基于SPWM的三相逆变器控制仿真系统

资 源 简 介

该项目是一个完整且功能完备的三相电压源型逆变器（VSI）及其脉宽调制（PWM）控制方案的仿真模型。 系统在MATLAB/Simulink环境下真实构建了由六个功率开关器件（如IGBT或MOSFET）组成的三相桥式变换电路，模拟了电力电子系统的核心整流与逆变过程。 其核心功能在于实现了高精度的脉宽调制（PWM）控制算法，主要包括正弦脉宽调制（SPWM）技术，通过将生成的三相参考正弦波与高频三角载波进行比较，产生驱动逆变电桥所需的六路触发脉冲。 该模型具备极高的灵活性，用户可以根据实际研究需求，在线修改直流侧

详 情 说 明

项目介绍

本项目提供了一个基于MATLAB编程环境的三相电压源型逆变器（VSI）及其正弦脉宽调制（SPWM）控制方案的完整仿真系统。该系统通过数学建模和数值计算方法，模拟了从直流电到对称三相交流电的转换过程，并集成了LC低通滤波器以优化输出波形质量。系统不仅涵盖了逆变转换的核心逻辑，还包括了详尽的信号测量、动态特性仿真以及频谱分析功能，为电力电子技术的研究和教学提供了直观、可靠的仿真平台。

功能特性

1. 高精度SPWM调制：实现了三相参考正弦波与高频三角载波的实时比较算法，精确生成六路功率开关触发脉冲。
2. 动态电路仿真：基于状态空间方程，利用欧拉数值迭代法模拟LC滤波器与纯阻性负载的动态响应。
3. 灵活的参数配置：支持在线修改直流母线电压、调制比、开关频率、基波频率以及滤波元件参数，便于进行多工况分析。
4. 综合信号分析：实时观测逆变器输出的原始脉冲电压、滤波后的相电压及相电流波形。
5. 谐波评估工具：内置快速傅里叶变换（FFT）分析模块，自动计算基波幅值、显示频谱分布并评估总谐波畸变率（THD）。

系统实现逻辑分析

系统的工作流程分为五个主要阶段：

1. 参数初始化：定义仿真采样频率（200kHz）和时间步长，设置直流母线电压（400V）、期望输出频率（50Hz）、载波频率（5kHz）以及逆变器的硬件参数（L、C、R）。
2. SPWM信号产生：

- 参考波生成：通过正弦函数生成相位互差120度的三相基准电压信号，其幅值受调制比控制。 - 载波生成：利用对称三角波函数产生在[-1, 1]区间波动的载波。 - 脉冲逻辑：将参考波与载波比对，产生上桥臂和下桥臂的逻辑开关信号。

1. 逆变桥电压计算：

- 根据开关状态和直流母线电压计算逆变桥各相中点相对于直流负极的电位。 - 引入中性点电位计算公式，求得逆变器输出的各相相电压。

1. 电路动力学求解：

- 系统采用状态空间法描述LC滤波器的工作状态。 - 选取电感电流和负载电压为状态变量。 - 通过离散步进迭代，逐点计算在逆变器阶跃电压驱动下，电感电流的上升速率以及电容电压的变化过程。

1. 后处理与可视化：

- 截取仿真进入稳态后的数据进行频谱分析。 - 计算前50次谐波的均方根值总和，从而得出THD数值。 - 绘制时间域波形图与频率域分布图。

核心算法与实现细节

1. 调制控制算法：系统采用了单极性SPWM比较逻辑。通过Va_ref > V_carrier的布尔运算，直接映射为逆变电桥的开断动作，模拟了实际驱动电路的判别逻辑。
2. 逆变器相电压模型：在三相平衡系统中，通过（Va_mid + Vb_mid + Vc_mid）/ 3 计算虚拟中性点电压，进而得到真实相电压。这一物理建模方式能够准确反映三相电压在时间轴上的零序分量。
3. 状态变量步进算法：代码未调用MATLAB自带的Simulink库，而是通过数值积分公式实现的离散仿真。其中，diL = (V_in - Vc) / L 和 dvC = (iL - Vc/R) / C 反映了基尔霍夫电压与电流定律。
4. FFT谱分析细节：为了保证THD计算的准确性，系统特意选取了仿真结束前最后两个完整周期的波形。通过单边谱处理，将FFT结果转化为电压有效值幅值，并在频谱图中展示了载波频率及其倍频附近的谐波分布情况。

使用方法

1. 环境配置：在MATLAB软件中打开脚本文件。
2. 参数自定义：根据需要，在“系统参数设置”部分修改载波频率、调制比或滤波元件的数值。
3. 运行仿真：点击运行按钮，程序将自动执行数值仿真计算。
4. 结果观测：仿真结束后，MATLAB将自动弹出可视化图形窗口，展示调制原理图、开关脉冲、滤波前后电压电流曲线及频谱分布。
5. 数据读取：在命令行窗口（Command Window）中可直接查看计算得到的基波电压幅值和THD百分比。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
2. 所需工具箱：Signal Processing Toolbox（用于生成三角载波及执行FFT分析）。
3. 硬件环境：普通办公配置电脑即可流畅运行。