电气工程及其自动化毕业设计 (2).doc

本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 题目：题目：三相电压型 pwm 逆变电路建模与仿真 姓 名 朱 明 礼 学 院 信息与电气工程学院 专 业 电气工程及其自动化 年 级 2008级 学 号 指导教师 封 宁 君 2012 年年 5 月月 23 日日 独独 创创 声声 明明 本人郑重声明：所呈交的毕业论文(设计)，是本人在指导老师的指导 下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所 知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体均已在文中以明确方式标明。 此声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 二一二 年 月 日 毕业论文（设计）使用授权声明毕业论文（设计）使用授权声明 本人完全了解鲁东大学关于收集、保存、使用毕业论文（设计）的规 定。 本人愿意按照学校要求提交论文（设计）的印刷本和电子版，同意学 校保存论文（设计）的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制 手段保存论文（设计） ；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录 检索与阅览服务系统，公布论文（设计）的部分或全部内容，允许他人依 法合理使用。 （保密论文在解密后遵守此规定） 论文作者（签名）： 二一 年 月 日 目 录 1 引言.2 2 三相 pwm 逆变电路的相关理论背景.2 2.1 逆变2 2.2 pwm 控制的基本原理 3 2.3三相电压型 pwm 逆变电路控制原理 .5 3 三相电压型 pwm 逆变电路模型的建立过程7 3.1三相电压型 pwm 逆变电路的建立步骤及相关说明 .7 3.1.1建立模型窗口7 3.1.2建立逆变器主电路模型并设置相关参数7 3.1.3 pwm 发生器的模型建立及其设置.11 3.1.4 lc 滤波器的建立与参数设置.12 3.1.5主回路负载建立及设置.15 3.1.6直流电源设置.16 3.1.7设置相应的测量和输入模块.16 3.1.8对逆变系统各模块进行电气连接.17 4 对模型进行仿真设置及调整分析17 4.1 对所搭建好的模型进行仿真17 4.2 对仿真结果的分析及其调整.19 5 结束语21 参考文献.21 致谢.22 鲁东大学本科毕业设计 1 三相电压型 pwm 逆变电路的建模与仿真 朱明礼 （信息与电气工程学院，电气工程及其自动化专业，2008 级） 摘摘 要：要：本文在以 matlab 软件中的 simulink 为工具的基础上，对三相电压型 pwm 逆变电 路进行了仿真研究。根据三相电压型 pwm 逆变电路及 matlab 的相关理论背景，重点对逆变器系 统模型的搭建进行详细说明，最后对模型进行了仿真研究。 本文首先详细分析了三相电压型 pwm 逆变器的电路结构、逆变的工作原理及 pwm 控制方法； 在此基础上利用 matlab 这一仿真工具，对模型系统的每一个具体模块的建立及其相关参数进行 了设置，并对主电路的模块进行了单独说明，同时也详细说明了 lc 滤波模块的设置及其封装；之后 进行整体的连接搭建；最后设置仿真参数实现了对三相电压型 pwm 逆变电路的仿真研究，优化模型 性能，获得了完美成果。 关键词：关键词：三相电压型 pwm 逆变器；调制法；matlab；仿真 three-phase voltage type pwm inverter circuit modeling and simulation abstract: in this paper, based on simulink in the matlab software tools, three-phase pwm inverter circuit is simulated. the theoretical background of the three-phase voltage source pwm inverter circuit and matlab focuses on the structures of the inverter system model described in detail, the final model, a simulation study. this article first detailed analysis of the circuit