PWM逆變器Matlab仿真

1、武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)：指導(dǎo)教師： 工作單位：題 目：PWM逆變器Matlab仿真初始條件：輸入110V直流電壓；要求完成的主要任務(wù):（包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求， 以及說明書撰寫等具體要求）1、得到輸出為220V 50Hz單相交流電；2、采用PW晰波控制技術(shù)；3、建立Matlab仿真模型；4、得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。時(shí)間安排：課程設(shè)計(jì)時(shí)間為兩周，將其分為三個(gè)階段。第一階段：復(fù)習(xí)有關(guān)知識(shí)，閱讀課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書，搞懂原理，并準(zhǔn)備收集設(shè)計(jì)資料，此階段約占總時(shí)間的 20%第二階段：根據(jù)設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)要求選擇方案，設(shè)計(jì)計(jì)算。第三階段：完成設(shè)計(jì)和文檔整理，約占總

2、時(shí)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 11設(shè)計(jì)方案的選擇與論證 22逆變主電路設(shè)計(jì) 22.1逆變電路原理及相關(guān)概念 22.2逆變電路的方案論證及選擇 32.3建立單相橋式逆變電路的SlMULINK的仿真模型 42.3.1模型假設(shè) 52.3.2利用MATLAB/Simulink進(jìn)行電路仿真 53正弦脈寬調(diào)制（SPWM原理及控制方法的 SIMULINK©真 63.1正弦脈沖寬度調(diào)制（SPWM原理 63.2 SPW波的控制方法 73.2.1雙極性SPW控制原理及Simulink仿真 73.2.2單極性SPW控制原理及Simulink仿真 94升壓電路的分析

3、論證及仿真 114.1 Boost電路工作原理 114.2 Boost電路的 Smulink仿真 125濾波器設(shè)計(jì) 136 PWM逆變器總體模型 157心得體會(huì) 18參考文獻(xiàn) 19武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書PWM逆變器 MATLAB 仿真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，SPWM正弦脈寬調(diào)制這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)是原理簡單，通用性強(qiáng)，具有開關(guān)頻率固定， 控制和調(diào)節(jié)性好，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)對(duì)中小型逆變器的發(fā)展起了重要的推動(dòng) 作用。SPWM技術(shù)成為目前應(yīng)用

4、最為廣泛的逆變用 PWM技術(shù)。因此，研究SPWM逆變 器的基本工作原理和作用特性意義十分重大.本篇論文以IGBT構(gòu)成的單相橋式逆變電路為基礎(chǔ)，討論SPWM波的產(chǎn)生原理及不同 的控制方法，并借助著名的科學(xué)計(jì)算軟件 MATLAB/Simulink，對(duì)SPWM逆變電路進(jìn)行仿 真設(shè)計(jì)，以達(dá)到題目要求的性能指標(biāo)，并進(jìn)行結(jié)果分析。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分 析的集成環(huán)境。Simulink中有一個(gè)專門用于電力系統(tǒng)仿真的 SimPowerSystems工具箱，其中 囊括了幾乎所有的電力電子器件的模型，通過調(diào)用這些模型可以完成對(duì)各種復(fù)雜系統(tǒng)的建 模仿真。

5、關(guān)鍵詞：逆變 SPWM MATLAB/Simulink221設(shè)計(jì)方案的選擇與論證從題目的要求可知，輸入電壓為110V直流電，而輸出是有效值為220V的交流電，所 以這里涉及到一個(gè)升壓的問題，基于此有兩種設(shè)計(jì)思路第一種是進(jìn)行DC-DC升壓變換再進(jìn)行逆變，另一種是先進(jìn)行逆變?cè)龠M(jìn)行升壓。除此之外，要得到正弦交流電壓還要考慮濾 波等問題，所以這兩種方案的設(shè)計(jì)框圖分別如下圖所示：圖1-1方案一：先升壓再逆變圖1-2方案二：先逆變，再升壓方案選擇：方案一：采用DC-DC升壓斬波電路其可靠性高、響應(yīng)速度、噪聲性能好，效率高， 但不適用于升壓倍率較高的場(chǎng)合，另外升壓斬波電路在初期會(huì)產(chǎn)生超調(diào)趨勢(shì)（這一點(diǎn)將在后

