課程設計---三相逆變器仿真

1、<p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　題 目: 三相逆變器仿真</p><p><b>　　初始條件：</b></p><p>　　輸入200V直流電壓.</p><p>　　要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求

2、）</p><p>　　1、得到輸出為380V、50HZ三相交流電；</p><p>　　2、采用PWM斬波控制技術；</p><p>　　3、建立Matlab仿真模型；</p><p><b>　　4、得到實驗波形。</b></p><p><b>　　時間安排：</b>&

3、lt;/p><p>　　課程設計時間為兩周，將其分為三個階段。</p><p>　　第一階段：復習有關知識，閱讀課程設計指導書，搞懂原理，并準備收集設計資料，此階段約占總時間的20%。</p><p>　　第二階段：根據(jù)設計的技術指標要求選擇方案，設計計算。</p><p>　　第三階段：完成設計和文檔整理，約占總時間的40%。</p>

4、;<p>　　指導教師簽名： 年 月 日</p><p>　　系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　電力電子技術是一門新興的應用于電力領域的電子技術，就是使用電力電子器件（如晶閘管，G

5、TO，IGBT等）對電能進行變換和控制的技術。電力電子技術的應用范圍十分廣泛，它不僅用于一般工業(yè)，也廣泛用于交通運輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調等家用電器及其他領域中也有著廣泛的應用。</p><p>　　PWM控制技術就是對脈沖的寬度進行調制的技術，即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值）；面積等效原理是PWM技術的重要基礎理論。</p&g

6、t;<p>　　本文主要通過對逆變電源的Matlab仿真，研究逆變電路的輸入輸出及其特性，以及一些參數(shù)的選擇設置方法。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。</p><p>　　關鍵詞：PWM控制技術，Matlab仿真，逆變電路，升

7、壓斬波</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 設計任務及要求分析4</p><p>　　1.1 設計任務及要求4</p><p>　　1.2 要求分析4</p><p>　　2 方案比較及認證5</p><p>　　2.1 升壓電路模塊方

8、案選擇5</p><p>　　2.2 逆變電路方案選擇5</p><p>　　2.3 閉環(huán)反饋電路設計5</p><p>　　2.4 總體電路方案設計6</p><p>　　3 系統(tǒng)原理說明7</p><p>　　3.1 升壓斬波電路7</p><p>　　3.1.1 升壓斬波電路原

9、理圖7</p><p>　　3.1.2 原理分析7</p><p>　　3.2 三相電壓型橋式逆變電路8</p><p>　　3.2.1 逆變電路原理圖8</p><p>　　3.2.2 逆變電路原理9</p><p>　　3.3 SPWM逆變器的工作原理9</p><p>　　3.

10、4 Simulink仿真環(huán)境9</p><p><b>　　4 仿真建模11</b></p><p>　　4.1 升壓斬波電路仿真建模11</p><p>　　3.2三相橋式PWM逆變電路仿真建模12</p><p>　　3.3閉環(huán)反饋電路仿真建模13</p><p>　　3.4三相逆變

11、電源總體電路仿真建模14</p><p><b>　　5仿真結果15</b></p><p>　　5.1直流升壓斬波電路仿真結果15</p><p>　　5.2三相橋式PWM逆變電路仿真實現(xiàn)結果16</p><p>　　5.3閉環(huán)反饋電路仿真實現(xiàn)結果17</p><p>　　5.4三相逆

12、變電源總體仿真實現(xiàn)結果18</p><p><b>　　6 總結20</b></p><p><b>　　7 參考文獻21</b></p><p>　　1 設計任務及要求分析</p><p>　　1.1 設計任務及要求</p><p>　　本設計要求輸入200V直流電壓

13、，采用PWM斬波控制技術，得到輸出為380V、50HZ三相交流電，并且建立Matlab仿真模型，得到實驗波形。</p><p><b>　　1.2 要求分析</b></p><p>　　題目中要求的輸出為380V、50Hz三相交流電，顯然不能直接由輸入的200V直流電逆變產生。所以必須對200V直流電進行變換電壓到一定幅值，接著進行逆變和濾波。</p>