structure of the three-phase voltage source pwm inverter, the inverter works and pwm control method . on this basis, using matlab simulation tool for each specific module of the model system to establish its relevant parameters set, and the main circuit module separate instructions, as well as detailed description of the lc filter module settings and their packaging. overall connection structures. set the simulation parameters for three-phase voltage type pwm inverter circuit simulation to optimize model performance, get perfect results. keywords: three-phase pwm inverter; modulation method; of matlab; simulation 鲁东大学本科毕业设计 2 1 引言 众所周知，当今控制技术高速迅猛发展，随之带来的是对于控制理论和相关电力 电子器材及系统模型的性能的高效率、高稳定可靠性的要求。众多电气设备无论是商 用级别是军用级别对幅值、频率、稳定性的要求千差万别，因而这些设备通常不能统 一于国家电网通用交流系统的频率、幅值要求之中，这就要求我们通过电力电子功率 变换器改变其电能传输性质。像我们见到的通信专用电源、电弧焊适配电源、产热加 热器、电动机变频调速系统、电池适配器等等，它们所使用的电能都是通过相关器件 对电网电力性能进行整流和逆变之后所得到的。这其中随着新兴电力电子器件的不断 涌现，变频技术以其独特的优势得到迅速的发展。在变频调速系统中期核心的交-直-交 变频器的基本电路就由整流和逆变两种电路组成。而在这一先整流后逆变的过程中逆 变又是其核心内容。因此，高质量的逆变电路已成为电源技术及调速系统的重要研究 对象。 pwm 控制技术为逆变电路的设计注入了新的活力，目前其在中小功率逆变器中的 应用十分广泛，这其中三相电压型 pwm 逆变器已又成为交流电机控制系统中最常用 的功率变换器。本文主要实现以下几点： (1)对三相 pwm 逆变电路进行相关理论探析； (2)研究理论建立模型； (3)对模型进行 matlab 仿真,并通过数据及结构调节得到最佳逆变效果； (4)根据仿真波形分析波形控制、调制的规律。 2 三相 pwm 逆变电路的相关理论背景 2.1 逆变 逆变逆变 就是把直流电变成交流电。逆变器（inverter）实现了直流电源对交流负载 的能量提供,这一过程与整流相反，或将逆变器作为变频器等装置的一部分对电力性能 调整变换传递，来满足用电设备的不同运行要求。 以下图 2.1 为例说明逆变电路基本工作原理。 图 2.1.1 图 2.1.2 图 2.1 逆变原理图及其波形图 基本的逆变过程说明:图 2.1.1 中 s1s4 是桥式电路的四个由电力电子器件及其辅 鲁东大学本科毕业设计 3 助电路组成的桥臂。若使 s1、s4 导通，同时使 s2、s3 断开，则 u0（负载电压）为 +；反之，若使 s1，s4 断开，同时使 s2、s3 导通，负载电压 u0 为。如此连续就会 有图 2.1.2 的波形。就这样通过控制系统调控四个桥壁的导通与关断就能将直流电能转 化成交流的电能，通过控制桥臂的动作频率也可改变输出交流频率。 当负载为电阻时，负载电流 i0 与负载电压 u0 的相位和波形形状就完全相同。当负 载为阻感时，i0 的基波相位就滞后于电压 u0 的基波相位，当然两个波形也不一样，如 图 2.1.2 为阻感负载时电流 i0 波形。 2.2 pwm 控制的基本原理 pwm(pulse width modulation)控制脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的 宽度进行调制，产生一系列矩形脉冲来逼近等效地获得所需的要波形（含形状和幅值） 。 pwm 电压控制方法不用像 pam(pulse amplitude modulation,脉冲幅值调制)那样调节直 流母线电压，而是通过改变逆变电桥的内部各桥 臂的导通、断开时间之间的比率来迅速改变电压 的大小，因而可用不空整流电路代替可控整流电 路。 