我的三相逆变器Matlab仿真研究

三相逆变器Matlab仿真研究1方案选择1.1 课程设计要求本次课程设计要求对逆变电源进行Matlab仿真研究，输入直流电压为110V，输出为220V三相交流电，建立三相逆变器Matlab仿真模型,进行仿真实验，得到三相交流电波形。1.2 实现方案确定由于要求的输出为220V,50HZ三相交流电，显然不能直接由输入的110V直流电逆变产生，需将输入的110V直流电压通过升压斩波电路提高电压，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SPWM控制技术，使其频率为50HZ。斩波电路有脉冲宽度调制、频率调制和混合型三种控制方式。在此使用第一种控制方式，这种方式也是应用最多的方法。通过控制开关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。PWM控制方式有两种，一种是在调制波的半个周期内三角载波只在正极性或负极性一种极性范围内变化，所得到的PWM波形也只在单个极性范围变化的单极性PWM控制方式，另一种是双极性控制方式，其在调制波的半个周期内三角载波不再是一种极性，而是有正有负，所得的PWM波也是有正有负。对于三相桥式PWM逆变电路，一般采用双极性控制方式。该电路的输出含有谐波，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220V、50Hz三相交流电，系统总体框图如图1所示。图1 系统总体框图2各模块原理2.1 升压斩波电路升压斩波电路如下图2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ton，此阶段L上积蓄的能量为。V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断的时间为，则此期间电感L释放能量为，稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等，即 化简得 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与的比值为升压比，将升压比的倒数记作，则 故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2.2 三相电压型桥式逆变电路三相电压型桥式逆变电路如下图3所示。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，三相的调制信号、和一次相差120度。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。当时，给上桥臂以导通信号，给下桥臂以关断信号，则U相相对于直流电源假想中点的输出电压。当uc时，V1和V4导通，V2和V3关断，这时如io0，则V1和V4通，如io0，则VD1和VD4通，不管哪种情况都是当uruc时，V2和V3导通，V1和V4关断，这时如io0，则VD2和VD3通，不管哪种情况都是这样就得到了正弦信号与三角载波的比较波形即SPWM波，此波形在效果上等效于调制波。其波形如图5所示。urucuOwtOwt图5双极性PWM控制方式波形2.3.2双极性SPWM控制电路的原理将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲宽度为p/N，但幅值顶部是曲线且大小按正弦规律变化的脉冲序列组成的。把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，这就是PWM波形。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。 脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM（Sinusoidal PWM）波形。PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种，由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波。基于等效面积原理，PWM波形还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。 由于各脉冲的幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电。2.4 Simulink仿真环境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，主要表现为：模型的可视化。在Windows环境下，用户通过鼠标就可以完成模型的建立与仿真；实现了多工作环境间文件互用和数据交换；把理论和工程有机结合在一起。利用Matlab下的Simulink软件和电力系统模块库(SimPowerSystems)进行系统仿真是十分简单和直观的，用户可以用图形化的方法直接建立起仿真系统的模型，并通过Simulink环境中的菜单直接启动系统的仿真过程，同时将结果在示波器上显示出来。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。3 Matlab仿真建模根据系统总体框图，可将其分为PWM升压斩波电路和三相逆变电路（含滤波电路），而在三相逆变电路中，SPWM的作用很重要，会单独进行一些说明，下面分别对它们进行仿真建模。3.1 斩波电路Matlab仿真建模斩波电路我采用了升压斩波电路，MATLAB仿真模型如图6所示，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 Browser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。图6 升压斩波电路MATLAB仿真模型3.2 逆变电路仿真建模3.2.1 逆变电路的Matlab模型如图7所示，为逆变电路的Matlab的仿真模型。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。对于SPWM控制波的生成，因为这一个模块基本上是整个逆变电路的核心，直接用Matlab自带的模块集成电路，虽然也可以实现这一功能，但是显然没有对SPWM波的生成有一个比较深入的了解，下面会对SPWM波的生成，即下面仿真图中的pwm subsystem进行详细的说明。