【文章內容簡介】 基于 PSPICE 的三相 SPWM 逆變器設計 7 圖 22 初打開的 Capture 屏幕畫面 由 File\New\Project...功能菜單調出如圖 23 所示的 New Project 對話框。請如圖 23 在 Name 欄 內輸入范例項目的名稱“三相逆變電路”，然后在 Location 欄內輸入本項目要儲存的磁盤文件夾路徑。由于目前我們要建立的是 Pspcie A／ D 電路圖，所以請在圖 23 畫面中的 Create a New Project Using 欄內選擇 Analog orMixedSignal Circuit Wizard 選項。 圖 23 New Project 對話框 基于 PSPICE 的三相 SPWM 逆變器設計 8 在圖 23 的 New Project 對話框內設置好項目格式、名稱與存放路徑之后，進入 OrCAD Capture 窗口畫面。單擊電路編輯區(qū)，出現(xiàn)圖 24右側所示的繪圖工具欄。如果我們將鼠標光標在某個工具欄按鈕或控制面板上停留一會兒，將會出現(xiàn)一個簡短的功能描述。 圖 24 OrCAD Capture 窗口畫面 項目管理程序的顯示內容 項目管理程序主要負責收集并組織項目中全部所有必要的資源。這些資源包含有繪圖頁文件夾、繪圖頁、使用到的元件與元件庫、 VHDL 文件以及諸如元件清單或網路表等等輸出報告。所以，請不要隨意地由 Windows 資源管理器內移動或刪除項目內所參考到的文件，否則項目管理程序將再也不能找到它們了。也就是說，有關于 OrCAD 文件的操作最 好都在項目管理程序完成，以確保項目結構完無一失。 項目文件的擴展名為 .OPJ，它是一個 ASCII 文件，所以也能夠在任何文本編輯程序觀察，當然熟練的 OrCAD 用戶也可以由此調整項目結構。 由圖 25 中，我們可以看出項目管理程序將項目內涉及的所有相關文件以視覺化的圖形顯示出來，并將它們適當地分門別類，形成樹狀結構。在樹狀結構的最上層（畫面的最左邊）有三個文件夾，分別是 Design Resources 文件夾、 Outputs 文件夾和 PSpice Resources 文件夾。 基于 PSPICE 的三相 SPWM 逆變器設計 9 在 Design Resources 文件夾 中又分 Asn 文件夾、 Library 文件夾。 Asn 文件夾為設計文件夾，主要內容是存放繪圖頁文件夾（譬如圖 25中的 Schematic1）以及更下層的繪圖頁（譬如圖 25 中的 Pagel），而繪圖頁文件就是放置繪制電路的地方；所以說 Asn 文件夾就是整個設計電路圖間連接關系的縮影。另外， Asn 文件夾內還有一個 Design Cache（設計快取內存）文件夾，其內容主要是存放所有在繪圖頁內使用到的元件 。 Library 文件夾顯示出我們附加在本項目內供設計文件使用的元件庫文件，譬如圖 25 中所顯示的就是 Capture 默認的 那四個可仿真元件庫文件。 Outputs 文件夾內主要放置一些電路圖后續(xù)處理所產生的輸出文件，譬如 DRC文件、網路表 （ Netlist） 文件、元件清單文件等等。 圖 25 項目管理程序 放置一般電路元件 由于電路是由元件（含屬性 Properties )和元件間的連線 (Wire)所組成，所以現(xiàn)在我們將所有會使用到的元件都放到空白繪圖頁上。在選擇元件之前，必須先確定是否己將要所有要用到的元件庫都載入內存內。選取元件的操作得由 Place\Part...功能選項或快捷鍵 [Shift+P]說起，這會調出如圖 26所示的 Place Part 對話框。 基于 PSPICE 的三相 SPWM 逆變器設計 10 圖 26 Place Part 對話框 如果我們要放置一個電阻元件（元件名稱為 R）到繪圖頁內，首先請在 Libraries欄的元件庫列表內選好這個元件所在的元件庫文件名，譬如圖 26 中就是選擇了ANALOG 元件庫。這時元件列表會顯示出本元件庫內所有的元件名稱，我們使用鼠標（或【 Tab】鍵配合【↑】、【↓】鍵與【 Enter】鍵）在此選出適當的元件，在Part:欄內會跟著顯示出這個元件的名稱，畫面右下方會出現(xiàn)這個對應元件的外觀。 如何翻轉或旋轉元件 在取出元件符號而尚未放置到繪圖頁（這時元件符號可以隨著鼠標移動）的情形下，或是元件已經放置在繪圖頁上，請用鼠標左鍵在要處理的元件上單擊，元件將會進入選取狀態(tài)而出現(xiàn)虛線邊框，此時單擊鼠標右鍵調出快捷功能菜單。選擇Mirror Horizontally 選項就可以將元件左右翻轉，選擇 Mirror Vertically 選項就可以將元件上下翻轉，選擇 Rotate 選項就可以將元件逆時針旋轉 90176。也可以使用鍵盤來操作，左右翻轉可按【 H】鍵，上下翻轉可按【 V】鍵，逆時針旋轉可按【 R】鍵或【 Ctrl+R】鍵。 基于 PSPICE 的三相 SPWM 逆變器設計 11 3 電壓 型逆變電路 直流側是電壓源的稱為電壓型逆變電路。電壓型逆變電路有以下主要特點 [4]： （ 1） 直流側電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。 （ 2） 由于直流電壓源的鉗位作用，交流側輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。 （ 3） 當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變各臂都并聯(lián)了反饋二極管。 下面分別就單相和三相電壓型逆變電路進行討論。 全橋逆變電路 電壓型全橋逆變電路的原理圖如圖 31所示，它共有 4 個橋臂，可以看成由兩個半橋電路組合而成。把橋臂 1 和橋臂 4 作為一對，橋臂 2 和 3 作為另一對，成對的兩個橋臂同時導通，兩對交替各導通 ?180 。其輸出電壓 abu 的波形和半橋電路的波形 abu 形狀相同，也是矩形波，但其幅值高出一倍， mU = dU 。 圖 31 單相全橋逆變電路 基于 PSPICE 的三相 SPWM 逆變器設計 12 全橋逆變是單 相逆變電路中應用最多的。下面對其電壓波形做定量分析。 abu 是一個半波對稱的基函數： )()()( wtuwtuwtu ababab ?????? ? （ 31） 其中基波的幅值 mab1u 和基波有效值 1abu 分別為： ddmab UUu ?? ? （ 32） ddab UUu ?? ? （ 33） 前面分析的都是 abu 為正負電壓各為 ?180 的脈沖時的情況。在這種情況下，要改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓 dU 來實現(xiàn)。下面對其工作過程進行具體分析。 設在 1t 時刻前 Z1 和 Z4 導通，輸 出電壓 abu = dU ， 1t 時刻 Z3 和 Z4 柵極信號反向，Z4 截止，而因負載電感中的電流不能突變， Z3 不能立刻導通， VD3 導通續(xù)流。因為 Z1 和 VD3 同時導通，所以輸出電壓為零。到 t2 時刻 Z1 和 Z2 柵極信號反向， Z1 截止，而 Z2 不能立刻導通， VD2 導通續(xù)流，和 VD3 構成電流通道，輸出電壓為 dU 。到負載電流過零并開始反向時， VD2 和 VD3 截止， Z2 和 Z3 開始導通，輸出電壓仍為 dU 。 3t 時刻 Z3 和 Z4 柵極信號再次反向， Z3 截止，而 Z4 不能立刻導通， VD4 導通續(xù)流， abu 再次為零。以后的過程和后面類似。這樣，輸出電壓的正負脈沖寬度就各為 θ。改變θ，就可以調節(jié)輸出電壓。 在純電阻負載時，采用上述移相方法也可以得到相同的結果，只是 VD1 ～ VD4不再導通，不起續(xù)流作用。在 abu 為零的期間， 4個 橋臂均不導通，負載也沒有電流。 負載電流 ai 的波形與負載性質有關： （ 1） 純電阻負載時，電流 ai 是與電壓同相的方波， 如圖 32 所示。純電阻負載時，二極管 VD1 、 VD2 、 VD3 、 VD4 任何時刻都不導電。 （ 2） 純電感負載時，電流 ai 是三角波 ，如圖 32 所示。在 0≤ wt ＜ 2? 期間， 當ai 為負值時，二極管導電；當 ai 為正值時，全控型開關器件導電。逆變電路中與開關管反并聯(lián)的二極管都是用于感性負載時為感性負載電流提供續(xù)流通道。 基于 PSPICE 的三相 SPWM 逆變器設計 13 圖 32 單相橋式逆變電路電流波形 改變開關的門級驅動信號的頻率，輸出交流電壓的頻率也隨之改變。為保證電路正常工作， Z1 和 Z2 兩個開關管不應同時處于通態(tài)， Z3 和 Z4 兩管不應同時處于通態(tài)，否者將出現(xiàn)直流側短路 [5]。 三相電壓型逆變主電路 三相橋式逆變電路實際應用很廣泛，圖 33是電壓型橋式逆變電路。同一橋臂上、下上下兩個開關互補通、斷。電壓型三相橋式逆變電路的基本工作方式也是 ?180導電方式，即每個橋臂的導電角度為 ?180 ，同一相上下兩個臂交替導電，各相開始導電的角度依次相差 ?120 。這樣在任一瞬間，將有三個橋臂同時導通。每次換流都是在同一相上下兩個橋臂之間進行的，因此也被稱為縱向換流。 基于 PSPICE 的三相 SPWM 逆變器設計 14 圖 33 三相電壓型橋式逆變電路 下面分析電壓型三相橋式逆變電路的工作波形。設負載中點 N 與直流電源假想中點 N’之間的電壓為 39。uNN ，則 負載各相的相電壓分別為： aNu = 39。uaN 39。uNN bNu = 39。ubN 39。uNN cNu = 39。ucN 39。uNN （ 34） 39。uNN =1/3（ 39。uaN + 39。ubN + 39。ucN ） （ 35） （ 32? ≤ wt ＜ ? ）， Z1 、 Z2 、 Z6 有驅動信號。根據上述分析，負載電阻上的相電壓 aNu 、 bNu 、 cNu 分別如圖 3 3 36 所示的階梯波，相位依次相差 ?120 。 基于 PSPICE 的三相 SPWM 逆變器設計 15 圖 34 aNu 導電波形 圖 35 bNu 導電波形 基于 PSPICE 的三相 SPWM 逆變器設計 16 圖 36 cNu 導電波形 負載參數已知時，可以由 aNu 的波形求出 a相電流 ai 的波形。圖 37給出的是 RL負載下 ai 的波形。上橋臂 1 中的 Z1 從通態(tài)轉換到斷態(tài)時，因負載電感中的電流不能突變，下橋臂 3中的 D3 先導通續(xù)流，待負載電流降到零，橋臂 3中電流反向時， Z3才開始導通。在 39。uNN ＞ 0時為橋臂 1導電的區(qū)間，其中 ai ＜ 0 時為 D1導通， ai ＞ 0時為 Z1 導通； 39。uNN ＜ 0時為橋臂 3導電的區(qū)間，其中 ai ＞ 0 時為 D3 導通， ai ＜ 0時為 Z3 導通。