14、<p><b>　　2 方案比較及認證</b></p><p>　　2.1 升壓電路模塊方案選擇</p><p>　　方案一：可以利用變壓器對輸入的200V直流電壓直接升壓，接著逆變和濾波，但是此種方案不方便對升壓環(huán)節(jié)進行控制，所以放棄此方案。</p><p>　　方案二：通過斬波電路來提高電壓，然后進行逆變和濾波，在本次設計中采用此

15、方案，即通過升壓斬波電路來控制輸出的直流電壓，這樣可以達到便于控制的目的。</p><p>　　方案三：先進行逆變，然后進行斬波電路升壓，由于本次設計需要產生的是三相交流電壓輸出，逆變之后的升壓就會涉及到三個直流升壓電路，所以也放棄此方案。</p><p>　　方案四：也是先進行逆變，然后通過變壓器升壓，同樣的，也是不能方便的對升壓環(huán)節(jié)進行輸出電壓值的控制，而且會用到三個變壓器，比較麻煩。

16、</p><p>　　本次設計中采用方案二，經(jīng)過升壓斬波電路升壓，然后進行逆變和濾波。</p><p>　　2.2 逆變電路方案選擇</p><p>　　逆變電路采用課本上的三相橋式PWM逆變電路，根據(jù)直流側電源性質不同，逆變電路可分為電壓型逆變電路和電流型逆變電路，這里的逆變電路屬電壓型。采用等腰三角波作為載波，用SPWM進行雙極性控制。該電路的輸出含有諧波，需要

17、專門的濾波電路進行濾波。濾波電路采用RC濾波電路。經(jīng)過逆變電路和濾波電路就可以在三相電壓輸出側得到題目要求的380V、50Hz三相交流電，不過容易受負載影響輸出電壓的值。</p><p>　　2.3 閉環(huán)反饋電路設計</p><p>　　為了讓輸出電壓更加穩(wěn)定和準確，所以在本次設計仿真建模中很有必要進行閉環(huán)反饋電路的設計，在三相電壓輸出側進行電壓采集，經(jīng)過整流得到電壓幅值，將采集到的電壓值

18、與理想輸出電壓值進行比較，接著將差值經(jīng)過PI環(huán)節(jié)，然后再與等腰三角波比較輸出，此處采用的是單極性PWM波控制方式，產生我們所需要的進行升壓斬波的PWM波，對直流斬波電路中IGBT的通斷控制進而產生理想的輸出電壓值。</p><p>　　2.4 總體電路方案設計</p><p>　　整體方案設計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

19、變電路，采用SPWM作為調制信號，輸出PWM波形，再經(jīng)過濾波電路得到380V、50Hz三相交流電，在電壓輸出側進行電壓采樣進而與理想輸出值比較轉換之后產生所需要的PWM波，控制輸出的穩(wěn)定和準確。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。</p><p><b>　　圖1 系統(tǒng)總體框圖</b></p><p><b>　　3 系統(tǒng)原理說明</b></p>

20、<p>　　3.1 升壓斬波電路</p><p>　　3.1.1 升壓斬波電路原理圖</p><p>　　圖2 升壓斬波電路原理圖</p><p>　　3.1.2 原理分析</p><p>　　假設L值、C值很大。V通時，E向L充電，充電電流恒為I1，同時C的電壓向負載供電，因C值很大，輸出電壓uo為恒值，記為Uo。設V通的時間

21、為ton，此階段L上積蓄的能量為EI1ton。V斷時，E和L共同向C充電并向負載R供電。設V斷的時間為toff，則此期間電感L釋放能量為 。穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等： </p><p><b>　　（1） </b></p><p><b>　　化簡得： </b></p><p><b>　?。?/p>

22、2） </b></p><p>　　，輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路。也稱之為boost變換器 ?！龎罕龋{節(jié)其即可改變Uo。將升壓比的倒數(shù)記作b，即 。b和導通占空比a有如下關系： </p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　因此，式（2）可表示為 ：</p><p>&

