PWM-逆变器设计与仿真

1摘要随着电力电子技术的不断发展，电力电子技术的各种装置在国民经济各行各业中得到了广泛应用。从电能转换的观点，电力电子的装置涵盖交流——直流变换、直流——交流变换、直流——直流变换、交流——交流变换。比如在可控电路直流电动机控制，可变直流电源等方面都得到了广泛的应用,而这些都是以逆变电路为核心。由于电力电子技术中有关电能的变换与控制过程，内容大多涉及电力电子各种装置的分析与大量的计算、电能变幻的波形分析、测量与绘制等，这些工作特别适合Matlab的使用。本次设计的题目是基于PWM逆变器的设计与仿真，所以在此次仿真就用的是Matlab软件，建立了基于Matlab的单相桥式SPWM逆变电路,采用IGBT作为开关器件，并对单相桥式电压型逆变电路和PWM控制电路的工作原理进行了分析，运用MATLAB中的simulink/simupowersystems对电路进行了仿真，给出了仿真波形，并运用MATLAB提供的powergui模块,分别用单极性SPWM和双极性SPWM的动态模型给出了仿真的实例与仿真结果，验证了模型的正确性，并展现了Matlab仿真具有的快捷，灵活，方便，直观的以及Matlab绘制的图形准确、清晰、优美的优点,从而进一步展示了Matlab的优越性。关键字：PWM逆变器单极性SPWM双极性SPWMMATLAB仿真2目录摘要绪论………………………………………………………………………1第1章MATLAB软件…………………………………………………31.1软件的介绍………………………………………………………31.2电力电子电路的Matlab仿真…………………………………41.2.1实验系统总体设计………………………………………51.2.2电力电子电路Simulink仿真d特点…………………5第2章逆变主电路的方案论证与选择…………………………6第3章PWM逆变器的工作原理……………………………………93.1PWM控制理论基础……………………………………………93.1.1面积等效原理……………………………………………93.2PWM逆变电路及其控制方法………………………………113.2.1计算法……………………………………………………113.2.2调制法……………………………………………………113.2.3SPWM控制方式…………………………………………15第4章单相桥式PWM逆变器的仿真………………………………184.1单相桥式PWM逆变器调制电路的Simulink模型……………184.1.1单极性SPWM仿真模型图………………………………184.1.2双极性SPWM仿真模型图……………………………194.2仿真参数的设定及仿真图的分析…………………………194.2.1单极性SPWM的仿真及分析…………………………1934.2.2双极性SPWM仿真及分析……………………………………26总结……………………………………………………………………32参考文献………………………………………………………………331绪论20世纪60年代发展起来的电力电子技术，使电能可以交换和控制，生产了现在各种高效节能的新型电源和交直流调速装置，为工业生产，交通运输等提供了现代化的高新技术，提高了生产效率和人们的生活质量，使人类社会生活发生了巨大的变化。但是在电力电子技术中有关电能的变换与控制过程，内容大多涉及电力电子技术各种装置的分析与大量计算，电能变换的波形分析，测量与绘图等，随着晶闸管所处状态的不同，系统的参数形式也不同，因而传统的计算机语言编程仿真程序冗长，可读性差，调试费时，大量的时间花在矩阵处理和图形的生成分析等繁琐易错的细节上，而这些工作特别适合MATLAB的使用。MATLAB运算功能强大，计算准确又快捷；同时MATLAB提供的动态仿真工具SIMULINK可直接建立电路仿真参数，并且可以立即得到参数修改后的仿真结果，直观性强，省去了编程步骤，实体图形化模型的仿真简单，方便，能节省设计时间与降低成本。MATLAB绘制的图形尤其准确，清晰，精美。电力电子技术领域通常利用MATLAB中的SIMULINK其中的电气系统模块库（PowerSystemBlockser）建立电力电子装置的简化模型并进行控制器的设计和仿真。现如今，逆变器的应用非常广泛，在已有的各种电源中，蓄电池，、干电池、天阳能电池都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变。另外，交流电机调速变频，感应加热电源等使用广泛的电力电子设备，都是以逆变电路为核心。本次设计利用MATLAB仿真软件对单相桥式逆变双极性SPWM和单极性SPWM电路进行仿真分2析，并得出正确的仿真结果，而且改变了参数从而进行比较，更能清晰的了解PWM逆变器的工作原理及影响其工作特性的因素，从而达到学习的目的。3第1章MATLAB软件1.1软件的介绍MATLAB环境（又称MATLAB语言）是由美国NewMexico大学的CleveMoler于1980年开始研究开发的，1984年由CleveMoler等人创立的MathWorks公司推出的第一个商业版本。经过几十年ATLAB的发展，竞争和完善，现已成为国际公认最优秀的科技应用软件。ATLAB语言的两个最著名特点，即其强大的矩阵运算能力和完善的图形可视化功能，使得它成为国际控制界应用最广的首选计算机工具。在控制界，很多知名学者都能为其擅长的领域写出了工具箱，而其中很多工具箱已成为该领域的标准。MATLAB具有对应学科极强的适应能力，很快成为应用学科计算机辅助分析，设计，仿真，教学甚至科技文字处理不可缺少的基础软件。MATLAB命令和矩阵函数是分析和设计控制系统时经常采用的。MATLAB具有很多预定含义的函数，供用户在求解许多不同类型的控制问题时调用。SIMULINK是MATLAB提供的一个用来对动态系统进行建模，仿真和分析的软件包。