PWM逆变器Matlab仿真.doc

课程设计任务书 学生姓名 专业班级 指导教师 工作单位 题 目 PWM 逆变器 Matlab仿真 初始条件 输入 110V直流电压 要求完成的主要任务 包括课程设计工作量及其技术要求 以及说明书撰写等具体要 求 1 得到输出为 220V 50Hz 单相交流电 2 采用 PWM斩波控制技术 3 建立 Matlab仿真模型 4 得到实验结果 时间安排 课程设计时间为两周 将其分为三个阶段 第一阶段 复习有关知识 阅读课程设计指导书 搞懂原理 并准备收 集设计资料 此阶段约占总时间的 20 第二阶段 根据设计的技术指标要求选择方案 设计计算 第三阶段 完成设计和文档整理 约占总时间的 40 指导教师签名 年 月 日 系主任 或责任教师 签名 年 月 日 目录 摘要 1 1设计方案的选择与论证 2 2逆变主电路设计 2 2 1逆变电路原理及相关概念 2 2 2逆变电路的方案论证及选择 3 2 3建立单相桥式逆变电路的 SIMULINK的仿真模型 4 2 3 1模型假设 5 2 3 2利用 MATLAB Simulink进行电路仿真 5 3正弦脉宽调制 SPWM 原理及控制方法的 SIMULINK仿真 6 3 1正弦脉冲宽度调制 SPWM 原理 6 3 2 SPWM波的控制方法 7 3 2 1双极性 SPWM控制原理及 Simulink仿真 7 3 2 2单极性 SPWM控制原理及 Simulink仿真 9 4升压电路的分析论证及仿真 11 4 1 BOOST电路工作原理 11 4 2 BOOST电路的 SIMULINK仿真 11 5滤波器设计 12 6 PWM逆变器总体模型 14 7心得体会 17 参考文献 18 PWM 逆变器 MATLAB 仿真 摘要 随着电力电子技术 计算机技术 自动控制技术的迅速发展 PWM 技术得到了迅速 发展 SPWM 正弦脉宽调制这项技术的特点是原理简单 通用性强 具有开关频率固定 控制和调节性好 能消除谐波使输出电压只含有固定频率的高次谐波分量 设计简单等 一系列有点 是一种比较好的波形改善法 它的出现对中小型逆变器的发展起了重要的 推动作用 SPWM 技术成为目前应用最为广泛的逆变用 PWM 技术 因此 研究 SPWM 逆变器的基本工作原理和作用特性意义十分重大 本篇论文以 IGBT 构成的单相桥式逆变电路为基础 讨论 SPWM 波的产生原理及不 同的控制方法 并借助著名的科学计算软件 MATLAB Simulink 对 SPWM 逆变电路进行 仿真设计 以达到题目要求的性能指标 并进行结果分析 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 Simulink 中有一个专门用于电力系统仿真的 SimPowerSystems 工具箱 其 中囊括了几乎所有的电力电子器件的模型 通过调用这些模型可以完成对各种复杂系统 的建模仿真 关键词 逆变 SPWM MATLAB Simulink 1 设计方案的选择与论证 从题目的要求可知 输入电压为 110V 直流电 而输出是有效值为 220V 的交流电 所以这里涉及到一个升压的问题 基于此有两种设计思路第一种是进行 DC DC 升压变换 再进行逆变 另一种是先进行逆变再进行升压 除此之外 要得到正弦交流电压还要考 虑滤波等问题 所以这两种方案的设计框图分别如下图所示 逆变 滤波 D C D C 升 压斩波 1 1 0 V 直 流电 直流电 P W M 波 2 2 0 V 正 弦波 图 1 1 方案一 先升压再逆变 变压器升 压 滤波逆变 1 1 0 V 直 流电 P W M 波 P W M 波 2 2 0 V 正 弦波 图 1 2 方案二 先逆变 再升压 方案选择 方案一 采用 DC DC 升压斩波电路其可靠性高 响应速度 噪声性能好 效率高 但不适用于升压倍率较高的场合 另外升压斩波电路在初期会产生超调趋势 这一点将在 后文予以讨论 在与后面的逆变电路相连时必须予以考虑 我们可以采用附加控制策略 的办法来减小超调量同时达到较短的调节时间 但这将增加逆变器的复杂度和设计成本 方案二 采用变压器对逆变电路输出的交流电进行升压 这种方法效率一般可达 90 以 上 可靠性较高 抗输出短路的能力较强 但响应速度较慢 体积大 波形畸变较重 从以上的分析可以看出两种方案有各自的优缺点 但由于方案二设计较为简便 因 此本论文选择方案二作为最终的设计方案 但对于方案一的相关内容也会在后文予以讨 论 2 逆变主电路设计 2 1 逆变电路原理及相关概念 逆变与整流是相对应的 把直流电变为交流电的过程称为逆变 根据交流侧是否与 交流电网相连可将逆变电路分为有源逆变和无源逆变 在不加说明时 逆变一般指无源 逆变 本论文针对的就是无源逆变的情况 根据直流侧是恒流源还是恒压源又将逆变电 路分为电压型逆变电路和电流型逆变电路 电压型逆变电路输出电压的波形为方波而电 流型逆变电路输出电流波形为方波 由于题目要求对输出电压进行调节 所以本论文只 讨论电压型逆变电路 根据输出电压电流的相数又将逆变电路分为单相逆变电路和三相 