單相逆變電源Matlab仿真研究

1、學(xué) 號(hào)： 課 程 設(shè) 計(jì)題 目單相逆變電源Matlab仿真研究學(xué) 院自動(dòng)化學(xué)院專 業(yè)自動(dòng)化專業(yè)班 級(jí)姓 名指導(dǎo)教師2012年12月28日武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 自動(dòng)化學(xué)院 題 目: 單相逆變電源Matlab仿真研究初始條件：輸入直流電壓：100V。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(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)等具體要求）1、輸出220V單相交流電。2、建立單相逆變器Matlab仿真模型。3、進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到單相交流電波形。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(shū)，搞懂

2、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。約占總時(shí)間的40%。第三階段：完成設(shè)計(jì)和文檔整理，約占總時(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： 年 月 日目錄摘要1ABSTRACT21設(shè)計(jì)意義及要求31.1設(shè)計(jì)意義31.2設(shè)計(jì)要求32方案設(shè)計(jì)42.1設(shè)計(jì)思路42.2 方案設(shè)計(jì)43部分電路設(shè)計(jì)53.1單相橋式PWM逆變電路53.1.1SPWM逆變器的工作原理53.1.2單相橋式PWM逆變電路63.2 升壓變壓電路73.3 濾波電路84 仿真建模841 Simulink仿真環(huán)境84.2 單相橋式逆變電路仿真建模10

3、4.3 逆變電源仿真建模105 仿真實(shí)現(xiàn)115.1 單相逆變電路仿真實(shí)現(xiàn)115.2 逆變電源仿真實(shí)現(xiàn)126 心得體會(huì)14參考文獻(xiàn)15摘要隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，可控電路直流電動(dòng)機(jī)控制，可變直流電源等方面得到了廣泛的應(yīng)用,而這些都是以逆變電路為核心。現(xiàn)如今，逆變器的應(yīng)用非常廣泛，在已有的各種電源中，蓄電池，、干電池、天陽(yáng)能電池都是直流電源，當(dāng)需要這些電源向交流負(fù)載供電時(shí)，就需要逆變。另外，交流電機(jī)調(diào)速變頻，感應(yīng)加熱電源等使用廣泛的電力電子設(shè)備，都是以逆變電路為核心。PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最為廣泛，對(duì)逆變電路的影響也最為深刻?，F(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路中，絕大多數(shù)都是PWM型逆變電路?？?/p>

4、以說(shuō)PWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的應(yīng)用，才發(fā)展得比較成熟，從而確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。本文建立了基于Matlab的單相橋式SPWM逆變電路的動(dòng)態(tài)模型給出了仿真的實(shí)例與仿真結(jié)果，驗(yàn)證了模型的正確性，并展現(xiàn)了Matlab仿真具有的快捷，靈活，方便，直觀的優(yōu)點(diǎn)，從而為電力電子電力的數(shù)學(xué)及設(shè)計(jì)提供了有效的工具。關(guān)鍵字：?jiǎn)蜗鄻蚴?逆變電路 SPWM Matlab仿真ABSTRACTWith the continuous development of power electronic technology, controlled circuit dc motor control, va

5、riable dc power supply, etc a wide range of applications, and these are inverter circuit as the core. Nowadays, the inverter is widely applied in all kinds of power supply has been, battery, battery, day Yang can battery are dc power supply, when need the power supply to the ac load power supply, th

6、ey need to inverter. In addition, ac motor speed control frequency conversion, induction heating power supply, the use of a wide range of power electronic equipment, are inverter circuit as the core. PWM control technology in the application of inverter circuit most widely, the inverter circuit is t

7、he most profound influence. Now a lot of application of inverter circuit, the vast majority are PWM type inverter circuit. Can say PWM control technology in inverter circuit is depends on the application, to develop more mature, so as to determine the power electronic technology in the important pos

8、ition. This paper established based on Matlab single-phase bridge SPWM inverter circuit dynamic model gives the simulation examples and simulation results, the accuracy of the model is proved, and show the Matlab simulation is fast, agile, convenient, intuitive advantages, thus for power electronic