pwm 波形-用一系列等幅不等宽的脉冲将正 弦半波 n 等分，代替一个正弦半波。这些脉冲宽 度相等，按正弦规律变化，但幅值不等，但面积（冲量）相等。 图 2.2 用 pwm 波代替正弦波形 例如在对交流电机进行调速时，通常要求器控制电路能迅速满足其电机电流高速 变换的要求，pwm 电压调制就能有效控制快速控制电压输出来满足其目的。 pwm 逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法 目前中小功率的逆变电路几乎都采用 pwm 技术。逆变电路是 pwm 控制技术最为 重要的应用场合。 pwm 逆变电路按形式可归类为电压型与电流型，其中电压型得到了最广泛的应用。 pwm 逆变电路控制方法主要有计算法和调制法。 (1)计算法：根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，通过计算 pwm 波各脉冲宽 度和间隔来控制逆变电路开关器件的通断得到 pwm 波形。一般不采用。 (2)调制法：将调制信号设为想输出的波形，载波设为接受调制的信号，然后通过 调制信号波得到所想要的波形。通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波。 调制信号波设为正弦波时，得到的就是 spwm 波；调制信号不是正弦波，而是其 他波形时，也能得到等效的 pwm 波。 如图 2.3 所示，为三角波调制法的电路原理，用三角波电压与正弦波电压比较， 得到所需要分段矩形的脉冲宽度，然后得到所需要的 pwm 脉冲。在电压比较器 a 的 鲁东大学本科毕业设计 4 两个输入端分别输入正弦波调制电压和三角载波电压，于是在 a 的输出端就得到 了所需要的 pwm 调制脉冲 图 2.3 三角波调制法的电路原理 结合下图 2.4 igbt 单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明： 在 uo 正半周，v1 通，v2 断，v3 和 v4 交替通断。但在 uo 正半周，电流有一段 为正，一段为负，因为负载电流比电压滞后。在负载电流正区间，v1 和 v4 导通， uo=ud。v4 关断时， v1 和 vd3 续流，uo=0。负载电流为负区间，因 io 为负，从 vd1 和 vd4 上仍有电流流过， uo=ud。v4 断，v3 通后， v3 和 vd1 续流， uo=0，于是 uo 总有 ud 和零两种电平。 uo 负半周，v2 通，v1 断，v3 和 v4 交替通断，uo 可得-ud 和零两种非正电平。 图 2.4 单相桥式 pwm 逆变电路 如下图控制 v3、v4 通断。ur 为调制信号，uc 为载波， igbt 的通断在 ur和 uc的 波形相交时刻迅速转换。 ur正半周，v1通，v2断。uruc时 v4通，v3断，有 uo=ud。uruc时 v3断，v4通， uo=0。波形见下图 2.5 图 2.5 单极性 pwm 控制方式波形 双极性的 pwm 控制方式和单极性的控制方式对应。双极性时 ur 无论在正半周 期还是在负半周期内部，三角载波不再是单极性的，而是正负兼有双极性的，得到的 pwm 调制波也是正负兼有。双极性的 pwm 调制波就不再像单极性的那样有 0 电平， 而只有+ 两个电平。 图 2.6 双极性 pwm 控制方式波形 2.3 三相电压型 pwm 逆变电路控制原理 三相桥式 pwm 逆变电路采用双极性控制方式。 三相控制公用一个 uc 作为载波，而三相的调制信号 uru、urv和 urw依次相差 2 /3。在图 2.7 三相电压 pwm 逆变电路的控制原理分析图中，为了便于理解我们将直 鲁东大学本科毕业设计 6 流电路一侧的一个较大的电容等效成其由两个电容串联而成，并标示出假想的中点 n。 其中，对于 u 相的控制规律： uruuc时，v1导通，给 v4关断，uun=ud/2。uruuc时，给 v4导通，v1关断， uun=-ud/2。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， 道理通单相 pwm 逆变双极性控制之下的情况。 图 2.7 三相桥式 pwm 逆变电路控制图 同理可分析 v 相和 w 相的控制方式。易得 uun、uvn和 uwn的 pwm 波形只有 ud/2 两种电平，波形见下图 2.8，第二、三、四栏分别为这三相的正弦波触发电压波 形。 由电路分析原理可得三种相的负载线电压分别为： =uun-uvn =uvn-uwn (2.1) =uwn-uun 当 1 和 6 通时，uuv=ud，当 3 和 4 通时，uuv=ud，当 1 和 3 或 4 和 6 通时， uuv=0。