模型

根据主电路和控制电路的设计的分析，利用Matlab/Simulink 仿真平台搭建仿真模型，如图4 所示，进行可行性和有效性分析。

图4 三相电压型桥式逆变电路仿真模型

3.2 三相桥式逆变电路仿真结果

从理论上可知，输入的原始直流电压必定为一个固定值，在仿真模型中表现为一条固定的直线，从仿真实验中可以看到，输入的原始电流含有大量谐波，如图5 所示。

图5 输入电流的波形图

在经过桥式逆变电路后，原始直流电压虽然已由一条固定的直线转换为方波，但是整个波形中都带有大量的谐波，如图6 所示，此时电压经过LC 滤波电路，可以使电压的波形形态从方波转变为正弦波形式，因为三相结构对称，相位角各相差120°，故以A 相为例，得到输出的电压和电流波形如图7 所示。

图6 经过桥式逆变后的电压波形

图7 输出电压电流波形图

截取A 相的图形，并进行FFT 分析，从图8 中可以看出，电压和电流波形已经基本满足要求，并且可以看出电压的谐波含量和电流的谐波含量均能满足实验对象所要求的谐波含量值。

图8 输出电压、电流波形谐波含量图

4 结论

本文研究的三相电压型桥式逆变电路，在常规桥式逆变电路结构后加入了电感电容结构的滤波电路进行滤波，并采用现在主流的电子器件控制方式-SPWM 双极性控制方式控制电子器件的通断，为了增强电路的整体稳定性，加入电压外环电流内环的双闭环反馈设计，最后经过电路输出的电压可以满足从单相直流电转换为三相交流电的需求，同时，输出的三相电压的波形均呈正弦形态，频率、幅值、相位角均满足要求，可以应用于实际生活中。