單相逆變電源Matlab仿真研究

1、學(xué)號：課程設(shè)計目單相逆變電源Matlab仿真研究學(xué)院自動化學(xué)院專業(yè)自動化專業(yè)班級姓名指導(dǎo)教師2012年12月 28日任務(wù)書學(xué)生： 專業(yè)班級：指導(dǎo)教師： 工作單位：自動化學(xué)院題目：單相逆變電源Mat lab仿真研究初始條件：輸入直流電壓：100V。要求完成的主要任務(wù)：（包括課程設(shè)計工作雖:及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、輸出220V單相交流電。2、建立單相逆變器Matlab仿真模型。3、進(jìn)行仿真實驗，得到單相交流電波形。時間安排：課程設(shè)計時間為兩周，將其分為三個階段。第一階段：復(fù)習(xí)有關(guān)知識，閱讀課程設(shè)計指導(dǎo)書，搞懂原理，并準(zhǔn)備收集設(shè)計資料，此階段約占總時間的20%。第二階段：根據(jù)設(shè)計

2、的技術(shù)指標(biāo)要求選擇方案，設(shè)計計算。約占總時間的40% o第三階段：完成設(shè)計和文檔整理，約占總時間的40%。指導(dǎo)教師簽名：年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名:目錄摘要1ABSTRACT21設(shè)計意義及要求31.1設(shè)計意義31.2設(shè)計要求32方案設(shè)計42. 1設(shè)計思路42. 2方案設(shè)計43部分電路設(shè)計53. 1單相橋式PWM逆變電路53. 1. 1SPWM逆變器的工作原理53.1.2單相橋式PWM逆變電路63.2升壓變壓電路73. 3濾波電路84仿真建模84. 1 Si mu I ink仿真環(huán)境84.2單相橋式逆變電路仿真建模104.3逆變電源仿真建模105仿直宜王卬115. 1、單相逆變電路仿真實

3、現(xiàn)115.2逆變電源仿真實現(xiàn)126心得體會14參考文獻(xiàn)15摘要隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，可控電路直流電動機(jī)控制，可變直流電源等 方面得到了廣泛的應(yīng)用，而這些都是以逆變電路為核心?，F(xiàn)如今，逆變器的應(yīng)用 非常廣泛，在已有的各種電源中，蓄電池，、干電池、天陽能電池都是直流電源, 需要這些電源向交流負(fù)載供電時，就需要逆變。列外，交流電機(jī)調(diào)速變頻，感 應(yīng)加熱電源等使用廣泛的電力電子設(shè)備，都是以逆變電路為核心。PWM控制技 術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最為廣泛，對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，絕大多數(shù)都是PWM型逆變電路?？梢哉fPWM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

4、熟，從而確定了它在電力電子技術(shù)中 的重要地位。本文建立了基于Matlab的單相橋式SPWM逆變電路的動態(tài)模型給出了仿 真的實例與仿真結(jié)果，驗證了模型的正確性，并展現(xiàn)了 Matlab仿真具有的快捷, 靈活，方便，直觀的優(yōu)點，從而為電力電子電力的數(shù)學(xué)及設(shè)計提供了有效的工具。關(guān)鍵字：單相橋式逆變電路SPWM Mat lab仿真ABSTRACTWith the continuous development of power electronic technology, controlled circuit de motor control, variable de power supply, etc

5、a wide range of applications, and these are inverter circuit as the core Nowadays, the inverter is widely applied in all kinds of power supply has been, battery, battery, day Yang can battery are de power supply, when need the power supply to the ac load power supply, they need to inverter. In addit

6、ion, ac motor speed control frequency conversion, induction heating power supply, the use of a wide range of power electronic equipment, are inverter circuit as the core PWM control technology in the application of inverter circuit most widely, the inverter circuit is the most profound influence. No

7、w a lot of application of inverter circuit, the vast majority are PWM type inverter circuit. Can say PWM control technology in inverter circuit is depends on the application, to develop more mature, so as to determine the power electronic technology in the important position.This paper established b

8、ased on Matlab single-phase bridge SPWM inverter circuit dynamic model gives the simulation examples and simulation results, the accuracy of the model is proved, and show the Matlab simulation is fast, agile, convenient, intuitive advantages, thus for power electronic power of mathematics and is des

