逆变电源Matlab仿真研究

1、目 录摘 要 .II第 1 章 绪论 .- 1 -1.1 设计实现要求 .- 1 -1.2 设计方案确定 .- 1 -第 2 章 原理简介 .- 2 -2.1 逆变电源的原理简介 .- 2 -2.2 升压斩波电路 .- 2 -2.2.1 升压电路原理图 .- 2 -2.2.2 原理分析 .- 2 -2.3 三相电压型桥式逆变电路 .- 3 -2.3.1 逆变电路原理图 .- 3 -2.3.2 逆变电路原理 .- 3 -2.4 SPWM 逆变器的工作原理.- 3 -2.5 SIMULINK仿真环境 .- 4 -第 3 章 仿真建模 .- 5 -3.1 斩波电路仿真建模 .- 5 -3.2 逆变电

2、路仿真建模 .- 6 -3.3 逆变电源仿真建模 .- 7 -第 4 章 仿真实现 .- 8 -4.1 斩波电路仿真实现 .- 8 -4.2 逆变电路仿真实现 .- 9 -4.3 逆变电源仿真实现 .- 10 -总结 .- 12 -参考文献 .- 13 -摘 要基本电力电子电路分为四类，分别是：整流电路，将交流电变为直流电的电路；直流斩波电路，将直流电变成另一固定电压或可调电压的直流电的电路；交流-交流变流电路，将一种形式的交流电变成另一种形式交流电的电路；逆变电路，将直流电变为交流电的电路。逆变器也称逆变电源，是将直流电能转变成交流电能的变流装置，是太阳能、风力发电中的一个重要部件。随着微电

3、子技术与电力电子技术的迅速发展，逆变技术也从通过直流电动机交流发电机的旋转方式，发展到晶闸管逆变技术，控制电路也从模拟集成电路发展到单片机控制甚至采用数字信号处理器控制。本次的课程设计要求对逆变电源进行 Matlab 仿真研究，输入为 100V，输出为 380V、50Hz 三相交流电，采用PWM 斩波控制技术，建立 Matlab 仿真并得到实验结果。PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值） 。面积等效原理是 PWM 控制技术的重要理论基础。PWM 逆变电路的控制方法有计算法

4、和调制法。本文用 matlab 实现对逆变电源的仿真研究， Simulink 是 Matlab 的仿真集成环境，是一个实现动态系统建模、仿真的集成环境。它使 Matlab 的功能进一步增强。本文主要通过对逆变电源的 Matlab 仿真，研究逆变电路的输入输出及其特性，以及一些参数的选择设置方法，从而为以后的学习和研究奠定基础，同时也学习使用 Matlab 软件的Simulink 集成环境进行仿真的相关操作。关键词：PWM 逆变电源 matlab 仿真1.方案论证 设计实现要求本次课程设计要求对逆变电源进行 Matlab 仿真研究，输入为 100V，输出为380V、50Hz 三相交流电，采用 P

5、WM 斩波控制技术，建立 Matlab 仿真模型并得到实验结果。1.2 设计方案确定题目中要求的输出为 380V、50Hz 三相交流电，显然不能直接由输入的 100V 直流电逆变产生，需将输入的 100V 直流电压通过斩波电路提高电压，再经过逆变过程及滤波电路得到要求的输出。根据课本所学的，可以采用升压斩波电路和三相电压型桥式逆变电路的组合电路，将升压后的电压作为逆变电路的直流侧，得到三相交流电，同时采用PWM 控制技术，使其频率为 50HZ。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路分为脉冲宽度调制（PWM） 、频率调制和混合型三种。在此使用第一种方法，也是应用最多的方法。通过控制开关

6、器件的通断实现电能的储存和释放过程，输出信号为方波，调节脉宽可以控制输出的电压的大小。根据直流侧电源性质不同，逆变电路可分为电压型逆变电路和电流型逆变电路。这里的逆变电路属电压型。采用等腰三角波作为载波，用 SPWM 进行双极性控制。该电路的输出含有谐波，除了使波形具有对称性减少谐波和简化控制外，还需要专门的滤波电路进行滤波。滤波电路采用 RLC 滤波电路。直流斩波电路采用 PWM 斩波控制，输出的方波经过滤波电路后变为直流电送往逆变电路。逆变采用 PWM 逆变电路，采用 SPWM 作为调制信号，输出 PWM 波形，再经过滤波电路得到 380V、50Hz 三相交流电。系统总体框图如图 1-1

