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1、武漢理工大學電力電子裝置及系統課程設計說明書 三相逆變器Matlab仿真研究1方案選擇1.1 課程設計要求本次課程設計要求對逆變電源進行Matlab仿真研究，輸入直流電壓為110V，輸出為220V三相交流電，建立三相逆變器Matlab仿真模型,進行仿真實驗，得到三相交流電波形。1.2 實現方案確定由于要求的輸出為220V,50HZ三相交流電，顯然不能直接由輸入的110V直流電逆變產生，需將輸入的110V直流電壓通過升壓斬波電路提高電壓，再經過逆變過程及濾波電路得到要求的輸出。根據課本所學的，可以采用升壓斬波電路和三相電壓型橋式逆變電路的組合電路，將升壓后的電壓作為逆變電路的直流側，得到三相交流
2、電，同時采用SPWM控制技術，使其頻率為50HZ。斬波電路有脈沖寬度調制、頻率調制和混合型三種控制方式。在此使用第一種控制方式，這種方式也是應用最多的方法。通過控制開關器件的通斷實現電能的儲存和釋放過程，輸出信號為方波，調節(jié)脈寬可以控制輸出的電壓的大小。根據直流側電源性質不同，逆變電路可分為電壓型逆變電路和電流型逆變電路。這里的逆變電路屬電壓型。PWM控制方式有兩種，一種是在調制波的半個周期內三角載波只在正極性或負極性一種極性范圍內變化，所得到的PWM波形也只在單個極性范圍變化的單極性PWM控制方式，另一種是雙極性控制方式，其在調制波的半個周期內三角載波不再是一種極性，而是有正有負，所得的PW
3、M波也是有正有負。對于三相橋式PWM逆變電路，一般采用雙極性控制方式。該電路的輸出含有諧波，濾波電路采用RLC濾波電路。直流斬波電路采用PWM斬波控制，輸出的方波經過濾波電路后變?yōu)橹绷麟娝屯孀冸娐?。逆變采用PWM逆變電路，采用SPWM作為調制信號，輸出PWM波形，再經過濾波電路得到220V、50Hz三相交流電，系統總體框圖如圖1所示。圖1 系統總體框圖2各模塊原理2.1 升壓斬波電路升壓斬波電路如下圖2所示。假設L值、C值很大，V通時，E向L充電，充電電流恒為I1，同時C的電壓向負載供電，因C值很大，輸出電壓uo為恒值，記為Uo。設V通的時間為ton，此階段L上積蓄的能量為。V斷時，E和L共
4、同向C充電并向負載R供電。設V斷的時間為，則此期間電感L釋放能量為，穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等，即 化簡得 輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路，也稱之為boost變換器。T與的比值為升壓比，將升壓比的倒數記作，則 故升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓的原因 ：L儲能之后具有使電壓泵升的作用，并且電容C可將輸出電壓保持住。圖2 升壓斬波電路原理圖2.2 三相電壓型橋式逆變電路三相電壓型橋式逆變電路如下圖3所示。該電路采用雙極性控制方式，U、V和W三相的PWM控制通常公用一個三角載波，三相的調制信號、和一次相差120度。U、V和W各相功率開關器件的控制規(guī)律相同，現以U相為例
5、來說明。當時，給上橋臂以導通信號，給下橋臂以關斷信號，則U相相對于直流電源假想中點的輸出電壓。當uc時，V1和V4導通，V2和V3關斷，這時如io0，則V1和V4通，如io0，則VD1和VD4通，不管哪種情況都是當uruc時，V2和V3導通，V1和V4關斷，這時如io0，則VD2和VD3通，不管哪種情況都是這樣就得到了正弦信號與三角載波的比較波形即SPWM波，此波形在效果上等效于調制波。其波形如圖5所示。urucuOwtOwt圖5雙極性PWM控制方式波形2.3.2雙極性SPWM控制電路的原理將正弦半波看成是由N個彼此相連的脈沖寬度為p/N，但幅值頂部是曲線且大小按正弦規(guī)律變化的脈沖序列組成的。