即三相电压型 pwm 逆变电路的输出线电压的波形有三个电平（ud和 0）组 成。下图 2.8 第五栏为线电压的波形。 由电路分析原理可得出 u 相的输出相电压为： =uun-( uun+uvn+uwn) /3. (2.2) 即可得出负载相电压 pwm 波由五种电平（(2/3)ud、(1/3)ud和 0）组成。下图 2.9 第六栏为相电压 uun的波形。 鲁东大学本科毕业设计 7 本文在后面的仿真中会用示波器将逆变后的输出线电压和输出相电压分别显示出来。 图 2.8 三相桥式 pwm 逆变电路波形 3 三相电压型 pwm 逆变电路模型的建立过程 power system blockset（电力系统工具箱）是加拿大的 hydro quedec 和 tecsim international 公司在 simulink 的环境下开发的专门用于电力电子、电力系统、电路领域 进行模拟分析的仿真工具，它充分利用了 simulink 图形化输入的特点，避免了把巨大 的精力投入到枯燥无形的编程上去。同时它包含很多现成的常用电路结构模块，使我 们的仿真变得更加专业、高效。 3.1 三相电压型 pwm 逆变电路的建立步骤及相关说明 3.1.1 建立模型窗口 打开 matlab 中的 simulink 软件新建一个模型窗口并命名为“three phase pwm inverter” 。 3.1.2 建立逆变器主电路模型并设置相关参数 在 matlab -simpowersystempower electronics 工具相中有一个通用桥壁模块 鲁东大学本科毕业设计 8 （universal bridge） ，如图所示 它是逆变器主电路桥臂的封装模块，是系统进行直流到交流变换的核心。 双击，对其进行参数设置。在本次模拟中模块的 a,b,c 设置为输出端子状态，连 接负载；触发信号作用于 g 端，若该模块用于电力二极管则没有此端子。 其各参数设置如下： （1） 【number of bridge】文本框：不同形式逆变器的桥臂数。有 1、2、3 三种相数可 以选。 （2） 【snubber resistance rs(ohms)】:缓冲电阻 rs。单位为 。为在模型中消除缓冲， 可将该参数设置为 inf. （3） 【snubber capacitance cs(f)】:缓冲电容 cs。设置道理类同上述参数。 （4） 【power electronic device】：电力电子装置类型。该模型选择 igbt/diodes. （5） 【ron(ohms)】:igbt 元件的内电阻。 （6） 【forward voltage device vf(v)】:igbt 元件的正向管压降。 （7） 【tf(s) tt(s)】igbt 元件的电流下降到 10%时的时间及电流拖尾时间。 （8） 【measurement】:测量形式。选择适用于万用表的测量。本模型选择 devidence voltages. 模块具体设置如图 3.1： 鲁东大学本科毕业设计 9 图 3.1 通用桥臂模块参数设置 该模块是整个仿真系统的核心模块，是三相桥式 pwm 逆变组电路的自带封装， 有必要对其进行原理性展开建模说明，可利用二极管（diode）和绝缘栅双极型晶体管 （igbt）元件及相关组件进行搭建。如图 3.2 所示： 图 3.2 通用桥臂等效三相电压 pwm 逆变主电路部分等效模块 上述模块建立关键是 igbt 元件的设置。igbt 的集电极 c 和逻辑控制信号口均为 输入口；其发射极 e 和向量 测量口为输出口。igbt 的主要参数有： （1） 【resistance ron】内电阻,单位 。 （2） 【inductance lon】内电感，单位 h。 （3） 【forward voltage vf】正向管压降，单位 v。 （4） 【current 10%tail time tf】 电流下降到 imax/10 的时间 tf,单位 s。 （5） 【current tail time t】电流的拖尾时间 tt:电流从 imax/10 降到 0 的时间，单位 为 s。 （6） 【initial current ic】初始电流 ic，单位为 a。通常设置为 0。 （7） 【snubber resistance rs】缓冲电阻 rs,单位 。若想消除缓冲电阻，可设 rs 为 inf。 （8） 【snubber capacitance cs】缓冲电容 cs，单位 f。如果想在模型中消除缓冲电 路，可将 cs 设为 0；如想得到纯电阻 rs,可将 cs 设为 inf。 