9、power of mathematics and is designed to provide an effective tool. Key words: single-phase bridge inverter circuit SPWM Matlab simulation15單相逆變電源Matlab仿真研究1設(shè)計(jì)意義及要求1.1設(shè)計(jì)意義 通過(guò)對(duì)電力電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)和模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)，我們掌握了各種電路以及一些元器件芯片的結(jié)構(gòu)、工作原理以及各元器件芯片的功能及使用方法，不過(guò)這些都只是理論上的知識(shí)，通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我們可以將理論所學(xué)的知識(shí)與實(shí)踐聯(lián)系起來(lái)，不僅加深了我們對(duì)理論知識(shí)

10、的理解，而且訓(xùn)練了我的創(chuàng)新思維，也提高了我綜合解決問(wèn)題的能力。通過(guò)對(duì)單相逆變電源的學(xué)習(xí)和研究，我對(duì)單相逆變電源的理解更深入了一些，對(duì)其工作原理以及其在各方面的應(yīng)用有了更進(jìn)一步的了解，同時(shí)也對(duì)單相逆變電源的各項(xiàng)指標(biāo)要求的設(shè)計(jì)方法有了一個(gè)大體的了解?？傊?，通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，加深了對(duì)理論知識(shí)的理解及掌握，還學(xué)到了許多課本上學(xué)不到的知識(shí)，通過(guò)理論聯(lián)系實(shí)際，收獲頗多。1.2設(shè)計(jì)要求在初始條件：輸入直流電壓：100V。要求完成的主要任務(wù): 1、輸出220V單相交流電。2、建立單相逆變器Matlab仿真模型。3、進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到單相交流電波形。2方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)思路本次課程設(shè)計(jì)的要求是對(duì)單相逆變電源進(jìn)行

11、Matlab仿真研究，輸入為100V的單相直流電，輸出為220V的單相交流電，在此可以采用PWM控制技術(shù)和變壓器的變壓原理來(lái)建立單相逆變電源的Matlab仿真模型，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，從而得到單相交流電波形。2.2 方案設(shè)計(jì)根據(jù)本次課設(shè)要求，可以先將輸入的100V直流電壓通過(guò)單相橋式PWM逆變電路逆變?yōu)榻涣麟妷?，但是逆變后得到的交流電壓相?duì)較小，因此需要再經(jīng)過(guò)變壓器升壓。因此可將單相電壓型橋式逆變電路和升壓變壓器組合起來(lái)，即將逆變后的電壓作為升壓變壓器的一次側(cè)進(jìn)行升壓，進(jìn)而得到所要求的220V單相交流電。在此組合電路中可以采用PWM控制技術(shù)中的調(diào)制法來(lái)控制單相橋式逆變電路中各個(gè)開(kāi)關(guān)器件IGBT的通

12、斷。在單相逆變這一部分，這里的逆變電路屬電壓型，采用等腰三角波作為載波信號(hào)，用SPWM進(jìn)行控制。由于該電路的輸出含有諧波，除了使波形具有對(duì)稱性減少諧波和簡(jiǎn)化控制外，還需要專門的RLC濾波電路對(duì)其進(jìn)行濾波。在升壓這一部分，比較簡(jiǎn)單，只要采用升壓變壓器即可。逆變采用PWM逆變電路，采用SPWM作為調(diào)制信號(hào)，輸出PWM波形，經(jīng)過(guò)濾波電路后再進(jìn)行升壓即可以得到220V的單相交流電。系統(tǒng)總體框圖如圖2-1所示。并通過(guò)Simulink進(jìn)行仿真。單相逆變電路100V DCPWM波濾波電路升壓變壓器35.4V ACSPWM調(diào)制信號(hào)220V AC圖2-1 系統(tǒng)總體框圖所以整體電路圖如下圖2-2所示：圖2-2單相

13、橋式電源整體電路圖3部分電路設(shè)計(jì) 由圖2-2可知，單相逆變電源電路由單相橋式PWM逆變電路、升壓變壓電路、濾波電路等三部分組成。七個(gè)部分的設(shè)計(jì)及原理如下。3.1單相橋式PWM逆變電路3.1.1SPWM逆變器的工作原理本次課程設(shè)計(jì)要求逆變器輸出的是一個(gè)正弦交流電壓波形，可以把一個(gè)正弦半波分作N等份，就可以把正弦半波看成是由N個(gè)彼此相連的脈沖序列所組成的波形。這些脈沖寬度相同，但幅值不等，且脈沖頂部是曲線，各脈沖幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)與相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積相等，所得到的脈沖序列就是SP

