三相橋式PWM逆變器仿真研究-城建課設(shè)

1、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)課題：三相橋式PWM逆變器仿真研究系 別： 專(zhuān) 業(yè)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 成 績(jī)：河南城建學(xué)院 目錄一、設(shè)計(jì)目的2二、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2三、方案設(shè)計(jì)21、三相橋式PWM逆變電路的工作原理22、狀態(tài)空間模型33、系統(tǒng)的可控性和可觀測(cè)性63.1 可控性判斷63.2 可觀測(cè)性判斷64、整體方案設(shè)計(jì)75、仿真建模75.2三相橋式PWM逆變電路仿真建模95.3三相逆變電源總體電路仿真建模116、仿真結(jié)果116.1直流升壓斬波電路仿真結(jié)果116.2三相橋式PWM逆變電路仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果126.3閉環(huán)反饋電路仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果136.4三相逆變電源總體仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果13四、心得體會(huì)15五、參考文獻(xiàn)16

2、一、設(shè)計(jì)目的隨著電力電子技術(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正弦脈寬調(diào)制法這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，具有開(kāi)關(guān)頻率固定，控制和調(diào)節(jié)性能好，能消除諧波使輸出電壓只含有固定頻率的高次諧波分量，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等一系列有點(diǎn)，是一種比較好的波形改善法。它的出現(xiàn)為中小型逆變器的發(fā)展起了重要的推動(dòng)作用。PWM技術(shù)成為目前應(yīng)用最為廣泛的逆變用PWM技術(shù)。因此，研究PWM逆變器的基本工作原理和作用特性意義十分重大。二、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求自擬負(fù)載，可選用電機(jī)或阻感負(fù)載等，畫(huà)出系統(tǒng)主電路和控制電路的結(jié)構(gòu)圖，并進(jìn)行仿真或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的合理性。三、方案設(shè)計(jì)1、三相橋式PWM逆變電路的

3、工作原理圖1 三相橋式PWM型逆變電路圖1是三相橋式逆變電路，這種電路采用雙極性控制方式。U、V和W三相的PWM控制通常公用一個(gè)三角波載波，三相的調(diào)制信號(hào)、和依次相差120°。U、V和W各相功率開(kāi)關(guān)器件的控制規(guī)律相同，現(xiàn)以U為例來(lái)說(shuō)明。當(dāng)時(shí)，上橋臂V1導(dǎo)通，下橋臂V4關(guān)斷，則U相相對(duì)于直流電源假想中點(diǎn)的輸出電壓 。當(dāng)時(shí)，V4導(dǎo)通，V1關(guān)斷，則。 V1和V4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)始終是互補(bǔ)的。當(dāng)給V1(V4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是二極管VD1(VD4)續(xù)流導(dǎo)通，這要由阻感負(fù)載中電流的方向來(lái)決定。、和的PWM波形都只有兩種電平。 2、狀態(tài)空間模型圖2顯示了L-C輸出濾波器得到

4、的電流和電壓方程。圖2 L-C輸出濾波器得到的電流和電壓方程根據(jù)基爾霍夫定律，節(jié)點(diǎn)a、b、c可列出下列電流方程方程節(jié)點(diǎn)a： （1-1）節(jié)點(diǎn)b： （1-2）節(jié)點(diǎn)c： （1-3） 其中， （1-4）由以上四式計(jì)算可得： （1-5）根據(jù)基爾霍夫定律，可列出逆變電路輸出部分的電壓方程： （1-6）由（1-6）式可轉(zhuǎn)化為： (1-7)根據(jù)基爾霍夫定律，可以列出負(fù)載回路的電壓方程： （1-8）由（1-8）可以轉(zhuǎn)化成 (1-9)由此可將（1-5）、（1-7）、（1-9）寫(xiě)成矩陣的形式： （1-10） 其中， ，L根據(jù)（1-10）我們可以建立此模型的狀態(tài)空間模型：狀態(tài)方程：輸出方程：其中，狀態(tài)向量，輸入向量，

5、輸出向量系統(tǒng)矩陣，輸入矩陣，輸出矩陣，直接傳遞矩陣D=03、系統(tǒng)的可控性和可觀測(cè)性3.1 可控性判斷 用可控性的秩判據(jù)來(lái)判斷系統(tǒng)能控性，系統(tǒng)狀態(tài)完全能控的充分必要條件是能控性矩陣滿秩，即。MATLAB中的ctrb指令求出可控性矩陣，=9，由于可控性矩陣滿秩，所以此系統(tǒng)可控。調(diào)用格式為：=ctrb（A,B）>> TA= ctrb (A,B);>> rank(TA)ans = 93.2 可觀測(cè)性判斷用系統(tǒng)可觀測(cè)性的秩判據(jù)來(lái)判斷系統(tǒng)能觀性，系統(tǒng)狀態(tài)完全能觀的充要條件是可觀測(cè)性矩陣滿秩。MATLAB中的obsv指令可以求得可觀測(cè)性矩陣，=9，由于可觀測(cè)性矩陣滿秩，所以此系統(tǒng)可觀

