PWM逆变器Matlab仿真解析.doc

武汉理工大学 电力电子技术 课程设计说明书 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名 学生姓名 专业班级 专业班级 指导教师 指导教师 工作单位 工作单位 题题 目目 PWM 逆变器 Matlab 仿真 初始条件 初始条件 输入 110V 直流电压 要求完成的主要任务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 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 指导教师签名 年年 月月 日日 系主任 或责任教师 签名 系主任 或责任教师 签名 年年 月月 日日 武汉理工大学 电力电子技术 课程设计说明书 目录 摘要摘要 1 1 1 1 设计方案的选择与论证设计方案的选择与论证 2 2 2 2 逆变主电路设计逆变主电路设计 2 2 2 1 逆变电路原理及相关概念 2 2 2 2 逆变电路的方案论证及选择 3 3 2 3 建立单相桥式逆变电路的 SIMULINK的仿真模型 4 4 2 3 1 模型假设 5 5 2 3 2 利用 MATLAB Simulink 进行电路仿真 5 5 3 3 正弦脉宽调制正弦脉宽调制 SPWM SPWM 原理及控制方法的原理及控制方法的 SIMULINKSIMULINK 仿真仿真 6 6 3 1 正弦脉冲宽度调制 SPWM 原理 6 6 3 2 SPWM 波的控制方法 7 7 3 2 1 双极性 SPWM 控制原理及 Simulink 仿真 7 7 3 2 2 单极性 SPWM 控制原理及 Simulink 仿真 9 9 4 4 升压电路的分析论证及仿真升压电路的分析论证及仿真 1111 4 1 BOOST电路工作原理 1111 4 2 BOOST电路的 SIMULINK仿真 1111 5 5 滤波器设计滤波器设计 1212 6 6 PWMPWM 逆变器总体模型逆变器总体模型 1414 7 7 心得体会心得体会 1717 参考文献参考文献 1818 武汉理工大学 电力电子技术 课程设计说明书 1 PWM 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 关键词关键词 逆变 SPWM MATLAB Simulink 武汉理工大学 电力电子技术 课程设计说明书 2 1 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 武汉理工大学 电力电子技术 课程设计说明书 3 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 Ud Ud 2 Ud 2 RL V1 V2 VD2 VD1 uo io 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 武汉理工大学 电力电子技术 课程设计说明书 4 两对交替各导通 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180 还可以采用移相调压的方式输出脉冲宽度可调的矩形波 Ud RL V3 V4 VD4 VD3 V1 V2 VD2 VD1 uo io 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 Ud V1 V2 VD2VD1 uo io 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 武汉理工大学 电力电子技术 课程设计说明书 5 2 3 建立单相桥式逆变电路的 Simulink 的仿真模型 2 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 SimPower Systems Power Electronics 中的 Diode IGBT 模块 Simscape SimPower Systems Electrical Sources DC Voltage Source 模块 Simscape SimPower Systems Elements Series RLC Branch 模块 Simscape SimPower Systems Measurements Current Measurement 模块 Simscape SimPower Systems Measurements Multimeter 模块 Simscape SimPower Systems powergui 模块 Simulink Source Pulse Generator 模块 Simulink Sinks Floating Scope 模块 Simulink Signal Routing 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 DC Voltage Source Series RLC Branch Pulse Generator3 V1 VD1 VD2VD4 VD3 g C E S1 g C E S3 g C E S4 g C E S2 Continuous Ideal Switch powergui 2 Multimeter Cont Floating Scope Cont Cont i Current Measurement Cont Pulse Generator1 V2 武汉理工大学 电力电子技术 课程设计说明书 6 图 2 4 单相桥式逆变电路模型 各个模块的参数设置如下 DC Voltage Source 模块幅值设为 110V powergui 中 Simulation type 选 为 continuous 并且选中 Enable use of ideal switching device 复选框 Pulse Generator3 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 Phase Delay 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 Pulse Generator1 的 Phase Delay 设为 0 01 相当于 延迟半个周期 以形成与 Pulse Generator3 互补的触发脉冲用来驱动桥臂 2 和 4 其 他参数与 Pulse Generator3 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 