三相逆變器仿真

1、學(xué)學(xué) 號：號： 0121111360719課課 程程 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì)題題 目目三相逆變器仿真三相逆變器仿真學(xué)學(xué) 院院自動化學(xué)院自動化學(xué)院專專 業(yè)業(yè)自動化自動化班班 級級自動化自動化 11031103 班班姓姓 名名黃誠黃誠指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師吳勇吳勇20142014年1 1月9 9日武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書I目錄目錄1 概述及設(shè)計(jì)要求 .1 11.1 概述.11.2 設(shè)計(jì)要求.12 方案比較及認(rèn)證 .2 22.1 升壓電路模塊方案選擇.22.2 逆變電路方案選擇.22.3 閉環(huán)反饋電路設(shè)計(jì).22.4 總體電路方案設(shè)計(jì).23 系統(tǒng)原理說明 .4 43.1 升壓斬波電路.43.2 三相電壓型

2、橋式逆變電路.43.3 SPWM 逆變器的工作原理 .53.4 SIMULINK仿真環(huán)境.54 仿真建模.74.1 升壓斬波電路仿真建模.74.2 三相橋式 PWM 逆變電路仿真建模 .84.3 閉環(huán)反饋電路仿真建模 .84. 4 三相逆變電源總體電路仿真建模 .95 仿真結(jié)果 .11115.1 直流升壓斬波電路仿真結(jié)果 .115.2 三相橋式 PWM 逆變電路仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果 .115.3 閉環(huán)反饋電路仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果 .125.4 三相逆變電源總體仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果.136 總結(jié) .1515參考文獻(xiàn).1616武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書1三相逆變器仿真1 概述及設(shè)計(jì)要求1.1 概述電力電子技術(shù)

3、是一門新興的應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，就是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT等）對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)的應(yīng)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(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調(diào)等家用電器及其他領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。PWM控制技術(shù)就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)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(shù)的重要基礎(chǔ)理論。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(shè)置方法。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真

4、工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)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(yīng)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。1.2 設(shè)計(jì)要求本設(shè)計(jì)要求輸入 200V 直流電壓，采用 PWM 斬波控制技術(shù)，得到輸出為380V、50HZ 三相交流電，并且建立 Matlab 仿真模型，得到實(shí)驗(yàn)波形。武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書22 方案比較及認(rèn)證2.1 升壓電路模塊方案選擇方案一：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(jìn)行控制，所以放棄此方案。方案二：通過斬波電路來提高電壓，然后進(jìn)行逆變和濾波，在本次

5、設(shè)計(jì)中采用此方案，即通過升壓斬波電路來控制輸出的直流電壓，這樣可以達(dá)到便于控制的目的。方案三：先進(jìn)行逆變，然后進(jìn)行斬波電路升壓，由于本次設(shè)計(jì)需要產(chǎn)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。方案四：也是先進(jìn)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(jìn)行輸出電壓值的控制，而且會用到三個變壓器，比較麻煩。本次設(shè)計(jì)中采用方案二，經(jīng)過升壓斬波電路升壓，然后進(jìn)行逆變和濾波。2.2 逆變電路方案選擇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(cè)電源性質(zhì)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

6、作為載波，用SPWM進(jìn)行雙極性控制。該電路的輸出含有諧波，需要專門的濾波電路進(jìn)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(cè)得到題目要求的380V、50Hz三相交流電，不過容易受負(fù)載影響輸出電壓的值。2.3 閉環(huán)反饋電路設(shè)計(jì)為了讓輸出電壓更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確，所以在本次設(shè)計(jì)仿真建模中很有必要進(jìn)行閉環(huán)反饋電路的設(shè)計(jì)，在三相電壓輸出側(cè)進(jìn)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(jìn)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(chǎn)生我們所需要的進(jìn)行升壓斬波的 PWM波，對直流斬波電路中 IGBT

7、 的通斷控制進(jìn)而產(chǎn)生理想的輸出電壓值。2.4 總體電路方案設(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，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(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 1 所示。武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書3圖1 系統(tǒng)總體框圖武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書43 系統(tǒng)原理說明3.1 升壓斬波電路假設(shè) L 值、C 值很大。V 通時，E 向 L 充

8、電，充電電流恒為 I1，同時 C 的電壓向負(fù)載供電，因 C 值很大，輸出電壓 uo為恒值，記為 Uo。設(shè) V 通的時間為 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(fù)載 R 供電。 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。圖 2 升壓斬波電路原理圖3.2 三相電壓型橋式逆變電路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(diào)制信號、和一次相差 120。U、V 和 W 各相功率開關(guān)器件curUurVurWu的控制規(guī)律相同，現(xiàn)以 U

