PWM逆變器MATLAB仿真

1、武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書1 摘要隨著電力電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，pwm 技術(shù)得到了迅速發(fā)展， pwm 控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。pwm 控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最為廣泛，對(duì)逆變電路的影響也最為深刻?，F(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路中，對(duì)大部分都是pwm 型逆變電路?？梢哉f(shuō) pwm 控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的應(yīng)用，才發(fā)展得比較成熟，從而確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。本次課程設(shè)計(jì)以 igbt構(gòu)成的單相橋式逆變電路為基礎(chǔ)，控制并得到所需的波形，并通過(guò)計(jì)算軟件matlab

2、/simulink對(duì) pwm 逆變電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，得到題目要求的數(shù)據(jù)指標(biāo)，并分析得到的結(jié)果。關(guān)鍵詞 ：pwm 逆變 matlab/simulink 武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書2 目錄摘要 . 11 設(shè)計(jì)方案的選擇 . 32 逆變電路的原理及方案選擇 . 33 pwm 原理及控制方法 . 44 濾波器設(shè)計(jì) . 65 pwm 逆變器仿真 . 75.1 單相橋式逆變器仿真 . 75.2 pwm 仿真 . 105.3 pwm 逆變器總體模型 . 136 心得體會(huì) . 17參考文獻(xiàn) . 18武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書3 pwm 逆變器 matlab 仿真1 設(shè)計(jì)方案

3、的選擇按照題目要求，已知輸入電壓為110v直流電，要求得到的是220v、50hz的單相交流電，這里涉及到兩個(gè)問(wèn)題：升壓和逆變。于是就存在兩種設(shè)計(jì)方法，一是進(jìn)行 dc-dc 升壓變換在進(jìn)行逆變，另一種是先進(jìn)行逆變變換再進(jìn)行升壓。當(dāng)然，要得到正弦交流電壓還要考慮濾波的問(wèn)題。若采用方案一，先升壓再逆變，這種方案可靠性高、響應(yīng)速度快、噪聲性能好、效率高，但升壓電路會(huì)在初期產(chǎn)生超調(diào)趨勢(shì)，若采用附加控制的辦法減小超調(diào)量則會(huì)增加逆變器的復(fù)雜度和設(shè)計(jì)成本。若采用方案二，這種方法效率一般可達(dá) 90% 以上、可靠性高、抗輸出的能力較強(qiáng)，其缺點(diǎn)是響應(yīng)速度慢、體積大、波形畸變較為嚴(yán)重。由于兩個(gè)方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，但方案二

4、的設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，所以我們選擇方案二作為本次設(shè)計(jì)的最終方案。2 逆變電路的原理及方案選擇逆變與整流是相對(duì)應(yīng)的，把直流電變?yōu)榻涣麟姷倪^(guò)程稱為逆變。當(dāng)交流側(cè)接在電網(wǎng)上，即交流測(cè)接有電源時(shí)，稱為有源逆變；當(dāng)交流測(cè)直接和負(fù)載連接時(shí)，稱為無(wú)源逆變。根據(jù)交流側(cè)是否與交流電網(wǎng)相連可將逆變電路分為有源逆變和無(wú)源逆變，在不加說(shuō)明時(shí)，逆變一般指無(wú)源逆變。逆變電路的應(yīng)用非常廣泛，在已有的各種電源中，蓄電池、干電池、太陽(yáng)能電池等都是直流電源，當(dāng)需要這些電源向交流負(fù)載供電時(shí)，就需要逆變電路。另外，交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置使用非常廣泛，其電路的核心部分都是逆變電路。本論文針對(duì)的就是無(wú)源

5、逆變的情況；根據(jù)直流側(cè)是恒流源還是恒壓源又將逆變電路分為電壓型逆變電路和電流型逆變電路，電壓型武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書4 逆變電路輸出電壓的波形為方波而電流型逆變電路輸出電流波形為方波，由于題目要求對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以本論文只討論電壓型逆變電路；根據(jù)輸出電壓電流的相數(shù)又將逆變電路分為單相逆變電路和三相逆變電路，由于題目要求輸出單相交流電，所以本論文將只討論單相逆變電路。本次課程設(shè)計(jì)主要討論單相電壓型無(wú)源逆變電路，電壓型逆變電路的開關(guān)器件一般選擇全控型器件如igbt,電力 mosfet 等。可供選擇的有三種方案分別為：半橋式逆變電路，全橋式逆變電路，推挽式逆變電路。半橋電