6、文予以討論），在與后面的逆變電路相連時(shí)必須予以考慮， 我們可以采用附加控制策略的辦 法來減小超調(diào)量同時(shí)達(dá)到較短的調(diào)節(jié)時(shí)間，但這將增加逆變器的復(fù)雜度和設(shè)計(jì)成本。方案二：采用變壓器對(duì)逆變電路輸出的交流電進(jìn)行升壓，這種方法效率一般可達(dá)90%以上、可靠性較高、抗輸出短路的能力較強(qiáng)，但響應(yīng)速度較慢，體積大，波形畸變較重。從以上的分析可以看出兩種方案有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，但由于方案二設(shè)計(jì)較為簡便，因此 本論文選擇方案二作為最終的設(shè)計(jì)方案，但對(duì)于方案一的相關(guān)內(nèi)容也會(huì)在后文予以討論。2逆變主電路設(shè)計(jì)2.1逆變電路原理及相關(guān)概念逆變與整流是相對(duì)應(yīng)的，把直流電變?yōu)榻涣麟姷倪^程稱為逆變。根據(jù)交流側(cè)是否與交 流電網(wǎng)相連可將

7、逆變電路分為有源逆變和無源逆變，在不加說明時(shí)，逆變一般指無源逆變，本論文針對(duì)的就是無源逆變的情況；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。2.2逆變電路的方案論證及選擇從上面的討論可以看出本論文主要討論單相電壓型無源逆變電路，電壓型逆變電路的 特點(diǎn)除了前文所提及的之外，還有一個(gè)特點(diǎn)即開關(guān)器件普遍選

8、擇全控型器件如IGBT，電力MOSFET等，有三種方案可供選擇，下面分別予以討論：方案一：半橋逆變電路，如下圖所示，其特點(diǎn)是有兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂有一個(gè)可控器 件和一個(gè)反并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個(gè)電容的連 接點(diǎn)為直流電源的中點(diǎn)。反并聯(lián)二極管為反饋電感中儲(chǔ)存的無功能量提供通路，直流側(cè)電 容正起著緩沖無功能量的作用。其優(yōu)點(diǎn)為簡單，使用器件少，缺點(diǎn)為輸出交流電壓的幅值 僅為直流電源電壓的一半，且直流側(cè)需要兩個(gè)電容器串聯(lián)，工作時(shí)還要控制兩個(gè)電容器電 壓的均衡，因此它只適用于幾千瓦以下的小功率逆變電路。Ud/2V1 ”ULR io L*Ud/2uoV2VD1VD2圖2-1

9、半橋逆變電路方案二：全橋逆變電路，如下圖所示：其特點(diǎn)是有四個(gè)橋臂，相當(dāng)于兩個(gè)半橋電路的 組合，其中橋臂1和4作為一對(duì)，橋臂2和3作為一對(duì)，成對(duì)的兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì) 交替各導(dǎo)通180。，其輸出矩形波的幅值是半橋電路的兩倍。全橋電路在帶阻感負(fù)載時(shí)還可 以采用移相調(diào)壓的方式輸出脈沖寬度可調(diào)的矩形波。UdV11V2VD1VD2V3JLV4VD3VD4圖2-2全橋逆變電路方案三：帶中心抽頭變壓器的逆變電路，其主要特點(diǎn)是交替驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IGBT，通過變壓器耦合給負(fù)載加上矩形波電壓。兩個(gè)二極管的作用也是給負(fù)載電感中儲(chǔ)存的無功能量提 供反饋通道，該電路雖然比全橋電路少了一半開關(guān)器件，但器件承受的電壓約為2Ud