9、 相為例來說明。當(dāng)時，給上橋臂以導(dǎo)通信號，給下橋rUucu1V臂以關(guān)斷信號，則 U 相相對于直流電源假想中點(diǎn)的輸出電壓。當(dāng)HelpDemosSimulinkSimPowerSystemsGeneral 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-Phasse Parallel RLC Load 模塊構(gòu)成，不需另加濾波電路。在此電路的基礎(chǔ)上稍作修改，即構(gòu)成三相橋式 PWM 型逆變電路模型，如圖 6 所示。其中變壓器僅

10、起隔離作用，不對電壓進(jìn)行升降。圖 6 三相橋式 PWM 型逆變電路模型4.3 閉環(huán)反饋電路仿真建模閉環(huán)反饋電路的設(shè)計(jì)是為了讓輸出電壓更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確，通過上面的方案論證決定武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書9在三相電壓輸出側(cè)進(jìn)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(jìn)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(chǎn)生我們所需要的進(jìn)行升壓斬波的 PWM 波，對直流斬波電路中 IGBT 的通斷控制進(jìn)而產(chǎn)生理想的輸出電壓值。其仿真模型電路圖如圖 7 所示。圖 7 閉環(huán)反饋電路仿真模型4

11、. 4 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)過處理后產(chǎn)生的 PWM 波連接到直流升壓斬波電路的開關(guān)器件 IGBT 的控制端，這樣就得到本次設(shè)計(jì)的逆變電源的總體仿真模型，如圖 8 所示。武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書10圖 8 逆變電源總體電路仿真武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書115 仿真結(jié)果5.1 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，開關(guān)器件

12、IGBT 和二極管 Diode 使用默認(rèn)參數(shù)，其他器件的參數(shù)可以通過調(diào)試和參考資料進(jìn)行設(shè)置。如果改變開關(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(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，電容值過小輸出波形會持續(xù)震蕩，應(yīng)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(fù)改變各元件參數(shù)，直到得到滿意的結(jié)果。如下圖即為當(dāng)占空比為 50%的時候，仿真建模得到的輸出波形，該波形是在 Scope中觀察到的。圖 9 直流升壓斬波電路仿真波形很

13、顯然，當(dāng)占空比為 50%時輸出電壓應(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。5.2 三相橋式 PWM 逆變電路仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果這里說的三相橋式 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，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(diào)試和研究，將各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定好。在設(shè)計(jì)中要求輸出交流電為 380V，武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書12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

14、 220V，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2689.85V，離散 PWM 生成器的調(diào)制參數(shù) m=0.98 時輸出電壓滿足要求。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。圖 10 三相橋式 PWM 逆變電路仿真波形5.3 閉環(huán)反饋電路仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果經(jīng)過閉環(huán)反饋電路得到的輸出 PWM 波形（占空比為 71.1%）如圖 11 所示：武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書13圖 11 閉環(huán)反饋電路產(chǎn)生 PWM 波形5.4 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，再對逆變電源進(jìn)行仿真。反復(fù)調(diào)節(jié)參數(shù)知

15、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，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。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(fù)載的影響也較小。武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書14圖 1

16、2 三相逆變電源升壓斬波電路輸出波形圖 13 三相逆變電源仿真結(jié)果圖武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書156 總結(jié)在課程設(shè)計(jì)中，我認(rèn)識到對生活當(dāng)中具體事物的抽象概括和數(shù)學(xué)推理能力的重要性，當(dāng)我們面對一個陌生的事物，如何將轉(zhuǎn)化為我們所學(xué)的知識，這種能力是很重要的。可以說整個設(shè)計(jì)中最麻煩的就是把一些在課本中學(xué)到的知識在 Matlab 中進(jìn)行仿真得到正確的結(jié)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(shè)計(jì)，我學(xué)會了使用Matlab 軟件仿真集成環(huán)境 Simulink 進(jìn)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(jìn)一步的理解。在使用 Matlab 的 S

17、imulink 進(jìn)行仿真時，很多時候波形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(xì)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(shè)定，采用自動定標(biāo)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(shí)踐能力，對于一些常用的軟件也要更加努力的學(xué)習(xí)，以求熟練掌握使用。這次課程設(shè)計(jì)使我認(rèn)識到學(xué)好一門技術(shù)的重要性。我們既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(xué)習(xí)生活中一定要更加努力的學(xué)習(xí)、體驗(yàn)、提高，從各方面充實(shí)自己。武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書16 參考文獻(xiàn)1 王兆安等. 電力電子技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.52 薛定宇. 基于 Matlab/Simulink 的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用. 北京：清華大學(xué)出版社，20063 王丹力等. Matlab 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真、應(yīng)用. 北京:中國電力出版社, 20074 周建興等. MATLAB 從入門到精通. 北京：人民郵電出版社，20085 陳國呈. PWM 逆變技術(shù)及應(yīng)用. 北京：中國電力出版社, 2007本科生課程設(shè)計(jì)成績評定表本科生課程設(shè)計(jì)成績評定表姓姓 名名黃誠黃誠性性 別別男男專業(yè)、班級專業(yè)、班級自動化自動化 11031103 班班課程