PWM逆變器Matlab仿真

1、武漢理工大學?電力電子技術?課程設計說明書課程設計任務書課程設計任務書學生姓名：學生姓名： 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 指導教師：指導教師： 工作單位：工作單位： 題題 目目: : PWM 逆變器 Matlab 仿真初始條件：初始條件：輸入 110V 直流電壓；要求完成的主要任務要求完成的主要任務: : 包括課程設計工作量及其技術要求，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；3、建立 Matlab 仿真模型；4、得到實驗結果。時間安排：時間安排：課程設計時間為兩周，將其分為三個階段。第一階段：復習有關知識，閱讀課程設計指導書，搞懂原理，

2、并準備收集設計資料，此階段約占總時間的 20%。第二階段：根據設計的技術指標要求選擇方案，設計計算。第三階段：完成設計和文檔整理，約占總時間的 40%。指導教師簽名：指導教師簽名： 年年 月月 日日系主任系主任或責任教師或責任教師簽名：簽名： 年年 月月 日日武漢理工大學?電力電子技術?課程設計說明書目錄摘要摘要 .1 11 1 設計方案的選擇與論證設計方案的選擇與論證.2 22 2 逆變主電路設計逆變主電路設計.2 22.1 逆變電路原理及相關概念 .2 22.2 逆變電路的方案論證及選擇 .3 32.3 建立單相橋式逆變電路的 SIMULINK的仿真模型.4 42.3.1 模型假設 .5

3、52.3.2 利用 MATLAB/Simulink 進行電路仿真 .5 53 3 正弦脈寬調制正弦脈寬調制(SPWM)(SPWM)原理及控制方法的原理及控制方法的 SIMULINKSIMULINK 仿真仿真.6 63.1 正弦脈沖寬度調制(SPWM)原理 .6 63.2 SPWM 波的控制方法 .7 73.2.1 雙極性 SPWM 控制原理及 Simulink 仿真 .7 73.2.2 單極性 SPWM 控制原理及 Simulink 仿真 .9 94 4 升壓電路的分析論證及仿真升壓電路的分析論證及仿真.11114.1 BOOST電路工作原理 .11114.2 BOOST電路的 SIMULIN

4、K仿真.11115 5 濾波器設計濾波器設計.12126 6 PWMPWM 逆變器總體模型逆變器總體模型.14147 7 心得體會心得體會.1717參考文獻參考文獻 .1818武漢理工大學?電力電子技術?課程設計說明書1PWM 逆變器 MATLAB 仿真摘要隨著電力電子技術，計算機技術，自動控制技術的迅速開展，PWM 技術得到了迅速開展，SPWM 正弦脈寬調制這項技術的特點是原理簡單，通用性強，具有開關頻率固定，控制和調節(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，設計簡單等一系列有點，是一種比擬好的波形改善法。它的出現對中小型逆變器的開展起了重要的推動作用。SPWM 技術成為目前

5、應用最為廣泛的逆變用 PWM 技術。因此，研究 SPWM逆變器的根本工作原理和作用特性意義十分重大.本篇論文以 IGBT 構成的單相橋式逆變電路為根底，討論 SPWM 波的產生原理及不同的控制方法，并借助著名的科學計算軟件 MATLAB/Simulink，對 SPWM 逆變電路進行仿真設計，以到達題目要求的性能指標，并進行結果分析。 Simulink 是 MATLAB 最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。Simulink 中有一個專門用于電力系統仿真的 SimPowerSystems 工具箱,其中囊括了幾乎所有的電力電子器件的模型，通過調用這些模型可以完成對各種

6、復雜系統的建模仿真。關鍵詞關鍵詞：逆變 SPWM MATLAB/Simulink武漢理工大學?電力電子技術?課程設計說明書21 設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計框圖分別如下列圖所示：逆變?yōu)V波DC-DC升壓斬波110V直流電直流電PWM波220V正弦波圖 1-1 方案一：先升壓再逆變變壓器升壓濾波逆變110V直流電PWM波PWM波2