14、WM波形。同樣，正弦波的負(fù)半周也可用相同的方法來(lái)等效。它們都是基于面積等效原理。在此課設(shè)中的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。當(dāng)逆變器各開(kāi)關(guān)器件都是在理想狀態(tài)下工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的各個(gè)IGBT的信號(hào)也應(yīng)為與形狀相似的一系列脈沖波形。如下圖3-1所示。圖3-1PWM控制原理圖3.1.2單相橋式PWM逆變電路單相橋式PWM逆變電路具體電路圖如下圖3-2所示，電壓型全橋逆變電路可看成由兩個(gè)半橋電路組合而成，共4個(gè)橋臂，橋臂1和4為一對(duì)，橋臂2和3為另一對(duì)，成對(duì)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì)交替各導(dǎo)通。該電路采用PWM控制技術(shù)，設(shè)調(diào)制信號(hào)ur為

15、正弦波，載波uc在ur的正半周為正極性的三角波，在ur的負(fù)半周為負(fù)極性的三角波。在ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷。在ur的正半周，V1保持通態(tài)，V2保持?jǐn)鄳B(tài)，當(dāng)ur>uc時(shí)使V4導(dǎo)通，V3關(guān)斷，u0=Ud；當(dāng)ur<uc時(shí)使V4關(guān)斷，V3導(dǎo)通，u0=0。在ur的負(fù)半周期，V1保持?jǐn)鄳B(tài)，V2保持通態(tài)，當(dāng)ur<uc時(shí)使V3導(dǎo)通，V4關(guān)斷，u0=- Ud； 當(dāng)ur>uc時(shí)使V3關(guān)斷，V4導(dǎo)通 ,u0=0，這樣就得到SPWM波形u0。像這種在ur的半個(gè)周期內(nèi)三角波載波只在正極性或負(fù)極性一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的PWM波形也只在單個(gè)極性范圍變化的控制方式稱為單極性PWM控

16、制方式。通過(guò)調(diào)制電路來(lái)控制各IGBT的通斷從而獲得交流波形。圖3-2單相橋式PWM逆變電路 對(duì)電壓波形進(jìn)行定量分析將幅值為Uo的矩形波展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)，得其中基波幅值Uo1m和基波有效值Uo1分別為3.2 升壓變壓電路要得到220V的交流電，必須在輸出量較小的逆變電路后加一個(gè)升壓電路，在此可以將逆變電路的輸出側(cè)接到升壓變壓器的輸入端，通過(guò)修改變壓器的參數(shù)就可以得到所需要的交流電壓。升壓變壓器如圖3-3所示。圖3-3升壓變壓器3.3 濾波電路 根據(jù)SPWM信號(hào)特點(diǎn)：1、開(kāi)關(guān)頻率往往高于基波頻率很多倍；2、開(kāi)關(guān)頻率的諧波含量很大。因此，濾波器對(duì)通帶平坦度和阻帶衰減速度都有較高的要求。綜合指標(biāo)較好的

17、濾波器應(yīng)該是采用通帶內(nèi)有最大平坦響應(yīng)的巴特沃斯低通濾波器，通過(guò)增加階數(shù)來(lái)提高阻帶衰減速度。SPWM信號(hào)較多的出現(xiàn)在變頻器輸出，變頻器輸出信號(hào)電壓高、電流大，不能采用有源濾波器，一般采用簡(jiǎn)單的LC低通濾波器。LC低通濾波器的電路圖如下圖3-4所示。圖3-4 RLC低通濾波器4 仿真建模對(duì)于本次課程設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)的總體框圖，可將其分為單相橋式PWM逆變電路（含濾波電路）和變壓器升壓電路兩部分，下面分別對(duì)其進(jìn)行仿真建模。41 Simulink仿真環(huán)境Matlab運(yùn)算功能強(qiáng)大，計(jì)算準(zhǔn)確又快捷；同時(shí)Matlab提供的動(dòng)態(tài)仿真工具Simulink可直接建立電路仿真參數(shù)，并且可以立即得到參數(shù)修改后的仿真結(jié)果