图中自上而下依次为 负载的电压 电流 电源侧电流波形 图 2 5 单相桥式逆变电路 Scope 输出波形 从图中可以看出波形与理论上的波形形状相同 说明此逆变电路工作正常 3 正弦脉宽调制 SPWM 原理及控制方法的 Simulink 仿真 3 1 正弦脉冲宽度调制 SPWM 原理 PWM 脉宽调制技术就是对脉冲宽度进行调制的技术 即通过对一系列脉冲宽度进行 调制 来等效的获得所需要的波形 含幅值和形状 PWM 的一条最基本的结论是 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 冲量即窄脉冲面积 这就是我们通常所说的 面积等效 原理 因此将正弦半波分成 N 等分 每一份都用一 个矩形脉冲按面积原理等效 令这些矩形脉冲的幅值相等 则其脉冲宽度将按正弦规律 武汉理工大学 电力电子技术 课程设计说明书 7 变化 这种脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形叫做 SPWM 示意图 如下图所示 图 3 1 SPWM 示意图 3 2 SPWM 波的控制方法 SPWM 波的产生方法有计算法和调制法 计算法很繁琐 不易实现 所以在这里不 作介绍 重点介绍调制法 即把希望输出的波形作为调制信号 把接受调制的信号作 r u 为载波 通过信号波调制得到所期望的 PWM 波形 通常采用等腰三角波作为载波 因 c u 为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度呈线性关系且左右对称 当它与任何一个缓慢 变化的调制信号波相交时 如果在交点时刻对电路中的开关器件进行通断控制 就可得 到 SPWM 波 常见的 SPWM 控制方法有单极性 SPWM 控制 双极性 SPWM 控制 3 2 1 双极性 SPWM 控制原理及 Simulink 仿真 所谓的双极性是指在调制信号波的半个周波内三角载波有正负两种极性变化 用调 制信号波与三角载波比较的方法可以产生双极性 SPWM 波 其仿真原理图如下图所示 武汉理工大学 电力电子技术 课程设计说明书 8 1 Out1 sin Trigonometric Function Scope Repeating Sequence Relational Operator Product NOT Logical Operator 2 pi f Gain boolean Data Type Conversion 1 Constant Clock 2 Out2 3 Out3 4 Out4 图 3 2 双极性 SPWM 信号仿真原理图 其输出波形如下图所示 图 3 3 双极性 SPWM 信号仿真 Scope 输出波形图 现用 SPWM 波产生模块驱动单相桥式逆变电路工作进行仿真 方法是在 Simulink 中 选中 SPWM 产生电路 然后右键选择 Create Subsystem 将其放入到一个 Subsystem 子系统 中 配置好其输入输出引脚 然后右击该模块 选择 Mask Subsystem 对其进行封装 封装后的模块名取为 PWM Subsystem 原理图如下图所 示 武汉理工大学 电力电子技术 课程设计说明书 9 Series RLC Branch VD1 VD2VD4 VD3 g C E S1 g C E S3 g C E S4 g C E S2 2 Multimeter Floating Scope i Current Measurement Out1 Out2 Out3 Out4 PWM Subsystem pwm Continuous Ideal Switch powergui DC Voltage Source 图 3 4 双极性 PWM 逆变电路仿真模型 电路中 RLC 皆取默认值 DC Voltage Source 值取为 110V 仿真后 scope 输出波形如 下图所示 图 3 5 双极性 PWM 逆变电路 Scope 输出波形 3 2 2 单极性 SPWM 控制原理及 Simulink 仿真 武汉理工大学 电力电子技术 课程设计说明书 10 所谓的单极性是指在调制信号波的半个周波内三角载波有零 正或零 负一种极性 变化 单极性型 SPWM 信号的产生比双极性复杂些 要按调制波每半个周期对调制波本 身或者载波进行一次极性反转 其仿真原理图如下图所示 1 PWM1 t NOT K boolean boolean boolean double 1 1 m Add1 Add 图 3 6 单极性 SPWM 信号仿真原理图 将该模块做封装后来驱动单相全桥逆变电路 为了使模型结构更加清晰 本次仿真 采用 Simulink 库中自带的 Universal Bridge 通用桥 代替由电力电子器件组合而成的桥 式逆变电路 仿真模型如下图所示 Discrete Ts 1e 06 s powergui g A B Universal Bridge PWM1 Subsystem Series RLC Branch Scope 2 Multimeter DC Voltage Source i Current Measurement i U 图 3 7 单极性 PWM 逆变电路仿真模型 在 Universal Bridge 模块的属性对话框中 令桥臂数为 2 即构成单相桥式逆变电路 在 DC Voltage Source 中将直流电压值设为 110V PWM 发生器的调制度设为 0 5 频 率设为 50Hz 载波频率设为基波频率的 15 倍 所以令 即可开始仿真 仿真后 750 c f Scope 输出波形如下图所示 武汉理工大学 电力电子技术 课程设计说明书 11 图 3 8 单极性 PWM 逆变电路 Scope 输出波形 4 升压电路的分析论证及仿真 前文提到过升压有两种方案 一是先进行升压再进行逆变 二是先进行逆变再进行 升压 这一节主要讨论先通过 Boost 电路升压再进行逆变的方法 4 1 Boost 电路工作原理 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 此阶段 L 上积蓄的能量为 1 on EI t V 断时 E 和 L 共同向 C 充电并向负载 R on t 供电 设 V 断的时间为 off t 则此期间电感 L 释放能量为 01 off UE I t 稳态时 一个周 期 T 中 L 积蓄能量与释放能量相等 即 4 1 101 U E I onoff EI tt 化简得 4 2 0 off T UE t 