PWM逆变器Matlab仿真

武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书摘要在本设计中，首先，针对课设题目要求，进行了系统的总体方案选择，以及各功能模块的方案论证和选择。选择通过升压斩波电路将输入直流电压升高，再利用全桥逆变方式将直流电转换成50HZ的交流电，控制部分采用PWM斩波控制技术。接着，对各功能模块进行了详细的原理分析和电路设计，同时也对可能出现的直流不平衡等问题进行了考虑。并最终通过MATLAB来实现PWM逆变器的仿真，并进行结果分析，得出系统参数对输出的影响规律。经过理论分析设计以及MATLAB仿真两种方式，证明了本系统可以很好地实现将输入110V直流转换成220V、50HZ单相交流电的设计要求，另外本设计也按设计要求采用了PWM斩波控制技术。关键词：逆变；PWM控制；MATLAB仿真；DC-DC；武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书目录1.设计方案的论证与选择.....................................................................................11.1总体设计思路..........................................................................................11.2DC-DC方案论证与选择........................................................................11.3逆变主电路的方案论证与选择..............................................................21.4逆变器控制方法的论证与选择.............................................................32.设计原理及实现方法.........................................................................................42.1升压斩波电路的设计.............................................................................42.2全桥式逆变电路的设计.........................................................................52.3PWM控制技术及SPWM波的生成.....................................................62.3.1PWM控制的基本原理................................................................72.3.2SPWM法的基本原理..................................................................72.3.3规则采样法..................................................................................82.3.4单极性和双极性PWM控制逆变电路分析...............................93.MATLAB仿真及结论分析.............................................................................113.1升压环节的建模与仿真........................................................................113.2制作并生成SPWM波形.....................................................................133.3逆变环节的建模与仿真（一）...........................................................153.4逆变环节的建模与仿真（二）...........................................................173.4.1载波频率与输出电压频率改变对波形的影响.........................183.4.2改变负载对输出的影响............................................................214.收获与体会.......................................................................................................255.参考文献...........................................................................................................26武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书1PWM逆变器Matlab仿真1.设计方案的论证与选择1.1总体设计思路由于要求的输出为220V,50HZ单相交流电，而输入却是只有110V的直流电压，所以仅仅由逆变环节不能实现，而应该有升压环节。方案一：有工频变压器的逆变电源。逆变电路将110V输入电压逆变成有效值基本不变的频率为50HZ的交流电，再由工频变压器升压得到220V交流电压。方案二：无工频变压器的逆变电源。