三相无源电压型SPWM逆变器的构建及其MATLAB仿真
09 电气工程及其自动化 邱迪
摘要：本文简要介绍了三相无源电压型SPWM输出的逆变器的构建和工作方式及其MATLAB仿真。
关键词： 三相逆变器 正弦脉宽调制(SPWM)技术 MATLAB仿真
Abstract: This paper introduces briefly the construction of 3-phase inverter which output SPWM wave and the MATLAB-based simulation.
Key word: Three-phase inverter Sinusoidal Pulse Width Modulation Power electronic technology
1 逆变器
1.1逆变器的概念
逆变器也称逆变电源，是一种可将直流电变换为一定频率下交流电的装置。相对于整流器将交流电转换为固定电压下的直流电而言，逆变器可把直流电变换成频率、电压固定或可调的交流电，称为DC-AC变换。这是与整流相反的变换，因而称为逆变。[1]
1.2逆变器涉及的技术
逆变器的构建应用了电力电子学科中的很多关键技术。电路中电流的可控流通断开的过程中应用了多种可控硅类型的电力电子器件；开关的控制过程应用了基于微处理器的现代控制技术；对于正弦波形的仿制过程应用了正弦波脉宽调制（SPWM）技术等等。
1.3逆变器的分类
现代逆变技术的种类很多，可以按照不同的形式进行分类。其主要的分类方式如下：
1) 按逆变器输出的相数，可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变。
2) 按逆变器输出能量的去向，可分为有源逆变和无源逆变。
3) 按逆变主电路的形式，可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变。
4) 按逆变主开关器件的类型，可分为晶闸管逆变、晶体管逆变、场效应管逆变等等。 5) 按输出稳定的参量，可分为电压型逆变和电流型逆变。
6) 按输出电压或电流的波形，可分为正弦波输出逆变和非正弦波输出逆变。 7) 按控制方式，可分为调频式(PFM)逆变和调脉宽式(PWM)逆变。[2]
2 三相逆变电路
三相逆变电路，是将直流电转换为频率相同、振幅相等、相位依次互差为120°交流电的一种逆变网络。
图 1 三相逆变电路
日常生活中使用的电源大都为单相交流电，而在工业生产中，由于诸多电力能量特殊要求的电气设备均需要使用三相交流电，例如三相电动机。随着科技的日新月异，很多设备业已小型化，许多原来工厂中使用的大型三相电气设备都被改进为体积小、耗能低且便于携带的小型设备。尽管这些设备外形发生了很大的变化，其使用的电源类型——三相交流电却始终无法被取代。在一些条件苛刻的环境下，电力的储能形式可能只有直流电，如若在这样的环境下使用三相交流电设备，就要求将直流电转变为特定要求的三相交流电以供使用。这就催生了三相逆变器的产生。
2.1电压型三相逆变电路
电压型逆变电路是指直流侧采用电压源的逆变电路，直流侧的电源能够提供幅值稳定不变的直流电。[2]
图 1是一个电压型逆变电路原理图。Ud为直流侧电压源，两侧各加一个电容用来稳定电压。
TA?、TB?、TC?分别为ABC三相的控制开关。通过对三个开关的控制，便可以实现直流——交流
（DC—AC）的转换。
现设一个周期时间为t，将一个周期时间以t0、t1、t2、t3、t4、t5、六个时刻均分为六段。
t0对应零时刻，O点为等效接地点。
图 2 图1所示三相逆变电路进行特定开关控制后的波形图
如图 1所示电路中按以下方式进行控制：
Ud。 2Ut1时刻：开关TC?关闭，TC?打开。C处电压变为?d。
2Ut2时刻：开关TB?闭合，TB?断开。B处电压变为?d。
2Ut3时刻：开关TA?关闭，TA?打开。A处电压变为?d。
2Ut4时刻：开关TC?闭合，TC?断开。C处电压变为?d。
2Ut5时刻：开关TB?关闭，TB?打开。B处电压变为?d。
2t0时刻：开关TA?闭合，TA?断开。A处电压变为?下一周期的t0时刻：开关TA?闭合，TA?断开。A处电压变为?Ud。随后每个周期各个开关2都一次按上述规律闭合断开，即可得到相位互差120°的三相交流电。但其波形还是分段周期内的等电压幅值电。其波形如图 2所示。
图 3 A相开关同时闭合时的电路图
由于开关的控制并不是理想的那么精密，在同一相的两个正负开关在各自闭合断开的瞬间有可能同时断开或同时闭合。若同时闭合，如错误！未找到引用源。所示，直流侧电压源短路发生危险。
因此，为保证两开关在断开闭合时不会发生重叠，在同时开关闭合瞬间改为一段死区时间，即两开关首先同时关闭一段时间td，而后其中一个开关再进行下一步闭合动作。td时间内，正负开关均断开，而后再打开其中一个，保证了交替过程中不会有同时打开的可能。td的具体时间长短则要根据实际中使用的器件性能参数予以确定。加入死区后的三相电路波形如图 4 加入死区后的波形图所示。
图 4 加入死区后的波形图
2.1接入负载的三相逆变电路
如图 5所示接入负载的三相逆变电路。
图 5 接入星形三相负载的三相逆变电路