三相逆变器仿真

学号：0121111360719课程设计题目三相逆变器仿真学院自动化学院专业自动化班级自动化1103班姓名黄诚指导教师吴勇2014年1月9日武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书I目录1概述及设计要求............................................11.1概述..................................................................11.2设计要求..............................................................12方案比较及认证............................................22.1升压电路模块方案选择..................................................22.2逆变电路方案选择......................................................22.3闭环反馈电路设计......................................................22.4总体电路方案设计......................................................23系统原理说明..............................................43.1升压斩波电路..........................................................43.2三相电压型桥式逆变电路................................................43.3SPWM逆变器的工作原理..................................................53.4SIMULINK仿真环境.......................................................54仿真建模..................................................74.1升压斩波电路仿真建模..................................................74.2三相桥式PWM逆变电路仿真建模..........................................84.3闭环反馈电路仿真建模..................................................84.4三相逆变电源总体电路仿真建模..........................................95仿真结果..................................................115.1直流升压斩波电路仿真结果.............................................115.2三相桥式PWM逆变电路仿真实现结果.....................................115.3闭环反馈电路仿真实现结果.............................................125.4三相逆变电源总体仿真实现结果.........................................136总结.....................................................15参考文献...................................................16武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书1三相逆变器仿真1概述及设计要求1.1概述电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术的应用范围十分广泛，它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。PWM控制技术就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）；面积等效原理是PWM技术的重要基础理论。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。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。1.2设计要求本设计要求输入200V直流电压，采用PWM斩波控制技术，得到输出为380V、50HZ三相交流电，并且建立Matlab仿真模型，得到实验波形。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书22方案比较及认证2.1升压电路模块方案选择方案一：可以利用变压器对输入的200V直流电压直接升压，接着逆变和滤波，但是此种方案不方便对升压环节进行控制，所以放弃此方案。方案二：通过斩波电路来提高电压，然后进行逆变和滤波，在本次设计中采用此方案，即通过升压斩波电路来控制输出的直流电压，这样可以达到便于控制的目的。方案三：先进行逆变，然后进行斩波电路升压，由于本次设计需要产生的是三相交流电压输出，逆变之后的升压就会涉及到三个直流升压电路，所以也放弃此方案。方案四：也是先进行逆变，然后通过变压器升压，同样的，也是不能方便的对升压环节进行输出电压值的控制，而且会用到三个变压器，比较麻烦。本次设计中采用方案二，经过升压斩波电路升压，然后进行逆变和滤波。2.2逆变电路方案选择逆变电路采用课本上的三相桥式PWM逆变电路，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。采用等腰三角波作为载波，用SPWM进行双极性控制。该电路的输出含有谐波，需要专门的滤波电路进行滤波。滤波电路采用RC滤波电路。经过逆变电路和滤波电路就可以在三相电压输出侧得到题目要求的380V、50Hz三相交流电，不过容易受负载影响输出电压的值。2.3闭环反馈电路设计为了让输出电压更加稳定和准确，所以在本次设计仿真建模中很有必要进行闭环反馈电路的设计，在三相电压输出侧进行电压采集，经过整流得到电压幅值，将采集到的电压值与理想输出电压值进行比较，接着将差值经过PI环节，然后再与等腰三角波比较输出，此处采用的是单极性PWM波控制方式，产生我们所需要的进行升压斩波的PWM波，对直流斩波电路中IGBT的通断控制进而产生理想的输出电压值。2.4总体电路方案设计整体方案设计为直流斩波电路采用PWM斩波控制的升压斩波电路，输出的直流电送往逆变电路。逆变采用三相桥式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380V、50Hz三相交流电，在电压输出侧进行电压采样进而与理想输出值比较转换之后产生所需要的PWM波，控制输出的稳定和准确。系统总体框图如图1所示。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书3图1系统总体框图武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书43系统原理说明3.1升压斩波电路假设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EI1ton。V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。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3.2三相电压型桥式逆变电路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°。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2/'dUNUu=。当rUucu时，给4V以导通信号，给1V以关断信号，则2/-'dUNUu=。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。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书5图3三相桥式逆变电路原理图3.3SPWM逆变器的工作原理由于期望的逆变器输出是一个正弦电压波形，可以把一个正弦半波分作N等分。然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。这样，由N个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形为正弦的半周等效。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。这一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出SPWM波形。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，也就是说，这种交一直一交变频器中的整流器采用不可控的二极管整流器就可以了。逆变器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压。当逆变器各开关器件都是在理想状态下工作时，驱动相应开关器件的信号也应为与形状相似的一系列脉冲波形，这是很容易推断出来的。3.4Simulink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武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书6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《电力电子技术》课程设计说明书74仿真建模根据系统总体框图，可将其分为升压斩波电路，三相逆变电路（含滤波电路）和闭环反馈电路，下面分别对其进行仿真建模，然后再进行总体电路的仿真建模。4.1升压斩波电路仿真建模升压斩波电路可以选用基本的升压斩波电路，升压斩波电路原理图如图4所示。该电路的基本工作原理是：假设L和C值很大，当V处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为I，同时电容C上的电压向负载R供电，因为C值很大，基本保持输出电压Uo恒定。当V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是L储能之后具有使电压泵生的作用，二是电容C可将输出电压保持住。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。图4直流升压斩波电路原理由于本次设计着重于在Matlab中进行仿真建模，所以对于各种元器件的查找和仿真使用就显得尤为重要。可以先打开SimulinkLibraryBrowser，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，双击查找。在最开始的时候没有找到电阻、电容和电感，后来经过多方努力终于知道了方法，选择SimPowerSystems下拉菜单Elements类别中的SeriesRLCBranch，放入