逆变电路 由于题目要求输出单相交流电 所以本论文将只讨论单相逆变电路 2 2 逆变电路的方案论证及选择 从上面的讨论可以看出本论文主要讨论单相电压型无源逆变电路 电压型逆变电路 的特点除了前文所提及的之外 还有一个特点即开关器件普遍选择全控型器件如 IGBT 电力 MOSFET 等 有三种方案可供选择 下面分别予以讨论 方案一 半桥逆变电路 如下图所示 其特点是有两个桥臂 每个桥臂有一个可控 器件和一个反并联二极管组成 在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容 两个电容 的连接点为直流电源的中点 反并联二极管为反馈电感中储存的无功能量提供通路 直 流侧电容正起着缓冲无功能量的作用 其优点为简单 使用器件少 缺点为输出交流电 压的幅值仅为直流电源电压的一半 且直流侧需要两个电容器串联 工作时还要控制两 个电容器电压的均衡 因此它只适用于几千瓦以下的小功率逆变电路 Ud 2RLV12Duoi 图 2 1 半桥逆变电路 方案二 全桥逆变电路 如下图所示 其特点是有四个桥臂 相当于两个半桥电路 的组合 其中桥臂 1 和 4 作为一对 桥臂 2 和 3 作为一对 成对的两个桥臂同时导通 两对交替各导通 其输出矩形波的幅值是半桥电路的两倍 全桥电路在带阻感负载时80 还可以采用移相调压的方式输出脉冲宽度可调的矩形波 UdRLV3V4DV1V2Duoi 图 2 2 全桥逆变电路 方案三 带中心抽头变压器的逆变电路 其主要特点是交替驱动两个 IGBT 通过变 压器耦合给负载加上矩形波电压 两个二极管的作用也是给负载电感中储存的无功能量 提供反馈通道 该电路虽然比全桥电路少了一半开关器件 但器件承受的电压约为 2Ud 比全桥电路高一倍 且必须有一个变压器 UdV1V2Duoi负 载 图 2 3 带中心抽头变压器的逆变电路 方案选择 全桥电路和带中心抽头变压器的逆变电路的电压利用率是一样的 均比 半桥电路大一倍 又由于全桥结构的控制方式比较灵活 所以本篇论文选择单相桥式逆 变电路作为逆变器的主电路 2 3 建立单相桥式逆变电路的 Simulink 的仿真模型 2 3 1 模型假设 1 所有开关器件都是理想开关器件 即通态压降为零 断态压降为无穷大 并认为各 开关器件的换流过程在瞬间完成 不考虑死区时间 2 所有的输入信号包括触发信号 电源电压稳定 不存在波动 2 3 2 利用 MATLAB Simulink 进行电路仿真 在 Simulink 工作空间中添加如下元件 Simscape SimPower Systems Power Electronics 中的 Diode IGBT 模块 Simscape SimPower Systems Electrical Sources DC Voltage Source 模块 Simscape SimPower Systems Elements Series RLC Branch 模块 Simscape SimPower Systems Measurements Current Measurement 模块 Simscape SimPower Systems Measurements Multimeter 模块 Simscape SimPower Systems powergui 模块 Simulink Source Pulse Generator 模块 Simulink Sinks Floating Scope 模块 Simulink Signal Routing Demux 模块 利用上述模块构成如下图所示的单相桥式逆变电路模型 DC Voltage Source Series RLC Branch Pulse Generator3V1 VD1 VD2 VD4 VD3g C E S1 g C E S3 g C E S4g C E S2 ContinuousIdeal Switchpowergui 2MultimeterContFloating ScopeContCont i Current MeasurementCont Pulse Generator1V2 图 2 4 单相桥式逆变电路模型 各个模块的参数设置如下 DC Voltage Source 模块幅值设为 110V powergui 中 Simulation type 选 为 continuous 并且选中 Enable use of ideal switching device 复选框 Pulse Generator3 中 Amplitude 设为 1 由于题目要求输出电压频率为 50Hz 即周期为 0 02S 所以 Period 设为 0 02 Phase Delay 设为零 即初始相位为零 这一路脉冲 送出去用来驱动桥臂 1 和 3 Pulse Generator1 的 Phase Delay 设为 0 01 相当于 延迟半个周期 以形成与 Pulse Generator3 互补的触发脉冲用来驱动桥臂 2 和 4 其 他参数与 Pulse