1.2变流技术
电力电子电路以电力电子器件为核心，通过不同的电路拓扑结构和控制方式来实现对电能的变换和控制。电力变换通常可分为四大类，即交流变直流（AC-DC）、直流变交流（DC-AC）、直流变直流（DC-DC）和交流变交流（AC-AC），变流电路的基本转换形式如图1-1所示。
整流（AC-DC） ～ — 交交变频（AC-AC）
～ 逆变斩波（DC-DC） —
（DC-AC）
图1-1 变流电路的基本转换形式
在实际生活中的交流调速系统里，应用最广泛的是交-直-交变频器，它是由AC-DC、DC-AC两类基本的变流电路组合而成，先将交流电整流为直流电，再将直流电逆变为交流电，因此这类电路又称为间接交流变流电路展最快的变频器是脉宽调制（PWM）型变频器。
[4]。目前最常用的、发
1.3变频调速的控制方式
变频调速的控制方式经历了V/F控制、转差频率控制、矢量控制的发展, 前者属于开环控制, 后两者属于闭环控制, 正在发展的是直接转矩控制. 1.V/F控制
异步电动机的转速与定子电源频率、极对数有关, 改变频率就可平滑地调节同步转速. 但频率上升或下降可能会引起磁路饱和转矩不足现象，所以在改变频率的同时， 需调节定子电压，使气隙磁通维持不变、电机效率不下降, 这就是V/F控制. V/F控制简单, 通用性优良, 但因是开环控制, 调速精度低、范围小，只能用在调速精度和动态响应要求不高的场合。 2.转差频率控制
由电机基础知识知, 异步电动机转矩M与气隙磁通?、转差频率f2的关系为：
M??2f2只要保持气隙磁通?一定，控制转差频率f2就能控制电机转矩，这就是转
差频率控制。转差频率控制利用速度检测器检出电机的转速，然后以电机速度与转差频率的和给定逆变器的输出频率，其控制精度和过电流的抑制等特性较V/ F
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控制都有所提高，但没有考虑电机电磁惯性的影响，动态转矩仍没得到控制, 动态响应效果仍不理想。 3.矢量控制
矢量控制是在交流电动机上模拟直流电机控制转矩的规律，将定子电流分解成相应于直流电机的电枢电流的量和励磁电流的量，并分别进行任意控制。矢量控制能够对转矩进行控制，获得和直流电机一样的优良性能，它适用于要求快速响应或对起动、制动有严格要求的场合。 4.直接转矩控制
直接转矩控制(DTC)的变频调速是目前正在发展的调速方式，它无需像矢量控制那样进行复杂的矢量变换运算，直接由定子空间矢量分析三相电动机的数学模型，并决定其控制量. DTC能够用开环方式对转速和转矩进行控制，简化了控制结构，但不可避免地产生转矩脉动，影响低速性能，调速范围受到限制
[5]。
1.4MATLAB/Simulink仿真介绍
MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
Simulink是MATLAB软件的扩展，是用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，是面向系统结构图的方便的仿真工具。
Simulink与MATLAB语言的主要区别在于其与用户交互的接口基于Windows的模型化图形输入，其结果是使用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建而非语言的编程上，它有两个显著的功能：Simu和Link，对所需系统的模型图能够进行方便的建模、仿真与分析，从而使一个复杂系统模型的建立和仿真变得直观，更重要的是，Simulink能够用MATLAB自身的语言或者C语言，根据S函数的标准格式，写成自定义的功能模块，因此，它具有很强的扩充能力，同时也能够调用.mdl文件类型的应用程序，实现与其集成应用的目的，所以，有些应用软件会提供.mdl文件的S函数，以便能够通过DDE与其传递数据[6]。
Simulink的主要特点就是实时工作，即画出系统图的同时就可得到相应的语言代码，对系统的控制、信号处理和动态系统的算法都可以通过开发模块图自动实现，其结果可在MATLAB工作空间中输出。Simulink支持连续与离散系统以及连续离散混合系统，也支持线性与非线性系统，及具有多种采样频率的系统，以仿真较大、较复杂的系统。
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2逆变电路的建模与仿真
在电器设备或电力系统中，直接承担电能的变换或者控制任务的电路被称为主电路，电力电子器件是指可以直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度，可以将电力电子器件分为三类：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件被称为半控型器件，比如晶闸管；通过控制信号既能控制其导通，又能控制其关断的电力电子器件被称为全控型器件，比如绝缘栅双极晶体管、电力场效应晶体管；不能通过控制信号来控制其通断的电力电子器件被称为不可控器件，比如电力二极管。
