三相逆变器仿真要点.pdf

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1、学号： 0121111360719 课 程 设 计 题目 三相逆变器仿真 学院自动化学院 专业自动化 班级自动化 1103班 姓名黄诚 指导教师吴勇 2014 年1 月9 日 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 I 目录 1 概述及设计要求 1 1.1 概述 1 1.2 设计要求 1 2 方案比较及认证 2 2.1 升压电路模块方案选择 2 2.2 逆变电路方案选择 2 2.3 闭环反馈电路设计 2 2.4 总体电路方案设计 2 3 系统原理说明 4 3.1 升压斩波电路 4 3.2 三相电压型桥式逆变电路 4 3.3 SPWM 逆变器的工作原理 . . 5 3.4 SIMULINK仿真环

2、境 . 5 4 仿真建模 . . 7 4.1 升压斩波电路仿真建模 7 4.2 三相桥式 PWM 逆变电路仿真建模 8 4.3 闭环反馈电路仿真建模 8 4. 4 三相逆变电源总体电路仿真建模. . 9 5 仿真结果 11 5.1 直流升压斩波电路仿真结果 . 11 5.2 三相桥式 PWM 逆变电路仿真实现结果 . 11 5.3 闭环反馈电路仿真实现结果 . 12 5.4 三相逆变电源总体仿真实现结果. 13 6 总结 . 15 参考文献 . 16 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 1 三相逆变器仿真 1 概述及设计要求 1.1 概述 电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，

3、就是使用电力电子器件（如 晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术的应用范围十分广 泛，它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新 能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。 PWM控制技术就是对脉冲的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，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）；面积等效原理是PWM技术的重要基础 理论。 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。Simulink是MATLAB 中的一种可视化仿真工具，是一种基于 M

4、ATLAB 的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用 于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。 1.2 设计要求 本设计要求输入 200V 直流电压，采用 PWM 斩波控制技术， 得到输出为 380V、50HZ 三相交流电，并且建立Matlab 仿真模型，得到实验波形。 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 2 2 方案比较及认证 2.1 升压电路模块方案选择 方案一：可以利用变压器对输入的200V直流电压直接升压，接着逆变和滤波，但是此 种方案不方便对升压环节进行控制，所以放弃此方案。 方案二：通过斩波电路来提高电压， 然后进行逆变和滤波

5、， 在本次设计中采用此方案， 即通过升压斩波电路来控制输出的直流电压，这样可以达到便于控制的目的。 方案三：先进行逆变，然后进行斩波电路升压，由于本次设计需要产生的是三相交流 电压输出，逆变之后的升压就会涉及到三个直流升压电路，所以也放弃此方案。 方案四：也是先进行逆变，然后通过变压器升压，同样的，也是不能方便的对升压环 节进行输出电压值的控制，而且会用到三个变压器，比较麻烦。 本次设计中采用方案二，经过升压斩波电路升压，然后进行逆变和滤波。 2.2 逆变电路方案选择 逆变电路采用课本上的三相桥式PWM逆变电路，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

6、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，需要专门的滤波电路进行滤 波。滤波电路采用 RC滤波电路。经过逆变电路和滤波电路就可以在三相电压输出侧得到题 目要求的 380V、50Hz三相交流电，不过容易受负载影响输出电压的值。 2.3 闭环反馈电路设计 为了让输出电压更加稳定和准确，所以在本次设计仿真建模中很有必要进行闭环反馈 电路的设计，在三相电压输出侧进行电压采集，经过整流得到电压幅值，将采集到的电压 值与理想输出电压值进行比较，接着将差值经过PI 环节，然后再与等腰三角波比较输出， 此处采用的是单极性PWM 波控制方式，产生我们所需要的进行

7、升压斩波的PWM 波，对 直流斩波电路中 IGBT 的通断控制进而产生理想的输出电压值。 2.4 总体电路方案设计 整体方案设计为直流斩波电路采用PWM 斩波控制的升压斩波电路，输出的直流电送 往逆变电路。逆变采用三相桥式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，在电压输出侧进行电压采样进而与 理想输出值比较转换之后产生所需要的PWM 波，控制输出的稳定和准确。系统总体框图 如图 1 所示。 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 3 图1 系统总体框图 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 4 3 系统原理说明 3.