6、把上述脈沖序列利用相同數量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應的正弦波部分面積（沖量）相等，這就是PWM波形。對于正弦波的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。 脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱SPWM（Sinusoidal PWM）波形。PWM波形可分為等幅PWM波和不等幅PWM波兩種，由直流電源產生的PWM波通常是等幅PWM波?；诘刃娣e原理，PWM波形還可以等效成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等。 由于各脈沖的幅值相等，所以逆變器可由恒定的直流電源供電。2.4 Simulink仿真環(huán)境S
7、imulink是Matlab的仿真集成環(huán)境，是一個實現動態(tài)系統建模、仿真的集成環(huán)境。它使Matlab的功能進一步增強，主要表現為：模型的可視化。在Windows環(huán)境下，用戶通過鼠標就可以完成模型的建立與仿真；實現了多工作環(huán)境間文件互用和數據交換；把理論和工程有機結合在一起。利用Matlab下的Simulink軟件和電力系統模塊庫(SimPowerSystems)進行系統仿真是十分簡單和直觀的，用戶可以用圖形化的方法直接建立起仿真系統的模型，并通過Simulink環(huán)境中的菜單直接啟動系統的仿真過程，同時將結果在示波器上顯示出來。本文主要通過對逆變電源的Matlab仿真，研究逆變電路的輸入輸出及其
8、特性，以及一些參數的選擇設置方法，從而為以后的學習和研究奠定基礎，同時也學習使用Matlab軟件的Simulink集成環(huán)境進行仿真的相關操作。3 Matlab仿真建模根據系統總體框圖，可將其分為PWM升壓斬波電路和三相逆變電路（含濾波電路），而在三相逆變電路中，SPWM的作用很重要，會單獨進行一些說明，下面分別對它們進行仿真建模。3.1 斬波電路Matlab仿真建模斬波電路我采用了升壓斬波電路，MATLAB仿真模型如圖6所示，原理前面也講得很清楚了。電路輸出的電壓還要經逆變后濾波，故對波形的要求不是很高，與負載并聯的電容C取很大，就可以達到濾波的目的，因此不需另外添加濾波電路。該電路中開關器件
9、用IGBT，控制IGBT的波形由PWM脈沖生成器Pulse Generator產生，Pulse Generator在Simulink Library Browser的Simulink下拉菜單Sources類別中。繪制仿真圖時，打開Simulink Library Browser，可以在分類菜單中查找所需元件，也可以直接在查找欄中輸入元件名稱，如Pulse Generator，雙擊查找。找到元件后直接將其拖到新建Model文件窗口中即可。電路中其他元件按以上方法找出，放入Model文件窗口中。其中電阻、電感和電容元件，選擇SimPowerSystems下拉菜單Elements類別中的Series
10、 RLC Branch，放入窗口后，雙擊該圖標，在Branch Type中選擇相應類型，如電阻選R，電感選L，選擇完畢后單擊OK按鈕。放齊元件后，按升降壓斬波電路原理圖連接電路，為了方便觀察輸出，應在輸出端加上電壓測量裝置Voltage Measurement，并在Simulink下拉菜單Commonly Used Blocks類別中選擇Scope，即示波器，以觀測輸出電壓波形。圖6 升壓斬波電路MATLAB仿真模型3.2 逆變電路仿真建模3.2.1 逆變電路的Matlab模型如圖7所示，為逆變電路的Matlab的仿真模型。此電路采用了三相逆變橋集成塊Universal Bridge 3 ar
11、ms，濾波電路也已由Three-Phasse Parallel RLC Load模塊構成，不需另加濾波電路。對于SPWM控制波的生成，因為這一個模塊基本上是整個逆變電路的核心，直接用Matlab自帶的模塊集成電路，雖然也可以實現這一功能，但是顯然沒有對SPWM波的生成有一個比較深入的了解，下面會對SPWM波的生成，即下面仿真圖中的pwm subsystem進行詳細的說明。圖7 逆變電路的Matlab的仿真模型3.2.2 SPWM波的Matlab仿真模型等腰三角形載波的Matlab仿真如下圖8所示圖8 等腰三角形載波的Matlab仿真模型其波形如下圖9所示圖9 三角形載波圖形生成等腰三角形載波的
