三相两电平逆变器SPWM调制仿真系统

资 源 简 介

本项目基于MATLAB/Simulink环境构建完整的三相两电平逆变器模型，旨在实现并验证正弦脉宽调制（SPWM）技术。系统硬件拓扑主要由直流电压源、六脉冲三相桥式逆变电路、三相LC低通滤波器以及平衡/非平衡交流负载组成。在控制算法层面，系统生成三路相位互差120度的正弦参考信号，并将其与高频三角载波进行比较，利用产生的脉冲信号驱动逆变桥顶部的功率开关器件。该项目详细展示了如何通过调节调制比（Modulation Index）来控制输出基波电压的幅值，以及通过调节载波比（Frequency Ratio）来

详 情 说 明

三相两电平逆变器SPWM调制仿真系统

项目介绍

本仿真系统是一个基于MATLAB环境开发的电力电子教学与研究工具。系统完整模拟了从直流电到三相交流电的转换过程，核心技术采用正弦脉宽调制（SPWM）。通过对逆变器硬件拓扑、调制逻辑以及输出滤波器的数学建模，该系统能够直观展示电力电子变换器的动态特性、谐波分布以及滤波器对波形的改善作用。

功能特性

• 闭环逻辑仿真：实现了从调制波生成、载波比较到功率波形合成的全过程仿真。
• 动态参数调节：支持对调制比、载波频率、滤波器参数及负载电阻进行在线配置。
• 离散时间求解：采用前向欧拉法对LC滤波器状态方程进行迭代求解，模拟真实的物理连续特性。
• 深度谐波分析：内置基于快速傅里叶变换（FFT）的频谱分析功能，能够自动计算电压总谐波畸变率（THD）。
• 综合可视化：提供多维度的图表展示，包括驱动脉冲、原始相电压、线电压、滤波后电压/电流及频谱图。

使用方法

1. 启动环境：打开MATLAB软件（建议R2016b及以上版本）。
2. 参数配置：在脚本的代码逻辑开头部分，根据需求修改直流母线电压、调制比、载波频率等系统常数。
3. 运行执行：运行主程序脚本，系统会自动执行数值计算并弹出仿真结果图表。
4. 结果查看：通过交互式图形窗口观察时域波形，并在命令行窗口查看输出基波电压和THD等关键运行指标。

系统要求

• 软件平台：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 核心库：基础MATLAB功能包（无需额外的Simulink模块）。
• 硬件要求：通用办公级电脑即可流畅运行。

逻辑实现说明

程序按照电力电子系统的标准仿真流程分为七个主要模块：

1. 参数初始化：定义了400V直流母线、50Hz基波频率、5000Hz采样频率等关键硬件参数。为保证仿真精度，采样步长设定为2微秒。
2. 调制信号生成：利用三角函数生成三路相位互差120度的正弦参考波，同时通过锯齿函数转换算法构造在-1到1之间波动的对称三角载波。
3. 驱动逻辑判断：将正弦调制波与三角载波进行实时比较。当调制波幅值大于载波时，判定上桥臂导通（输出1），反之则下桥臂导通（输出0）。
4. 逆变拓扑建模：根据脉冲逻辑计算各相桥臂中点对直流中点的电位。基于电路基尔霍夫定律，通过电位差计算出三相线电压，并利用对称补偿算法推导出负载端的相电压。
5. 滤波器与负载仿真：建立LC滤波器的二阶状态空间方程。通过数值积分方法（前向欧拉迭代）模拟电感电流和电容电压的变化过程，计算出经过低通滤波后的平滑交流波形。
6. 频谱分析逻辑：截取仿真稳定段（0.02s至0.04s，即一个完整工频周期）的信号进行频谱计算。通过提取基波幅值并对高频谐波进行均方根计算，得出THD百分比。
7. 数据可视化：通过图形化界面展示完整的仿真链条，从微观的脉冲切换到宏观的滤波电压，为用户分析SPWM性能提供直观支持。

关键算法解析

• SPWM生成算法：通过比较器逻辑将模拟的控制信号转换为数字化的功率开关指令，这是实现电压调节的核心。
• 三相对称电压变换：代码中使用了 Va_inv = (2*Va - Vb - Vc)/3 这一经典公式，准确描述了对于隔离中抽头的平衡三相负载，逆变器输出的实际相电压电位。
• 状态空间离散化求解：在处理LC滤波器逻辑时，放弃了复杂的求解器调用，直接在主循环中使用微分方程的离散形式。这种方法提高了代码的集成度，同时展示了电感限制电流变化和电容限制电压变化的物理本质。
• THD计算机制：计算逻辑严格遵循谐波分析定义，搜索指定频率范围内的频谱能量，能够准确反映载波频率及其倍频附近的谐波含量分布。