8、1 升压斩波电路 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 EI1ton。V 断时，E 和 L 共同向 C 充电并向负载 R 供电。 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 升压斩波电路原理图 3.2 三相电压型桥式逆变电路 该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载波 c u， 三相的调制信号 rU

9、 u 、 rV u 和 rW u 一次相差 120 。U、V 和 W 各相功率开关器件的控制 规律相同，现以 U相为例来说明。当 rU u c u时，给上桥臂 1 V以导通信号，给下桥臂 4 V 以 关断信号，则 U相相对于直流电源假想中点N 的输出电压2/ dUN Uu=。当 rU uHelp DemosSimulink SimPowerSystems General Demos中的 Three-Phase Two-Level PWM Voltage Source Converters。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-P

10、hasse 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6 所示。其中变压器仅起隔离作用，不对电 压进行升降。 图 6 三相桥式PWM 型逆变电路模型 4.3 闭环反馈电路仿真建模 闭环反馈电路的设计是为了让输出电压更加稳定和准确，通过上面的方案论证决定在 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 9 三相电压输出侧进行电压采集，经过整流得到电压幅值，将采集到的电压值与理想输出电 压值进行比较， 接着将差值经过PI 环节，然后再与特定的 PWM 输出值比较后与等腰三角波 比较输出，此处采用的是单极性PWM

11、波控制方式，产生我们所需要的进行升压斩波的 PWM 波，对直流斩波电路中IGBT 的通断控制进而产生理想的输出电压值。 其仿真模型电路图如图7 所示。 图 7 闭环反馈电路仿真模型 4. 4 三相逆变电源总体电路仿真建模 本次设计的三相逆变电源总体电路包括直流升压斩波电路，三相桥式PWM 逆变电路 和闭环反馈电路，将升压斩波电路的输出接到逆变电路的输入，接着在逆变电路输出端接 上反馈电路，经过处理后产生的PWM 波连接到直流升压斩波电路的开关器件IGBT 的控 制端，这样就得到本次设计的逆变电源的总体仿真模型，如图8 所示。 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 10 图 8 逆变电源总体电

12、路仿真 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 11 5 仿真结果 5.1 直流升压斩波电路仿真结果 分析直流升压斩波电路的原理，并根据参考资料设置各项初始参数，输入直流电设置 为 200V，开关器件 IGBT 和二极管 Diode 使用默认参数， 其他器件的参数可以通过调试和 参考资料进行设置。如果改变开关器件IGBT 的占空比的值，可以改变其输出电压值，在 仿真过程中能够得到很好的体现，符合直流升压斩波电路的原理。经过多次调节各元件参 数发现，增大 PWM 波形的占空比或增大电感值，输出电压稳定值增大。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

13、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。如下 图即为当占空比为50%的时候，仿真建模得到的输出波形， 该波形是在 Scope中观察到的。 图 9 直流升压斩波电路仿真波形 很显然，当占空比为 50%时输出电压应该为200V 的两倍，即为 400V，在仿真得到的 波形中可以看到在0.038s后输出稳定的直流电压400V，效果比较好，满足要求。 5.2 三相桥式 PWM 逆变电路仿真实现结果 这里说的三相桥式PWM 逆变电路包括了滤波电路在进行逆变电路的仿真中，交流电 的输出波形很容易受到一些参数的影响，要想得到稳定且波形较好的380V，50Hz 的交流