7、20V正弦波 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生超調趨勢(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方法來減小超調量同時到達較短的調節(jié)時間，但這將增加逆變器的復雜度和設計本錢。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、抗輸出短路的能力較強，但響應速度較慢，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，但由于方案二設計較為簡便，因

8、此本論文選擇方案二作為最終的設計方案，但對于方案一的相關內容也會在后文予以討論。2 逆變主電路設計2.1 逆變電路原理及相關概念武漢理工大學?電力電子技術?課程設計說明書3逆變與整流是相對應的，把直流電變?yōu)榻涣麟姷倪^程稱為逆變。根據交流側是否與交流電網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；根據直流側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，由于題目要求對輸出電壓進行調節(jié)，所以本論文只討論電壓型逆變電路；根據輸出電壓電流的相數又將逆變電

9、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，如下列圖所示，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二極管組成。在直流側接有兩個相互串聯的足夠大的電容，兩個電容的連接點為直流電源的中點。反并聯二極管為反應電感中儲存的無功能量提供通路，直流側電容正起著緩沖無功能量的作用

10、。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，且直流側需要兩個電容器串聯，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。UdUd/2Ud/2RLV1V2VD2VD1uoio圖 2-1 半橋逆變電路方案二：全橋逆變電路，如下列圖所示：其特點是有四個橋臂，相當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通，武漢理工大學?電力電子技術?課程設計說明書4兩對交替各導通，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載時180還可以采用移相調壓的方式輸出脈沖寬度可調的矩形波。U

11、dRLV3V4VD4VD3V1V2VD2VD1uoio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應通道，該電路雖然比全橋電路少了一半開關器件，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。UdV1V2VD2VD1uoio負載圖 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。又由于全橋結構的控制方式比擬靈活，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。

12、武漢理工大學?電力電子技術?課程設計說明書52.3 建立單相橋式逆變電路的 Simulink 的仿真模型2.3.1 模型假設1)所有開關器件都是理想開關器件，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。2.3.2 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 Diode、IGBT 模塊Simscape/SimPower Systems /Electr

13、ical 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/Source/Pulse Generator 模塊Simulink/Sinks/Floating

14、Scope 模塊Simulink/Signal Routing/Demux 模塊利用上述模塊構成如下列圖所示的單相橋式逆變電路模型DC Voltage Source+Series RLC BranchPulse Generator3V1VD1VD2VD4VD3gCES1gCES3gCES4gCES2ContinuousIdeal Switchpowergui2MultimeterContFloating ScopeContConti+-Current MeasurementContPulse Generator1V2武漢理工大學?電力電子技術?課程設計說明書6圖 2-4 單相橋式逆變電路模型各

15、個模塊的參數設置如下：“DC Voltage Source模塊幅值設為 110V；“powergui中“Simulation type選為“continuous，并且選中“Enable use of ideal switching device復選框；“Pulse Generator3中“Amplitude設為 1，由于題目要求輸出電壓頻率為 50Hz，即周期為0.02S，所以“Period設為 0.02，“Phase Delay設為零，即初始相位為零，這一路脈沖送出去用來驅動橋臂 1 和 3；“Pulse Generator1的“Phase Delay設為 0.01，相當于延遲半個周期，以形

16、成與“Pulse Generator3互補的觸發(fā)脈沖用來驅動橋臂 2 和 4，其他參數與“Pulse Generator3相同；“Solver求解器算法設為 ode45；仿真時間設為5S，之后便可以開始仿真了，仿真后 Scope 輸出波形如下列圖所示，圖中自上而下依次為負載的電壓、電流、電源側電流波形。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 正弦脈寬調制(SPWM)原理及控制方法的 Simulink 仿真3.1 正弦脈沖寬度調制(SPWM)原理PWM 脈寬調制技術就是對脈沖寬度進行調制的技術。即通過對一系列脈沖寬度

17、進行調制，來等效的獲得所需要的波形(含幅值和形狀)。PWM 的一條最根本的結論是：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時其效果根本相同，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，令這些矩形脈沖的幅值相等，那么其脈沖寬度將按正弦規(guī)武漢理工大學?電力電子技術?課程設計說明書7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。示意圖如下列圖所示：圖 3-1 SPWM 示意圖3.2 SPWM 波的控制方法SPWM 波的產生方法有計算法和調制法，計算法很繁瑣，不易實現，所以在這里不作介