本模块具体的设置如图 3.3 所示： 鲁东大学本科毕业设计 10 图 3.3igbt 元件的参数设置 反馈二极管向电源反馈无功能量。igbt 与反馈二极管相结合工作，后者可在前者 工作在断开状态时发挥续流作用。根据具体情况对二极管设置如下图 3.4 所示： 图 3.4 二极管元件参数设置 鲁东大学本科毕业设计 11 3.1.3 pwm 发生器的模型建立及其设置 在 matlab 的 powersystemelectoral library-control blocks 中有 pwm generator 模块，是一种专门的 pwm 调制信号发生器，原理在前面已详细说明过，此 处不再赘述。 pwm generator 端子说明： signal(s):输入端子。悬空时，不接收外部信号，此时使用发生器内部自身信号； 当连接外部信号模块时，用户可自定义发生信号。 pulses:主电路桥臂形式。可选择 2、4、6、12 路脉冲，可用于对单相（一桥臂） 、 单相桥式（二桥壁） 、和三相变换器（三桥臂）中的全控器件如（igbt、mosfet 等） 进行触发。 双击 pwm generator，打开参数对话框进行设置： （1） 【generator mode】选择工作模式。对应于模型的主电路工作结构。有 1-arm bridge(2pulse), 2-arm bridge(4pulse), 3-arm bridge(6pulse), double3-arm bridge(12pulse). carrier frequency(hz)设置三角载波频率。本模型我选择为 2000hz 或 3000hz。根据需 要调整，2000hz 最佳。 （2） 【internal generation of modulation signal(s)】选择发生器是自身产生信号还是由 外部接入产生。本模型选中该选项，表示使用其内部产生的调制信号。否则，必须接 入外部信号制造模块。 （3） 【modulation index(0m1)】调制度范围设置。当调制信号有本模块自身选择 时进行调整，来控制被调制电路器的输出电压幅值。调制度必须大于 0 小于 1，表示输 出电压幅值占直流侧电压的比例。如本模型中我设定为 0.8，就表示输出电压幅值为 0.8（直流侧电压值设置为 500v. 500 = 400（） (4)【frequency of output voltage( hz)】调整输出电压的频率。用于控制受控变换器 交流侧输出电压频率。该复选框和上述【modulation in】的调整应该在选择, 【internal generation of mo】的前提之下。本模型根据我们国家标准设置为 50hz,系 统默认的 60hz 应为欧美国家标准，仿真建模时注意根据实际需要设置。 (5)【phase of out put voltage (degree)】设置内部参考信号输出电压相位。本模型该 处设为 0。 本系统模型中最后通过对 pwm 发生器的内部各种参数的调制就能得到所需要的 波形。 参数设置具体情况如图 3.5 所示： 鲁东大学本科毕业设计 12 图 3.5 pwm generater 参数设置对话框 3.1.4 lc 滤波器的建立与参数设置 lc 滤波器可滤除 pwm 的谐波，是一种典型的滤波器件，它是用电感、电容以及 电阻经选择性搭配得到的。它在滤除波形的同时又能进行无功功率的补偿，这样可减 少对电力电子器件损耗对其的工作具有保护作用。本模型系统中用 lc 滤波器来滤除逆 变器交流侧部分产生的谐波电流，这样就能更好地对交流侧所产生的正弦电流波形进 行控制。 lc 滤波器具体建立及其封装步骤如下： a, 从 simpowersystem-elements 中找到 three-phase parallel rlc brand (三相 rlc 分支模块)。 打开其参数对话框设置：该模型阻值 resist设置为 inf,表示没有电阻模块；电感 l 设 置为 0.002h；电容 c 设置为 0f.这样就设置成了三个并联的阻值为 0.002h 的电感 具 体参数设置如图 3.6： 鲁东大学本科毕业设计 13 图 3.6 lc 滤波器电感设置 b,从其下方找到一个 three-phase series rlc load (三相串联 rlc 负载)模块。移植到 模型中对其双击进行参数设置：具体如图 3.7 图 3.7 lc 滤波器电容设置 c,从 simmechanics-unilities 中找到 connection port 模块， 复制六个到模型中，双击对其命名并对其端子方向设置。