10、，比全橋電路高一倍，且必須有一個(gè)變壓器。廠負(fù)載uoUdV1VD1 VD2V2圖2-3帶中心抽頭變壓器的逆變電路方案選擇：全橋電路和帶中心抽頭變壓器的逆變電路的電壓利用率是一樣的，均比半 橋電路大一倍。又由于全橋結(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 路作為逆變器的主電路。2.3建立單相橋式逆變電路的 Simulink的仿真模型231模型假設(shè)1）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)壓降為無窮大，并認(rèn)為各 開關(guān)器件的換流過程在瞬間完成，不考慮死區(qū)時(shí)間。2）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)。2.3.2利用MATLAB/Simulink進(jìn)行電路仿真在S

11、imulink工作空間中添加如下元件：Simscape/SimPower Systems /Power Electronic中的 Diode、IGBT 模塊Simscape/SimPower Systems /Electrical Sources/DC Voltage Sourc模塊Simscape/SimPower Systems /Eleme nts/Series RLC Bran（模塊Simscape/SimPower Systems /Measureme nts/Curre nt MeasurementSimscape/SimPower Systems /Measureme nts/M

12、ultimete模塊Simscape/SimPower Systems /powergu模塊Simuli nk/Source/Pulse Gen erator模 塊Simulink/Sinks/Floating Scope 模塊Simuli nk/Sig nal Rout in g/Demux 模塊利用上述模塊構(gòu)成如下圖所示的單相橋式逆變電路模型ConEnuixjsSw4Eh七;日|噲® HLC B'-di'i&T圖2-4單相橋式逆變電路模型各個(gè)模塊的參數(shù)設(shè)置如下：“ DC Voltage Source” 模塊幅值設(shè)為 110V ；“ powergui”中“

13、Simulation type”選為“continuous”，并且選中 “Enable use of ideal switching device 復(fù)選框；“ Pulse Generator3' 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驅(qū)動(dòng)橋臂1和3；“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)脈沖用來驅(qū)動(dòng)橋臂 2和

14、4,其他參數(shù)與“Pulse Generator3' 相同；“ Solver”求解器算法設(shè)為ode45;仿真時(shí)間設(shè)為5S,之后便可以開始仿真了，仿 真后Scope輸出波形如下圖所示，圖中自上而下依次為負(fù)載的電壓、電流、電源側(cè)電流波 形。圖2-5單相橋式逆變電路Scope輸出波形從圖中可以看出波形與理論上的波形形狀相同，說明此逆變電路工作正常3正弦脈寬調(diào)制（SPWM）原理及控制方法的Simulink仿真3.1正弦脈沖寬度調(diào)制（SPWM）原理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)。即通過對(duì)一系列脈沖寬度進(jìn)行 調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含幅值和形狀）。PWM的一條最基本的結(jié)論是：

15、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 就是我們通常所說的“面積等效”原理。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。示意圖如下圖所示:圖3-1 SPWM示意圖3.2 SPWM波的控制方法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)Ur，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波 ,通過信號(hào)波調(diào)制得到所期望的 PWM波形。通常采用等腰三角波

16、作為載波，因?yàn)榈?腰三角波上任一點(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。3.2.1雙極性SPWM控制原理及Simulink仿真所謂的雙極性是指在調(diào)制信號(hào)波的半個(gè)周波內(nèi)三角載波有正負(fù)兩種極性變化。用調(diào)制 信號(hào)波與三角載波比較的方法可以產(chǎn)生雙極性 SPWM波，其仿真原理圖如下圖所示：圖3-2雙極性SPWM信號(hào)仿真原理圖其輸出波形如下圖所示：圖3-3雙極性SPWM信號(hào)仿真Scope輸出波形圖現(xiàn)用SPWM波產(chǎn)生模塊驅(qū)動(dòng)單相橋式逆

17、變電路工作進(jìn)行仿真，方法是在 Simulink中 選中SPWM產(chǎn)生電路，然后右鍵選擇“ Create Subsystem將其放入到一個(gè)“ Subsystem子 系統(tǒng)）”中，配置好其輸入輸出引腳，然后右擊該模塊，選擇“ Mask Subsystem"對(duì)其進(jìn)行 圭寸裝，圭寸裝后的模塊名取為“ PWM Subsystem'，原理圖如下圖所示：廠Oul1l0UI2OyOOul4Ci»vtinMjoLii IdsaI Swi"cDC Voltflfift SourbEJ腳沖宙口帕樣怡閒uScrips 4 lg Bran<.ii圖3-4雙極性PWM逆變電路仿真模