23、lt;b>　?。?） </b></p><p>　　升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓的原因 ：L儲能之后具有使電壓泵升的作用，并且電容C可將輸出電壓保持住。</p><p>　　3.2 三相電壓型橋式逆變電路</p><p>　　3.2.1 逆變電路原理圖</p><p>　　圖3三相橋式逆變電路原理圖</p>

24、;<p>　　3.2.2 逆變電路原理</p><p>　　該電路采用雙極性控制方式，U、V和W三相的PWM控制通常公用一個三角載波，三相的調制信號、和一次相差120°。U、V和W各相功率開關器件的控制規(guī)律相同，現(xiàn)以U相為例來說明。當>時，給上橋臂以導通信號，給下橋臂以關斷信號，則U相相對于直流電源假想中點的輸出電壓。當<時，給以導通信號，給以關斷信號，則。和的驅動信號始終是互

25、補的。當給（）加導通信號時，可能是（）導通，也可能是二極管（）續(xù)流導通，這要由阻感負載中電流的方向來決定。V相和W相的控制方式都和U相相同。</p><p>　　3.3 SPWM逆變器的工作原理</p><p>　　由于期望的逆變器輸出是一個正弦電壓波形，可以把一個正弦半波分作N等分。然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用個與此面積相等的等高矩形脈沖來代替，矩形脈沖的中點與正弦波每

26、一等分的中點重合。這樣，由N個等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形為正弦的半周等效。同樣，正弦波的負半周也可用相同的方法來等效。</p><p>　　這一系列脈沖波形就是所期望的逆變器輸出SPWM波形。由于各脈沖的幅值相等，所以逆變器可由恒定的直流電源供電，也就是說，這種交一直一交變頻器中的整流器采用不可控的二極管整流器就可以了。逆變器輸出脈沖的幅值就是整流器的輸出電壓。當逆變器各開關器件都是在理想狀態(tài)下工作時，驅動

27、相應開關器件的信號也應為與形狀相似的一系列脈沖波形，這是很容易推斷出來的。</p><p>　　3.4 Simulink仿真環(huán)境</p><p>　　Simulink是Matlab的仿真集成環(huán)境，是一個實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真的集成環(huán)境。它使Matlab的功能進一步增強，主要表現(xiàn)為：①模型的可視化。在Windows環(huán)境下，用戶通過鼠標就可以完成模型的建立與仿真；②實現(xiàn)了多工作環(huán)境間文件互用和

28、數(shù)據(jù)交換；③把理論和工程有機結合在一起。利用Matlab下的Simulink軟件和電力系統(tǒng)模塊庫(SimPowerSystems)進行系統(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，同時將結果在示波器上顯示出來。本文主要通過對逆變電源的Matlab仿真，研究逆變電路的輸入輸出及其特性，以及一些參數(shù)的選擇設置方法，從而為以后的學習和研究奠定基礎，同時也學

29、習使用Matlab軟件的Simulink集成環(huán)境進行仿真的相關操作。</p><p><b>　　4 仿真建模</b></p><p>　　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，下面分別對其進行仿真建模，然后再進行總體電路的仿真建模。</p><p>　　4.1 升壓斬波電路仿真建模</p&g

30、t;<p>　　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4所示。該電路的基本工作原理是：假設L和C值很大，當V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，充電電流基本恒定為I，同時電容C上的電壓向負載R供電，因為C值很大，基本保持輸出電壓Uo恒定。當V處于斷態(tài)時，電源E和電感L同時向電容C充電，并向負載提供能量。輸出電壓高于電源電壓，關鍵有兩個原因：一是L儲能之后具有使電壓泵生的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住

31、。電路輸出的電壓還要經(jīng)逆變后濾波，故對波形的要求不是很高，與負載電容C取很大，就可以達到濾波的目的，因此不需另外添加濾波電路。</p><p>　　圖4 直流升壓斬波電路原理</p><p>　　由于本次設計著重于在Matlab中進行仿真建模，所以對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_SimulinkLibraryBrowser，在分類菜單中查找所需元件，也可以直接在查找

