(完整word版)PWM逆變器Matlab仿真解析

1、武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名：專業(yè)班級：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 PWM斬波控制技術(shù)；3、建立 Matlab 仿真模型；4、得到實驗結(jié)果。時間安排：課程設(shè)計時間為兩周，將其分為三個階段。第一階段：復(fù)習(xí)有關(guān)知識，閱讀課程設(shè)計指導(dǎo)書，搞懂原理，并準(zhǔn)備收集設(shè)計資料，此階段約占總時間的 20%。第二階段：根據(jù)設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)要求選擇方案，設(shè)計計算。第三階段：完成設(shè)計和文

2、檔整理，約占總時間的40%。指導(dǎo)教師簽名：年月日系主任（或責(zé)任教師）簽名：年月日武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書目錄摘要 . .11設(shè)計方案的選擇與論證 .22逆變主電路設(shè)計 .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 SIMULINK的仿真模型 .42.3.1模型假設(shè) . .52.3.2利用 MATLAB/Simulink 進行電路仿真 . .53正弦脈寬調(diào)制 (SPWM)原理及控制方法的 SIMULINK仿真 .63.1正弦脈沖寬度調(diào)制 (SPWM)原理 .63.2SPWM波的控制方法 . .73.2.1雙極性 SPWM控制

3、原理及 Simulink仿真 . .73.2.2單極性 SPWM控制原理及 Simulink仿真 . .94升壓電路的分析論證及仿真 .114.1B電路工作原理 . .11OOST4.2B電路的 S仿真 .12OOSTIMULINK5濾波器設(shè)計 .136 PWM逆變器總體模型 .157心得體會.18參考文獻 .19武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書PWM 逆變器 MATLAB仿真摘要隨著電力電子技術(shù)，計算機技術(shù)，自動控制技術(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)制這項技術(shù)的特點是原理簡單，通用性強，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

4、的高次諧波分量，設(shè)計簡單等一系列有點，是一種比較好的波形改善法。它的出現(xiàn)對中小型逆變器的發(fā)展起了重要的推動作用。 SPWM 技術(shù)成為目前應(yīng)用最為廣泛的逆變用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)計算軟件MATLAB/Simulink ，對 SPWM 逆變電路進行仿真設(shè)計，以達到題目要求的性能指標(biāo)，并進行結(jié)果分析。Simulink 是 MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。 Simulink 中有一個專

5、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各種復(fù)雜系統(tǒng)的建模仿真。關(guān)鍵詞：逆變 SPWMMATLAB/Simulink1武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書1 設(shè)計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升壓的問題，基于此有兩種設(shè)計思路第一種是進行DC-DC 升壓變換再進行逆變，另一種是先進行逆變再進行升壓。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)計框圖分別如下圖所示：110V直DC-DC升直流電PWM波

6、220V正流電弦波逆變?yōu)V波壓斬波圖 1-1 方案一：先升壓再逆變110V直PWM波變壓器升PWM波220V正流電逆變?yōu)V波弦波壓圖 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合， 另外升壓斬波電路在初期會產(chǎn)生超調(diào)趨勢 (這一點將在后文予以討論 )，在與后面的逆變電路相連時必須予以考慮， 我們可以采用附加控制策略的辦法來減小超調(diào)量同時達到較短的調(diào)節(jié)時間，但這將增加逆變器的復(fù)雜度和設(shè)計成本。方案二：采用變壓器對逆變電路輸出的交流電進行升壓，這種方法效率一般可達 90% 以上、可靠性較高、抗輸出短路

7、的能力較強，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，但由于方案二設(shè)計較為簡便，因此本論文選擇方案二作為最終的設(shè)計方案，但對于方案一的相關(guān)內(nèi)容也會在后文予以討論。2 逆變主電路設(shè)計2.1 逆變電路原理及相關(guān)概念逆變與整流是相對應(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)相連可將逆變電路分為有源逆變和無源逆變，在不加說明時， 逆變一般指無源逆變，本論文針對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2武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書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

8、電路輸出電流波形為方波，由于題目要求對輸出電壓進行調(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除了前文所提及的之外，還有一個特點即開關(guān)器件普遍選擇全控型器件如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，其特點是有兩個橋臂，每個橋臂有一個可控器件和一個反并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容

9、，兩個電容的連接點為直流電源的中點。反并聯(lián)二極管為反饋電感中儲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)點為簡單，使用器件少，缺點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)需要兩個電容器串聯(lián)，工作時還要控制兩個電容器電壓的均衡，因此它只適用于幾千瓦以下的小功率逆變電路。Ud/2V1VD1UdR i oLuoUd/2VD2V2圖 2-1 半橋逆變電路方案二：全橋逆變電路，如下圖所示：其特點是有四個橋臂，相當(dāng)于兩個半橋電路的組合，其中橋臂1 和 4 作為一對，橋臂2 和 3 作為一對，成對的兩個橋臂同時導(dǎo)通，兩對交替各導(dǎo)通 180 ，其輸出矩形波的幅值是半橋電路的兩倍