18、型電路中RLC皆取默認(rèn)值，DC Voltage Source值取為110V，仿真后scope輸出波形如下圖所示：圖3-5雙極性PWM逆變電路Scope輸出波形3.2.2單極性SPWM控制原理及Simulink仿真所謂的單極性是指在調(diào)制信號(hào)波的半個(gè)周波內(nèi)三角載波有零、正或零、負(fù)一種極性變化，單極性型SPWM信號(hào)的產(chǎn)生比雙極性復(fù)雜些，要按調(diào)制波每半個(gè)周期對(duì)調(diào)制波本身或者載波進(jìn)行一次極性反轉(zhuǎn)，其仿真原理圖如下圖所示:圖3-6單極性SPWM信號(hào)仿真原理圖將該模塊做封裝后來驅(qū)動(dòng)單相全橋逆變電路，為了使模型結(jié)構(gòu)更加清晰，本次仿真采用Simulink庫中自帶的“ Universal Bridge（通用橋）”

19、代替由電力電子器件組合而成的橋式逆變電路，仿真模型如下圖所示：SuKIrfHerScopeDiscrete,s = le-0& spawerg u i丄DC Voltage SourceUniversaCurrent MeasurementidgeSeries RLC BranchPWM-圖3-7單極性PWM逆變電路仿真模型在“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“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，所以令仁=750，即

20、可開始仿真，仿真后Scope 輸出波形如下圖所示：圖3-8單極性PWM逆變電路Scope輸出波形4升壓電路的分析論證及仿真前文提到過升壓有兩種方案，一是先進(jìn)行升壓再進(jìn)行逆變，二是先進(jìn)行逆變?cè)龠M(jìn)行升 壓，這一節(jié)主要討論先通過 Boost電路升壓再進(jìn)行逆變的方法。4.1 Boost電路工作原理升壓斬波電路如下圖所示。假設(shè)L值、C值很大，V通時(shí)，E向L充電，充電電流恒為I1，同時(shí)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Uoo設(shè)V通 的時(shí)間為ton，此階段L上積蓄的能量為Eliton o V斷時(shí)，E和L共同向C充電并向負(fù)載R 供電。設(shè)V斷的時(shí)間為toff，則此期間電感L釋放能量為(U。

21、丘兒切，穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期 T中L積蓄能量與釋放能量相等，即El1ton=(Uo-E)l1toff(4-1)化簡得：U0 = E(4-2)toff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。T與toff的比值為升壓比，將升壓比的倒數(shù)記作B ,貝U1(4-3)升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓的原因且電容C可將輸出電壓保持住。:L儲(chǔ)能之后具有使電壓泵升的作用，并iiVDE-J VC ± 氏R圖4-1 Boost電路原理圖4.2 Boost 電路的 Simulink 仿真在Simulink中建立Boost電路的仿真模型，如下圖所示：在“ DC Voltage Sou

22、rce” 中設(shè)置其幅值為110V ;在“ Pulse Generator” 中設(shè)置Period=0.0001S, Pulse Width（占空比）=64.6%，這樣才能使輸出為 311V（220 月 V）。PulselSen &r ato rConliinuo-usDisplayDC Voltage Source MosfelVoltageeasurement圖4-2 Boost電路仿真模型仿真后Multimater輸出波形如下圖所示:Ub: R圖4-3 Boost電路Multimeter輸出波形從圖中可以看出Boost響應(yīng)曲線具有超調(diào)趨勢(shì)，超調(diào)量的大小與L和C值的選取有關(guān), 一般希望