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 off t的比值为升压比 将升压比的倒数记作 则 1 4 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 武汉理工大学 电力电子技术 课程设计说明书 12 ER L V VD uo io C i1 图 4 1 Boost 电路原理图 4 2 Boost 电路的 Simulink 仿真 在 Simulink 中建立 Boost 电路的仿真模型 如下图所示 在 DC Voltage Source 中设置其幅值为 110V 在 Pulse Generator 中设置 Period 0 0001S Pulse Width 占空比 64 6 这样才能使输出为 311V 220V 2 gm DS Mosfet DC Voltage Source L m a k Diode R C Pulse Generator Continuous powerguiFloating Scope 311 93 Display v Voltage Measurement 1 Multimeter 图 4 2 Boost 电路仿真模型 仿真后 Multimater 输出波形如下图所示 武汉理工大学 电力电子技术 课程设计说明书 13 00 020 040 060 080 10 120 140 160 180 2 0 100 200 300 400 500 Ub R 图 4 3 Boost 电路 Multimeter 输出波形 从图中可以看出 Boost 响应曲线具有超调趋势 超调量的大小与 L 和 C 值的选取有 关 一般希望超调量越小越好 纹波越小越好 调节时间越短越好 为了保证这几点 需要采用附加控制策略 这样使系统变得复杂 经过这样一番分析我决定采用先逆变后 升压的方法 采用升压变压器 其参数设置相对简便 同时也可以的到良好的效果 5 滤波器设计 采用 SPWM 控制方式输出的电压波形中含有基波同时含有与载波频率整数倍及其附 近的谐波 载波比越高 最低次谐波离基波便越远 也容易进行滤波 比较常用的是 LC 低通滤波器 其电路图如下图所示 图 5 1 LC 低通滤波器 通过适当的选取滤波器的截止频率 5 1 1 2 L f LC 使其远小于 PWM 电压中所含有的最低次谐波频率 同时又远大于基波频率 就可以 在输出端得到较为理想的正弦波 可以证明上述 LC 低通滤波器的传递函数为 武汉理工大学 电力电子技术 课程设计说明书 14 5 2 2 2 s 1 12 s 1 LL o i U U ss 其中 LC 谐振角频率 阻尼系数 L 1 L LC 1 2 L RC s o U 滤波器输出电压 滤波器输入电压 拉普拉斯变换算子 s i Us 从其传递函数的形式可以看出它是一个二阶系统 我们可以用 MATLAB 画出其波特 图 从而对 LC 低通滤波器的特性有一个直观的理解 其波特图如下图所示 40 30 20 10 0 Magnitude dB 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 90 45 0 Phase deg Bode Diagram Gm Inf dB at Inf rad s Pm 180 deg at 0 rad s Frequency rad s 图 5 2 LC 低通滤波器的波特图 在 MATLAB 中有一个二阶滤波器模型叫做 2nd Order Filter 我们可以直接设置 其截止频率 属性页如下图所示 图 5 3 2nd Order Filter 属性页 武汉理工大学 电力电子技术 课程设计说明书 15 由于本题希望输出电压频率为 50Hz 根据前面所述 此处截至频率可取为 100Hz 6 PWM 逆变器总体模型 在 Simulink 中按下图接线 逆 变滤 波升 压 PWM发 生 器 Discrete Ts 1e 05 s powergui g A B Universal Bridge Scope 2 Multimeter DC Voltage Source i Current Measurement Pulses Discrete PWM Generator Scope112 Linear Transformer RMS RMS 220 2 Display v Voltage Measurement Fo 100Hz 2nd Order Filter Series RLC Branch U i 图 6 1 PWM 总体模型 各个模型主要参数设置 DC Voltage Source 幅值设为 110V Universal Bridge 设置为 2 个桥臂 Descrete PWM Generator 中 Generator Mode 设置为 2 arm bridge 4 pulses Carrier frequency 载波频率 设置为 750Hz Modulation index 调制深度 0 7 Frequency of output voltage 设置为 50Hz Linear Transformer 线性变压器 变比为 150 611 2nd Order Filter 中 Cut off frequency 设 为 100Hz Series RLC Branch 中 仿真时间为 10s 所有参数设置 50R 3 10LH 完毕后可以启动仿真 仿真结束后 Scope1 与滤波器相连的示波器 的输出波形如下图 所示 武汉理工大学 电力电子技术 课程设计说明书 16 图 6 2 Scope1 输出波形 Scope 输出波形如下图所示 图 6 3 Scope 输出波形 为了看的的更加清楚 在 Scope1 的属性页中勾选 Save data to workspace 见图 6 4 将数据保存到 MATLAB 工作空间中 在命令窗口中调用如下命令 plot ScopeData1 time ScopeData1 signals values r grid on title Scope1 输出波形 xlabel 时间 秒 ylabel 幅值 伏 武汉理工大学 电力电子技术 课程设计说明书 17 可得到重新绘制的 Scope 输出波形见图 6 5 图 6 4 Scope1 属性页 00 010 020 030 040 050 060 070 080 090 1 400 300 200 100 0 100 200 300 Scope1出 出 出 出 伏 伏 伏 伏 伏 伏 图 6 5 命令行绘制的 Scope1 输出波形 从图中 6 5 中可以看出 Scope1