12、S函數如下function sys,x0,str,ts = sanjiaowave(t,x,u,flag,A,Freq)switch flag, case 0, sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizes; case 1, sys=mdlDerivatives(t,x,u); case 2, sys=mdlUpdate(t,x,u); case 3, sys=mdlOutputs(t,x,u,A,Freq); case 4, sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u); case 9, sys=mdlTerminate(t,x,u); otherw
13、ise error(Unhandled flag = ,num2str(flag);endfunction sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizessizes = simsizes;sizes.NumContStates = 0;sizes.NumDiscStates = 0;sizes.NumOutputs = 1; sizes.NumInputs = 1;sizes.DirFeedthrough = 1;sizes.NumSampleTimes = 1; % at least one sample time is neededsys = simsizes(sizes
14、);x0 = ;str = ;% initialize the array of sample times%ts = 0 0;function sys=mdlDerivatives(t,x,u)sys = ;function sys=mdlUpdate(t,x,u)sys = ;function sys=mdlOutputs(t,x,u,A,Freq)%直接在輸出函數部分編寫三角波的代碼T=1/Freq; %求三角波周期m=rem(u,T); %u為外部輸入時間信息，rem為求余函數K=floor(u/T); %floor為向零取整r=4*A*Freq; c=T/2;if (m=0)&(m=c
15、)&(m=T)sys=-r*(u-(K+0.75)*T);else sys=A;endfunction sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u)sampleTime =1; % Example, set the next hit to be one second later.sys = t + sampleTime;function sys=mdlTerminate(t,x,u)sys = ;% end mdlTerminateSPWM波的Matlab仿真模型如下圖10所示圖10 SPWM波的Matlab仿真模型SPWM波的Matlab仿真波形如下圖11所示圖11 S
16、PWM波的Matlab仿真波形3.3 逆變電源仿真建模將斬波電路的輸出接到逆變電路的輸入，就得到逆變電源仿真模型，如圖12所示。圖12 逆變電源仿真模型4 仿真波形4.1斬波電路仿真波形打開斬波電路窗口，根據參考資料設置初試參數，設置時雙擊元件圖標。輸入直流電設為100V，開關器件IGBT和二極管Diode使用默認參數。負載R=50 ，電感L=6e-04H（即0.6mH），電容C=3e-05F（即30uF）。設置PWM發(fā)生器周期Period為0.0001s，占空比Pulse Width(% of period)為75.7%，其他參數不變。單擊Start simulation按鍵，開始仿真，雙擊
17、示波器Scope，觀察輸出波形圖。此時輸出波形持續(xù)等副震蕩，且幅值太高，很不理想。分析知升降壓斬波電路中電感和電容值均應很大，將電容值改為600uF（C=6e-04F），電感值為4.2mH，觀察波形，如圖13 所示，輸出電壓約0.2s后穩(wěn)定在435V。通過幾次調節(jié)各元件參數發(fā)現，改變電感和電容的值，輸出電壓穩(wěn)定值也在變化。電容的作用主要是使輸出電壓保持住，電容值過小輸出波形會持續(xù)震蕩，應取較大，但過大的電容值會使輸出電壓穩(wěn)定的時間太長。根據以上規(guī)律反復改變各元件參數，直到得到滿意的結果。圖13 斬波電路仿真波形4.2 逆變電路仿真波形在SPWM中三角載波的頻率為1000HZ，因為本次課程設計所