6、路輸出端的電壓波形幅值僅為直流母線電壓值的一半，因此，電壓利用率低；但在板橋電路中，可以利用兩個(gè)大電容自動(dòng)補(bǔ)償不對(duì)稱波形，這是板橋電路的一大優(yōu)點(diǎn)。全橋式和推挽式的逆變電路的電壓利用率是一樣的，均比半橋電路大一倍。但全橋式、推挽式電路都存在變壓器直流不平衡的問(wèn)題，需要采取措施解決。推挽電路主要優(yōu)點(diǎn)是電壓損失小，直流母線電壓只有一個(gè)開關(guān)管壓降損失；此外，兩個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路電源可以共用，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。推挽式比較適合低壓輸入的場(chǎng)合。低壓輸入的推挽式變壓器原邊繞組匝數(shù)較少，一般采用并繞方式，以增加兩繞組的對(duì)稱性，工藝上難度大。但由于全橋結(jié)構(gòu)的控制方式比較靈活，所以本篇論文選擇單相橋式逆變電路作為逆變器

7、的主電路。3 pwm 原理及控制方法pwm 脈寬調(diào)制技術(shù)就是對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過(guò)對(duì)一系列脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效的獲得所需要的波形( 含幅值和形狀 )。pwm 控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最為廣泛，對(duì)逆變電路的影響也最為深刻?，F(xiàn)在大量應(yīng)用中的逆變電路中，絕大部分都是pwm 型逆變電路。可以說(shuō)pwm 控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的應(yīng)用，才發(fā)展得比較成熟，從而確定了它在電力電子中的重要地位。 pwm 的一條最基本的結(jié)論是：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)其效果基本相同，沖量即窄脈沖面積，這就是我們通常所說(shuō)的武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書5 “面積等效”原理。

8、因此將正弦半波分成n等分，每一份都用一個(gè)矩形脈沖按面積原理等效，令這些矩形脈沖的幅值相等，則其脈沖寬度將按正弦規(guī)律變化，這種脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的pwm 波形叫做 spwm。如圖所示：圖 1 spwm 示意圖spwm 波的產(chǎn)生方法有計(jì)算法和調(diào)制法，計(jì)算法很繁瑣，不易實(shí)現(xiàn)，所以在這里不作介紹，重點(diǎn)介紹調(diào)制法，即把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào)ru ，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波cu ，通過(guò)信號(hào)波調(diào)制得到所期望的pwm 波形。通常采用等腰三角波作為載波，因?yàn)榈妊遣ㄉ先我稽c(diǎn)的水平寬度和高度呈線性關(guān)系且左右對(duì)稱，當(dāng)它與任何一個(gè)緩慢變化的調(diào)制信號(hào)波相交時(shí)，如果在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)電路中的開關(guān)器件進(jìn)行

9、通斷控制，就可得到spwm 波，常見的 spwm 控制方法有單極性 spwm 控制，雙極性 spwm 控制。武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書6 4 濾波器設(shè)計(jì)采用 spwm 控制方式輸出的電壓波形中含有基波同時(shí)含有與載波頻率整數(shù)倍及其附近的諧波，載波比越高，最低次諧波離基波便越遠(yuǎn)，也容易進(jìn)行濾波。比較常用的是 lc低通濾波器，其電路圖如下圖所示：圖 2 lc 低通濾波器通過(guò)適當(dāng)?shù)倪x取濾波器的截止頻率：1=2*lflc使其遠(yuǎn)小于pwm 電壓中所含有的最低次諧波頻率，同時(shí)又遠(yuǎn)大于基波頻率，就可以在輸出端得到較為理想的正弦波?？梢宰C明上述 lc 低通濾波器的傳遞函數(shù)為：22(s)1=12