注：该模块用于复制建立子 系统并对系统进行封装，其 port location on parent subsystem 选项用于对封装模块生成 后的接口位置进行选择，如下图 3.8 对接口 a 的设置: 鲁东大学本科毕业设计 14 图 3.8 辅助接口位置及名称设置 d,建立如下图 3.9 所示的电气连接： 图 3.9 lc 滤波模块的电气连接 然后用鼠标选中这些模块，右键单击-右键菜单-create subsystem，完成子系统 的封装，并去除多余的连接，对模块进行命名为 lc filter ，具体制作过程如下图 3.10 流程所示： 鲁东大学本科毕业设计 15 图 3.10 lc 滤波器模块的封装过程 这样完成对模块的封装，使原本杂乱的连线变得规整。这一过程利用的是 simulink 环境下的 subsystem 子系统创建技术。 3.1.5 主回路负载建立及设置 从 simpowersystems-element 中选择 three-phase series rlc load （三相串联 rlc 负载） 具体参数设置如下图 3.11 图 3.11 主回路负载的参数设置 鲁东大学本科毕业设计 16 3.1.6 直流电源设置 从 simpowersystem-elementionl sourses 中的 dc voltage source,设置直流电压源， 本模型设置为 500v. 3.1.7 设置相应的测量和输入模块 从 simpowersystem-measurement 中的 voltage measuremet 对示波器的设置 从 simulink-sinks 中找到 scope 示波器并打开，然后双击，如下图 3.12 步骤设置 四个接口 图 3.12 对示波器设置四个接口 然后如下图 3.13 进行示波器幅值设置及命名 图 3.13 示波器幅值设置及命名 鲁东大学本科毕业设计 17 然后逐一进行设置命名。 3.1.8 对逆变系统各模块进行电气连接 根据三相电压型 pwm 逆变电路系统的结构对上述所有模块及其元器件进行电气连接， 如下图 3.14： 图 3.14 三相电压型 pwm 逆变电路仿真模型 4 对模型进行仿真设置及调整分析 4.1 对所搭建好的模型进行仿真 用 ctrl + e 键打开仿真窗口，进行参数设置：开始是时间 start time 为 0.0，停止时 间 stop time 为 0.04s,方法选择 solver 为 ode23tb,相对误差 relative tolerance 为 1e-3,具体 如下图 鲁东大学本科毕业设计 18 图 4.1 仿真窗口参数设置 启动仿真，显示仿真结果。 点击开启按钮双击示波器，调节显示面，得到仿真波形： 图 4.2 三相电压型 pwm 逆变电路的仿真波形 示波器显示项目说明如下面表 1 所示：其中， 鲁东大学本科毕业设计 19 表 1 示波器名称说明 v dc 逆变器的输入直流电压 van _inv逆变器输出相电压 van inverter逆变器输出线电压 vab _load经滤波后负载的线电压 从仿真得到的波形显示看，由滤波后的输出电压波形非常近似于正弦波形，明显 实现了从直流电能转换为交流电能的效果。 4.2 对仿真结果的分析及其调整 为得到近似于正弦波形效果的改善：为得到近似于正弦波形效果的改善： 由采样原理我们可以分析得，如果要让 pwm 控制的电压的波形在任一时间片段 内都能近似等效于此时的调制电压波，形就要有两点要求：一要这样各个时间片段的 面积相等；另一重要点是，这样的时间片段内的电压的脉冲宽度一定要窄，也就是要 求要有巨大数量的脉波。也就是说要使输出的非连续的线电压能更好的接近于给定的 调制正弦波形，就要把脉波的数量提高。这样可通过对 pwm 发生器的载波频率的调 整实现。如图 4.3 为一个载波频率为 500hz 与一个载波频率为 3000hz 逆变系统电压波 形的效果比较图： 载波频率为 500hz 时的波形图 载波频率为 3000hz 时的波形图 图 4.3 载波频率调整后的波形效果比较图 鲁东大学本科毕业设计 20 对电压波形输频率的控制：对电压波形输频率的控制： 通过控制调整 pwm 发生器的输出电压频率【frequency of output voltage(hz)】 的值就可有效改变受控逆变器变流侧的输出电压的频率，如图显示的为设置控制的输 出电压频率为 30hz 时的波形图 图 4.4 输出电压频率为 30hz 时的波形图 对电压波形输出幅值的控制：对电压波形输出幅值的控制： 通过控制 pwm 发生器的调制度范围【modulation index(0m1)】参数就可有效控 制改变受控逆变器输出侧的电压的幅值。如图 4.5 为调制度为 0.6 和调制度 0.8 的比较 图 调制度为 0.6 时的波形图 调制度为 0.8 时的波形图