【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 基于 PSPICE 的三相 SPWM 逆變器設(shè)計(jì) 7 圖 22 初打開(kāi)的 Capture 屏幕畫面 由 File\New\Project...功能菜單調(diào)出如圖 23 所示的 New Project 對(duì)話框。請(qǐng)如圖 23 在 Name 欄 內(nèi)輸入范例項(xiàng)目的名稱“三相逆變電路”，然后在 Location 欄內(nèi)輸入本項(xiàng)目要儲(chǔ)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(qǐng)?jiān)趫D 23 畫面中的 Create a New Project Using 欄內(nèi)選擇 Analog orMixedSignal Circuit Wizard 選項(xiàng)。 圖 23 New Project 對(duì)話框 基于 PSPICE 的三相 SPWM 逆變器設(shè)計(jì) 8 在圖 23 的 New Project 對(duì)話框內(nèi)設(shè)置好項(xiàng)目格式、名稱與存放路徑之后，進(jìn)入 OrCAD Capture 窗口畫面。單擊電路編輯區(qū)，出現(xiàn)圖 24右側(cè)所示的繪圖工具欄。如果我們將鼠標(biāo)光標(biāo)在某個(gè)工具欄按鈕或控制面板上停留一會(huì)兒，將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)短的功能描述。 圖 24 OrCAD Capture 窗口畫面 項(xiàng)目管理程序的顯示內(nèi)容 項(xiàng)目管理程序主要負(fù)責(zé)收集并組織項(xiàng)目中全部所有必要的資源。這些資源包含有繪圖頁(yè)文件夾、繪圖頁(yè)、使用到的元件與元件庫(kù)、 VHDL 文件以及諸如元件清單或網(wǎng)路表等等輸出報(bào)告。所以，請(qǐng)不要隨意地由 Windows 資源管理器內(nèi)移動(dòng)或刪除項(xiàng)目?jī)?nèi)所參考到的文件，否則項(xiàng)目管理程序?qū)⒃僖膊荒苷业剿鼈兞恕Ｒ簿褪钦f(shuō)，有關(guān)于 OrCAD 文件的操作最 好都在項(xiàng)目管理程序完成，以確保項(xiàng)目結(jié)構(gòu)完無(wú)一失。 項(xiàng)目文件的擴(kuò)展名為 .OPJ，它是一個(gè) ASCII 文件，所以也能夠在任何文本編輯程序觀察，當(dāng)然熟練的 OrCAD 用戶也可以由此調(diào)整項(xiàng)目結(jié)構(gòu)。 由圖 25 中，我們可以看出項(xiàng)目管理程序?qū)㈨?xiàng)目?jī)?nèi)涉及的所有相關(guān)文件以視覺(jué)化的圖形顯示出來(lái)，并將它們適當(dāng)?shù)胤珠T別類，形成樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。在樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的最上層（畫面的最左邊）有三個(gè)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(shè)計(jì) 9 在 Design Resources 文件夾 中又分 Asn 文件夾、 Library 文件夾。 Asn 文件夾為設(shè)計(jì)文件夾，主要內(nèi)容是存放繪圖頁(yè)文件夾（譬如圖 25中的 Schematic1）以及更下層的繪圖頁(yè)（譬如圖 25 中的 Pagel），而繪圖頁(yè)文件就是放置繪制電路的地方；所以說(shuō) Asn 文件夾就是整個(gè)設(shè)計(jì)電路圖間連接關(guān)系的縮影。另外， Asn 文件夾內(nèi)還有一個(gè) Design Cache（設(shè)計(jì)快取內(nèi)存）文件夾，其內(nèi)容主要是存放所有在繪圖頁(yè)內(nèi)使用到的元件 。 Library 文件夾顯示出我們附加在本項(xiàng)目?jī)?nèi)供設(shè)計(jì)文件使用的元件庫(kù)文件，譬如圖 25 中所顯示的就是 Capture 默認(rèn)的 那四個(gè)可仿真元件庫(kù)文件。 Outputs 文件夾內(nèi)主要放置一些電路圖后續(xù)處理所產(chǎn)生的輸出文件，譬如 DRC文件、網(wǎng)路表 （ Netlist） 文件、元件清單文件等等。 圖 25 項(xiàng)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(huì)使用到的元件都放到空白繪圖頁(yè)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(kù)都載入內(nèi)存內(nèi)。選取元件的操作得由 Place\Part...