在逆变电路中，在由断态向通态转移时，无论支路是由全控型还是半控型电力电子器件组成，只要给门极适当的驱动信号，就可以使其开通，但是从通态到断态转移的情况就不同，全控型器件可以通过对门极的控制使其关断，而对于半控型器件的晶闸管来说，就不能通过对其门极的控制使其关断，必须利用外部条件或其他措施才能使其关断，这增加了控制的复杂性，增大了装置的体积、重量，因此，在直-交变流电路中一般采用全控型器件，而由于IGBT具有响应快速、高输入阻抗、低通态压降、高电流密度的特性，在变频器中广泛应用，因此，将IGBT作为本设计中逆变电路的主要开关器件[7]。
直流-交流变换称为逆变，是指将频率为零的直流电压变换为频率不为零的交流电压。逆变器采用双向可控电力电子开关构成能够改变负载电压方向的电路，按规律控制电子开关，切换负载电压方向，便可将输入的直流电能逆变为输出的交流电能，调节电子开关的切换周期可以改变交流电能的频率。本章对直流-交流变换的基本原理，对现在广泛应用于工业生产中的SPWM逆变电路进行了仿真设计。
2.1绝缘栅双极型晶体管
IGBT的通断是由门极电压来控制，当IGBT集射极电压为正且大于开启电压，同时门极加正电压时，IGBT导通；当IGBT门极施加反压或不加信号时，IGBT关断。由IGBT的工作原理可知，IGBT模块是一个受门极信号控制的半导体器件。图标、符号如图2-1所示。
gCmEIGBT图2-1 IGBT元件的图标、符号
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由IGBT的图标可见，它有两个输入和输出。第一个输入C和输出E对应于绝缘栅双极型晶体管的集电极（C）和发射极（E）；第二个输入g为加在门极上的Simulink逻辑控制信号，第二个输出m用于测量输出向量。
2.2三相桥式逆变电路的基本原理
逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。在三相逆变电路中，应用最为广泛的还是三相桥式逆变电路。采用IGBT作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路如图2-2所示，可以看成由三个半桥逆变电路组成[8]。
V4V6VD4N'U+V1V3VD1VV5VD3VD5NWV2VD6VD2
图2-2 三相电压型桥式逆变电路
和单相半桥、全桥逆变电路相同，三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是180°导电方式，即每个桥臂的导电角度为180°，同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120°。这样，在任意瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。
2.3正弦脉冲宽度调制（SPWM）基本原理
PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，利用面积等效原理，将电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去。当这种脉冲的宽度按照正弦规律变换而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM波形[9]。下面分析用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，如图2-3所示。
把图中的正弦半波分成N等分，就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于π/N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和响应的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相等，就得到2-3所示的脉冲序列，这就是SPWM波。
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?UD UD Uc Ur U(t)?Umsin?t U(t) 2? ?t 2? ?t图2-3 SPWM原理及输出波形 2.4三相SPWM逆变器的建模与仿真
正弦波脉宽调试逆变器属于电压型逆变器，电子开关采用绝缘栅双极型晶体管。SPWM采用等腰三角波电压作为载波型号，正弦波为调制信号，通过正弦波电压与三角波电压信号相比较的方法，确定各分段矩形脉冲的宽度。
三相逆变桥选用了PowerSystem模块库中的“Universal Bridge”模块，如图2-4所示；脉冲信号选用SimpowerSystem中的PWM Generator模块，如图2-5所示。当调制信号不选择内部方式时，模块Signal端应输入一个正弦参考信号。当PWM发生器模块被用于触发单相（一桥臂）、单相桥式（二桥臂）变换器时，变换器的输入端可输入单相正弦参考信号；当PWM发生器模块被用于触发单个或两个三相变换器（三桥臂）桥时，变换器的输入端需要输入一个三相正弦参考信号。当选择内部调制信号时，模块Signal端的输入可以悬空，不接信号。模块输出可以以四种方式工作，分别输出2、4、6、12路触发，用于触发单相半桥、单相桥式和三相桥式中的全控型器件。
+AB-CSignal(s)Pulsesg 图2-4 三相逆变桥模块
图2-5 脉冲信号模块
三相SPWM逆变电路的仿真模型如图2-6所示。
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