6、。調(diào)用格式為：=obsv（A,C）>> TC= obsv (A,C);>> rank(TC)ans = 94、整體方案設(shè)計(jì)整體方案設(shè)計(jì)為直流斬波電路采用PWM斬波控制的升壓斬波電路，輸出的直流電送往逆變電路。逆變采用三相橋式PWM逆變電路，采用SPWM作為調(diào)制信號(hào)，輸出PWM波形，再經(jīng)過(guò)濾波電路得到380V、50Hz三相交流電，在電壓輸出側(cè)進(jìn)行電壓采樣進(jìn)而與理想輸出值比較轉(zhuǎn)換之后產(chǎn)生所需要的PWM波，控制輸出的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。系統(tǒng)總體框圖如圖2-1所示。圖3 系統(tǒng)總體框圖5、仿真建模根據(jù)系統(tǒng)總體框圖，可將其分為升壓斬波電路，三相逆變電路（含濾波電路）和閉環(huán)反饋電路，下面分別

7、對(duì)其進(jìn)行仿真建模，然后再進(jìn)行總體電路的仿真建模。5.1升壓斬波電路仿真建模升壓斬波電路可以選用基本的升壓斬波電路，升壓斬波電路原理圖如圖3-1所示。該電路的基本工作原理是：假設(shè)L和C值很大，當(dāng)V處于通態(tài)時(shí)，電源E向電感L充電，充電電流基本恒定為I1，同時(shí)電容C上的電壓向負(fù)載R供電，因?yàn)镃值很大，基本保持輸出電壓Uo恒定。當(dāng)V處于斷態(tài)時(shí)，電源E和電感L同時(shí)向電容C充電，并向負(fù)載提供能量。輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個(gè)原因：一是L儲(chǔ)能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住。電路輸出的電壓還要經(jīng)逆變后濾波，故對(duì)波形的要求不是很高，與負(fù)載并聯(lián)的電容C取很大，就可以達(dá)到濾波的目的，因此

8、不需另外添加濾波電路。圖4 直流升壓斬波電路由于本次設(shè)計(jì)著重于在Matlab中進(jìn)行仿真建模，所以對(duì)于各種元器件的查找和仿真使用就顯得尤為重要?？梢韵却蜷_(kāi)SimulinkLibraryBrowser，在分類(lèi)菜單中查找所需元件，也可以直接在查找欄中輸入元件名稱(chēng)，雙擊查找。在最開(kāi)始的時(shí)候沒(méi)有找到電阻、電容和電感，后來(lái)經(jīng)過(guò)多方努力終于知道了方法，選擇SimPowerSystems下拉菜單Elements類(lèi)別中的SeriesRLCBranch，放入窗口后，雙擊該圖標(biāo)，在BranchType中選擇相應(yīng)類(lèi)型，如果是電阻就選擇R，如果是電感就選擇L，選擇完畢后單擊OK按鈕。在仿真中控制IGBT的波形由PWM脈

9、沖生成器PulseGenerator產(chǎn)生，可以雙擊PulseGenerator對(duì)占空比進(jìn)行修改，這是一種很簡(jiǎn)單的方法來(lái)控制輸出電壓的值。當(dāng)把元件找齊之后，按照升壓斬波電路原理圖連接電路，為了方便觀察輸出，應(yīng)在輸出端加上電壓測(cè)量裝置VoltageMeasurement，并通過(guò)示波器Scope來(lái)觀測(cè)輸出電壓的波形。所構(gòu)成的直流升壓斬波電路仿真模型，如圖5所示圖5 升壓斬波電路仿真圖5.2三相橋式PWM逆變電路仿真建模逆變電路可參考三相橋式PWM型逆變電路，其電路圖如圖1所示。該電路采用雙極性控制方式。U、V和W三相的PWM控制通常公用一個(gè)三角載波cu，三相的調(diào)制信號(hào)rUu、rVu和rWu依次相差1

10、20°。U、V和W各相功率開(kāi)關(guān)器件的控制規(guī)律相同，現(xiàn)以U相為例來(lái)說(shuō)明。當(dāng)rUu>cu時(shí)，給上橋臂1V以導(dǎo)通信號(hào)，給下橋臂4V以關(guān)斷信號(hào)，則U相相對(duì)于直流電源假想中點(diǎn)'N的輸出電壓'/2UNduU=。當(dāng)rUu<cu時(shí)，給4V以導(dǎo)通信號(hào)，給1V以關(guān)斷信號(hào)，則'/2UNduU=。1V和4V的驅(qū)動(dòng)信號(hào)始終是互補(bǔ)的。當(dāng)給1V（4V）加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是1V（4V）導(dǎo)通，也可能是二極管1DV（4DV）續(xù)流導(dǎo)通，這要由阻感負(fù)載中電流的方向來(lái)決定。V相和W相的控制方式都和U相相同。電路的波形如圖6所示。圖6三相橋式PWM逆變電路波形采用雙極性方式時(shí)，在ur的半個(gè)周

