我的三相逆变器Matlab仿真研究

武汉理工大学《电力电子装置及系统》课程设计说明书1三相逆变器Matlab仿真研究1方案选择1.1课程设计要求本次课程设计要求对逆变电源进行Matlab仿真研究，输入直流电压为110V，输出为220V三相交流电，建立三相逆变器Matlab仿真模型,进行仿真实验，得到三相交流电波形。1.2实现方案确定由于要求的输出为220V,50HZ三相交流电，显然不能直接由输入的110V直流电逆变产生，需将输入的110V直流电压通过升压斩波电路提高电压，再经过逆变过程及滤波电路得到要求的输出。根据课本所学的，可以采用升压斩波电路和三相电压型桥式逆变电路的组合电路，将升压后的电压作为逆变电路的直流侧，得到三相交流电，同时采用SPWM控制技术，使其频率为50HZ。斩波电路有脉冲宽度调制、频率调制和混合型三种控制方式。在此使用第一种控制方式，这种方式也是应用最多的方法。通过控制开关器件的通断实现电能的储存和释放过程，输出信号为方波，调节脉宽可以控制输出的电压的大小。根据直流侧电源性质不同，逆变电路可分为电压型逆变电路和电流型逆变电路。这里的逆变电路属电压型。PWM控制方式有两种，一种是在调制波的半个周期内三角载波只在正极性或负极性一种极性范围内变化，所得到的PWM波形也只在单个极性范围变化的单极性PWM控制方式，另一种是双极性控制方式，其在调制波的半个周期内三角载波不再是一种极性，而是有正有负，所得的PWM波也是有正有负。对于三相桥式PWM逆变电路，一般采用双极性控制方式。该电路的输出含有谐波，滤波电路采用RLC滤波电路。直流斩波电路采用PWM斩波控制，输出的方波经过滤波电路后变为直流电送往逆变电路。逆变采用PWM逆变电路，采用SPWM作为调制信号，输出PWM波形，再经过滤波电路得到220V、50Hz三相交流电，系统总体框图如图1所示。图1系统总体框图PWM升压斩波电路滤波电路逆变电路滤波电路100VDCPWM波直流电380V50HZACSPWM调制信号方波武汉理工大学《电力电子装置及系统》课程设计说明书22各模块原理2.1升压斩波电路升压斩波电路如下图2所示。假设L值、C值很大，V通时，E向L充电，充电电流恒为I1，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压uo为恒值，记为Uo。设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为1onEIt。V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断的时间为offt，则此期间电感L释放能量为01()offUEIt，稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等，即offontIEUtEI101)(化简得0offTUEt输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路，也称之为boost变换器。T与offt的比值为升压比，将升压比的倒数记作β，则1故EaU110升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因：L储能之后具有使电压泵升的作用，并且电容C可将输出电压保持住。图2升压斩波电路原理图武汉理工大学《电力电子装置及系统》课程设计说明书32.2三相电压型桥式逆变电路三相电压型桥式逆变电路如下图3所示。该电路采用双极性控制方式，U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角载波cu，三相的调制信号rUu、rVu和rWu一次相差120度。U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U相为例来说明。当rUucu时，给上桥臂1V以导通信号，给下桥臂4V以关断信号，则U相相对于直流电源假想中点'N的输出电压'/2UNduU。当rUucu时，给4V以导通信号，给1V以关断信号，则'/2UNduU。1V和4V的驱动信号始终是互补的。当给1V（4V）加导通信号时，可能是1V（4V）导通，也可能是二极管1DV（4DV）续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定。V相和W相的控制方式都和U相相同。。图3三相电压型桥式逆变电路电路的相关波形如图4所示图4三相桥式PWM逆变电路波形武汉理工大学《电力电子装置及系统》课程设计说明书42.3双极性SPWM控制电路2.3.1SPWM波的应用原理在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关器件的通断。在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得的PWM波也是有正有负，在ur的一个周期内，输出的PWM波只有±Ud两种电平。在ur的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。当uruc时，V1和V4导通，V2和V3关断，这时如io0，则V1和V4通，如io0，则VD1和VD4通，不管哪种情况都是oduu当uruc时，V2和V3导通，V1和V4关断，这时如io0，则V2和V3通，如io0，则VD2和VD3通，不管哪种情况都是oduu这样就得到了正弦信号与三角载波的比较波形即SPWM波，此波形在效果上等效于调制波。其波形如图5所示。图5双极性PWM控制方式波形2.3.2双极性SPWM控制电路的原理将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲宽度为/N，但幅值顶部是曲线且大小按正urucuOtOtoUofUoudUdU武汉理工大学《电力电子装置及系统》课程设计说明书5弦规律变化的脉冲序列组成的。把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，这就是PWM波形。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM（SinusoidalPWM）波形。PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种，由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波。