三相橋式PWM逆變器仿真研究-城建課設

1、運動控制系統(tǒng)課程設計課題：三相橋式PWM逆變器仿真研究系 別： 專 業(yè)： 姓 名： 學 號： 成 績：河南城建學院 目錄一、設計目的2二、設計任務及要求2三、方案設計21、三相橋式PWM逆變電路的工作原理22、狀態(tài)空間模型33、系統(tǒng)的可控性和可觀測性63.1 可控性判斷63.2 可觀測性判斷64、整體方案設計75、仿真建模75.2三相橋式PWM逆變電路仿真建模95.3三相逆變電源總體電路仿真建模116、仿真結果116.1直流升壓斬波電路仿真結果116.2三相橋式PWM逆變電路仿真實現結果126.3閉環(huán)反饋電路仿真實現結果136.4三相逆變電源總體仿真實現結果13四、心得體會15五、參考文獻16

2、一、設計目的隨著電力電子技術，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正弦脈寬調制法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)性能好，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，是一種比較好的波形改善法。它的出現為中小型逆變器的發(fā)展起了重要的推動作用。PWM技術成為目前應用最為廣泛的逆變用PWM技術。因此，研究PWM逆變器的基本工作原理和作用特性意義十分重大。二、設計任務及要求自擬負載，可選用電機或阻感負載等，畫出系統(tǒng)主電路和控制電路的結構圖，并進行仿真或實驗驗證系統(tǒng)的合理性。三、方案設計1、三相橋式PWM逆變電路的

3、工作原理圖1 三相橋式PWM型逆變電路圖1是三相橋式逆變電路，這種電路采用雙極性控制方式。U、V和W三相的PWM控制通常公用一個三角波載波，三相的調制信號、和依次相差120°。U、V和W各相功率開關器件的控制規(guī)律相同，現以U為例來說明。當時，上橋臂V1導通，下橋臂V4關斷，則U相相對于直流電源假想中點的輸出電壓 。當時，V4導通，V1關斷，則。 V1和V4的驅動信號始終是互補的。當給V1(V4)加導通信號時，可能是V1(V4)導通，也可能是二極管VD1(VD4)續(xù)流導通，這要由阻感負載中電流的方向來決定。、和的PWM波形都只有兩種電平。 2、狀態(tài)空間模型圖2顯示了L-C輸出濾波器得到

4、的電流和電壓方程。圖2 L-C輸出濾波器得到的電流和電壓方程根據基爾霍夫定律，節(jié)點a、b、c可列出下列電流方程方程節(jié)點a： （1-1）節(jié)點b： （1-2）節(jié)點c： （1-3） 其中， （1-4）由以上四式計算可得： （1-5）根據基爾霍夫定律，可列出逆變電路輸出部分的電壓方程： （1-6）由（1-6）式可轉化為： (1-7)根據基爾霍夫定律，可以列出負載回路的電壓方程： （1-8）由（1-8）可以轉化成 (1-9)由此可將（1-5）、（1-7）、（1-9）寫成矩陣的形式： （1-10） 其中， ，L根據（1-10）我們可以建立此模型的狀態(tài)空間模型：狀態(tài)方程：輸出方程：其中，狀態(tài)向量，輸入向量，

5、輸出向量系統(tǒng)矩陣，輸入矩陣，輸出矩陣，直接傳遞矩陣D=03、系統(tǒng)的可控性和可觀測性3.1 可控性判斷 用可控性的秩判據來判斷系統(tǒng)能控性，系統(tǒng)狀態(tài)完全能控的充分必要條件是能控性矩陣滿秩，即。MATLAB中的ctrb指令求出可控性矩陣，=9，由于可控性矩陣滿秩，所以此系統(tǒng)可控。調用格式為：=ctrb（A,B）>> TA= ctrb (A,B);>> rank(TA)ans = 93.2 可觀測性判斷用系統(tǒng)可觀測性的秩判據來判斷系統(tǒng)能觀性，系統(tǒng)狀態(tài)完全能觀的充要條件是可觀測性矩陣滿秩。MATLAB中的obsv指令可以求得可觀測性矩陣，=9，由于可觀測性矩陣滿秩，所以此系統(tǒng)可觀

6、。調用格式為：=obsv（A,C）>> TC= obsv (A,C);>> rank(TC)ans = 94、整體方案設計整體方案設計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作為調制信號，輸出PWM波形，再經過濾波電路得到380V、50Hz三相交流電，在電壓輸出側進行電壓采樣進而與理想輸出值比較轉換之后產生所需要的PWM波，控制輸出的穩(wěn)定和準確。系統(tǒng)總體框圖如圖2-1所示。圖3 系統(tǒng)總體框圖5、仿真建模根據系統(tǒng)總體框圖，可將其分為升壓斬波電路，三相逆變電路（含濾波電路）和閉環(huán)反饋電路，下面分別

7、對其進行仿真建模，然后再進行總體電路的仿真建模。5.1升壓斬波電路仿真建模升壓斬波電路可以選用基本的升壓斬波電路，升壓斬波電路原理圖如圖3-1所示。該電路的基本工作原理是：假設L和C值很大，當V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，充電電流基本恒定為I1，同時電容C上的電壓向負載R供電，因為C值很大，基本保持輸出電壓Uo恒定。當V處于斷態(tài)時，電源E和電感L同時向電容C充電，并向負載提供能量。輸出電壓高于電源電壓，關鍵有兩個原因：一是L儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住。電路輸出的電壓還要經逆變后濾波，故對波形的要求不是很高，與負載并聯的電容C取很大，就可以達到濾波的目的，因此

