PWM逆变器Matlab仿真解析

武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：题目:PWM逆变器Matlab仿真初始条件：输入110V直流电压；要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、得到输出为220V、50Hz单相交流电；2、采用PWM斩波控制技术；3、建立Matlab仿真模型；4、得到实验结果。时间安排：课程设计时间为两周，将其分为三个阶段。第一阶段：复习有关知识，阅读课程设计指导书，搞懂原理，并准备收集设计资料，此阶段约占总时间的20%。第二阶段：根据设计的技术指标要求选择方案，设计计算。第三阶段：完成设计和文档整理，约占总时间的40%。指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书目录摘要........................................................................11设计方案的选择与论证......................................................22逆变主电路设计............................................................22.1逆变电路原理及相关概念................................................22.2逆变电路的方案论证及选择..............................................32.3建立单相桥式逆变电路的SIMULINK的仿真模型...............................42.3.1模型假设...........................................................52.3.2利用MATLAB/Simulink进行电路仿真...................................53正弦脉宽调制(SPWM)原理及控制方法的SIMULINK仿真...........................63.1正弦脉冲宽度调制(SPWM)原理............................................63.2SPWM波的控制方法......................................................73.2.1双极性SPWM控制原理及Simulink仿真.................................73.2.2单极性SPWM控制原理及Simulink仿真.................................94升压电路的分析论证及仿真.................................................114.1BOOST电路工作原理.....................................................114.2BOOST电路的SIMULINK仿真...............................................125滤波器设计...............................................................136PWM逆变器总体模型.......................................................157心得体会.................................................................18参考文献...................................................................19武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书1PWM逆变器MATLAB仿真摘要随着电力电子技术，计算机技术，自动控制技术的迅速发展，PWM技术得到了迅速发展，SPWM正弦脉宽调制这项技术的特点是原理简单，通用性强，具有开关频率固定，控制和调节性好，能消除谐波使输出电压只含有固定频率的高次谐波分量，设计简单等一系列有点，是一种比较好的波形改善法。它的出现对中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。SPWM技术成为目前应用最为广泛的逆变用PWM技术。因此，研究SPWM逆变器的基本工作原理和作用特性意义十分重大.本篇论文以IGBT构成的单相桥式逆变电路为基础，讨论SPWM波的产生原理及不同的控制方法，并借助著名的科学计算软件MATLAB/Simulink，对SPWM逆变电路进行仿真设计，以达到题目要求的性能指标，并进行结果分析。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。Simulink中有一个专门用于电力系统仿真的SimPowerSystems工具箱,其中囊括了几乎所有的电力电子器件的模型，通过调用这些模型可以完成对各种复杂系统的建模仿真。关键词：逆变SPWMMATLAB/Simulink武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书21设计方案的选择与论证从题目的要求可知，输入电压为110V直流电，而输出是有效值为220V的交流电，所以这里涉及到一个升压的问题，基于此有两种设计思路第一种是进行DC-DC升压变换再进行逆变，另一种是先进行逆变再进行升压。除此之外，要得到正弦交流电压还要考虑滤波等问题，所以这两种方案的设计框图分别如下图所示：逆变滤波DC-DC升压斩波110V直流电直流电PWM波220V正弦波图1-1方案一：先升压再逆变变压器升压滤波逆变110V直流电PWM波PWM波220V正弦波图1-2方案二：先逆变，再升压方案选择：方案一：采用DC-DC升压斩波电路其可靠性高、响应速度、噪声性能好，效率高，但不适用于升压倍率较高的场合，另外升压斩波电路在初期会产生超调趋势(这一点将在后文予以讨论)，在与后面的逆变电路相连时必须予以考虑，我们可以采用附加控制策略的办法来减小超调量同时达到较短的调节时间，但这将增加逆变器的复杂度和设计成本。