基于MATLAB的PWM逆变器的仿真研究.doc

课程设计说明书(论文) 基于MATLAB的逆变器的仿真研究 学生姓名： 班级学号： 院、系、部： 研究生院 专 业： 电气工程 指导教师： 2013年12月 Simulation Research of PWM InverterBased on MATLABBYSupervised byProfessor School of Electric Power EngineeringNanjing Institute of TechnologyOctober 2013基于MATLAB的逆变器的仿真研究摘要逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。这里介绍了三相桥式桥式PWM逆变电路的工作原理，建立了输出电路的状态空间模型，分析了空间模型的可控性和可观测性。并采用Matlab的可视化仿真工具Simulink建立三相桥式双极性控制方式下PWM逆变电路的仿真模型，通过动态仿真，研究了调制深度、载波频率对输出电压、负载上电流的影响；并分析了输出电压、负载上电流的谐波特性。关键词：Matlab/Simulink；PWM逆变电路；状态空间模型Simulation Research of PWM InverterBased on MATLABAbstractPWM inverter control circuit plays an important roal in applications. I introduce the working principle of three-phase bridge PWM inverter circuit here and establish the state-space model of the output circuit.I will also analyze the controllability and observability of space model. I have established the simulationmodel of PWM inverter circuit in three phase bridgebipolarcontrol mode with the use of Matlabsimulation tool simulink. Through dynamic simulation I have studyed the modulation depth , the carrier frequency of the output voltage, and the load current effects.Keywords：Matlab/Simulink; PWM inverter circuit; state-space model1.引言在电力电子技术中，把直流电变为交流电称为逆变。逆变电向交流负载供电时需要逆变电路；交流电动机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分也是逆变电路。这里主要讨论双极性控制下的三相桥式逆变电路，以及其输出电路的状态空间模型的分析和建立。并应用Matlab的可视化仿真工具Simulink，对该电路进行建模，并对不同调制深度、载波频率情况下对输出电压、负载上电流进行了仿真分析，加深了PWM逆变电路的理论认识。本文中仿真软件采用MATALABR2013a版本。2. 三相桥式PWM逆变电路的工作原理图1 三相桥式PWM型逆变电路图1是三相桥式逆变电路，这种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波载波，三相的调制信号、和依次相差120。U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U为例来说明。当 时，上桥臂V1导通，下桥臂V4关断，则U相相对于直流电源假想中点的输出电压 。当时，V4导通，V1关断，则。 V1和V4的驱动信号始终是互补的。当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是二极管VD1(VD4)续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定。、和的PWM波形都只有两种电平。 3. 状态空间模型图2显示了L-C输出滤波器得到的电流和电压方程。图2 L-C输出滤波器得到的电流和电压方程根据基尔霍夫定律，节点a、b、c可列出下列电流方程方程节点a： （1-1）节点b： （1-2）节点c： （1-3） 其中， （1-4）由以上四式计算可得： （1-5）根据基尔霍夫定律，可列出逆变电路输出部分的电压方程： （1-6）由（1-6）式可转化为： (1-7)根据基尔霍夫定律，可以列出负载回路的电压方程： （1-8）由（1-8）可以转化成 (1-9)由此可将（1-5）、（1-7）、（1-9）写成矩阵的形式： （1-10） 其中， ，L根据（1-10）我们可以建立此模型的状态空间模型：状态方程：输出方程：其中，状态向量，输入向量，输出向量系统矩阵，输入矩阵，输出矩阵，直接传递矩阵D=04. 