9、igned to provide an effective tool.Key words: single-phase bridge inverter circuit SPWM Matlab simulation單相逆變電源Mat I ab仿真研究1設(shè)計意義及要求1 1設(shè)計意義通過對電力電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)和模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 的學(xué)習(xí)，我們掌握了各種電路以及一些元器件芯片的結(jié)構(gòu)、工作原理以及各元器 件芯片的功能及使用方法，不過這些都只是理論上的知識，通過本次課程設(shè)訃， 我們可以將理論所學(xué)的知識與實踐聯(lián)系起來，不僅加深了我們對理論知識的理 解，而且訓(xùn)練了我的創(chuàng)新思維，也提高了我綜合解決問題的能

10、力。通過對單相逆變電源的學(xué)習(xí)和研究，我對單相逆變電源的理解更深入了一 些，對其工作原理以及其在各方面的應(yīng)用有了更進(jìn)一步的了解，同時也對單相逆 變電源的各項指標(biāo)要求的設(shè)計方法有了一個大體的了解?？傊ㄟ^本次課程設(shè) 計，加深了對理論知識的理解及掌握，還學(xué)到了許多課本上學(xué)不到的知識，通過 理論聯(lián)系實際，收獲頗多。1.2設(shè)計要求在初始條件：輸入直流電壓：100V。要求完成的主要任務(wù)：1、輸出220V單相交流電。2、建立單相逆變器Matlab仿真模型。3、進(jìn)行仿真實驗，得到單相交流電波形。2方案設(shè)計2. 1設(shè)計思路本次課程設(shè)計的要對單相逆變電源進(jìn)行Matlab仿真研究，輸入為100V的單 相直流電，輸

11、出為220V的單相交流電，在此可以采用PWM控制技術(shù)和變壓器 的變壓原理來建立單相逆變電源的Matlab仿真模型，并進(jìn)行仿真實驗，從而得 到單相交流電波形。2. 2方案設(shè)計根據(jù)本次課設(shè)要求，可以先將輸入的100V直流電壓通過單相橋式PWM逆 變電路逆變?yōu)榻涣麟妷海悄孀兒蟮玫降慕涣麟妷合鄬^小，因此需要再經(jīng)過 變壓器升壓。因此可將單相電壓型橋式逆變電路和升壓變壓器組合起來，即將逆 變后的電壓作為升壓變壓器的一次側(cè)進(jìn)行升壓，進(jìn)而得到所要求的220V單相交 流電。在此組合電路中可以采用PWM控制技術(shù)中的調(diào)制法來控制單相橋式逆變 電路中各個開關(guān)器件IGBT的通斷。在單相逆變這一部分，這里的逆變電路

12、屬電壓型，采用等腰三角波作為載波 信號，用SPWM進(jìn)行控制。由于該電路的輸出含有諧波，除了使波形具有對稱 性減少諧波和簡化控制外，還需要專門的RLC濾波電路對其進(jìn)行濾波。在升壓 這一部分，比較簡單，只要釆用升壓變壓器即可。逆變采用PWM逆變電路，采 用SPWM作為調(diào)制信號，輸出PWM波形，經(jīng)過濾波電路后再進(jìn)行升壓即可以 得到220V的單相交流電。系統(tǒng)總體框圖如圖2-1所示。并通過Simulink進(jìn)行仿 真。100V DCSPWM調(diào)制信號圖2-1系統(tǒng)總體框圖所以整體電路圖如下圖2-2所示:DiscretePWM Generatorpov/erguiConti nuousdeal Sv/itchP

13、ulsesg:ABLinear Transform甘n已ar Transformer!Fo=50Hz、ScopeFilterFo=50Hzleasurer2nd-OrderFilterlScopelUniversal Bridge圖2-2單相橋式電源整體電路圖3部分電路設(shè)計山圖2-2可知，單相逆變電源電路山單相橋式PWM逆變電路、升壓變壓電 路、濾波電路等三部分組成。七個部分的設(shè)計及原理如下。3.1單相橋式PWM逆變電路3. 1.1SPWM逆變器的工作原理本次課程設(shè)計要求逆變器輸出的是一個正弦交流電壓波形，可以把一個正弦 半波分作N等份，就可以把正弦半波看成是山N個彼此相連的脈沖序列所組成 的