方案二：采用变压器对逆变电路输出的交流电进行升压，这种方法效率一般可达90%以上、可靠性较高、抗输出短路的能力较强，但响应速度较慢，体积大，波形畸变较重。从以上的分析可以看出两种方案有各自的优缺点，但由于方案二设计较为简便，因此本论文选择方案二作为最终的设计方案，但对于方案一的相关内容也会在后文予以讨论。2逆变主电路设计2.1逆变电路原理及相关概念逆变与整流是相对应的，把直流电变为交流电的过程称为逆变。根据交流侧是否与交流电网相连可将逆变电路分为有源逆变和无源逆变，在不加说明时，逆变一般指无源逆变，本论文针对的就是无源逆变的情况；根据直流侧是恒流源还是恒压源又将逆变电路分为电武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书3压型逆变电路和电流型逆变电路，电压型逆变电路输出电压的波形为方波而电流型逆变电路输出电流波形为方波，由于题目要求对输出电压进行调节，所以本论文只讨论电压型逆变电路；根据输出电压电流的相数又将逆变电路分为单相逆变电路和三相逆变电路，由于题目要求输出单相交流电，所以本论文将只讨论单相逆变电路。2.2逆变电路的方案论证及选择从上面的讨论可以看出本论文主要讨论单相电压型无源逆变电路，电压型逆变电路的特点除了前文所提及的之外，还有一个特点即开关器件普遍选择全控型器件如IGBT，电力MOSFET等，有三种方案可供选择，下面分别予以讨论：方案一：半桥逆变电路，如下图所示，其特点是有两个桥臂，每个桥臂有一个可控器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的连接点为直流电源的中点。反并联二极管为反馈电感中储存的无功能量提供通路，直流侧电容正起着缓冲无功能量的作用。其优点为简单，使用器件少，缺点为输出交流电压的幅值仅为直流电源电压的一半，且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡，因此它只适用于几千瓦以下的小功率逆变电路。UdUd/2Ud/2RLV1V2VD2VD1uoio图2-1半桥逆变电路方案二：全桥逆变电路，如下图所示：其特点是有四个桥臂，相当于两个半桥电路的组合，其中桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180，其输出矩形波的幅值是半桥电路的两倍。全桥电路在带阻感负载时还可以采用移相调压的方式输出脉冲宽度可调的矩形波。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书4UdRLV3V4VD4VD3V1V2VD2VD1uoio图2-2全桥逆变电路方案三：带中心抽头变压器的逆变电路，其主要特点是交替驱动两个IGBT，通过变压器耦合给负载加上矩形波电压。两个二极管的作用也是给负载电感中储存的无功能量提供反馈通道，该电路虽然比全桥电路少了一半开关器件，但器件承受的电压约为2Ud，比全桥电路高一倍，且必须有一个变压器。UdV1V2VD2VD1uoio负载图2-3带中心抽头变压器的逆变电路方案选择：全桥电路和带中心抽头变压器的逆变电路的电压利用率是一样的，均比半桥电路大一倍。又由于全桥结构的控制方式比较灵活，所以本篇论文选择单相桥式逆变电路作为逆变器的主电路。2.3建立单相桥式逆变电路的Simulink的仿真模型武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书52.3.1模型假设1)所有开关器件都是理想开关器件，即通态压降为零，断态压降为无穷大，并认为各开关器件的换流过程在瞬间完成，不考虑死区时间。2)所有的输入信号包括触发信号、电源电压稳定，不存在波动。2.3.2利用MATLAB/Simulink进行电路仿真在Simulink工作空间中添加如下元件：Simscape/SimPowerSystems/PowerElectronics中的Diode、IGBT模块Simscape/SimPowerSystems/ElectricalSources/DCVoltageSource模块Simscape/SimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranch模块Simscape/SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement模块Simscape/SimPowerSystems/Measurements/Multimeter模块Simscape/SimPowerSystems/powergui模块Simulink/Source/PulseGenerator模块Simulink/Sinks/FloatingScope模块Simulink/SignalRouting/Demux模块利用上述模块构成如下图所示的单相桥式逆变电路模型图2-4单相桥式逆变电路模型武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书6各个模块的参数设置如下：“DCVoltageSource”模块幅值设为110V；“powergui”中“Simulationtype”选为“continuous”，并且选中“Enableuseofidealswitchingdevice”复选框；“PulseGenerator3”中“Amplitude”设为1，由于题目要求输出电压频率为50Hz，即周期为0.02S，所以“Period”设为0.02，“PhaseDelay”设为零，即初始相位为零，这一路脉冲送出去用来驱动桥臂1和3；“PulseGenerator1”的“PhaseDelay”设为0.01，相当于延迟半个周期，以形成与“PulseGenerator3”互补的触发脉冲用来驱动桥臂2和4，其他参数与“PulseGenerator3”相同；“Solver”求解器算法设为ode45；仿真时间设为5S，之后便可以开始仿真了，仿真后Scope输出波形如下图所示，图中自上