18、紹，重點介紹調制法，即把希望輸出的波形作為調制信號，把接受調制的信號作ru為載波，通過信號波調制得到所期望的 PWM 波形。通常采用等腰三角波作為載波，因cu為等腰三角波上任一點的水平寬度和高度呈線性關系且左右對稱，當它與任何一個緩慢變化的調制信號波相交時，如果在交點時刻對電路中的開關器件進行通斷控制，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。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制信號波的半個周波內三角載波有正負兩種極性變化。用調制信號波與三角載波比擬的方法可以產生雙極性 SPWM 波，其

19、仿真原理圖如下列圖所示：武漢理工大學?電力電子技術?課程設計說明書81Out1sinTrigonometricFunctionScopeRepeatingSequence=RelationalOperatorProductNOTLogicalOperator2*pi*fGainbooleanData Type Conversion1ConstantClock2Out23Out34Out4圖 3-2 雙極性 SPWM 信號仿真原理圖其輸出波形如下列圖所示：圖 3-3 雙極性 SPWM 信號仿真 Scope 輸出波形圖現用 SPWM 波產生模塊驅動單相橋式逆變電路工作進行仿真，方法是在 Simul

20、ink 中選中 SPWM 產生電路，然后右鍵選擇“Create Subsystem將其放入到一個“Subsystem(子系統)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，原理圖如下列圖所示：武漢理工大學?電力電子技術?課程設計說明書9+Series RLC BranchVD1VD2VD4VD3gCES1gCES3gCES4gCES22MultimeterFloating Scopei+-Current MeasurementOut1Out2Out3Out4PWM SubsystempwmContinu

21、ousIdeal SwitchpowerguiDC Voltage Source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 輸出波形如下列圖所示：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 仿真武漢理工大學?電力電子技術?課程設計說明書10所謂的單極性是指在調制信號波的半個周波內三角載波有零、正或零、負一種極性變化，單極性型 SPWM 信號的產生比雙極性復雜些，要按調制波每半個周期對調制波本身或者載波進行一次極性反轉，其

22、仿真原理圖如下列圖所示：1PWM1t=NOT-K-booleanbooleanbooleandouble11mAdd1Add圖 3-6 單極性 SPWM 信號仿真原理圖將該模塊做封裝后來驅動單相全橋逆變電路，為了使模型結構更加清晰，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，仿真模型如下列圖所示：Discrete,Ts = 1e-06 s.powerguigAB+-Universal BridgePWM1Subsystem+Series RLC BranchScope2MultimeterDC Voltage

23、Sourcei+-Current MeasurementiU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，令橋臂數為 2 即構成單相橋式逆變電路；在“DC Voltage Source中將直流電壓值設為 110V；PWM 發(fā)生器的調制度設為 0.5，頻率設為 50Hz，載波頻率設為基波頻率的 15 倍，所以令，即可開始仿真，仿真后=750cfScope 輸出波形如下列圖所示：武漢理工大學?電力電子技術?課程設計說明書11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

24、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列圖所示。假設 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 V通的時間為，此階段 L 上積蓄的能量為1 onEI t。V 斷時，E 和 L 共同向 C 充電并向負載ontR 供電。設 V 斷的時間為offt，那么此期間電感 L 釋放能量為01()offUE I t，穩(wěn)態(tài)時，一個周期 T 中 L 積蓄能量與釋放能量相等，即 (4-1)101=

25、(U -E)IonoffEI tt化簡得： (4-2)0=offTUEt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offt的比值為升壓比，將升壓比的倒數記作，那么 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。武漢理工大學?電力電子技術?課程設計說明書12ERLVVDuoioCi1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，如下列圖所示：在“DC Voltage Source中設置其幅值為

26、 110V；在“Pulse Generator中設置Period=0.0001S，Pulse Width(占空比)=64.6%，這樣才能使輸出為 311V(220V)。2gmDSMosfetDC Voltage Source+LmakDiode+R+CPulse GeneratorContinuouspowerguiFloating Scope311.93Displayv+-Voltage Measurement1Multimeter圖 4-2 Boost 電路仿真模型仿真后 Multimater 輸出波形如下列圖所示：武漢理工大學?電力電子技術?課程設計說明書1300.020.040.060