18、，直觀性強(qiáng)，省去了編程步驟，實(shí)體圖形化模型的仿真簡(jiǎn)單，方便，能節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間與降低成本。Matlab繪制的圖形尤其準(zhǔn)確，清晰，精美。電力電子技術(shù)領(lǐng)域通常利用Matlab中的Simulink其中的電氣系統(tǒng)模塊庫(kù)（Power System Blockser）建立電力電子裝置的簡(jiǎn)化模型并進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)和仿真。Simulink是Matlab的重要組成部分，具有提供建立系統(tǒng)模型、選擇仿真參數(shù)和數(shù)值算法、啟動(dòng)仿真程序?qū)υ撓到y(tǒng)進(jìn)行仿真、設(shè)置不同的輸出方式來(lái)觀察仿真結(jié)果等功能。Simulink是一種很有效的仿真工具，它能讓使用者在圖形方式下以最小的代價(jià)來(lái)模擬真實(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)行。Simulink準(zhǔn)備有數(shù)百種系統(tǒng)

19、環(huán)節(jié)模型、最先進(jìn)的有效積分算法和直觀的圖示化工具。依托Simulink強(qiáng)健的仿真能力，用戶在原型機(jī)制造之前就可建立系統(tǒng)的模型，從而評(píng)估設(shè)計(jì)并修復(fù)瑕疵。Simulink仿真環(huán)境的存在使得Matlab的功能進(jìn)一步增強(qiáng)，主要表現(xiàn)為三方面，即有模型的可視化，實(shí)現(xiàn)了多工作環(huán)境間文件互用和數(shù)據(jù)交換以及把理論和工程有機(jī)結(jié)合在一起。利用Matlab軟件下的Simulink仿真環(huán)境和電力系統(tǒng)模塊庫(kù)(SimPowerSystems)對(duì)電力電子電路進(jìn)行系統(tǒng)仿真是十分簡(jiǎn)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(guò)Simulink環(huán)境中的菜單直接啟動(dòng)系統(tǒng)的仿真過(guò)程，同時(shí)也可以將結(jié)果在示波器上顯示出

20、來(lái)。Simulink仿真環(huán)境具有如下的特點(diǎn)：（1）建立動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真；Simulink是一種圖形化的仿真工具，用于對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和控制規(guī)律的研究制定。由于支持線性、非線性、連續(xù)、離散、多變量和混合式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，Simulink幾乎可分析任何一種類型的真實(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。（2）以直觀的方式建模；（3）交互式的仿真分析。本次課程設(shè)計(jì)要求我們學(xué)會(huì)使用Matlab軟件的Simulink集成環(huán)境進(jìn)行仿真的相關(guān)操作，通過(guò)對(duì)逆變電源的Matlab仿真，輸出使逆變電路輸出的波形符合條件，同時(shí)在仿真過(guò)程中需要對(duì)仿真圖形里的一些電力電子元件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，從而得到題目要求的輸出電壓的波形，而且通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)的

21、實(shí)踐有利于鞏固電力電子這門學(xué)科的知識(shí)，并且能更熟悉Matlab的使用方法及步驟。4.2 單相橋式逆變電路仿真建模 本次課程設(shè)計(jì)采用單相橋式PWM逆變電路，電路原理圖如3-2所示。在Matlab>Help中的搜索欄輸入Three-Phase Two-Level PWM Voltage Source Converters。此電路采用了逆變橋集成塊Universal Bridge 3 arms，在此電路的基礎(chǔ)上稍作修改，即構(gòu)成單相橋式PWM型逆變電路模型，具體來(lái)講可將直流電源的電壓值即Amplitude改為100V，將逆變橋集成塊Universal Bridge 3 arms中的參數(shù)Numbe

22、r of bridge arms改為2，將Discrete PWM Generator 6 pulses的參數(shù)Genetor Mode改為2-arm bridge(4 pulses), 將參數(shù)Sample Time改為4.6e-04,將參數(shù)Modulation Index改為0.87，將參數(shù)Frequency of output voltage改為50Hz，Carrier frequency改為200Hz。將示波器Scope的參數(shù)Time range改為0.08，在這個(gè)逆變電路中的變壓器是用于隔離的，變比設(shè)為1:1，不升降電壓，此外在輸出時(shí)加入一個(gè)二階濾波器就，即LC濾波器，將Cut-off