7、所示。100V DC PWM升压 方波 滤波 直流电 逆变 PWM波 滤波 380V 50HZ AC斩波电路 电路 电路 电路 SPWM 调制信号图 1-1 系统总体框图最后通过 MATLAB 集成环境 simulink 进行仿真，验证结果。2.原理2.1 逆变电源的原理利用晶闸管电路把直流电转变成 交流电,这种对应于整流的逆向过程 ,定义为逆变。例如:应用晶闸管的电力机车 ,当下坡时使直流电动机作为发电机制动运行 ,机车的位能转变成电能 ,反送到交流电网中去。又如运转着的直流电动机 ,要使它迅速制动,也可让电动机作发电机运行 ,把电动机的动能转变为电能 ,反送到电网中去。 把直流电逆变成交流

8、电的电路称为逆变电路。在特定场合下,同一套晶闸管变流电路既可作整流 ,又能作逆变。 变流器工作在逆变状态时 ,如果把变流器的交流侧接到交流 电源上,把直流电逆变为同频率的交流电反送到电网去 ,叫有源逆变。如果变流器的交流侧不与电网联接 ,而直接接到负载,即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载,则叫无源逆变。交流变频调速就是利用这一原理工作的。有源逆变除用于直流可逆调速系统外,还用于交流饶线转子异步电动机的 串级调速和高压直流输电等方面。 升降压斩波电路2.2.1 升降压电路原理图图 2-1 升降压斩波电路原理图.2 基本工作原理 V 通时，电源 E 经 V 向 L 供电使其贮能，此

9、时电流为 i1。同时，C 维持输出电压恒定并向负载 R 供电；V 断时，L 的能量向负载释放，电流为 i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。EEtTtEttU1ononoffono输出电压为：当 0a 1/2 时为降压，当 1/2a 时，给上桥臂以导通信号，给下桥臂以rUucu1V4V关断信号，则 U 相相对于直流电源假想中点的输出电压。当时，N/2UNduUrUucu给以导通信号，给以关断信号，则。和的驱动信号始终是互补的。4V1V/2UNduU 1V4V当给（）加导通信号时，可能是（）导通，也可能是二极管（）续流导1V4V1V4V1DV4DV通，这要

10、由阻感负载中电流的方向来决定。V 相和 W 相的控制方式都和 U 相相同。 SPWM 逆变器的工作原理 所谓的 SPWM 波形就是与正弦波形等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，等效的原则是每一区间的面积相等。把一个正弦波分作几等份，然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等份的中点相重合。这样由几个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波等效，称作 SPWM 波形。同样，正弦波的负半周也用同样的方法与一系列负脉冲波等效。 这一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出 SPWM 波形。由于各脉冲的幅值相等，所以逆变

11、器可由恒定的直流电源供电，也就是说，这种交一直一交变频器中的整流器采用不可控的二极管整流器就可以了。逆变器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压。当逆变器各开关器件都是在理想状态下工作时，驱动相应开关器件的信号也应为与形状相似的一系列脉冲波形。 Simulink 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。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，基于以上优点 Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号

12、处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。Simulink 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulink 是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink

13、 提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。.3 仿真建模根据系统总体框图，可将其分为 PWM 升降压斩波电路和三相逆变电路电路（含滤波电路） ，下面分别对其进行仿真建模。3.1 斩波电路仿真建模斩波电路我采用了升降压斩波电路，原理前面也讲得很清楚了。电路输出的电压还要经逆变后滤波，故对波形的要求不是很高，与负载并联的电容 C 取很大，就可以达到滤波的目的，因此不需另外添加滤波电路。该电路中开关器件用 IGBT，控制 IGBT 的波形由 PWM 脉冲生成器 Pulse Generator 产生，Pulse Generator 在 Simulink Library B