11、期內(nèi)，三角波載波不再是單極性的，而是有正有負(fù)，所得的PWM形也是有正有負(fù)。在ur的一個(gè)周期內(nèi)，輸出的PWM波只有±Ud兩種電平，而不像單極性控制時(shí)還有零電平。仍然在調(diào)制信號(hào)ur和載波信號(hào)uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制各開(kāi)關(guān)的通斷。在ur的正負(fù)半周，對(duì)各開(kāi)關(guān)器件的控制規(guī)律相同，如下圖7所示圖7 雙極性PWM控制方式波形5.3三相逆變電源總體電路仿真建模本次設(shè)計(jì)的三相逆變電源總體電路包括直流升壓斬波電路，三相橋式PWM逆變電路和閉環(huán)反饋電路，將升壓斬波電路的輸出接到逆變電路的輸入，接著在逆變電路輸出端接上反饋電路，經(jīng)過(guò)處理后產(chǎn)生的PWM波連接到直流升壓斬波電路的開(kāi)關(guān)器件IGBT的控制端，這樣就得到本

12、次設(shè)計(jì)的逆變電源的總體仿真模型，如圖8所示圖11逆變電源總體電路仿真模型6、仿真結(jié)果6.1直流升壓斬波電路仿真結(jié)果分析直流升壓斬波電路的原理，并根據(jù)參考資料設(shè)置各項(xiàng)初始參數(shù)，輸入直流電設(shè)置為200V，開(kāi)關(guān)器件IGBT和二極管Diode使用默認(rèn)參數(shù)，其他器件的參數(shù)可以通過(guò)調(diào)試和參考資料進(jìn)行設(shè)置。如果改變開(kāi)關(guān)器件IGBT的占空比的值，可以改變其輸出電壓值，在仿真過(guò)程中能夠得到很好的體現(xiàn)，符合直流升壓斬波電路的原理。經(jīng)過(guò)多次調(diào)節(jié)各元件參數(shù)發(fā)現(xiàn)，增大PWM波形的占空比或增大電感值，輸出電壓穩(wěn)定值增大。電容的作用主要是使輸出電壓保持住，電容值過(guò)小輸出波形會(huì)持續(xù)震蕩，應(yīng)取較大，但過(guò)大的電容值會(huì)使輸出電壓穩(wěn)

13、定的時(shí)間太長(zhǎng)。根據(jù)以上規(guī)律反復(fù)改變各元件參數(shù)，直到得到滿意的結(jié)果。如下圖12即為當(dāng)占空比為50%的時(shí)候，仿真建模得到的輸出波形，該波形是在Scope中觀察到的圖12 直流斬波電路仿真波形很顯然，當(dāng)占空比為50%時(shí)輸出電壓應(yīng)該為200V的兩倍，即為400V，在仿真得到的波形中可以看到在0.038s后輸出穩(wěn)定的直流電壓400V，效果比較好，滿足要求。6.2三相橋式PWM逆變電路仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果這里說(shuō)的三相橋式PWM逆變電路包括了濾波電路在進(jìn)行逆變電路的仿真中，交流電的輸出波形很容易受到一些參數(shù)的影響。在設(shè)計(jì)中要求輸出交流電為380V，此值為線電壓，則每相電壓有效值為220V，每相輸出的正弦波幅值為22

14、02V，約為311V。根據(jù)此要求反復(fù)調(diào)節(jié)各元件參數(shù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸入直流電壓為689.85V，離散PWM生成器的調(diào)制參數(shù)m=0.98時(shí)輸出電壓滿足要求。此時(shí)逆變電路的輸出波形如圖13三相橋式PWM逆變電路仿真波形所示圖13三相橋式PWM逆變電路仿真波形6.3閉環(huán)反饋電路仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果經(jīng)過(guò)閉環(huán)反饋電路得到的輸出PWM波形（占空比為71.1%）如圖14所示圖14 閉環(huán)反饋電路圖6.4三相逆變電源總體仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果首先應(yīng)該將升壓斬波電路的輸出電壓調(diào)到689.85V左右，再對(duì)逆變電源進(jìn)行仿真。反復(fù)調(diào)節(jié)參數(shù)知當(dāng)直流升壓斬波電路中PWM脈沖生成器的占空比達(dá)到71.1%時(shí)，輸出的直流電壓約為690V，此時(shí)的波形如圖15三相逆變電源升壓斬波電路輸出波形所示，輸出電壓先大幅震