功能選項(xiàng)或快捷鍵 [Shift+P]說(shuō)起，這會(huì)調(diào)出如圖 26所示的 Place Part 對(duì)話框。 基于 PSPICE 的三相 SPWM 逆變器設(shè)計(jì) 10 圖 26 Place Part 對(duì)話框 如果我們要放置一個(gè)電阻元件（元件名稱為 R）到繪圖頁(yè)內(nèi)，首先請(qǐng)?jiān)?Libraries欄的元件庫(kù)列表內(nèi)選好這個(gè)元件所在的元件庫(kù)文件名，譬如圖 26 中就是選擇了ANALOG 元件庫(kù)。這時(shí)元件列表會(huì)顯示出本元件庫(kù)內(nèi)所有的元件名稱，我們使用鼠標(biāo)（或【 Tab】鍵配合【↑】、【↓】鍵與【 Enter】鍵）在此選出適當(dāng)?shù)脑?，在Part:欄內(nèi)會(huì)跟著顯示出這個(gè)元件的名稱，畫面右下方會(huì)出現(xiàn)這個(gè)對(duì)應(yīng)元件的外觀。 如何翻轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)元件 在取出元件符號(hào)而尚未放置到繪圖頁(yè)（這時(shí)元件符號(hào)可以隨著鼠標(biāo)移動(dòng)）的情形下，或是元件已經(jīng)放置在繪圖頁(yè)上，請(qǐng)用鼠標(biāo)左鍵在要處理的元件上單擊，元件將會(huì)進(jìn)入選取狀態(tài)而出現(xiàn)虛線邊框，此時(shí)單擊鼠標(biāo)右鍵調(diào)出快捷功能菜單。選擇Mirror Horizontally 選項(xiàng)就可以將元件左右翻轉(zhuǎn)，選擇 Mirror Vertically 選項(xiàng)就可以將元件上下翻轉(zhuǎn)，選擇 Rotate 選項(xiàng)就可以將元件逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 90176。也可以使用鍵盤來(lái)操作，左右翻轉(zhuǎn)可按【 H】鍵，上下翻轉(zhuǎn)可按【 V】鍵，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)可按【 R】鍵或【 Ctrl+R】鍵。 基于 PSPICE 的三相 SPWM 逆變器設(shè)計(jì) 11 3 電壓 型逆變電路 直流側(cè)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(diǎn) [4]： （ 1） 直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)，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(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。 （ 3） 當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無(wú)功功率，為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)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(jìn)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(gè)橋臂，可以看成由兩個(gè)半橋電路組合而成。把橋臂 1 和橋臂 4 作為一對(duì)，橋臂 2 和 3 作為另一對(duì)，成對(duì)的兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì)交替各導(dǎo)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(shè)計(jì) 12 全橋逆變是單 相逆變電路中應(yīng)用最多的。下面對(duì)其電壓波形做定量分析。 abu 是一個(gè)半波對(duì)稱的基函數(shù)： )()()( 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(fù)電壓各為 ?180 的脈沖時(shí)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(guò)改變直流電壓 dU 來(lái)實(shí)現(xiàn)。下面對(duì)其工作過(guò)程進(jìn)行具體分析。 設(shè)在 1t 時(shí)刻前 Z1 和 Z4 導(dǎo)通，輸 出電壓 abu = dU ， 1t 時(shí)刻 Z3 和 Z4 柵極信號(hào)反向，Z4 截止，而因負(fù)載電感中的電流不能突變， Z3 不能立刻導(dǎo)通， VD3 導(dǎo)通續(xù)流。因?yàn)?Z1 和 VD3 同時(shí)導(dǎo)通，所以輸出電壓為零。到 t2 時(shí)刻 Z1 和 Z2 柵極信號(hào)反向， Z1 截止，而 Z2 不能立刻導(dǎo)通， VD2 導(dǎo)通續(xù)流，和 VD3 構(gòu)成電流通道，輸出電壓為 dU 。