10、(s)+1lloiuuss其中l(wèi) lc 諧振角頻率，1=llc；阻尼系數(shù)，1=2lrc；(s)ou濾波器輸出電壓；(s)iu濾波器輸入電壓；s拉普拉斯變換算子。武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書7 5 pwm 逆變器仿真5.1 單相橋式逆變器仿真假設(shè)所有開關(guān)器件都是理想開關(guān)器件，即通態(tài)壓降為零，斷態(tài)壓降為無(wú)窮大，并認(rèn)為各開關(guān)器件的換流過(guò)程在瞬間完成，不考慮死區(qū)時(shí)間。假設(shè)所有的輸入信號(hào)包括觸發(fā)信號(hào)、電源電壓穩(wěn)定，不存在波動(dòng)。利用 matlab/simulink進(jìn)行仿真，在 simulink工作空間中添加下列元件：diode、igbt、dc voltage source 、series

11、plc branch 、multimeter 、current measurement 、powergui 、pulse generator 、floating scope、demux等。利用上述模塊構(gòu)成如下圖所示的單相橋式逆變電路模型。圖 3 單相橋式你變電路圖各個(gè)模塊的參數(shù)如下圖：武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書8 “pulse generator” 中“amplitude ”設(shè)為 1，由于題目要求輸出電壓頻率為 50hz,即周期為 0.02s，所以“ period ” 設(shè)為 0.02，“phase delay ”設(shè)為零，即初始相位為零，這一路脈沖送出去用來(lái)驅(qū)動(dòng)橋臂1 和 3；

12、“pulse generator1 ” 的“phase delay ”設(shè)為 0.01 ，相當(dāng)于延遲半個(gè)周期，以形成與“pulse generator3”互補(bǔ)的觸發(fā)脈沖用來(lái)驅(qū)動(dòng)橋臂2 和 4，其他參數(shù)與“pulse generator3”相同。武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書9 武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書10 仿真后 scope輸出波形如下圖所示：5.2 pwm 仿真仿真圖如下：武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書11 其中 pwm 的封裝為：參數(shù)設(shè)置如下圖：在“universal bridge”模塊的屬性對(duì)話框中，令橋臂數(shù)為2 即構(gòu)成單相橋式逆變電路；在“

13、 dc voltage source ”中將直流電壓值設(shè)為110v ；pwm 發(fā)生器的調(diào)制度設(shè)為0.5 ，頻率設(shè)為 50hz ，載波頻率設(shè)為基波頻率的15 倍，所以令=750cf，即可開始仿真，仿真后scope輸出波形如下圖所示：武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書12 圖 4 pwm仿真波形武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書13 5.3 pwm 逆變器總體模型仿真圖如下：圖 5 pwm 總體模型各個(gè)模型主要參數(shù)設(shè)置如下圖：武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書14 武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書15 仿真結(jié)束后 scope1的輸出波形如下圖所示：武漢理工

14、大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書16 可以觀察到輸出波形基本上為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，周期為0.02s，頻率為 50hz，并可以從 display 顯示有效值為 220.7v，基本上滿足設(shè)計(jì)要求。武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書17 6 心得體會(huì)本次課程設(shè)計(jì) pwm 逆變器的兩種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)以及3 種逆變器電路的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。同時(shí)，也加深了我對(duì)dc-dc 、逆變器電路、 pwm 控制技術(shù)等知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，特別是matlab ，在做課設(shè)的過(guò)程中，我對(duì)matlab 中的仿真部分 simulink有了更加深刻的了解。此次課程設(shè)計(jì)主要運(yùn)用了電力電子技術(shù)及電力電子裝置的知識(shí)，使我在做課程設(shè)計(jì)的同時(shí)，進(jìn)一步鞏固了在課堂上學(xué)習(xí)到的知識(shí)，同時(shí)也激發(fā)了我們的創(chuàng)新性思想，當(dāng)然，在做課設(shè)的過(guò)程中，我也遇到了許多問(wèn)題，但經(jīng)過(guò)我的努力和同學(xué)間的交流學(xué)習(xí)，慢慢克服了這些問(wèn)題，最終完成了課程設(shè)計(jì)及報(bào)告。另外，通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，我也發(fā)現(xiàn)了自己的許多不足，如對(duì)課本知識(shí)不夠了解，對(duì) matlab 這種常用軟件的使用還太不熟悉。所以在以后的學(xué)習(xí)中，我應(yīng)更加努力，提高自己