Generator3 相同 Solver 求解器算法设为 ode45 仿真时间设为 5S 之后便可以开始仿真了 仿真后 Scope 输出波形如下图所示 图中自上而下依次为 负载的电压 电流 电源侧电流波形 图 2 5 单相桥式逆变电路 Scope 输出波形 从图中可以看出波形与理论上的波形形状相同 说明此逆变电路工作正常 3 正弦脉宽调制 SPWM 原理及控制方法的 Simulink 仿真 3 1 正弦脉冲宽度调制 SPWM 原理 PWM 脉宽调制技术就是对脉冲宽度进行调制的技术 即通过对一系列脉冲宽度进行 调制 来等效的获得所需要的波形 含幅值和形状 PWM 的一条最基本的结论是 冲量 相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时其效果基本相同 冲量即窄脉冲面积 这就是我们通常所说的 面积等效 原理 因此将正弦半波分成 N 等分 每一份都用一 个矩形脉冲按面积原理等效 令这些矩形脉冲的幅值相等 则其脉冲宽度将按正弦规律 变化 这种脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形叫做 SPWM 示意图 如下图所示 图 3 1 SPWM 示意图 3 2 SPWM 波的控制方法 SPWM 波的产生方法有计算法和调制法 计算法很繁琐 不易实现 所以在这里不 作介绍 重点介绍调制法 即把希望输出的波形作为调制信号 把接受调制的信号作ru 为载波 通过信号波调制得到所期望的 PWM 波形 通常采用等腰三角波作为载波 因cu 为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度呈线性关系且左右对称 当它与任何一个缓慢 变化的调制信号波相交时 如果在交点时刻对电路中的开关器件进行通断控制 就可得 到 SPWM 波 常见的 SPWM 控制方法有单极性 SPWM 控制 双极性 SPWM 控制 3 2 1 双极性 SPWM 控制原理及 Simulink 仿真 所谓的双极性是指在调制信号波的半个周波内三角载波有正负两种极性变化 用调 制信号波与三角载波比较的方法可以产生双极性 SPWM 波 其仿真原理图如下图所示 1Out1 sinTrigonometricFunction Scope RepeatingSequence RelationalOperatorProduct NOTLogicalOperator2 pi fGain booleanData Type Conversion 1Constant Clock 2Out2 3Out3 4Out4 图 3 2 双极性 SPWM 信号仿真原理图 其输出波形如下图所示 图 3 3 双极性 SPWM 信号仿真 Scope 输出波形图 现用 SPWM 波产生模块驱动单相桥式逆变电路工作进行仿真 方法是在 Simulink 中 选中 SPWM 产生电路 然后右键选择 Create Subsystem 将其放入到一个 Subsystem 子系统 中 配置好其输入输出引脚 然后右击该模块 选择 Mask Subsystem 对其进行封装 封装后的模块名取为 PWM Subsystem 原理图如下图所 示 Series RLC Branch VD1 VD2 VD4 VD3g C E S1 g C E S3 g C E S4g C E S2 2MultimeterFloating Scope i Current Measurement Out1 Out2 Out3 Out4PWM Subsystempwm ContinuousIdeal Switchpowergui DC Voltage Source 图 3 4 双极性 PWM 逆变电路仿真模型 电路中 RLC 皆取默认值 DC Voltage Source 值取为 110V 仿真后 scope 输出波形如 下图所示 图 3 5 双极性 PWM 逆变电路 Scope 输出波形 3 2 2 单极性 SPWM 控制原理及 Simulink 仿真 所谓的单极性是指在调制信号波的半个周波内三角载波有零 正或零 负一种极性 变化 单极性型 SPWM 信号的产生比双极性复杂些 要按调制波每半个周期对调制波本 身或者载波进行一次极性反转 其仿真原理图如下图所示 1PWM1 t NOT K boolean boolean boolean double 1 1 m Add1Add 图 3 6 单极性 SPWM 信号仿真原理图 将该模块做封装后来驱动单相全桥逆变电路 为了使模型结构更加清晰 本次仿真 采用 Simulink 库中自带的 Universal Bridge 通用桥 代替由电力电子器件组合而成的桥 式逆变电路 仿真模型如下图所示 Discrete Ts 1e 06 s powergui g A B Universal Bridge PWM1Subsystem Series RLC Branch Scope 2Multimeter DC Voltage Source i Current