PWM逆变器Matlab仿真.doc

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；目录1.设计方案的论证与选择11.1总体设计思路11.2 DC-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52.3 PWM控制技术及SPWM波的生成62.3.1 PWM控制的基本原理72.3.2 SPWM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123.1升压环节的建模与仿真123.2 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26PWM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。1.2 DC-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。全桥式电路如图所示。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。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，则此期间电感L释放能量为，稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等，即 （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与的比值为升压比，将升压比的倒数记作，则（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。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，其输出电压的波形和半桥电路的波形形状相同，也是矩形波，但其幅值高出一倍，=。在直流电压和负载都相同的情况下，输出的电流的波形也和半桥电路中的形状相同，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。把幅值为的矩形波u0展开，形成傅里叶级数： (2-4)式中，基波的幅值和基波的有效值分别为： (2-5) (2-6)上述公式对于半桥电路也是适用的，只是式中的要换成/2。前面分析的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、互补，、互补，而且仍为180正偏、180反偏。但是与、与的相位不同，错开角度，即调节落后的角度从180较少为角(0180)，调节落后的角度也从180较少为角。也就是说，输出电压u0的波形不再是正负各180的矩形波，而是正负各位的矩形波。 图2.3 移相调压波形2.3 PWM控制技术及SPWM波的生成已经通过方案论证最终选择了数模结合的SPWM控制方式，并介绍了该控制系统的基本组成，现在我将主要从PWM控制技术及SPWM波的生成这两个方面来详述设计原理及实现方法。2.3.1 PWM控制的基本原理面积等效原理是PWM控制技术的重要理论基础，即在采样控制中，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的同一环节上时，其效果基本相同。其中，冲量指的是窄脉冲的面积；效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。如图3-1(a)、(b)、(c)、(d)所示，三个窄脉冲形状不同，但是它们的面积都等于1，当它们分别加在如图3-1(e)所示的R-L电路上时，并设其电流i(t)为电路的输出，则其输出响应波形基本相同且如图2-5所示。 (a) (b) (c) (d)图2.4 冲量相等、形状不同的窄脉冲图2.5形状不同而冲量相同的各种窄脉冲及响应波形 2.3.2 SPWM法的基本原理脉冲幅值相等而脉冲宽度按正弦规律变化而正弦波等效的PWM波称为SPWM(sinusoidal PWM)波形。如图2-6所示，把正弦半波分成N等份，就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形，这些脉冲宽度都等于，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是按正弦规律变化的曲线。如果把这些脉冲序列用相同数量的等幅值而不等宽的矩形脉冲来代替，使矩形脉冲的中点和相应的正弦波部分中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，则可得图所示的矩形脉冲序列，这就是SPWM波形。 图2.6 用PWM波来代替正弦半波2.3.3 规则采样法SPWM的控制就是根据三角载波与正弦调制波的交点来确定逆变器功率开关器件的通断时刻。规则采样法由经过采样的正弦波与三角波相交，并由交点得出脉冲宽度。该方法只在三角波的顶点或者底点位置对正弦波采样而形成阶梯波，其原理如图2.7所示。 图2.7 规则采样法生成SPWM波的原理图假设三角波的幅值为1，正弦函数为=M，M为调制度且0M时，使导、关断，=。当时，使关断、导通，=0。b)在的负半周时，保持断态，保持通态。当时，使关断、导通，=0。图2.9 单极性PWM控制方式波形（二） 双极性PWM控制方式如图2.10所示，在调制信号和载波信号的交点的时刻控制各个开关器件的通断。a)在的半个周期内，三角波载波有正有负，所得的PWM波也有正有负，在的一个周期内，输出的PWM波只有两种电平。b)在的正负半周，对各个开关器件的控制规律相同。当时，和导通，和关断，这时如果0，则和导通，如果0，则和导通，但不管那种情况都是=。当时，和导通，和关断，这时如果0，则和导通，但是不管哪种情况都是= -。图2.10 双极性PWM控制方式波形3.MATLAB仿真及结论分析3.1升压环节的建模与仿真由以上的设计分析，可以得到升压环节的仿真模型如下：图3.1 升压环节的仿真模型其中各个器件参数设置为：直流电源为DC=110V，开关器件IGBT和二极管Diode使用默认参数，电阻R=50，电感L=4e-3，电容C=6e-04，在脉冲生成器PWM的设置中，周期Period为0.0001，占空比为50.5%。特别的，应该在示波器中，将Data history中limit data points to last前面复选框中的“”去掉，以方便观察波形。