18、需要的調制波為50HZ，而根據當載波比為20時，逆變電路輸出的波形中諧波含量最小。所以取三角載波的頻率為1000HZ。其幅值為1V，調制所需要的正弦波由Matlab自帶的函數庫產生。其頻率當然為50HZ,幅值設為1V，其產生的SPWM波形在上面已給出，變壓器（Transformer）中的繞組參數（Winding parameters），其變比為1。Three-Phasse Parallel RLC Load模塊，在電路中起著很重要的作用，其一是作為后級濾波電路，濾除SPWM波中正弦基波中含有的高次諧波，若沒有其濾波作用得到的波形為SPWM波，其不含有低次諧波，諧波主要分布在載波頻率以及載波頻率
19、整數倍附近。其二是作為逆變電路的負載。在實際使用時，對于IGBT等全控器件需要加上驅動電路。其輸出波形如下圖14所示。圖14 逆變電路仿真波形4.3 逆變電源仿真實現首先應將斬波電路的輸出電壓調到450V左右，再對逆變電源進行仿真。反復調節(jié)參數知當斬波電路中PWM脈沖生成器的占空比達到75.7%時，輸出的直流電壓約為435V，此時的波形如圖15所示，輸出電壓先大幅震蕩，大約0.2s后，穩(wěn)定在435V左右。圖15 逆變電源斬波輸出波形改變逆變電源仿真模型中的參數到要求值，單擊Start simulation按鍵開始仿真，圖16為逆變電源輸出波形。從圖可知，逆變電源輸出三相交流電相電壓波形幅值為3
20、11V，各相電壓互差120，周期為0.02s即頻率為50Hz。第一個波形會出現失，因為電路到正常的響應需要一段時間，但從后續(xù)波形看，仿真結果還是滿足任務要求的。圖16 逆變電源輸出三相交流電相電壓波形5 心得體會本次課程設計分為以下四個部分，方案選擇，模塊原理分析，仿真模型以及仿真結果。首先對于方案選擇，對于課設給出的110V電壓，產生220V的三相交流電壓，直接逆變明顯不滿足要求，所以首先以升壓斬波電路提升直流電壓至滿足要求的一定值，然后再進行逆變，這樣就可以滿足課設要求了，對于Matlab仿真模型的建立，確實花費了大量的時間和精力，雖然對Matlab已經談不上陌生，但是Matlab功能太強
21、大，各種仿真模塊庫繁多，對于SPWM波的產生，在網上查找了不少資料，總算是得出了正確的結果，在這個過程中，我也學會了很多，特別是S函數的仿真，S函數確實有其獨到之處，仿真過程中難免遇到很多問題，但萬幸，雖然花了很長時間和精力去檢查，但最終仿真圖新還是出來了。從這些過程中我看出沒有研究就沒有發(fā)言權，只有進行了深入的研究，你才能更清楚的了解它。在畫升壓斬波電路，逆變電路等模型圖的過程中我用到了Matlab軟件，再一次的讓我重溫了用它畫圖的感覺是最讓我高興的事，記得還是大二時學過的軟件課程，但在學習的時候總是感覺差點什么，這次做了課程設計讓我明白軟件的學習是需要在實踐中進行的。在經過學習，請教后，我
22、能輕松的畫出自己想要的Simulink仿真圖形，特別是這個Simulink仿真圖形還包括S函數的一個模塊，這時感覺很有成就感。我認為光靠自己一個人的力量是遠遠不夠的，當自己遇到問題實在解決不了時，可以和同學共同探討，尋找解決辦法。正所謂“三人行，則必有我?guī)煛?。最后，我看著最終的成果，還是覺得受益匪淺的。這次課程設計，讓我有機會將課堂上所學的理論知識運用到實際中。這是一次對所學知識的整合，一次綜合利用，在做課程設計的同時也驗證了我們課堂上所學的理論知識，對我們以后的工作學習具有很大的指導作用，同時我也明白了在以后的工作中，不僅要動腦，還要多進行動手實踐。參考文獻1 楊蔭福、段善旭、朝澤云.電力電子裝置及系統.北京：清華大學出版社，20062 王維平.現代電力電子技術及應用.南京：東南大學出版社，1999 3 王兆安，黃俊.電力電子技術.北京：機械工業(yè)出版社，20084 葉斌.電力電子應用技術及裝置.北京：鐵道出版社，19995 Robert H.Bishop.Modern Contorl Systems Analysis and Design-Using MATLAB and SimulationM.影印版. 北京：清華大學出版社，200815
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