14、波形。這些脈沖寬度相同，但幅值不等，且脈沖頂部是曲線，各脈沖幅值按正 弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代 替，使矩形脈沖的中點與相應(yīng)正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正 弦波部分面積相等，所得到的脈沖序列就是SPWM波形。同樣，正弦波的負(fù)半 周也可用相同的方法來等效。它們都是基于面積等效原理。在此課設(shè)中的一系列 脈沖波形就是所期望的逆變器輸出SPWM波形。山于各脈沖的幅值相等，所以 逆變器可111恒定的直流電源供電。當(dāng)逆變器各開關(guān)器件都是在理想狀態(tài)下工作 時，驅(qū)動相應(yīng)的各個IGBT的信號也應(yīng)為與形狀相似的一系列脈沖波形。如下圖3-1所示。3.1.2單相

15、橋式PWM逆變電路單相橋式PWM逆變電路具體電路圖如下圖3-2所示，電壓型全橋逆變電路可 看成山兩個半橋電路組合而成，共4個橋臂，橋臂1和4為一對，橋臂2和3 為另一對，成對橋臂同時導(dǎo)通，兩對交替各導(dǎo)通。該電路采用PWM控制技術(shù)，設(shè) 調(diào)制信號山為正弦波，載波4在u的正半周為正極性的三角波，在的負(fù)半周 為負(fù)極性的三角波。在u和a的交點時刻控制IGBT的通斷。在的正半周，VI 保持通態(tài)，V2保持?jǐn)鄳B(tài),當(dāng)uPuc時使V4導(dǎo)通，V3關(guān)斷,uo=Ud；當(dāng)u/a時使V4 關(guān)斷，V3導(dǎo)通，U。二0。在心的負(fù)半周期，VI保持?jǐn)鄳B(tài)，V2保持通態(tài)，當(dāng)uXuc 時使V3導(dǎo)通，V4關(guān)斷，u。二-匕；當(dāng)uu時使V3關(guān)斷

16、，V4導(dǎo)通，u。二0,這樣 就得到SPWM波形u。像這種在的半個周期三角波載波只在正極性或負(fù)極性一 種極性圍變化，所得到的PWM波形也只在單個極性圍變化的控制方式稱為單極性 PWM控制方式。通過調(diào)制電路來控制各IGBT的通斷從而獲得交流波形。圖3-2單相橋式PWM逆變電路對電壓波形進(jìn)行定量分析將幅值為U0的矩形波展開成傅里葉級數(shù),= fsin6yr + -sin3 + -sin5 +3571其中基波幅值Uolm和基波有效值Uol分別為%2"=2皿_。叫7T3.2升壓變壓電路要得到220V的交流電，必須在輸出量較小的逆變電路后加一個升壓電路，在此 可以將逆變電路的輸出側(cè)接到升圧變壓器的

17、輸入端，通過修改變壓器的參數(shù)就可 以得到所需要的交流電壓。升壓變壓器如圖3-3所示。圖3-3升壓變壓器3. 3濾波電路根據(jù)SPWM信號特點：1、開關(guān)頻率往往高于基波頻率很多倍；2、開關(guān)頻 率的諧波含量很大。因此，濾波器對通帶平坦度和阻帶衰減速度都有較高的要求。 綜合指標(biāo)較好的濾波器應(yīng)該是采用通帶有最大平坦響應(yīng)的巴特沃斯低通濾波器， 通過增加階數(shù)來提高阻帶衰減速度。SPWM信號較多的出現(xiàn)在變頻器輸出，變 頻器輸出信號電壓高、電流大，不能采用有源濾波器，一般釆用簡單的LC低通 濾波器。LC低通濾波器的電路圖如下圖3-4所示。圖3-4 RLC低通濾波器4仿真建模對于本次課程設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)的總體框圖，