直流-直流变流电路将输入的110V直流电压提高，再经过逆变过程及滤波电路得到要求的输出。方案选择：方案一的效率一般可达90%以上、可靠性较高、抗输出短路的能力较强。但是，它响应速度较慢，体积大，波形畸变较重，带非线性负载的能力较差，而且噪声大。而方案二的效率、可靠性高的同时，其响应速度、噪声、体积等性能都更好。因此我选择方案二。从而本设计应该包含有DC-DC、滤波电路、逆变电路以及控制部分。按设计要求，控制部分应采用PWM斩波控制技术，使输出交流电的频率为50HZ。因为各个功能模块有多种方案可供选择，每种方案有其各自的优点和适用范围，所以本设计的重点是对各功能模块进行方案论证和比较，并针对所选方案进行电路的设计，同时确定相关参数和性能指标。按设计要求，最终应该进行Matlab仿真及结果分析。1.2DC-DC方案论证与选择方案一：直接直流变流电路。该电路也称作斩波电路，它的功能是将直流电直接变成另一种固定电压或可调电压的直流电，这种情况下输入和输出之间不隔离。方案二：间接直流变流电路。该形式的电路是在直流变流电路中增加了交流武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书2环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出的隔离。方案选择：方案一由于不采用变压器进行输入和输出的隔离，所以系统体积小、重量轻、效率高、成本低而且系统也不复杂。本设计采用方案一，由于没有进行隔离，所以应采取相应保护措施。直流直流变流电路的结构我选用常用的升压斩波电路，该电路结构较为简单，损耗较小，效率较高。不仅能起调压的作用，同时还能起到有效地抑制谐波电流噪声的作用。1.3逆变主电路的方案论证与选择方案一：半桥式逆变电路。在驱动电压的轮流开关作用下,半桥电路两只晶体管交替导通和截止。半桥电路输入电压只有一半加在变压器一次侧，这导致电流峰值增加，因此半桥电路只在较低输出功率场合下使用，同时它具有抗不平衡能力，从而得到广泛应用。半桥式拓扑结构原理图如图所示。图1.1半桥式逆变电路方案二：全桥逆变电路。全桥电路中互为对角的两个开关同时导通，而同一侧半桥上下两开关交替导通，将直流电压成幅值为inV的交流电压，加在变压器一次侧。改变开关的占空比，也就改变了输出电压outV。全桥式电路如图所示。武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书3图1.2全桥逆变电路方案三：推挽式逆变电路。推挽电路的工作是由两路相位相反的驱动脉冲分别加到逆变开关管Q1、Q2的基极，控制它们交替断通，使输入直流电压变换成高频的方波交流电压从变压器输出。图1.3推挽式逆变电路方案选择：全桥电路和推挽电路的电压利用率是一样的，均比半桥电路大一倍。再基于全桥结构的控制方式比较灵活，我选用方案二全桥结构，全桥结构的直流不平衡问题，需要采取措施解决。1.4逆变器控制方法的论证与选择方案一：数字控制。单片机、DSP等微处理器可以读取输出，并通过控制算法，实时的计算出PWM输出值武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书40offTUEt方案二：模拟控制。控制脉冲的生成、控制算法的实现全部由模拟器件完成。方案三：数模结合的SPWM控制电路。它由数字分频电路、三角波形成电路、调节器、标准正弦波形成电路及PWM形成电路等组成。数字分频电路由石英晶体振荡器构成，分频电路提供了三角波频率信号，标准正弦波的产生是利用数字电路实现的。正弦信号SINE和三角载波信号TR通过快速电压比较器，来得到SPWM信号。方案选择：综合考虑便利性、灵活性以及投资成本，选用方案三来实现控制功能。2.设计原理及实现方法2.1升压斩波电路的设计升压斩波电路如下图所示。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)(（2-1）化简得（2-2）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（2-3）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。武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书5图2.1升压斩波电路2.2全桥式逆变电路的设计如图所示，单相全桥逆变电路可以看作是由两个半桥逆变电路组成的，桥臂1、4和桥臂2、3各成一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180°，其输出电压ou的波形和半桥电路的ou波形形状相同，也是矩形波，但其幅值高出一倍，mU=dU。在直流电压和负载都相同的情况下，输出的电流oi的波形也和半桥电路中oi的形状相同，而幅值增加一倍。图2.2全桥式逆变电路全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的电路，下面对其电压波形做定量分析。把幅值为dU的矩形波u0展开，形成傅里叶级数：)sin51sin31(sin/4tttUudo(2-4)武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书6式中，基波的幅值olmU和基波的有效值olU分别为：ddolmUUU27.1/4(2-5)ddolUUU9.0/22(2-6)上述公式对于半桥电路也是适用的，只是式中的dU要换成dU/2。前面分析的ou波形都是正负电压各180°的矩形波情况，在这种情况下，要改变输出电压的有效值，只能通过改变直流电压来实现。在阻感负载时，还可以采用移相方式来调节逆变电路的输出电压，这种方式成为移相调压。其波形如图所示，这里所说的移相调压其实就是调节输出电压矩形波(脉冲)的宽度，具体做法是，栅极信号G1U、G2U互补，G3U、G4U互补，而且仍为180°正偏、180°反偏。但是G1U与G4U、G2U与G3U的相位不同，错开角度，即调节G3U落后G1U的角