PWM逆變器MATLAB仿真

1、武漢理工大學電力電子裝置及系統(tǒng)課程設計說明書1 摘要隨著電力電子技術，計算機技術，自動控制技術的迅速發(fā)展，pwm 技術得到了迅速發(fā)展， pwm 控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術。即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。pwm 控制技術在逆變電路中的應用最為廣泛，對逆變電路的影響也最為深刻?，F(xiàn)在大量應用的逆變電路中，對大部分都是pwm 型逆變電路?？梢哉f pwm 控制技術正是有賴于在逆變電路中的應用，才發(fā)展得比較成熟，從而確定了它在電力電子技術中的重要地位。本次課程設計以 igbt構成的單相橋式逆變電路為基礎，控制并得到所需的波形，并通過計算軟件matlab

2、/simulink對 pwm 逆變電路進行仿真設計，得到題目要求的數(shù)據(jù)指標，并分析得到的結果。關鍵詞 ：pwm 逆變 matlab/simulink 武漢理工大學電力電子裝置及系統(tǒng)課程設計說明書2 目錄摘要 . 11 設計方案的選擇 . 32 逆變電路的原理及方案選擇 . 33 pwm 原理及控制方法 . 44 濾波器設計 . 65 pwm 逆變器仿真 . 75.1 單相橋式逆變器仿真 . 75.2 pwm 仿真 . 105.3 pwm 逆變器總體模型 . 136 心得體會 . 17參考文獻 . 18武漢理工大學電力電子裝置及系統(tǒng)課程設計說明書3 pwm 逆變器 matlab 仿真1 設計方案

3、的選擇按照題目要求，已知輸入電壓為110v直流電，要求得到的是220v、50hz的單相交流電，這里涉及到兩個問題：升壓和逆變。于是就存在兩種設計方法，一是進行 dc-dc 升壓變換在進行逆變，另一種是先進行逆變變換再進行升壓。當然，要得到正弦交流電壓還要考慮濾波的問題。若采用方案一，先升壓再逆變，這種方案可靠性高、響應速度快、噪聲性能好、效率高，但升壓電路會在初期產(chǎn)生超調(diào)趨勢，若采用附加控制的辦法減小超調(diào)量則會增加逆變器的復雜度和設計成本。若采用方案二，這種方法效率一般可達 90% 以上、可靠性高、抗輸出的能力較強，其缺點是響應速度慢、體積大、波形畸變較為嚴重。由于兩個方案各有優(yōu)缺點，但方案二

4、的設計更為簡單，所以我們選擇方案二作為本次設計的最終方案。2 逆變電路的原理及方案選擇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。當交流側接在電網(wǎng)上，即交流測接有電源時，稱為有源逆變；當交流測直接和負載連接時，稱為無源逆變。根據(jù)交流側是否與交流電網(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。逆變電路的應用非常廣泛，在已有的各種電源中，蓄電池、干電池、太陽能電池等都是直流電源，當需要這些電源向交流負載供電時，就需要逆變電路。另外，交流電動機調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等電力電子裝置使用非常廣泛，其電路的核心部分都是逆變電路。本論文針對的就是無源

5、逆變的情況；根據(jù)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，電壓型武漢理工大學電力電子裝置及系統(tǒng)課程設計說明書4 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(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。本次課程設計主要討論單相電壓型無源逆變電路，電壓型逆變電路的開關器件一般選擇全控型器件如igbt,電力 mosfet 等?？晒┻x擇的有三種方案分別為：半橋式逆變電路，全橋式逆變電路，推挽式逆變電路。半橋電

6、路輸出端的電壓波形幅值僅為直流母線電壓值的一半，因此，電壓利用率低；但在板橋電路中，可以利用兩個大電容自動補償不對稱波形，這是板橋電路的一大優(yōu)點。全橋式和推挽式的逆變電路的電壓利用率是一樣的，均比半橋電路大一倍。但全橋式、推挽式電路都存在變壓器直流不平衡的問題，需要采取措施解決。推挽電路主要優(yōu)點是電壓損失小，直流母線電壓只有一個開關管壓降損失；此外，兩個開關管的驅動電路電源可以共用，驅動電路簡單。推挽式比較適合低壓輸入的場合。低壓輸入的推挽式變壓器原邊繞組匝數(shù)較少，一般采用并繞方式，以增加兩繞組的對稱性，工藝上難度大。但由于全橋結構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