18、可將其分為單相橋式PWM逆變電路（含濾波電路）和變壓器升壓電路兩部分，下面分別對其進(jìn)行仿真建模。4. 1 Simulink仿真環(huán)境Matlab運算功能強(qiáng)大，計算準(zhǔn)確乂快捷：同時Matlab提供的動態(tài)仿真工具Simulink可直接建立電路仿真參數(shù)，并且可以立即得到參數(shù)修改后的仿真結(jié)果， 直觀性強(qiáng)，省去了編程步驟，實體圖形化模型的仿真簡單，方便，能節(jié)省設(shè)計時 間與降低成本。Matlab繪制的圖形尤其準(zhǔn)確，清晰，精美。電力電子技術(shù)領(lǐng)域 通常利用Matlab中的Simulink其中的電氣系統(tǒng)模塊庫（Power System Blockser）建立電力電子裝置的簡化模型并進(jìn)行控制器的設(shè)計和仿真。Simu

19、link是Matlab的重要組成部分，具有提供建立系統(tǒng)模型、選擇仿真參 數(shù)和數(shù)值算法、啟動仿真程序?qū)υ撓到y(tǒng)進(jìn)行仿真、設(shè)置不同的輸出方式來觀察仿 真結(jié)果等功能。Simulink是一種很有效的仿真工具，它能讓使用者在圖形方式下 以最小的代價來模擬真實動態(tài)系統(tǒng)的運行。Simulink準(zhǔn)備有數(shù)白種系統(tǒng)環(huán)節(jié)模 型、最先進(jìn)的有效積分算法和直觀的圖示化工具。依托Simulink強(qiáng)健的仿真能 力，用戶在原型機(jī)制造之前就可建立系統(tǒng)的模型，從而評佔設(shè)計并修復(fù)瑕疵。 Simulink仿真環(huán)境的存在使得Matlab的功能進(jìn)一步增強(qiáng)，主要表現(xiàn)為三方面， 即有模型的可視化，實現(xiàn)了多工作環(huán)境間文件互用和數(shù)據(jù)交換以及把理論和

20、工程 有機(jī)結(jié)合在一起。利用Matlab軟件下的Simulink仿真環(huán)境和電力系統(tǒng)模塊庫 （SimPowerSystems）對電力電子電路進(jìn)行系統(tǒng)仿真是十分簡單和直觀的，用戶 可以用圖形化的方法直接建立起仿真系統(tǒng)的模型，并通過Simulink環(huán)境中的菜 單直接啟動系統(tǒng)的仿真過程，同時也可以將結(jié)果在示波器上顯示岀來。Simulink仿真環(huán)境具有如下的特點：（1）建立動態(tài)的系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真；Simulink是一種圖形化的仿真工具，用于對動態(tài)系統(tǒng)建模和控制規(guī)律的研究 制定。山于支持線性、非線性、連續(xù)、離散、多變量和混合式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，Simulink 兒乎可分析任何一種類型的真實動態(tài)系統(tǒng)。（2）以直觀的

21、方式建模；（3）交互式的仿真分析。本次課程設(shè)訃要求我們學(xué)會使用Matlab軟件的Simulink集成環(huán)境進(jìn)行仿真 的相關(guān)操作，通過對逆變電源的Matlab仿真，輸出使逆變電路輸出的波形符合 條件，同時在仿真過程中需要對仿真圖形里的一些電力電子元件的參數(shù)進(jìn)行設(shè) 置，從而得到題LI要求的輸出電圧的波形，而且通過本次課程設(shè)計的實踐有利于 鞏固電力電子這門學(xué)科的知識，并且能更熟悉Matlab的使用方法及步驟。4. 2單相橋式逆變電路仿真建模本次課程設(shè)計釆用單相橋式PWM逆變電路，電路原理圖如3-2所示。在Matlab>Help 中的搜索欄輸入 Three-Phase Two-Level PWM

22、Voltage Source ConverterSc此電路采用了逆變橋集成塊Universal Bridge 3 arms,在此電路的 基礎(chǔ)上稍作修改，即構(gòu)成單相橋式PWM型逆變電路模型，具體來講可將直流電 源的電壓值即Amplitude改為100V,將逆變橋集成塊Universal Bridge 3 arms 中的參數(shù) Number Of bridge arms 改為 2,將 Discrete PWM Generator 6 pulses 的 參數(shù) Genetor Mode 改為 2-arm bridge(4 pulses),將參數(shù) Sample Time 改為 4. 6e-04,將參數(shù) M