23、frequency改為50Hz,各個(gè)元件的參數(shù)可以根據(jù)需要稍作修改直至輸出電壓符合要求，為了方便觀察輸出，應(yīng)在輸出端加上電壓測(cè)量裝置Voltage Measurement和示波器Scope，構(gòu)成的單相橋式PWM逆變電路，如圖4-1所示。圖4-1 單相橋式PWM逆變電路4.3 逆變電源仿真建模將單相橋式逆變電路的輸出接到升壓變壓器的一次側(cè)，就得到逆變電源仿真模型。在逆變部分各元件的參數(shù)已經(jīng)確定的前提下，設(shè)置升壓變壓器的參數(shù)V1 Ph-Ph(Vrms)的值，然后進(jìn)行仿真運(yùn)行，如果得不到所要波形，則可以不斷地改變，然后再次進(jìn)行試驗(yàn)，反復(fù)試驗(yàn)運(yùn)行，就可以得到本次課程設(shè)計(jì)題目所要求的輸出的波形。單相逆變

24、電源的仿真模型如圖4-2所示。圖4-2 逆變電源仿真模型5 仿真實(shí)現(xiàn)5.1 單相逆變電路仿真實(shí)現(xiàn)逆變電路中的參數(shù)主要有離散PWM生成器（Discrete PWM Generator）中的載波頻率（Carrier frequency）、采樣時(shí)間（Sample time）、調(diào)制參數(shù)（Modulation index）和輸出電壓頻率（Frequency of output voltage），變壓器（Transformer）中的繞組參數(shù)（Winding parameters），Three-Phasse Parallel RLC Load模塊中的參考點(diǎn)相電壓（Nominal phase-to-phase

25、 voltage）和頻率（Nominal frequency）?？梢愿鶕?jù)需要改變各個(gè)參數(shù)，以達(dá)到所需輸出的波形。單相橋式逆變電路的仿真波形如圖5-1所示。圖5-1逆變電路仿真波形5.2 逆變電源仿真實(shí)現(xiàn)通過(guò)對(duì)單相橋式逆變電路的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置將逆變電路的輸出電壓調(diào)到50V（峰值）左右，然后再對(duì)逆變電源進(jìn)行仿真。若仿真出來(lái)的波形不滿足要求的220V（有效值）交流這一條件，則可以反復(fù)設(shè)置升壓變壓器的參數(shù)以得到所需要的波形。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)可知，當(dāng)單相橋式逆變電路中的Discrete PWM Generator 4 pulses的參數(shù)Modulation Index為0.87左右時(shí)，輸出的交流電壓約為40V

26、（峰值），此時(shí)的波形如圖5-2 所示，輸出電壓是幅值為40V，周期是0.02s的正弦交流波形。圖5-2逆變電源逆變部分的輸出波形改變單相逆變電源仿真模型中的升壓變壓器的參數(shù)進(jìn)而來(lái)仿真，由理論值進(jìn)行計(jì)算得升壓變壓器的變比為，所以設(shè)升壓變壓器的變比為100:777.5，若是輸出波形不是220V交流電則可以改動(dòng)變壓器參數(shù)再進(jìn)行仿真，直至輸出波形符合要求（即峰值約為311V）。圖5-3為最終的逆變電源輸出波形?？梢?jiàn)逆變電源輸出的單相交流電的波形為幅值是311V，周期是0.02s，符合課程設(shè)計(jì)的題目要求。圖5-3 逆變電源輸出波形6 心得體會(huì)通過(guò)本次電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，我進(jìn)一步熟悉了使用Matlab軟件仿真集成環(huán)境Simulink對(duì)電路進(jìn)行仿真的基本操作方法，同時(shí)對(duì)課本上的逆變電源電路的原理有了進(jìn)一步的理解。當(dāng)然，在做課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中我碰到了各種問(wèn)題，對(duì)于出現(xiàn)的問(wèn)題，首先我會(huì)通過(guò)自己查閱課本，或者到圖書(shū)館借閱課外有關(guān)資料來(lái)解決，實(shí)在解決不了我會(huì)主動(dòng)請(qǐng)