8、不需另外添加濾波電路。圖4 直流升壓斬波電路由于本次設計著重于在Matlab中進行仿真建模，所以對于各種元器件的查找和仿真使用就顯得尤為重要?？梢韵却蜷_SimulinkLibraryBrowser，在分類菜單中查找所需元件，也可以直接在查找欄中輸入元件名稱，雙擊查找。在最開始的時候沒有找到電阻、電容和電感，后來經過多方努力終于知道了方法，選擇SimPowerSystems下拉菜單Elements類別中的SeriesRLCBranch，放入窗口后，雙擊該圖標，在BranchType中選擇相應類型，如果是電阻就選擇R，如果是電感就選擇L，選擇完畢后單擊OK按鈕。在仿真中控制IGBT的波形由PWM脈

9、沖生成器PulseGenerator產生，可以雙擊PulseGenerator對占空比進行修改，這是一種很簡單的方法來控制輸出電壓的值。當把元件找齊之后，按照升壓斬波電路原理圖連接電路，為了方便觀察輸出，應在輸出端加上電壓測量裝置VoltageMeasurement，并通過示波器Scope來觀測輸出電壓的波形。所構成的直流升壓斬波電路仿真模型，如圖5所示圖5 升壓斬波電路仿真圖5.2三相橋式PWM逆變電路仿真建模逆變電路可參考三相橋式PWM型逆變電路，其電路圖如圖1所示。該電路采用雙極性控制方式。U、V和W三相的PWM控制通常公用一個三角載波cu，三相的調制信號rUu、rVu和rWu依次相差1

10、20°。U、V和W各相功率開關器件的控制規(guī)律相同，現以U相為例來說明。當rUu>cu時，給上橋臂1V以導通信號，給下橋臂4V以關斷信號，則U相相對于直流電源假想中點'N的輸出電壓'/2UNduU=。當rUu<cu時，給4V以導通信號，給1V以關斷信號，則'/2UNduU=。1V和4V的驅動信號始終是互補的。當給1V（4V）加導通信號時，可能是1V（4V）導通，也可能是二極管1DV（4DV）續(xù)流導通，這要由阻感負載中電流的方向來決定。V相和W相的控制方式都和U相相同。電路的波形如圖6所示。圖6三相橋式PWM逆變電路波形采用雙極性方式時，在ur的半個周

11、期內，三角波載波不再是單極性的，而是有正有負，所得的PWM形也是有正有負。在ur的一個周期內，輸出的PWM波只有±Ud兩種電平，而不像單極性控制時還有零電平。仍然在調制信號ur和載波信號uc的交點時刻控制各開關的通斷。在ur的正負半周，對各開關器件的控制規(guī)律相同，如下圖7所示圖7 雙極性PWM控制方式波形5.3三相逆變電源總體電路仿真建模本次設計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，經過處理后產生的PWM波連接到直流升壓斬波電路的開關器件IGBT的控制端，這樣就得到本

12、次設計的逆變電源的總體仿真模型，如圖8所示圖11逆變電源總體電路仿真模型6、仿真結果6.1直流升壓斬波電路仿真結果分析直流升壓斬波電路的原理，并根據參考資料設置各項初始參數，輸入直流電設置為200V，開關器件IGBT和二極管Diode使用默認參數，其他器件的參數可以通過調試和參考資料進行設置。如果改變開關器件IGBT的占空比的值，可以改變其輸出電壓值，在仿真過程中能夠得到很好的體現，符合直流升壓斬波電路的原理。經過多次調節(jié)各元件參數發(fā)現，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，電容值過小輸出波形會持續(xù)震蕩，應取較大，但過大的電容值會使輸出電壓穩(wěn)

13、定的時間太長。根據以上規(guī)律反復改變各元件參數，直到得到滿意的結果。如下圖12即為當占空比為50%的時候，仿真建模得到的輸出波形，該波形是在Scope中觀察到的圖12 直流斬波電路仿真波形很顯然，當占空比為50%時輸出電壓應該為200V的兩倍，即為400V，在仿真得到的波形中可以看到在0.038s后輸出穩(wěn)定的直流電壓400V，效果比較好，滿足要求。6.2三相橋式PWM逆變電路仿真實現結果這里說的三相橋式PWM逆變電路包括了濾波電路在進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的影響。在設計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，每相輸出的正弦波幅值為22

14、02V，約為311V。根據此要求反復調節(jié)各元件參數，發(fā)現當輸入直流電壓為689.85V，離散PWM生成器的調制參數m=0.98時輸出電壓滿足要求。此時逆變電路的輸出波形如圖13三相橋式PWM逆變電路仿真波形所示圖13三相橋式PWM逆變電路仿真波形6.3閉環(huán)反饋電路仿真實現結果經過閉環(huán)反饋電路得到的輸出PWM波形（占空比為71.1%）如圖14所示圖14 閉環(huán)反饋電路圖6.4三相逆變電源總體仿真實現結果首先應該將升壓斬波電路的輸出電壓調到689.85V左右，再對逆變電源進行仿真。反復調節(jié)參數知當直流升壓斬波電路中PWM脈沖生成器的占空比達到71.1%時，輸出的直流電壓約為690V，此時的波形如圖15三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