系统的可控性和可观测性4.1 可控性判断 用可控性的秩判据来判断系统能控性，系统状态完全能控的充分必要条件是能控性矩阵满秩，即。MATLAB中的ctrb指令求出可控性矩阵，=9，由于可控性矩阵满秩，所以此系统可控。调用格式为：=ctrb（A,B） TA= ctrb (A,B); rank(TA)ans = 94.2 可观测性判断用系统可观测性的秩判据来判断系统能观性，系统状态完全能观的充要条件是可观测性矩阵满秩。MATLAB中的obsv指令可以求得可观测性矩阵，=9，由于可观测性矩阵满秩，所以此系统可观。调用格式为：=obsv（A,C） TC= obsv (A,C); rank(TC)ans = 95. Simulink仿真结果图3仿真波形。图3中第一个图表表示逆变后输出线到线电压（ViAB、ViBC、ViCA）；第二个表示逆变后输出电流（iA、iB、iC）；第三个表示负载线电流（iLA、iLB、iLC）图4 输出线电压的波形图5 逆变后输出电流的波形图6 负载电路线电流的波形6. 小结本课题讨论了双极性控制下的三相桥式逆变电路，以及其输出电路的状态空间模型的分析和建立。并应用Matlab进行了Simulink仿真。在完成设计的过程中查看了部分电力电子书籍和一些文献材料，复习了PWM逆变电路的理论知识，加深了对现代控制系统部分内容的理解。在此，感谢同学在Matlab使用上对我的帮助。本次设计是综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题锻炼实践能力的重要环节，我觉得是对我实际工作能力的具体训练和考察过程。随着科学技术发展的日新日异，电子技术已经成为当今世界空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。此次设计暴露了很多问题，本科的知识掌握很不牢靠，今后对各个学科的学习不能放松。参考文献：1王兆安,刘进军.电力电子技术(第5版)M.北京:机械工业出版社,2009.2朱南,张理兵,叶卫川,徐俊佩.基于MATLAB的单相PWM逆变电路的仿真研究J.电子世界,2012,07:70-72.3王健,王亚慧.带LC滤波器的PWM逆变器建模研究J.北京建筑工程学院学报,2007,01:52-55.4刘桂英,粟时平.“电力电子技术”的Matalab/Simulink教学仿真实践J.电气电子教学学报,2011,33(1):87-89. 5姚兴佳,张纯明,李宏峰,李美英.基于Matlab/Simulink的双PWM逆变系统仿真J.电气技术,2007,12:20-23.6王振.三相PWM逆变器新型控制策略研究D.天津大学,2009.7 徐顺刚,许建平,曹太强.SPWM逆变电源输出谐波分析及抑制方法研究J.电子科技大学学报.2010(05)8胡赛纯.SPWM单相逆变电路的谐波分析J.通信电源技术,2011,03:45-47.9俞杨威,金天均,谢文涛,吕征宇.基于PWM逆变器的LC滤波器J.机电工程,2007,05:50-52.10 薛定宇, 陈阳泉. 基于Matlab/Simulink 的系统仿真技术与应用M. 北京: 清华大学出版社，2002.11 Patel H. S. , Hoft R. G. Generalized techniques of harmonicelimination and voltage control in thyristor inverter-s Part : Harmo nic elimination, Par t : Voltage control techniques J . IEEE- IA- 9, 1973: 310- 317附录：MATLAB代码clear all Vdc= 400; Lf= 800e-6;Cf= 400e-6; Lload = 2e-3;Rload= 5; f= 60;fz = 3e3; a= 0.6;w= 2*pi*60; Tz= 1/fz; V_ref= (2/3)*a*Vdc; A=zeros(3,3) eye(3)/(3*Cf) -eye(3)/(3*Cf)-eye(3)/Lf zeros(3,3) zeros(3,3)eye(3,3)/Lload zeros(3,3) -eye(3)*Rload/Lload; B=zeros(3,3)eye(3)/Lfzeros(3,3);C=eye(9); D=zeros(9,3); Ks = 1/3*-1 0 1; 1 -1 0; 0 1 -1;由MATLAB代码绘制仿真结果ViAB = Vi(:,1);ViBC = Vi(:,2);ViCA = Vi(:,3);VLAB= VL(:,1);VLBC= VL(:,2);VLCA= VL(:,3);iiA= IiABC(:,1);iiB= IiABC(:,2);iiC= IiABC(:,3);iLA= ILABC(:,1);iLB= ILABC(:,2);iLC= ILABC(:,3);图1 PWM逆变器图2 PWM逆变器子系统模型图3 控制开关时间的子系统模型袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