Measurement iU 图 3 7 单极性 PWM 逆变电路仿真模型 在 Universal Bridge 模块的属性对话框中 令桥臂数为 2 即构成单相桥式逆变电路 在 DC Voltage Source 中将直流电压值设为 110V PWM 发生器的调制度设为 0 5 频 率设为 50Hz 载波频率设为基波频率的 15 倍 所以令 即可开始仿真 仿真后 750cf Scope 输出波形如下图所示 图 3 8 单极性 PWM 逆变电路 Scope 输出波形 4 升压电路的分析论证及仿真 前文提到过升压有两种方案 一是先进行升压再进行逆变 二是先进行逆变再进行 升压 这一节主要讨论先通过 Boost 电路升压再进行逆变的方法 4 1 Boost 电路工作原理 升压斩波电路如下图所示 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 此阶段 L 上积蓄的能量为 1onEIt V 断时 E 和 L 共同向 C 充电并向负载 Ront 供电 设 V 断的时间为 oft 则此期间电感 L 释放能量为 01 ofUIt 稳态时 一个周 期 T 中 L 积蓄能量与释放能量相等 即 4 1 101 IonofItt 化 简 得 4 2 0ofTUEt 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 oft的 比 值 为 升 压 比 将 升 压 比 的 倒 数 记 作 则 1 4 3 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 ERLVDuoioCi1 图 4 1 Boost 电路原理图 4 2 Boost 电路的 Simulink 仿真 在 Simulink 中建立 Boost 电路的仿真模型 如下图所示 在 DC Voltage Source 中设置其幅值为 110V 在 Pulse Generator 中设置 Period 0 0001S Pulse Width 占空比 64 6 这样才能使输出为 311V 220 V 2 g m D S MosfetDC Voltage Source L ma kDiode R CPulse Generator ContinuouspowerguiFloating Scope311 93Display v Voltage Measurement 1Multimeter 图 4 2 Boost 电路仿真模型 仿真后 Multimater 输出波形如下图所示 0 0 02 0 04 0 06 0 08 0 1 0 12 0 14 0 16 0 18 0 20 10 20 30 40 50 Ub R 图 4 3 Boost 电路 Multimeter 输出波形 从图中可以看出 Boost 响应曲线具有超调趋势 超调量的大小与 L 和 C 值的选取有 关 一般希望超调量越小越好 纹波越小越好 调节时间越短越好 为了保证这几点 需要采用附加控制策略 这样使系统变得复杂 经过这样一番分析我决定采用先逆变后 升压的方法 采用升压变压器 其参数设置相对简便 同时也可以的到良好的效果 5 滤波器设计 采用 SPWM 控制方式输出的电压波形中含有基波同时含有与载波频率整数倍及其附 近的谐波 载波比越高 最低次谐波离基波便越远 也容易进行滤波 比较常用的是 LC 低通滤波器 其电路图如下图所示 图 5 1 LC 低通滤波器 通过适当的选取滤波器的截止频率 5 1 1 2 LfC 使其远小于 PWM 电压中所含有的最低次谐波频率 同时又远大于基波频率 就可以 在输出端得到较为理想的正弦波 可以证明上述 LC 低通滤波器的传递函数为 5 2 2 s 1 LLoiUs 其中 LC 谐振角频率 阻尼系数 L 1LC1 2LRC s oU 滤波器输出电压 滤波器输入电压 拉普拉斯变换算子 s iUs 从其传递函数的形式可以看出它是一个二阶系统 我们可以用 MATLAB 画出其波特 图 从而对 LC 低通滤波器的特性有一个直观的理解 其波特图如下图所示 40 30 20 10 0 Magn itude dB 100 101 102 103 104 90 45 0 Phas e de g Bode DiagramGm Inf dB at Inf rad s Pm 180 deg at 0 rad s Frequency rad s 图 5 2 LC 低通滤波器的波特图 在 MATLAB 中有一个二阶滤波器模型叫做 2nd Order Filter 我们可以直接设置 其截止频率 属性页如下图所示 图 5 3 2nd Order Filter 属性页 由于本题希望输出电压频率为 50Hz 根据前面所述 此处截至频率可取为 100Hz 6 PWM 逆变器总体模型 在 Simulink 中按下图接线 逆 变 滤 波升 压PWM发 生 器 Discrete Ts 1e 05 s powergui g A B Universal Bridge Scope2Multimeter