14、rowser 的 Simulink 下拉菜单 Sources 类别中。绘制仿真图时，打开 Simulink Library Browser，可以在分类菜单中查找所需元件，也可以直接在查找栏中输入元件名称，如 Pulse Generator，双击查找。找到元件后直接将其拖到新建 Model 文件窗口中即可。电路中其他元件按以上方法找出，放入 Model 文件窗口中。其中电阻、电感和电容元件，选择 SimPowerSystems 下拉菜单 Elements 类别中的 Series RLC Branch，放入窗口后，双击该图标，在 Branch Type 中选择相应类型，如电阻选 R，电感选 L，选

15、择完毕后单击 OK 按钮。放齐元件后，按升降压斩波电路原理图连接电路，为了方便观察输出，应在输出端加上电压测量装置 Voltage Measurement，并在 Simulink 下拉菜单 Commonly Used Blocks 类别中选择 Scope，即示波器，以观测输出电压波形。所构成的升降压斩波电路仿真模型，如图 3-1 所示。图 3-1 升降压斩波电路仿真模型3.2 逆变电路仿真建模三相桥式 PWM 型逆变电路，由于有模型，在 Marlab 中，选择“Help” ，然后“Demos” ，搜索“Three-Phase Two-Level PWM Voltage Source Conve

16、rters”则可以发现。此电路采用了三相逆变桥集成块 Universal Bridge 3 arms，滤波电路也已由Three-Phasse Parallel RLC Load 模块构成，不需另加滤波电路。在此电路的基础上稍作修改，即构成三相桥式 PWM 型逆变电路模型，如图 3-2 所示。其中变压器仅起隔离作用，不对电压进行升降。图 3-2 三相桥式 PWM 型逆变电路模型3.3 逆变电源仿真建模将斩波电路的输出接到逆变电路的输入，就得到逆变电源仿真模型，如图 3-3 所示。图 3-4 逆变电源仿真模型第 4 章 仿真实现4.1 斩波电路仿真实现打开斩波电路窗口，根据参考资料设置初试参数，设

17、置时双击元件图标。输入直流电设为 100V，开关器件 IGBT 和二极管 Diode 使用默认参数。负载 R=50 ，电感 L=6e-04H（即 0.6mH） ，电容 C=3e-05F（即 30uF） 。设置 PWM 发生器周期 Period 为 0.0001s，占空比 Pulse Width(% of period)为 84.1%，其他参数不变。单击 Start simulation 按键，开始仿真，双击示波器 Scope，观察输出波形图。此时输出波形持续等副震荡，且幅值太高，很不理想。分析知升降压斩波电路中电感和电容值均应很大，将电容值改为 500uF（C=5e-04F） ，电感值为 3.

18、8mH，观察波形，如图 4-1 所示，输出电压约 0.2s 后稳定在 630V。 图 4-1 逆变电路仿真波形通过几次调节各元件参数发现，改变电感和电容的值，输出电压稳定值也在变化。电容的作用主要是使输出电压保持住，电容值过小输出波形会持续震荡，应取较大，但过大的电容值会使输出电压稳定的时间太长。根据以上规律反复改变各元件参数，直到得到满意的结果。4.2 逆变电路仿真实现逆变电路中的参数主要有离散 PWM 生成器（Discrete PWM Generator）中的载波频率（Carrier frequency） 、采样时间（Sample time） 、调制参数（Modulation index）

19、和输出电压频率（Frequency of output voltage） ，变压器（Transformer）中的绕组参数（Winding parameters） ，Three-Phasse Parallel RLC Load 模块中的参考点相电压（Nominal phase-to-phase voltage）和频率（Nominal frequency）。由于要求输出交流电频率为 50Hz，上述参数中的频率都应为 50Hz。载波频率过小时，输出的波形有些跳动，和正弦波有一定的差距，如图 4-2 逆变电路仿真波形所示。图 4-2 逆变电路仿真波形4.3 逆变电源仿真实现 首先应将斩波电路的输出电压调到 630V 左右，再对逆变电源进行仿真。反复调节参数知当斩波电路中 PWM 脉冲生成器的占空比达到 84.1%时，输出的直流电压约为630V，此时的波形如图 4-5 所示，输出电压先大幅震荡，大约 0.2s 后，稳定在 630V 左右。图 4-3 逆变电源斩波输出波形图 4-4 逆变电源输出波形改变