7、的主電路。3 pwm 原理及控制方法pwm 脈寬調(diào)制技術就是對脈沖寬度進行調(diào)制的技術。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 控制技術在逆變電路中應用最為廣泛，對逆變電路的影響也最為深刻?，F(xiàn)在大量應用中的逆變電路中，絕大部分都是pwm 型逆變電路?？梢哉fpwm 控制技術正是有賴于在逆變電路中的應用，才發(fā)展得比較成熟，從而確定了它在電力電子中的重要地位。 pwm 的一條最基本的結論是：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時其效果基本相同，沖量即窄脈沖面積，這就是我們通常所說的武漢理工大學電力電子裝置及系統(tǒng)課程設計說明書5 “面積等效”原理。

8、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，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。如圖所示：圖 1 spwm 示意圖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ru ，把接受調(diào)制的信號作為載波cu ，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系且左右對稱，當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中的開關器件進行

9、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。武漢理工大學電力電子裝置及系統(tǒng)課程設計說明書6 4 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(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 2 lc 低通濾波器通過適當?shù)倪x取濾波器的截止頻率：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(shù)為：22(s)1=12

10、(s)+1lloiuuss其中l(wèi) lc 諧振角頻率，1=llc；阻尼系數(shù)，1=2lrc；(s)ou濾波器輸出電壓；(s)iu濾波器輸入電壓；s拉普拉斯變換算子。武漢理工大學電力電子裝置及系統(tǒng)課程設計說明書7 5 pwm 逆變器仿真5.1 單相橋式逆變器仿真假設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。假設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進行仿真，在 simulink工作空間中添加下列元件：diode、igbt、dc voltage source 、series

11、plc branch 、multimeter 、current measurement 、powergui 、pulse generator 、floating scope、demux等。利用上述模塊構成如下圖所示的單相橋式逆變電路模型。圖 3 單相橋式你變電路圖各個模塊的參數(shù)如下圖：武漢理工大學電力電子裝置及系統(tǒng)課程設計說明書8 “pulse generator” 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；

12、“pulse generator1 ” 的“phase delay ”設為 0.01 ，相當于延遲半個周期，以形成與“pulse generator3”互補的觸發(fā)脈沖用來驅動橋臂2 和 4，其他參數(shù)與“pulse generator3”相同。武漢理工大學電力電子裝置及系統(tǒng)課程設計說明書9 武漢理工大學電力電子裝置及系統(tǒng)課程設計說明書10 仿真后 scope輸出波形如下圖所示：5.2 pwm 仿真仿真圖如下：武漢理工大學電力電子裝置及系統(tǒng)課程設計說明書11 其中 pwm 的封裝為：參數(shù)設置如下圖：在“universal bridge”模塊的屬性對話框中，令橋臂數(shù)為2 即構成單相橋式逆變電路；在“

13、 dc voltage source ”中將直流電壓值設為110v ；pwm 發(fā)生器的調(diào)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=750cf，即可開始仿真，仿真后scope輸出波形如下圖所示：武漢理工大學電力電子裝置及系統(tǒng)課程設計說明書12 圖 4 pwm仿真波形武漢理工大學電力電子裝置及系統(tǒng)課程設計說明書13 5.3 pwm 逆變器總體模型仿真圖如下：圖 5 pwm 總體模型各個模型主要參數(shù)設置如下圖：武漢理工大學電力電子裝置及系統(tǒng)課程設計說明書14 武漢理工大學電力電子裝置及系統(tǒng)課程設計說明書15 仿真結束后 scope1的輸出波形如下圖所示：武漢理工

14、大學電力電子裝置及系統(tǒng)課程設計說明書16 可以觀察到輸出波形基本上為標準正弦波，周期為0.02s，頻率為 50hz，并可以從 display 顯示有效值為 220.7v，基本上滿足設計要求。武漢理工大學電力電子裝置及系統(tǒng)課程設計說明書17 6 心得體會本次課程設計 pwm 逆變器的兩種設計方案的優(yōu)缺點以及3 種逆變器電路的優(yōu)缺點及適用范圍。同時，也加深了我對dc-dc 、逆變器電路、 pwm 控制技術等知識點的理解和掌握，特別是matlab ，在做課設的過程中，我對matlab 中的仿真部分 simulink有了更加深刻的了解。此次課程設計主要運用了電力電子技術及電力電子裝置的知識，使我在做課程設計的同時，進一步鞏固了在課堂上學習到的知識，同時也激發(fā)了我們的創(chuàng)新性思想，當然，在做課設的過程中，我也遇到了許多問題，但經(jīng)過我的努力和同學間的交流學習，慢慢克服了這些問題，最終完成了課程設計及報告。另外，通過此次課程設計，我也發(fā)現(xiàn)了自己的許多不足，如對課本知識不夠了解，對 matlab 這種常用軟件的使用還太不熟悉。所以在以后的學習中，我應更加努力，提高自己