否则，我们观察到的波形将不是从0时开始。Scope测试输出波形：图3.2 升压环节仿真波形按以上的参数设置进行仿真，仿真结果：输出电压在0.21s之后稳定在220V，满足设计要求。通过实验发现电感、电容、电阻单独变化时对仿真波形是有影响的：(1)电感L取值越大，则曲线反应速度越慢，超调越小；反之，L越小，曲线响应速度越快，但是超调则越大。(2)电容C取值越大，纹波越小，超调越大且调整时间越长；反之，C越小，纹波越大，超调越小或者无超调，曲线比较平滑，而且调整时间也越小。(3)电阻R取值越大，则纹波越小，超调越大，系统越不稳定；反之，R越小，纹波越大，超调越小或无超调，系统越稳定。3.2 制作并生成SPWM波形SPWM波是根据三角载波与正弦调制波的比较来确定的，根据这个原则，可以构建出电路模型: 图3.3 SPWM生成的仿真模型我将正弦信号生成器Sine Wave中的幅值Amplitude设置为1，把频率Frequency也设置为2；将三角波生成器Repeating Sequence中的Time values设为0 0.25，把Output values设置为-2 2；将比较器Switch中的Criteria for passing first input设置为u2Threshold。调节好参数后，运行程序，便可以得到如图所示的波形，其中每一屏所对应的波形分别为：正弦波、SPWM波以及三角波。 图3.4 SPWM生成的仿真波形由图中可以看出SPWM波形为双极性波形。3.3 逆变环节的建模与仿真（一）全桥部分可以由4个IGBT和4个二极管Diode组成，也可直接由通用桥构成。采取4个IGBT和4个二极管Diode组成全桥电路，仿真比较形象。仿真模型如下：图3.5 逆变环节的仿真模型（一）确定的参数后可看相应的波形。我设置的参数为：直流电压DC=220V；脉冲发生器Pulse Generator的幅值Amplitude为1，周期Period为0.02，占空比为50%；脉冲发生器Pulse Generator1的幅值、周期、占空比均与Pulse Generator相同，但是相位延迟Phase delay为0.01；负载R=10、L=2e-2；其余的各个IGBT以及二极管Diode均取默认值。仿真波形如下：图3.6 逆变环节的建模与仿真（一）的波形3.4 逆变环节的建模与仿真（二）用通用桥也可构成逆变仿真模型，如下图3.7 逆变环节的仿真模型（二）通用桥为Simulink中的Universal bridge模块。参数设置：其中Number of bridge arms（桥臂个数）为2，Power Electronic device（电力电子器件）选用IGBT/Diodes（晶闸管），从而构成了逆变器。产生SPWM的脉冲信号发生器，使用的是Matlab中的Discrete PWM Generator模块。该模块的作用即为为产生PWM而用以控制IGBTs等电桥的脉冲信号。在Generator mode选项中选择2-arms bridge(6 pulse),即两桥臂共需要4个脉冲信号用以控制开关管。Carrier frequency为载波频率，该频率的大小决定了一个周期内SPWM脉冲的密度。Frequency of output voltage是输出电压的频率，此处设置为国内标准的50Hz。3.4.1载波频率与输出电压频率改变对波形的影响1. 将载波频率设置为1080Hz，将输出电压的频率设置为国内标准的50Hz后，所得波形如图：仿真时间设置为0.05s 图3.8 载波频率1080HZ，输出电压频率50HZ的波形1仿真时间设置为0.02s图3.9 载波频率1080HZ，输出电压频率50HZ的波形22将Discrete PWM Generator模块中的载波频率有原来的1080Hz提高至3240Hz。所得波形如图（仿真时间设置为0.02s）：图3.10 载波频率3240HZ，输出电压频率50HZ的波形由图3.9与3.10比较可见，载波频率直接影响了波形的光滑度，载波频率越大波纹越小仿正弦效果越好。但也应注意到频率过高有可能对整流桥器件产生影响，所以也不能过于高。3.载波频率为1080Hz，将输出电压的频率提高为100Hz后的波形(仿真时候设置为0.05s)： 图3.11 载波频率1080HZ，输出电压频率100HZ的波形图3.11与图3.8比较得到，改变输出电压后可以注意到，波纹想对于50Hz时变小了，但由于每半个周期内的脉冲个数减小了一半，所以仿正弦的效果大大下降了，可见如若提高输出电压的频率后，不改变载波频率，逆变效果会打折扣。4.载波频率为3240Hz，输出电压频率为100Hz时的仿真图形.（仿真时间0.02s） 图3.12 载波频率3240HZ，输出电压频率100HZ的波形图3.12与3.11比较得到，在提高了输出电压频率的同时，成比例的提高载波频率，便可以使得仿正弦波保持原来的波形质量。通过仿真，比较分析，得出载波频率与输出电压频率改变对输出的影响的结论：在电压输出频率一定的情况下，载波频率的大小决定了每个周期内的仿正弦的脉冲个数，即决定了正弦波形的仿制质量。电压输出频率影响纹波的大小。3.4.2 改变负载对输出的影响将载波频率与输出电压频率固定为1080Hz和50Hz。1. 设置负载参数R=10，L=2e-2，C=2e-2时的仿真波形：图3.13 R=10，L=2e-2，C=2e-2时的波形2.设置负载参数R=3，L=2e-2，C=2e-2，即减小R后的仿真波形：图3.14 R=3，L=2e-2，C=2e-2时的波形比较图3.14和3.13可以发现，R变小后，在系统启动的初期，波形不稳定有很大的震荡而后期则趋于稳定，波形与R=10时相比并无差别。3.设置负载参数R=10，L=2e-2，C=2e-5，即相对情况1减小C后的仿真波形： 图3.15 R=10，L=2e-2，C=2e-5时的波形比较图3.15和3.13可发现，电容减小后，波形在正弦波形基础上，产生了大幅震荡。4设置负载参数R=10，L=2e-1，C=2e-2，即相对情况1增大L后的仿真波形： 图3.16 R=10，L=2e-1，C=2e-2时的波形比较图3.16和3.13可发现，电感增大后，波形的峰值电压会减小。通过仿真，比较分析，得出改变负载对输出的影响的结论：(一) 负载有功功率越大，系统进入稳态的时间越快，较小的负载有功功率会在暂态时产生很大的波动。(二) 负载的容性无功功率的增大，可以使得正弦电压仿制质量提高。(三) 负载的感性功率会影响峰值电压，但对于正弦电压的仿制并无太大影响。4.收获与体会此次课