27、.080.10.120.140.160.180.20100200300400500Ub: R圖 4-3 Boost 電路 Multimeter 輸出波形從圖中可以看出 Boost 響應曲線具有超調趨勢，超調量的大小與 L 和 C 值的選取有關，一般希望超調量越小越好，紋波越小越好，調節(jié)時間越短越好，為了保證這幾點，需要采用附加控制策略，這樣使系統變得復雜，經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，其參數設置相對簡便，同時也可以的到良好的效果。5 濾波器設計采用 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倍及其附近的諧波，載波比越高，最低次諧波離基波便越

28、遠，也容易進行濾波。比擬常用的是 LC 低通濾波器，其電路圖如下列圖所示：圖 5-1 LC 低通濾波器通過適當的選取濾波器的截止頻率： (5-1)1=2*LfLC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?？梢宰C明上述 LC 低通濾波器的傳遞函數為：武漢理工大學?電力電子技術?課程設計說明書14 (5-2)22(s)1=12(s)+1LLoiUUss其中LC 諧振角頻率，；阻尼系數，；L1=LLC1=2LRC(s)oU濾波器輸出電壓；濾波器輸入電壓； 拉普拉斯變換算子。(s)iUs從其傳遞函數的形式可以看出它是一個二階系統，我們可

29、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，其波特圖如下列圖所示：-40-30-20-100Magnitude (dB)100101102103104-90-450Phase (deg)Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf rad/s) , Pm = -180 deg (at 0 rad/s)Frequency (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，我們可以直接設置其截止頻率，屬性頁如下列圖所示：圖 5-3 2nd-Order Filter

30、 屬性頁武漢理工大學?電力電子技術?課程設計說明書15由于此題希望輸出電壓頻率為 50Hz，根據前面所述，此處截至頻率可取為 100Hz。6 PWM 逆變器總體模型在 Simulink 中按下列圖接線逆 變?yōu)V 波升 壓PWM發(fā) 生 器Discrete,Ts = 1e-05 s.powerguigAB+-Universal BridgeScope2MultimeterDC Voltage Sourcei+-Current MeasurementPulsesDiscrete PWM GeneratorScope112+Linear TransformerRMSRMS220.2Displayv+-V

31、oltage MeasurementFo=100Hz2nd-Order Filter+Series RLC BranchUi圖 6-1 PWM 總體模型各個模型主要參數設置：“DC Voltage Source幅值設為 110V；“Universal Bridge設置為 2 個橋臂；“Descrete PWM Generator中“Generator Mode設置為 2-arm-bridge(4 pulses)；“Carrier frequency(載波頻率)設置為 750Hz；“Modulation index(調制深度)：0.7，“Frequency of output voltage設置

32、為 50Hz；“Linear Transformer(線性變壓器)變比為 150/611；“2nd-Order Filter中“Cut-off frequency設為 100Hz；“Series RLC Branch中，；仿真時間為 10s。所有參數設置=50R-3=10LH完畢后可以啟動仿真，仿真結束后 Scope1與濾波器相連的示波器的輸出波形如下列圖所示：武漢理工大學?電力電子技術?課程設計說明書16圖 6-2 Scope1 輸出波形Scope 輸出波形如下列圖所示：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 works

33、pace見圖 6-4，將數據保存到 MATLAB 工作空間中，在命令窗口中調用如下命令： plot(ScopeData1.time,ScopeData1.signals.values,-r) grid on title(Scope1 輸出波形) xlabel(時間/秒) ylabel(幅值/伏)武漢理工大學?電力電子技術?課程設計說明書17可得到重新繪制的 Scope 輸出波形見圖 6-5圖 6-4 Scope1 屬性頁00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1-400-300-200-1000100200300Scope1出 出 出 出伏 伏 /伏伏 伏 /伏圖 6-5 命令行繪制的 Scope1 輸出波形從圖中 6-5 中可以看出 Scope1 輸出波形根本上為標準正弦波，周期