32、欄中輸入元件名稱，雙擊查找。在最開始的時候沒有找到電阻、電容和電感，后來經(jīng)過多方努力終于知道了方法，選擇SimPowerSystems下拉菜單Elements類別中的Series RLCBranch，放入窗口后，雙擊該圖標，在BranchType中選擇相應類型，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脈沖生成器PulseGenerator產生，可以雙擊PulseGenerator

33、對占空比進行修改，這是一種很簡單的方法來控制輸出電壓的值。當把元件找齊之后，按照升壓斬波電路原理圖連接電路，為了方便觀察輸出，應在輸出端加上電壓測量裝置VoltageMeasurement，并通過示波器Scope來觀測輸出電壓的波形。所構成的直流升壓斬波電路仿真模型，如圖5所示。</p><p>　　圖5 升壓斬波電路仿真模型</p><p>　　3.2三相橋式PWM逆變電路仿真建模<

34、;/p><p>　　三相橋式PWM型逆變電路的模型可參考Marlab—>Help—>Demos—>Simulink—>SimPowerSystems—>General Demos中的Three-Phase Two-Level PWM Voltage Source Converters。此電路采用了三相逆變橋集成塊Universal Bridge 3 arms，濾波電路也已由Three-P

35、hasse Parallel RLC Load模塊構成，不需另加濾波電路。在此電路的基礎上稍作修改，即構成三相橋式PWM型逆變電路模型，如圖6所示。其中變壓器僅起隔離作用，不對電壓進行升降。</p><p>　　圖6三相橋式PWM型逆變電路模型</p><p>　　3.3閉環(huán)反饋電路仿真建模</p><p>　　閉環(huán)反饋電路的設計是為了讓輸出電壓更加穩(wěn)定和準確，通過

36、上面的方案論證決定在三相電壓輸出側進行電壓采集，經(jīng)過整流得到電壓幅值，將采集到的電壓值與理想輸出電壓值進行比較，接著將差值經(jīng)過PI環(huán)節(jié)，然后再與特定的PWM輸出值比較后與等腰三角波比較輸出，此處采用的是單極性PWM波控制方式，產生我們所需要的進行升壓斬波的PWM波，對直流斬波電路中IGBT的通斷控制進而產生理想的輸出電壓值。</p><p>　　其仿真模型電路圖如圖7所示。</p><p>

37、;　　圖7 閉環(huán)反饋電路仿真模型</p><p>　　3.4三相逆變電源總體電路仿真建模</p><p>　　本次設計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)過處理后產生的PWM波連接到直流升壓斬波電路的開關器件IGBT的控制端，這樣就得到本次設計的逆變電源的總體仿真模型，

38、如圖8所示。</p><p>　　圖8 逆變電源總體電路仿真</p><p><b>　　5仿真結果</b></p><p>　　5.1直流升壓斬波電路仿真結果</p><p>　　分析直流升壓斬波電路的原理，并根據(jù)參考資料設置各項初始參數(shù)，輸入直流電設置為200V，開關器件IGBT和二極管Diode使用默認參數(shù)，其他器

39、件的參數(shù)可以通過調試和參考資料進行設置。如果改變開關器件IGBT的占空比的值，可以改變其輸出電壓值，在仿真過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)過多次調節(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，電容值過小輸出波形會持續(xù)震蕩，應取較大，但過大的電容值會使輸出電壓穩(wěn)定的時間太長。根據(jù)以上規(guī)律反復改變各元件參數(shù)，直到得到滿意的結果。如下圖即為當占空比為50%的

40、時候，仿真建模得到的輸出波形，該波形是在Scope中觀察到的。</p><p>　　圖9 直流升壓斬波電路仿真波形</p><p>　　很顯然，當占空比為50%時輸出電壓應該為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。</p><p>　　5.2三相橋式PWM逆變電路仿真實現(xiàn)結果<

41、/p><p>　　這里說的三相橋式PWM逆變電路包括了濾波電路在進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，要想得到穩(wěn)定且波形較好的380V，50Hz的交流電，必須經(jīng)過多次調試和研究，將各項參數(shù)設定好。在設計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，每相電壓有效值為220V，輸出的正弦波幅值為220V，約為311V。根據(jù)此要求反復調節(jié)各元件參數(shù)，發(fā)現(xiàn)當輸入直流電壓為68

42、9.85V，離散PWM生成器的調制參數(shù)m=0.98時輸出電壓滿足要求。</p><p>　　此時逆變電路的輸出波形如圖10三相橋式PWM逆變電路仿真波形所示。</p><p>　　圖10 三相橋式PWM逆變電路仿真波形</p><p>　　5.3閉環(huán)反饋電路仿真實現(xiàn)結果</p><p>　　經(jīng)過閉環(huán)反饋電路得到的輸出PWM波形（占空比為71.

