三相正弦脉宽调制的变频器原理实验（单相正弦脉宽调制spwm逆变电路）

简要描述；简介： ****

SPWM正弦脉宽调制技术的原理是将控制器产生的三相正弦波电压指令与三角波进行比较。经过比较器后，产生脉宽调制信号来驱动逆变器，其输出近似于正弦波，是等幅不等宽的电压波形。根据正弦波电压和三角波电压的大小和频率，可以定义为以下两个指标，其中之一是调制指数（Modulaton Index）：

式中，Vcontrol为三相正弦波电压峰值，Vtri为三角波电压峰值。

第二个是调频比（Frequencymodulationratio），其定义为：

式中，fs为三角波频率，f1为正弦波电压频率。

上图是三相逆变器电路图。

三相SPWM：****

以A相为例，电压VAN的基波峰值可用下式表示：

基波线间电压幅值（RMS）为：

当ma1时，称为逆变器的线性调制区。即，当输入正弦波电压指令的峰值小于三角波峰值时，输入电压将等于逆变器输出电压基波的线电压。成正比。三角波和正弦波如下图所示：

三相空间矢量SVPWM：

空间矢量脉宽调制采用电压空间矢量的概念，即旋转电压矢量空间是由逆变器的六个功率元件的开关状态产生的。典型的三相逆变器如图所示。每相在上臂和下臂上放置两个开关元件，即上臂上的S1、S3、S5，下臂上的S2、S4、S6。在空间矢量脉宽调制控制方式下，逆变器各相开关元件的导通状态是互补的，即上臂导通则下臂截止，反之，上臂导通则下臂截止。关闭时，下臂打开。在控制方面，通常在开关导通前增加一段延迟时间，以避免上臂和下臂功率元件同时导通而对功率元件造成损坏。该延迟时间称为死区时间。这里我们定义a、b、c相各臂的开关导通状态。如果a=1，则表示上臂开关打开，下臂开关关闭。 a=0 表示上臂开关关闭，下臂开关打开。因此，三相逆变器有八种输出状态。各状态（直流母线电压为VDC）产生的线电压和相电压输出结果如下表所示。

由上表可知，将坐标轴转换到平面即可得到三相逆变器输出的相电压与线电压的关系，可得下表。其换算关系为：

因此，可以从八种开关切换状态获得八种不同的电压矢量。这八个电压矢量称为基本电压矢量，它们是六个有效电压矢量V1、V2、V3、V4、V5、V6和两个零矢量V0和V7。因此，可以利用这六个有效电压矢量将电压空间平面划分为六个区间，如下图所示。 平面的轴和轴相对于交流电机定子的水平轴和垂直轴，Vref为输出参考电压矢量。

任意大小的输出参考电压Vref都可以用图中6个有效电压矢量中的任意两个矢量来表示，并且可以通过代数方式得到输出电压在这两个有效电压矢量中的分量（导通时间）。

轴变换：

静止轴变换：

将三相abc静止坐标轴转换为静止坐标轴系。这种变换称为克拉克变换。根据下图所示的两个坐标系之间的关系，得到如下坐标转换公式：

fa、fb、fo 是沿 轴的电压和电流变量

fa,fb,fc为abc轴下电压和电流的变量

反之，将坐标轴转换到三相abc坐标系。这种变换称为克拉克逆变换。变换公式可表示为：

以上是三相abc坐标系与静止坐标系的关系。如果采用非幂不变律，变换矩阵之前的待定系数为3/2。

如果采用幂不变律，则为

本文采用非幂不变律。另外，对于三相平衡系统，在进行静止坐标轴变换时可以忽略零序分量。下图是利用PSIM仿真将abc静态坐标轴转换为静态坐标轴的波形图。

同步旋转轴变换：

上一节通过坐标轴变换将abc静止坐标系转换为ab静止坐标系。本节进一步将静止坐标轴转换为DQ同步旋转坐标轴系。这种变换称为Park 变换。此时，假设为三个阶段。系统平衡，零轴分量可以忽略，DQ轴和轴同时放在二维矢量平面上，如图3.7所示。这个旋转坐标以角速度e旋转，因此可以得到坐标转换公式：

在：

反之，将旋转坐标系的DQ轴转换为ab坐标系。这种变换称为Park 逆变换，变换公式可以表示为：

实验验证：