Simulink界面友好，他为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，用户建模通过简单的单击和拖运就能实现，使得建模就像用纸和笔来画面一样容易。他与传统的仿真软件包相比，具有更直观，方便，灵活的优点。SIMULINK允许用户定制和创建自己的模块。Matlab命令和矩阵函数是分析和设计控制系统时经常采用的。Simulink是Matlab提供的一个用来对动态系统进行建模，仿真和分4析的软件包。Simulink模块库内资源相当丰富，基本模块库包括连续系统，离散系统非线性系统，信号与函数，输入模块，接收模块等等，使用方便。由基本模块又形成了其他的一些专业库，使仿真起来简单快捷，尤其是其中的电气系统模块库（PowerSystemBlockser）和SimPowerSystems模块，可以使电力电子技术的仿真变得更加容易。在建成模型结构后，就可以启动系统仿真功能来分析系统的动态特性。启动仿真后，SIMULINK通过鼠标操作就可以实现在线修改参数，改变仿真算法，暂停/继续或停止仿真，不需要其他的复杂操作。Matlab的SimPowerSystems模块实体图形化模型系统，把代表晶闸管，触发器，电阻，电容，电源，电压表，电流表等实物的特有图形符号，连成一个蒸馏装置电路，一个逆变装置或者是一个系统，它不是一个真实的物体，而是世纪物体的图形化模型。这种实体模型的仿真具有简单方便节省设计制作时间和低成本等特点。再者，Matlab界面友好，是的从事自动控制的科技工作者乐于接触它，愿意使用它。最后，逆变技术讨论的电能转换与控制，需要对各种电压与电流波形进行测量，绘制与分析，Matlab提供的功能强大且使用方便的图形函数，特别适合完成此项任务。坐标体系完整，线形类型丰富，色彩绚丽多彩，Matlab绘制的图形尤其准确，清晰，精美，可以用来对电路的工作原理进行讨论和分析。1.2电力电子电路的Matlab仿真实验软件中提供了典型电力电子电路（如整流电路、触发电路、有源逆变电路、交流变换电路、直流斩波电路等）的数学模型，可供5实验使用，同时也可以自己设计模型完成不同功能的实验任务。1.2.1实验系统总体设计电力电子电路的Simulink仿真流程如下：数学建模阶段——模型转换阶段——运行仿真阶段——分析仿真结果数学建模阶段：将实际对象的动态特性用微分方程、传递函数、状态方程或结构图等方式描述出来。模型转换阶段：在Matlab环境下选择仿真算法将数学模型转化成能被计算机接受的离散化模型，即仿真模型。建立模型后，设定每个模块参数。运行仿真阶段：在Simulink环境下设置仿真参数，包括仿真时间，仿真步长，误差值等，采取快速仿真算法，既能达到实时仿真的目的，又能满足一定的精度要求。分析仿真结果：使用Scopes可以观察仿真结果。并且能在仿真运行过程中随时改变参数，观察变化情况。1.2.2电力电子电路Simulink仿真的特点电力电子电路实验系统的Simulink仿真，具有以下特点：（1）仿真研究方法简单、灵活、多样。该仿真实验在仿真时还可以任意参数调整，体现了仿真研究和数学的方便性和灵活性（2）仿真结果直观。通过仿真研究可以得到有关系统设计的大量、充分而且直观的曲线与数据，方便对系统进行分析、改进。6第2章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。半桥式逆变电路方案二：单相桥式逆变电路。单相桥式逆变器有四个带反并联续流二极管的IGBT组成，分别为VT1~VT4，直流侧由两个串联电容，他们共同提供直流电压Ud，负载为阻感负载，调制电路分别由单相交流正弦调制波形和三角载波组成，其中三角载波和正弦调制波的幅值和频率之比分别被称为调制度和载波频率，这是SPWM调制中的两个重要参数。三角载波和正弦调制波相互调制产生四路脉冲信号分别给六个IGBT提供触发信号。7单相桥式逆变电路方案三：三相桥式PWM逆变电路。当crUUU时，给V1导通信号，给V4关断信号，2/`'dUNUU；当crUUU时，给V4导通信号，给V1关断信号，2/`'dUNUU。当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通。`'UNU、`'VNU和`'WNU的PWM波形只有2/dU两种电平。UVU波形可由`'UNU、`'VNU得出，当1和6通时，UVU=Ud，当3和4通时，UVU=Ud，当1和3或4和6通时，UVU=0。VWU、WUU的波形可同理得出。三相桥式逆变电路方案四：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。推挽式逆变电路方案选择：桥式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。再基于桥式结构的控制方式比较灵活，我选用桥式电8路，对于单相桥式电路和三相桥式电路，我选择单相桥式电路来实现PWM逆变器的实现，所以选用方案二。9第3章PWM逆变器的工作原理3.1理论基础冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。3-1-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲3.1.1面积等效原理分别将如图3-1-1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图3-1-2a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图3-1-2b所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，