图7 逆变电路的Matlab的仿真模型3.2.2 SPWM波的Matlab仿真模型等腰三角形载波的Matlab仿真如下图8所示图8 等腰三角形载波的Matlab仿真模型其波形如下图9所示图9 三角形载波图形生成等腰三角形载波的S函数如下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); otherwise 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);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)%直接在输出函数部分编写三角波的代码T=1/Freq; %求三角波周期m=rem(u,T); %u为外部输入时间信息，rem为求余函数K=floor(u/T); %floor为向零取整r=4*A*Freq; c=T/2;if (m=0)&(m=c)&(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仿真模型如下图10所示图10 SPWM波的Matlab仿真模型SPWM波的Matlab仿真波形如下图11所示图11 SPWM波的Matlab仿真波形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12所示。图12 逆变电源仿真模型4 仿真波形4.1斩波电路仿真波形打开斩波电路窗口，根据参考资料设置初试参数，设置时双击元件图标。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75.7%，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600uF（C=6e-04F），电感值为4.2mH，观察波形，如图13 所示，输出电压约0.2s后稳定在435V。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。图13 斩波电路仿真波形4.2 逆变电路仿真波形在SPWM中三角载波的频率为1000HZ，因为本次课程设计所需要的调制波为50HZ，而根据当载波比为20时，逆变电路输出的波形中谐波含量最小。所以取三角载波的频率为1000HZ。其幅值为1V，调制所需要的正弦波由Matlab自带的函数库产生。其频率当然为50HZ,幅值设为1V，其产生的SPWM波形在上面已给出，变压器（Transformer）中的绕组参数（Winding parameters），其变比为1。Three-Phasse Parallel RLC Load模块，在电路中起着很重要的作用，其一是作为后级滤波电路，滤除SPWM波中正弦基波中含有的高次谐波，若没有其滤波作用得到的波形为SPWM波，其不含有低次谐波，谐波主要分布在载波频率以及载波频率整数倍附近。其二是作为逆变电路的负载。在实际使用时，对于IGBT等全控器件需要加上驱动电路。其输出波形如下图14所示。图14 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450V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75.7%时，输出的直流电压约为435V，此时的波形如图15所示，输出电压先大幅震荡，大约0.2s后，稳定在435V左右。图15 逆变电源斩波输出波形改变逆变电源仿真模型中的参数到要求值，单击Start simulation按键开始仿真，图16为逆变电源输出波形。从图可知，逆变电源输出三相交流电相电压波形幅值为311V，各相电压互差120，周期为0.02s即频率为50Hz。第一个波形会出现失，因为电路到正常的响应需要一段时间，但从后续波形看，仿真结果还是满足任务要求的。图16 逆变电源输出三相交流电相电压波形5 心得体会本次课程设计分为以下四个部分，方案选择，模块原理分析，仿真模型以及仿真结果。首先对于方案选择，对于课设给出的110V电压，产生220V的三相交流电压，直接逆变明显不满足要求，所以首先以升压斩波电路提升直流电压至满足要求的一定值，然后再进行逆变，这样就可以满足课设要求了，对于Matlab仿真模型的建立，确实花费了大量的时间和精力，虽然对Matlab已经谈不上陌生，但是Matlab功能太强大，各种仿真模块库繁多，对于SPWM波的产生，在网上查找了不少资料，总算是得出了正确的结果，在这个过程中，我也学会了很多，特别是S函数的仿真，S函数确实有其独到之处，仿真过程中难免遇到很多问题，但万幸，虽然花了很长时间和精力去检查，但最终仿真图新还是出来了。从这些过程中我看出没有研究就没有发言权，只有进行了深入的研究，你才能更清楚的了解它。在画升压斩波电路，逆变电路等模型图的过程中我用到了Matlab软件，再一次的让我重温了用它画图的感觉是最让我高兴的事，记得还是大二时学过的软件课程，但在学习的时候总是感觉差点什么，这次做了课程设计让我明白软件的学习是需要在实践中进行的。在经过学习，请教后，我能轻松的画出自己想要的Simulink仿真图形，特别是这个Simulink仿真图形还包括S函数的一个模块，这时感觉很有成就感。我认为光靠自己一个人的力量是远远不够的，当自己遇到问题实在解决不了时，可以和同学共同探讨，寻找解决办法。正所谓“三人行，则必有我师”。最后，我看着最终的成果，还是觉得受益匪浅的。这次课程设计，让我有机会将课堂上所学的理论知识运用到实际中。这是一次对所学知识的整合，一次综合利用，在做课程设计的同时也验证了我们课堂上所学的理论知识，对我们以后的工作学习具有很大的指导作用，同时我也明白了在以后的工作中，不仅要动脑，还要多进行动手实践。参考文献1 杨荫福、段善旭、朝泽云.电力电子装置及系统.北京：清华大学出版社，20062 王维平.现代电力电子技术及应用.南京：东南大学出版社，1999 3 王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，20084 叶斌.电力电子应用技术及装置.北京：铁道出版社，19995 Robert H.Bishop.Modern Contorl Systems Analysis and Design-Using MATLAB and SimulationM.影印版. 北京：清华大学出版社，2008