基于等效面积原理，PWM波形还可以等效成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等。由于各脉冲的幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电。2.4Simulink仿真环境Simulink是Matlab的仿真集成环境，是一个实现动态系统建模、仿真的集成环境。它使Matlab的功能进一步增强，主要表现为：①模型的可视化。在Windows环境下，用户通过鼠标就可以完成模型的建立与仿真；②实现了多工作环境间文件互用和数据交换；③把理论和工程有机结合在一起。利用Matlab下的Simulink软件和电力系统模块库(SimPowerSystems)进行系统仿真是十分简单和直观的，用户可以用图形化的方法直接建立起仿真系统的模型，并通过Simulink环境中的菜单直接启动系统的仿真过程，同时将结果在示波器上显示出来。本文主要通过对逆变电源的Matlab仿真，研究逆变电路的输入输出及其特性，以及一些参数的选择设置方法，从而为以后的学习和研究奠定基础，同时也学习使用Matlab软件的Simulink集成环境进行仿真的相关操作。武汉理工大学《电力电子装置及系统》课程设计说明书63Matlab仿真建模根据系统总体框图，可将其分为PWM升压斩波电路和三相逆变电路（含滤波电路），而在三相逆变电路中，SPWM的作用很重要，会单独进行一些说明，下面分别对它们进行仿真建模。3.1斩波电路Matlab仿真建模斩波电路我采用了升压斩波电路，MATLAB仿真模型如图6所示，原理前面也讲得很清楚了。电路输出的电压还要经逆变后滤波，故对波形的要求不是很高，与负载并联的电容C取很大，就可以达到滤波的目的，因此不需另外添加滤波电路。该电路中开关器件用IGBT，控制IGBT的波形由PWM脉冲生成器PulseGenerator产生，PulseGenerator在SimulinkLibraryBrowser的Simulink下拉菜单Sources类别中。绘制仿真图时，打开SimulinkLibraryBrowser，可以在分类菜单中查找所需元件，也可以直接在查找栏中输入元件名称，如PulseGenerator，双击查找。找到元件后直接将其拖到新建Model文件窗口中即可。电路中其他元件按以上方法找出，放入Model文件窗口中。其中电阻、电感和电容元件，选择SimPowerSystems下拉菜单Elements类别中的SeriesRLCBranch，放入窗口后，双击该图标，在BranchType中选择相应类型，如电阻选R，电感选L，选择完毕后单击OK按钮。放齐元件后，按升降压斩波电路原理图连接电路，为了方便观察输出，应在输出端加上电压测量装置VoltageMeasurement，并在Simulink下拉菜单CommonlyUsedBlocks类别中选择Scope，即示波器，以观测输出电压波形。图6升压斩波电路MATLAB仿真模型武汉理工大学《电力电子装置及系统》课程设计说明书73.2逆变电路仿真建模3.2.1逆变电路的Matlab模型如图7所示，为逆变电路的Matlab的仿真模型。此电路采用了三相逆变桥集成块UniversalBridge3arms，滤波电路也已由Three-PhasseParallelRLCLoad模块构成，不需另加滤波电路。对于SPWM控制波的生成，因为这一个模块基本上是整个逆变电路的核心，直接用Matlab自带的模块集成电路，虽然也可以实现这一功能，但是显然没有对SPWM波的生成有一个比较深入的了解，下面会对SPWM波的生成，即下面仿真图中的pwmsubsystem进行详细的说明。图7逆变电路的Matlab的仿真模型3.2.2SPWM波的Matlab仿真模型等腰三角形载波的Matlab仿真如下图8所示图8等腰三角形载波的Matlab仿真模型其波形如下图9所示武汉理工大学《电力电子装置及系统》课程设计说明书8图9三角形载波图形生成等腰三角形载波的S函数如下function[sys,x0,str,ts]=sanjiaowave(t,x,u,flag,A,Freq)switchflag,case0,[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes;case1,sys=mdlDerivatives(t,x,u);case2,sys=mdlUpdate(t,x,u);case3,sys=mdlOutputs(t,x,u,A,Freq);case4,sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u);case9,sys=mdlTerminate(t,x,u);otherwiseerror(['Unhandledflag=',num2str(flag)]);endfunction[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizessizes=simsizes;sizes.NumContStates=0;sizes.NumDiscStates=0;sizes.NumOutputs=1;sizes.NumInputs=1;sizes.DirFeedthrough=1;sizes.NumSampleTimes=1;%atleastonesampletimeisneededsys=simsizes(sizes);x0=[];str=[];%%initializethearrayofsampletimes武汉理工大学《电力电子装置及系统》课程设计说明书9%ts=[00];functionsys=mdlDerivatives(t,x,u)sys=[];functionsys=mdlUpdate(t,x,u)sys=[];functionsys=mdlOutputs(t,x,u,A,Freq)%直接在输出函数部分编写三角波的代码T=1/Freq;%求三角波周期m=rem(u,T);%u为外部输入时间信息，rem为求余函数K=floor(u/T);%floor为向零取整r=4*A*Freq;c=T/2;if((m=0)&(mc))sys=r*(u-(K+0.25)*T);elseif((m=c)&(m=T))sys=-[r*(u-(K+0.75)*T)];elsesys=A;endfunctionsys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u)sampleTime=1;%Example,setthenexthittobeonesecondlate