到負(fù)載電流過(guò)零并開(kāi)始反向時(shí)， VD2 和 VD3 截止， Z2 和 Z3 開(kāi)始導(dǎo)通，輸出電壓仍為 dU 。 3t 時(shí)刻 Z3 和 Z4 柵極信號(hào)再次反向， Z3 截止，而 Z4 不能立刻導(dǎo)通， VD4 導(dǎo)通續(xù)流， abu 再次為零。以后的過(guò)程和后面類似。這樣，輸出電壓的正負(fù)脈沖寬度就各為 θ。改變?chǔ)?，就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。 在純電阻負(fù)載時(shí)，采用上述移相方法也可以得到相同的結(jié)果，只是 VD1 ～ VD4不再導(dǎo)通，不起續(xù)流作用。在 abu 為零的期間， 4個(gè) 橋臂均不導(dǎo)通，負(fù)載也沒(méi)有電流。 負(fù)載電流 ai 的波形與負(fù)載性質(zhì)有關(guān)： （ 1） 純電阻負(fù)載時(shí)，電流 ai 是與電壓同相的方波， 如圖 32 所示。純電阻負(fù)載時(shí)，二極管 VD1 、 VD2 、 VD3 、 VD4 任何時(shí)刻都不導(dǎo)電。 （ 2） 純電感負(fù)載時(shí)，電流 ai 是三角波 ，如圖 32 所示。在 0≤ wt ＜ 2? 期間， 當(dāng)ai 為負(fù)值時(shí)，二極管導(dǎo)電；當(dāng) ai 為正值時(shí)，全控型開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)電。逆變電路中與開(kāi)關(guān)管反并聯(lián)的二極管都是用于感性負(fù)載時(shí)為感性負(fù)載電流提供續(xù)流通道。 基于 PSPICE 的三相 SPWM 逆變器設(shè)計(jì) 13 圖 32 單相橋式逆變電路電流波形 改變開(kāi)關(guān)的門級(jí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(gè)開(kāi)關(guān)管不應(yīng)同時(shí)處于通態(tài)， Z3 和 Z4 兩管不應(yīng)同時(shí)處于通態(tài)，否者將出現(xiàn)直流側(cè)短路 [5]。 三相電壓型逆變主電路 三相橋式逆變電路實(shí)際應(yīng)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(gè)開(kāi)關(guān)互補(bǔ)通、斷。電壓型三相橋式逆變電路的基本工作方式也是 ?180導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為 ?180 ，同一相上下兩個(gè)臂交替導(dǎo)電，各相開(kāi)始導(dǎo)電的角度依次相差 ?120 。這樣在任一瞬間，將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。每次換流都是在同一相上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行的，因此也被稱為縱向換流。 基于 PSPICE 的三相 SPWM 逆變器設(shè)計(jì) 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(shè)負(fù)載中點(diǎn) N 與直流電源假想中點(diǎn) N’之間的電壓為 39。uNN ，則 負(fù)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(qū)動(dòng)信號(hào)。根據(jù)上述分析，負(fù)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(shè)計(jì) 15 圖 34 aNu 導(dǎo)電波形 圖 35 bNu 導(dǎo)電波形 基于 PSPICE 的三相 SPWM 逆變器設(shè)計(jì) 16 圖 36 cNu 導(dǎo)電波形 負(fù)載參數(shù)已知時(shí)，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(fù)載下 ai 的波形。上橋臂 1 中的 Z1 從通態(tài)轉(zhuǎn)換到斷態(tài)時(shí)，因負(fù)載電感中的電流不能突變，下橋臂 3中的 D3 先導(dǎo)通續(xù)流，待負(fù)載電流降到零，橋臂 3中電流反向時(shí)， Z3才開(kāi)始導(dǎo)通。在 39。uNN ＞ 0時(shí)為橋臂 1導(dǎo)電的區(qū)間，其中 ai ＜ 0 時(shí)為 D1導(dǎo)通， ai ＞ 0時(shí)為 Z1 導(dǎo)通； 39。uNN ＜ 0時(shí)為橋臂 3導(dǎo)電的區(qū)間，其中 ai ＞ 0 時(shí)為 D3 導(dǎo)通， ai ＜ 0時(shí)為 Z3 導(dǎo)通。