三相逆變器仿真

1、學(xué) 號(hào)：課 程 設(shè) 計(jì)題 目三相逆變器仿真學(xué) 院自動(dòng)化學(xué)院專 業(yè)自動(dòng)化班 級(jí)自動(dòng)化1103班姓 名黃誠(chéng)指導(dǎo)教師吳勇2014年1月9日目錄1 概述及設(shè)計(jì)要求11.1 概述11.2 設(shè)計(jì)要求12 方案比較及認(rèn)證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(shuō)明43.1 升壓斬波電路43.2 三相電壓型橋式逆變電路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7884. 4三相逆變電源總體電路仿真建模95仿真結(jié)果111111125.4 三相逆變電源總體仿真實(shí)現(xiàn)

2、結(jié)果136 總結(jié)15參考文獻(xiàn)16三相逆變器仿真1 概述及設(shè)計(jì)要求1.1 概述電力電子技術(shù)是一門(mén)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(duì)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(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)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(guò)對(duì)逆變電源的Matlab仿真，研究逆變電路的輸入輸

3、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工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)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(hào)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。2 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(duì)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(duì)升壓環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，所以放棄此方案。方案二：通過(guò)斬波電路來(lái)提

4、高電壓，然后進(jìn)行逆變和濾波，在本次設(shè)計(jì)中采用此方案，即通過(guò)升壓斬波電路來(lái)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(huì)涉及到三個(gè)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(guò)變壓器升壓，同樣的，也是不能方便的對(duì)升壓環(huán)節(jié)進(jìn)行輸出電壓值的控制，而且會(huì)用到三個(gè)變壓器，比較麻煩。本次設(shè)計(jì)中采用方案二，經(jīng)過(guò)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

5、的逆變電路屬電壓型。采用等腰三角波作為載波，用SPWM進(jìn)行雙極性控制。該電路的輸出含有諧波，需要專門(mén)的濾波電路進(jìn)行濾波。濾波電路采用RC濾波電路。經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(duì)

6、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。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(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1所示。圖1 系統(tǒng)總體框圖3 系統(tǒng)原理說(shuō)明3.1 升壓斬波電路假設(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Uo。設(shè)V通的時(shí)間

7、為ton，此階段L上積蓄的能量為EI1ton。V斷時(shí)，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(chǔ)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(gè)三角載波，三相的調(diào)制信號(hào)、和一次相差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相為例來(lái)說(shuō)明。當(dāng)時(shí)，給上橋臂以導(dǎo)通信號(hào)，給下橋臂以關(guān)斷信號(hào)，則U相相對(duì)于直流電源假想中點(diǎn)的輸出電壓。當(dāng)HelpDemosSimulinkSimPowerSystemsGeneral Demos

8、中的Three-Phase Two-LevelPWMVoltage Source Converters。此電路采用了三相逆變橋集成塊UniversalBridge 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。其中變壓器僅起隔離作用，不對(duì)電壓進(jìn)行升降。圖6三相橋式PWM型逆變電路模型閉環(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(guò)上面的方案論證決定在三相電壓輸出側(cè)進(jìn)行電壓采集，經(jīng)過(guò)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

9、差值經(jīng)過(guò)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(duì)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. 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(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，這樣就得到本次設(shè)計(jì)的逆變電源的總體仿真模型，如圖8所示。圖8 逆

10、變電源總體電路仿真5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)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。如下圖即為當(dāng)占空比為

11、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9 直流升壓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后輸出穩(wěn)定的直流電壓400V，效果比較好，滿足要求。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，要想得到穩(wěn)定且波形較好的380V，50Hz的交流電，必須經(jīng)過(guò)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，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

12、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，離散PWM生成器的調(diào)制參數(shù)時(shí)輸出電壓滿足要求。此時(shí)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11所示：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，大約后，穩(wěn)定在

13、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，也就是符合輸出交流電為50Hz的要求，同時(shí)三相電壓依次相差120，輸出的波形也比較好。同時(shí)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。圖12三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6 總結(jié)在課程設(shè)計(jì)中，我認(rèn)識(shí)到對(duì)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(duì)一個(gè)陌生的事物，如何將轉(zhuǎn)化為我們所學(xué)的知識(shí)，這種能力是很重要的?？梢哉f(shuō)整個(gè)設(shè)計(jì)中最麻煩的就是把一些在課本中學(xué)到的知識(shí)在Matlab

14、中進(jìn)行仿真得到正確的結(jié)果。這個(gè)過(guò)程是十分繁瑣的，也是很鍛煉人的。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)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(duì)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Simulink進(jìn)行仿真時(shí)，很多時(shí)候波形不一定能夠快速正確的出現(xiàn)，這個(gè)時(shí)候就要好好研究其深層次的原理，同時(shí)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(shí)間的設(shè)定，采用自動(dòng)定標(biāo)器Autoscale觀察波形等。這些軟件的使用技巧在仿真的時(shí)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(duì)于一些常用的軟件也要

15、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(shí)到學(xué)好一門(mén)技術(shù)的重要性。我們既要牢固掌握課本的基本知識(shí)，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。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(guó)電力出版社, 20074周建興等. MATLAB從入門(mén)到精通. 北京：人民郵電出版社，20085 陳國(guó)呈. PWM逆變技術(shù)及應(yīng)用. 北京：中國(guó)電力出版社, 2