14、 电，必须经过多次调试和研究，将各项参数设定好。在设计中要求输出交流电为380V，此 值为线电压，则每相电压有效值为220V，每相电压有效值为220V，输出的正弦波幅值为 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 12 2202V，约为 311V。根据此要求反复调节各元件参数，发现当输入直流电压为689.85V， 离散 PWM 生成器的调制参数 m=0.98 时输出电压满足要求。 此时逆变电路的输出波形如图10三相桥式 PWM逆变电路仿真波形所示。 图 10 三相桥式PWM 逆变电路仿真波形 5.3 闭环反馈电路仿真实现结果 经过闭环反馈电路得到的输出PWM 波形（占空比为 71.1%）如图 1

15、1 所示： 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 13 图 11 闭环反馈电路产生PWM 波形 5.4 三相逆变电源总体仿真实现结果 首先应该将升压斩波电路的输出电压调到689.85V 左右，再对逆变电源进行仿真。反 复调节参数知当直流升压斩波电路中PWM 脉冲生成器的占空比达到71.1%时，输出的直 流电压约为 690V，此时的波形如图12三相逆变电源升压斩波电路输出波形所示，输出电 压先大幅震荡，大约0.038s后，稳定在 690V 左右。 三相逆变电源的最终输出电压波形如下图13 所示，由图中可以清楚地看出三相电压 的最大值均为311V，满足输出线电压为380V 的要求，且周期也都是0

16、.02s ，也就是符合 输出交流电为 50Hz的要求，同时三相电压依次相差120，输出的波形也比较好。同时由 于反馈电路的存在，使其抗干扰能力也大为提高，受负载的影响也较小。 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 14 图 12 三相逆变电源升压斩波电路输出波形 图 13 三相逆变电源仿真结果图 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 15 6 总结 在课程设计中，我认识到对生活当中具体事物的抽象概括和数学推理能力的重要性， 当我们面对一个陌生的事物，如何将转化为我们所学的知识，这种能力是很重要的。可以 说整个设计中最麻烦的就是把一些在课本中学到的知识在Matlab 中进行仿真得到正确的 结

17、果。这个过程是十分繁琐的， 也是很锻炼人的。 通过本次课程设计， 我学会了使用 Matlab 软件仿真集成环境Simulink 进行仿真的基本操作方法，也对直流斩波电路、逆变电源的原 理和闭环控制的思想都有了进一步的理解。 在使用 Matlab 的 Simulink 进行仿真时，很多时候波形不一定能够快速正确的出现， 这个时候就要好好研究其深层次的原理，同时要注意 Matlab 的仿真的一些细节， 例如哪里 可以接线哪里不行，电路接不接地，仿真时间的设定，采用自动定标器Autoscale 观察波 形等。这些软件的使用技巧在仿真的时候显得尤为重要！以后自己一定要多多注重培养自 己的实践能力，对于

18、一些常用的软件也要更加努力的学习，以求熟练掌握使用。 这次课程设计使我认识到学好一门技术的重要性。我们既要牢固掌握课本的基本知 识，又要掌握基本的操作技能，这两者是密不可分的。以后的学习生活中一定要更加努力 的学习、体验、提高，从各方面充实自己。 武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 16 参考文献 1 王兆安等 . 电力电子技术 . 北京：机械工业出版社， 2009. 5 2薛定宇 . 基于 Matlab/Simulink 的系统仿真技术与应用 . 北京：清华大学出版社， 2006 3 王丹力等 . Matlab 控制系统设计、仿真、应用. 北京: 中国电力出版社 , 2007 4 周建兴

19、等 . MATLAB 从入门到精通 . 北京：人民邮电出版社，2008 5 陈国呈 . PWM 逆变技术及应用 . 北京：中国电力出版社 , 2007 本科生课程设计成绩评定表 姓名黄诚性别男 专业、班级自动化 1103 班 课程设计题目：三项逆变器仿真 课程设计答辩或质疑记录： 成绩评定依据： 序 号 1 选题合理，目的明确（10 分） 2 设计方案正确，具有可行性、创新性（20 分） 3 设计结果（例如：硬件成果、软件程序）（25 分） 4 态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15 分） 5 设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5 篇） （10 分） 6 答辩（ 20 分） 总分 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字： 2014年1月9日