10、。全橋電路在帶阻感負載時還可以采用移相調(diào)壓的方式輸出脈沖寬度可調(diào)的矩形波。3武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書V1V3VD1VD3UdRi oLuoVD2VD4V2V4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，其主要特點是交替驅(qū)動兩個IGBT ，通過變壓器耦合給負載加上矩形波電壓。兩個二極管的作用也是給負載電感中儲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，比全橋電路高一倍，且必須有一個變壓器。負載i ouoUdV1V2VD1VD2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

11、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4武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書模型假設(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，并認為各開關(guān)器件的換流過程在瞬間完成，不考慮死區(qū)時間。2)所有的輸入信號包括觸發(fā)信號、電源電壓穩(wěn)定，不存在波動。利用 MATLAB/Simulink進行電路仿真在 Simulink 工作空間中添加如下元件：Simscape/SimPower Systems /Power Electronics中的 Diod

12、e、 IGBT 模塊 Simscape/SimPower Systems /Electrical Sources/DC Voltage Source模塊 Simscape/SimPower Systems /Elements/Series RLC Branch模塊 Simscape/SimPower Systems /Measurements/Current Measurement模塊 Simscape/SimPower Systems /Measurements/Multimeter模塊 Simscape/SimPower Systems /powergui模塊 Simulink/Sourc

13、e/Pulse Generator模塊 Simulink/Sinks/Floating Scope 模塊Simulink/Signal Routing/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圖 2-4 單相橋式逆變電路模型5武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書各個模塊的參數(shù)設(shè)置如下：“DC Voltage Source”模塊幅值設(shè)為110V；“powergui”中“ Simulationtype”選為“ continuous”，并且選中“Enable use of ideal switching device”復(fù)選框；“ Pulse Generator3” 中“Am

14、plitude ”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)動橋臂1和 3；“Pulse Generator1”的“ Phase Delay”設(shè)為 0.01，相當(dāng)于延遲半個周期，以形成與“ PulseGenerator3”互補的觸發(fā)脈沖用來驅(qū)動橋臂2 和 4，其他參數(shù)與“ PulseGenerator3”相同；“ Solver”求解器算法設(shè)為ode45；仿真時間設(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載的電

15、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)就是對脈沖寬度進行調(diào)制的技術(shù)。即通過對一系列脈沖寬度進行調(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：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，每一份都用一個矩形脈沖按面積原理等效，令這些

16、矩形脈沖的幅值相等，則其脈沖寬度將按正弦規(guī)律變化，6武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書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)生方法有計算法和調(diào)制法，計算法很繁瑣，不易實現(xiàn)，所以在這里不作介紹，重點介紹調(diào)制法，即把希望輸出的波形作為調(diào)制信號ur ，把接受調(diào)制的信號作為載波 uc ，通過信號波調(diào)制得到所期望的 PWM 波形。通常采用等腰三角波作為載波，因為等腰三角波上任一點的水平寬度和高度呈線性關(guān)系且左右對稱，當(dāng)它與任何一個緩慢變化的調(diào)制信號波相交時，如果在交點時刻對電路

17、中的開關(guān)器件進行通斷控制，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。雙極性 SPWM 控制原理及 Simulink 仿真所謂的雙極性是指在調(diào)制信號波的半個周波內(nèi)三角載波有正負兩種極性變化。用調(diào)制信號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：7武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書圖 3-2 雙極性 SPWM 信號仿真原理圖其輸出波形如下圖所示：圖 3-3 雙極性 SPWM 信號仿真 Scope輸出波形圖現(xiàn)用 SPWM 波產(chǎn)生模塊驅(qū)動單相橋式逆變電路工作進行仿真，方法是在Simulink 中選中 SPWM 產(chǎn)生電路

18、，然后右鍵選擇“ Create Subsystem”將其放入到一個“ 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”對其進行封裝，封裝后的模塊名取為“ PWM Subsystem”，原理圖如下圖所示：8武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書圖 3-4 雙極性 PWM 逆變電路仿真模型電路中 RLC 皆取默認值， 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 輸出波形單極性 SPWM 控制原理及 Simulink 仿真9武漢理工大學(xué)電

19、力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書所謂的單極性是指在調(diào)制信號波的半個周波內(nèi)三角載波有零、正或零、負一種極性變化，單極性型 SPWM 信號的產(chǎn)生比雙極性復(fù)雜些， 要按調(diào)制波每半個周期對調(diào)制波本身或者載波進行一次極性反轉(zhuǎn)，其仿真原理圖如下圖所示：圖 3-6 單極性 SPWM 信號仿真原理圖將該模塊做封裝后來驅(qū)動單相全橋逆變電路，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 )”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：圖 3-7 單極性 PWM 逆變電路仿真模型在“Universal Bridge”模塊的屬性對話框中， 令