43、1%）如圖11所示：</p><p>　　圖11 閉環(huán)反饋電路產生PWM波形</p><p>　　5.4三相逆變電源總體仿真實現(xiàn)結果</p><p>　　首先應該將升壓斬波電路的輸出電壓調到689.85V左右，再對逆變電源進行仿真。反復調節(jié)參數(shù)知當直流升壓斬波電路中PWM脈沖生成器的占空比達到71.1%時，輸出的直流電壓約為690V，此時的波形如圖12三相逆變電源升

44、壓斬波電路輸出波形所示，輸出電壓先大幅震蕩，大約0.038s后，穩(wěn)定在690V左右。</p><p>　　三相逆變電源的最終輸出電壓波形如下圖13所示，由圖中可以清楚地看出三相電壓的最大值均為311V，滿足輸出線電壓為380V的要求，且周期也都是0.02s，也就是符合輸出交流電為50Hz的要求，同時三相電壓依次相差120°，輸出的波形也比較好。同時由于反饋電路的存在，使其抗干擾能力也大為提高，受負載的影

45、響也較小。</p><p>　　圖12三相逆變電源升壓斬波電路輸出波形</p><p>　　圖13三相逆變電源仿真結果圖</p><p><b>　　6 總結</b></p><p>　　經(jīng)過一個星期的課程設計，的確收獲了很多，感覺自己對于電力電子技術這門課程有了更加深刻的認識。因為把平時所學的知識應用于實踐真的會遇到很

46、多問題，當然也會發(fā)現(xiàn)有很多樂趣在其中?？梢哉f整個設計中最麻煩的就是把一些在課本中學到的知識在Matlab中進行仿真得到正確的結果。這個過程是十分繁瑣的，也是很鍛煉人的。通過本次課程設計，我學會了使用Matlab軟件仿真集成環(huán)境Simulink進行仿真的基本操作方法，也對直流斬波電路、逆變電源的原理和閉環(huán)控制的思想都有了進一步的理解。</p><p>　　在使用Matlab的Simulink進行仿真時，很多時候波形

47、不一定能夠快速正確的出現(xiàn)，這個時候就要好好研究其深層次的原理，同時要注意Matlab的仿真的一些細節(jié)，例如哪里可以接線哪里不行，電路接不接地，仿真時間的設定，采用自動定標器Autoscale觀察波形等。這些軟件的使用技巧在仿真的時候顯得尤為重要！以后自己一定要多多注重培養(yǎng)自己的實踐能力，對于一些常用的軟件也要更加努力的學習，以求熟練掌握使用。</p><p>　　這次課程設計使我認識到學好一門技術的重要性。我們既

48、要牢固掌握課本的基本知識，又要掌握基本的操作技能，這兩者是密不可分的。以后的學習生活中一定要更加努力的學習、體驗、提高，從各方面充實自己。</p><p><b>　　7 參考文獻</b></p><p>　　[1] 王兆安等. 《電力電子技術》. 北京：機械工業(yè)出版社，2009.5</p><p>　　[2] 薛定宇. 《基于Matlab/S

49、imulink的系統(tǒng)仿真技術與應用》. 北京：清華大學出版社，2006</p><p>　　[3] 王丹力等. 《Matlab控制系統(tǒng)設計、仿真、應用》. 北京:中國電力出版社, 2007</p><p>　　[4] 周建興等. 《MATLAB從入門到精通》. 北京：人民郵電出版社，2008</p><p>　　[5] 陳國呈. 《PWM逆變技術及應用》. 北京：中