23、超調(diào)量越小越好，紋波越小越好，調(diào)節(jié)時(shí)間越短越好，為了保證這幾點(diǎn)，需要采 用附加控制策略，這樣使系統(tǒng)變得復(fù)雜，經(jīng)過這樣一番分析我決定采用先逆變后升壓的方 法，采用升壓變壓器，其參數(shù)設(shè)置相對(duì)簡便，同時(shí)也可以的到良好的效果。5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：屮&圖5-1 LC低通濾波器通過適當(dāng)?shù)倪x取濾波器的截止頻率：(5-1)12* '、LC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

24、端得到較為理想的正弦波。可以證明上述LC低通濾波器的傳遞函數(shù)為：其中Uo(s)12s2+2(5-2)s+11LC諧振角頻率，l=lc ；阻尼系數(shù),；Uo(s)波器輸出電壓；Uj(s)濾波器輸入電壓；s拉普拉斯變換算子。從其傳遞函數(shù)的形式可以看出它是一個(gè)二階系統(tǒng)，我們可以用MATLAB畫出其波特圖，從而對(duì)LC低通濾波器的特性有一個(gè)直觀的理解，其波特圖如下圖所示：圖5-2 LC低通濾波器的波特圖在MATLAB中有一個(gè)二階濾波器模型叫做“ 2n d-Order Filter”，我們可以直接設(shè)置其 截止頻率，屬性頁如下圖所示：圖 5-3 2nd-Order Filter 屬性頁由于本題希望輸出電壓頻率

25、為50Hz，根據(jù)前面所述，此處截至頻率可取為 100Hz6 PWM逆變器總體模型在Simulink中按下圖接線MNrrck： PWM Gcr.Rn:nSropBHMS逆變 PWM發(fā)主器升壓濾波圖6-1 PWM總體模型各個(gè)模型主要參數(shù)設(shè)置：“ DC Voltage Source”幅值設(shè)為110V；“ Universal Bridge” 設(shè)置為 2 個(gè)橋臂；“ Descrete PWM Generator 中“ Generator Mode"設(shè)置為 2-arm-bridge（4 pulses）; “ Carrier frequency載波頻率）”設(shè)置為 750Hz； “ Modulati

26、on index（調(diào)制深度）”： 0.7,“Frequency of output voltage ” 設(shè)置為 50Hz；“Linear Transformer（線性變壓器）”變 比為 150/611； “ 2nd-Order Filter"中 “Cut-off frequency” 設(shè)為 100Hz； “Series RLC Branch” 中R=50, L = 10-3H ;仿真時(shí)間為10so所有參數(shù)設(shè)置完畢后可以啟動(dòng)仿真，仿真結(jié)束后Scope1 （與濾波器相連的示波器）的輸出波形如下圖所示：圖6-2 Scopel輸出波形Scope輸出波形如下圖所示:圖6-3 Scope輸出波形

27、為了看的的更加清楚，在 Scopel的屬性頁中勾選 Save data to workspace見圖6-4),將數(shù)據(jù)保存到MATLAB工作空間中，在命令窗口中調(diào)用如下命令：>> plot（ScopeData1.time,ScopeData1.sig nals.values,'-r'）>> grid on>> title（'Scope1 輸出波形'）>> xlabel（'時(shí)間 / 秒'）>> ylabel（'幅值 / 伏'）可得到重新繪制的Scope輸出波形見圖6-5

28、9;Scopel' parametersGeneral History 討店CanedApply圖6-4 Scopel屬性頁Scopel輸出波形30020010000002-00-3伏值幅09C；08C；07006C；H004C；03C；02C；004-圖6-5命令行繪制的Scopel輸出波形從圖中6-5中可以看出Scopel輸出波形基本上為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，周期為 0.02S，頻率為50Hz,從圖6-1中可以看出Display顯示有效值為220.2V，基本上滿足設(shè)計(jì)要求。7心得體會(huì)此次課程設(shè)計(jì)首先讓我明白了 PWM逆變器各功能模塊可以擁有不同設(shè)計(jì)方案，每種 方案有其特點(diǎn)和適用范圍。在進(jìn)行課題設(shè)計(jì)的過程