20、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 f c =750 ，即可開始仿真， 仿真后 Scope 輸出波形如下圖所示：10武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書圖 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，一是先進行升壓再進行逆變，二是先進行逆變再進行升壓，這一節(jié)主要討論先通過Boost 電路升壓再進行逆變的方法。4.1 Boost 電路工作原理升壓斬波電路如下圖所示

21、。假設(shè)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(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 充電并向負載 R 供電。設(shè) V 斷的時間為 toff ，則此期間電感 L 釋放能量為 (U 0 E)I 1toff ，穩(wěn)態(tài)時，一個周期 T 中 L 積蓄能量與釋放能量相等，即EI 1ton =(U 0 -E)I 1toff(4-1)化簡得：U0= T 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

22、換器。T 與 t off 的 比 值 為 升 壓 比 ， 將 升 壓 比 的 倒 數(shù) 記 作 ， 則1(4-3)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。11武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書i 1LVDi oEVCuoR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 Source”中設(shè)置其幅值為110V ；在“ Pulse Generator”中設(shè)置Period=0.0001S，Puls

23、e Width(占空比 )=64.6%，這樣才能使輸出為311V(2202 V) 。圖 4-2 Boost 電路仿真模型仿真后 Multimater 輸出波形如下圖所示：12武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書Ub: R500400300200100000.020.040.060.080.10.120.140.160.180.2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，超調(diào)量的大小與L 和 C 值的選取有關(guān)，一般希望超調(diào)量越小越好，紋波越小越好，調(diào)節(jié)時間越短越好，為了保證這幾點，需要采用附加控制策略，這樣使系統(tǒng)變得復(fù)雜，經(jīng)過

24、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)置相對簡便，同時也可以的到良好的效果。5 濾波器設(shè)計采用 SPWM 控制方式輸出的電壓波形中含有基波同時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，也容易進行濾波。比較常用的是 LC 低通濾波器，其電路圖如下圖所示：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：f L =1(5-1)2*LC使其遠小于PWM 電壓中所含有的最低次諧波頻率，同時又遠大于基波頻率，就可以在輸出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：13武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書U o

25、(s)1(5-2)U i (s) =122s+12s +LL其中L LC 諧振角頻率， L =1；阻尼系數(shù)，= 1L ；U o (s) 濾LC2RC波器輸出電壓； U i (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二階系統(tǒng)，我們可以用MATLAB 畫出其波特圖，從而對 LC 低通濾波器的特性有一個直觀的理解，其波特圖如下圖所示：Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf rad/s) , Pm = -180 deg (at 0 rad/s)0)B-10d(edtui-20ngaM -30-40 0)ged(es-45ahP-900101

26、23410101010Frequency(rad/s)圖 5-2 LC 低通濾波器的波特圖在 MATLAB 中有一個二階濾波器模型叫做“ 2nd-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14武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書由于本題希望輸出電壓頻率為50Hz，根據(jù)前面所述，此處截至頻率可取為100Hz。6 PWM 逆變器總體模型在 Simulink 中按下圖接線圖 6-1 PWM 總體模型各個模型主要參數(shù)設(shè)置：“DC Voltage Source”幅值設(shè)為 110V；“ Universal Bridge”

27、設(shè)置為 2 個橋臂； “ Descrete PWM Generator”中“ Generator Mode”設(shè)置為 2-arm-bridge(4pulses)；“ Carrier frequency(載波頻率 )”設(shè)置為 750Hz；“ Modulation 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

28、R=50， L =10-3 H ；仿真時間為10s。所有參數(shù)設(shè)置完畢后可以啟動仿真，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：15武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書圖 6-2 Scope1輸出波形Scope輸出波形如下圖所示：圖 6-3 Scope輸出波形為了看的的更加清楚，在Scope1 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：>>>> grid on>> title('Scope1 輸出波形 ')>&g

29、t; xlabel('時間 /秒')>> ylabel('幅值 /伏')16武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書可得到重新繪制的Scope輸出波形見圖 6-5圖 6-4 Scope1屬性頁Scope1 輸出波形伏/值幅3002001000-100-200-300-4000.010.020.030.040.050.060.070.080.090.10時間 /秒圖 6-5命令行繪制的 Scope1輸出波形從圖中 6-5 中可以看出 Scope1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)計要求。17武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書7 心得體會此次課程設(shè)計首先讓我明白了PWM 逆變器各功能模塊可以擁有不同設(shè)計方案，每種方案有其特點和適用范圍。 在進行課題設(shè)計的過程中， 加深了