DC Voltage Source i Current Measurement Pulses Discrete PWM Generator Scope11 2 Linear Transformer RMS RMS220 2Display v Voltage MeasurementFo 100Hz2nd Order Filter Series RLC Branch Ui 图 6 1 PWM 总体模型 各个模型主要参数设置 DC Voltage Source 幅值设为 110V Universal Bridge 设置为 2 个桥臂 Descrete PWM Generator 中 Generator Mode 设置为 2 arm bridge 4 pulses Carrier frequency 载波频率 设置为 750Hz Modulation index 调制深度 0 7 Frequency of output voltage 设置为 50Hz Linear Transformer 线性变压器 变比为 150 611 2nd Order Filter 中 Cut off frequency 设 为 100Hz Series RLC Branch 中 仿真时间为 10s 所有参数设置 50R 31LH 完毕后可以启动仿真 仿真结束后 Scope1 与滤波器相连的示波器 的输出波形如下图 所示 图 6 2 Scope1 输出波形 Scope 输出波形如下图所示 图 6 3 Scope 输出波形 为了看的的更加清楚 在 Scope1 的属性页中勾选 Save data to workspace 见图 6 4 将数据保存到 MATLAB 工作空间中 在命令窗口中调用如下命令 plot ScopeData1 time ScopeData1 signals values r grid on title Scope1 输出波形 xlabel 时间 秒 ylabel 幅值 伏 可得到重新绘制的 Scope 输出波形见图 6 5 图 6 4 Scope1 属性页 0 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 1 400 300 200 100 0 100 200 300 Scope1出出出出 伏伏 伏 伏伏 伏 图 6 5 命令行绘制的 Scope1 输出波形 从图中 6 5 中可以看出 Scope1 输出波形基本上为标准正弦波 周期为 0 02S 频率为 50Hz 从图 6 1 中可以看出 Display 显示有效值为 220 2V 基本上满足设计要求 7 心得体会 此次课程设计首先让我明白了 PWM 逆变器各功能模块可以拥有不同设计方案 每种 方案有其特点和适用范围 在进行课题设计的过程中 加深了我对 DC DC 逆变电路 PWM 控制等知识点的理解和掌握 这次课程设计同样也综合应用了很多以前的知识 只有能够综合应用才能做好本课 程设计 同时通过本次设计也对其他知识有了一次很好的温习 其中 重点用到了 MATLAB 仿真 电力电子技术等等 在今后的学习中 我会发挥积极主动的精神 把所学知识与实践结合起来 努力掌 握 MATLAB 的使用方法 巩固电力电子技术 模电等已学知识 深刻体会到了 遇到不 懂的问题要自己先找资料翻阅有关书籍 运用自己的能力解决自己所遇到的问题 通过 这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的 只有理论知识是远远不够的 只有把所学的理论知识与实践相结合起来 从理论中得出结论 从而提高自己的实际动 手能力和独立思考的能力 通过课程设计 使我们在刚学完经典的理论知识之后 马上又能学以致用 使我们 的知识掌握的更加的牢固 同时也激发了我们创新的思想 真是一举两得 收获不小 在设计过程中也遇到了很多的的问题 一开始拿到这道题感觉不知道从哪里下手 但经 过我认真的分析 我将一个大的问题化为几个小问题逐一解决 最后完成了报告 通过 这次课程设计 加强了我动手 思考和解决问题的能力 同时在设计的过程中发现了自 己的不足之处 对以前所学过的知识理解得不够深刻 掌握得不够牢固等 在整个课程设计的过程中 我明白了 只要用心去做 认真去做 持之以恒 就会 有新的发现 有意外的收获 参考文献 1 王兆安 刘进军 电力电子技术 M 北京 机械工业出版社 2009 5 2 林飞 杜欣 电力电子应用技术的 MATLAB 仿真 M 北京 中国电力出版社 2009 1 3 陈国呈 PWM 逆变技术及应用 M 北京 中国电力出版社 2007 1 4 陈坚 电力电子学 电力电子变换和控制技术 M 北京 高等教育出版社 2004 11 5 俞杨威 金天均 谢文涛 吕征宇 基于 PWM 逆变器的 LC 滤波器 J 机电工程学报 2007 年 5 月 24 5 50 52 6 Muhammad H Rashid Power Electronics Handbook M Florida Academic Press 2001