23、odulation Index 改為 0. 87,將參數(shù) Frequency of output voltage 改為 50Hz, Carrier frequency 改為 200Hz。將示波器 Scope 的參數(shù) Time range 改為0.08,在這個逆變電路中的變壓器是用于隔離的，變比設(shè)為1:1,不升降電 壓，此外在輸出時加入一個二階濾波器就，即LC濾波器，將Cut-off frequency 改為50Hz,各個元件的參數(shù)可以根據(jù)需要稍作修改直至輸出電壓符合要求，為了 方便觀察輸岀，應(yīng)在輸出端加上電壓測量裝置Voltage Measurement和示波器 Scope,構(gòu)成的單相橋式PW

24、M逆變電路，如圖4-1所示。powerguiContinuousdeal Sv/itchDiscretePWM GeneratorgFo=50HzUniversal Bridge-a 詢血° leasuremed-Order FilterScopeLinear Transformer圖4-1單相橋式PWM逆變電路4.3逆變電源仿真建模將單相橋式逆變電路的輸岀接到升壓變壓器的一次側(cè)，就得到逆變電源仿真 模型。在逆變部分各元件的參數(shù)已經(jīng)確定的前提下，設(shè)置升壓變壓器的參數(shù)V1 Ph-Ph(Vrms)的值，然后進(jìn)行仿真運行，如果得不到所要波形，則可以不斷地改 變，然后再次進(jìn)行試驗，反復(fù)試驗運

25、行，就可以得到本次課程設(shè)計題LI所要求的 輸出的波形。單相逆變電源的仿真模型如圖4-2所示。Discrete PWM Generator圖4-2逆變電源仿貞模型5仿真實現(xiàn)5.1單相逆變電路仿真實現(xiàn)逆變電路中的參數(shù)主要有離散PWM生成器(Discrete PWM Generator) 中的載波頻率(Carrier frequency)采樣時間(Sample time)、調(diào)制參數(shù) (Modulation index)和輸出電壓頻率(Frequency of output voltage),變圧器 (Transformer)中的繞組參數(shù)(Winding parameters), Three-Phas

26、se Parallel RLC Load模塊中的參考點相電壓(Nominal phase-to-phase voltage)和頻率 (Nominalfrequency) o可以根據(jù)需要改變各個參數(shù)，以達(dá)到所需輸出的波形。 單相橋式逆變電路的仿真波形如圖5-1所示。圖5-1逆變電路仿真波形5. 2逆變電源仿真實現(xiàn)通過對單相橋式逆變電路的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置將逆變電路的輸出電壓調(diào)到50V（峰值）左右，然后再對逆變電源進(jìn)行仿真。若仿真出來的波形不滿足要求的 220V （有效值）交流這一條件，則可以反復(fù)設(shè)置升壓變壓器的參數(shù)以得到所需 要的波形。通過反復(fù)試驗可知，當(dāng)單相橋式逆變電路中的Discrete PWM

27、Generator 4 pulses的參數(shù)Modulation Index為0. 87左右時,輸出的交流電壓 約為40V （峰值），此時的波形如圖5-2所示，輸出電壓是幅值為40V,周期是 0.02s的正弦交流波形。D ScopeI o 回 卻 I00.010.020.030.040.050.060.070.08Time offset: 0.03圖5-2逆變電源逆變部分的輸岀波形改變單相逆變電源仿真模型中的升壓變壓器的參數(shù)進(jìn)而來仿真，山理論值進(jìn)行計算得升壓變壓器的變比為n = - = = 如，所以設(shè)升壓變壓器的變比為77231 1777.5100:777. 5,若是輸岀波形不是220V交流電則可以改動變壓器參數(shù)再進(jìn)行仿真， 直至輸出波形符合要求（即峰值約為311V）o圖5-3為最終的逆變電源輸出波形。 可見逆變電源輸岀的單相交流電的波形為幅值是311W周期是0. 02s,符合課程 設(shè)計的題LI要求。圖5-3逆變電源輸出波形6心得體會通過本次電力電子技術(shù)課程設(shè)計，我進(jìn)一步熟悉了使用Matlab軟件仿真集 成環(huán)境Simulink對電路進(jìn)行仿真的基本操作方法，同時對課本上的逆變電源電 路的原理有了進(jìn)一步的理解。