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1、武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明书目录1 方案选择 .11.1 设计要求 .11.2 方案确定 .12 系统模块原理 .22.1 升压斩波电路 .22.2 三相电压型桥式逆变电路 .32.3 SPWM 技术 .32.3.1 双极性 SPWM.32.3.2 SPWM 控制的基本原理 .52.4 Simulink 介绍 .53 Matlab 仿真建模 .73.1 斩波电路仿真建模 .73.2 逆变电路仿真建模 .73.3 逆变电源仿真建模 .84 仿真波形 .94.1 斩波电路仿真波形 .94.2 逆变电路仿真波形 .94.3 逆变电源仿真实现 .105 心得体会 .12参考文献 .13
2、武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明书1三相逆变器 Matlab 仿真研究1 方案选择1.1 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 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。由此可知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
3、侧输入电压，得到三相交流电，同时采用SPWM 控制技术，使其逆变电路的输出频率为 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。本设计采用脉冲宽度调制方式，这种方式也是应用最多的方法。通过控制开关器件的通断使得输出电压信号为方波，调节脉宽可以控制升压比从而改变输出的电压的大小。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
4、期内三角载波不再是一种极性，而是正负兼有，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 1-1 所示。图 1-1 系统总体框图PWM升 压斩 波 电 路 滤 波电 路逆 变电 路滤 波电 路10V DC PWM 波直 流 电 380V 5HZACSPWM调 制 信 号方
5、波武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明书22 系统模块原理2.1 升压斩波电路升压斩波电路如下图 2-1 所示。假设 L 值、C 值很大，当可控开关 V 通时，电源 E 向电感 L 充电，充电电流恒基本为 I1，同时电容 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，1onItE 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oft，当电路工作于稳态时，一个周期 T 中电感 L 积蓄能量与释放能量相等，即01()ofUIt ofontIEUtI10
6、1)(化 简 得 0oft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oft 1故 EaU10升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因 ：一是电感 L 储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容 C 可将输出电压保持住。图 2-1 升压斩波电路原理图武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明书32.2 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 2-2 所示。该电路采用双极性控制方式，U、V 和 W三相的 PWM 控制通常用同一个三角载波 ，三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也c
7、u是 180导电方式。三相的调制信号 、 和 一次相差 120 度。U、V 和 W 各相功率rrvrw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，uc1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 。4V N/2Ndu当 Uc 时，V 1 和 V4 导通，V 2 和 V3 关断，这时如 0，则 V1 和 V4 通，如 0，oi oi则 VD2 和 VD3 通，不管哪种情况都是 。od这样就得到了 SPWM 波，此波形在效果上等效于调制波。其波形如图 2-4 所示。图 2-4 双极性 PWM 控制方式波形2.3.2 SPWM 控制的基本原理
8、武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明书5将正弦半波看成是由 N 个彼此相连的脉冲宽度为 /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
9、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 介绍Simulink 是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具， 是一种基于 MATLAB 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。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
10、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。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。 是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具， 是一种基于 MATLAB 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。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，
11、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 提供了交互武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明书6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。.构架在 Simulink 基础之上的其他产品扩展了 Simulink 多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具
12、。Simulink 与 MATLAB 紧密集成，可以直接访问MATLAB 大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。3 Matlab 仿真建模武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明书7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两个模块行仿真。3.1 斩波电路仿真建模斩波电路采用升压斩波电路，MATLAB 仿真模型如图 3-1 所示，斩波电路的输出电压还要经逆变电路后再进行滤波，故对波形的要求不是很高，并且与负载并联的电容 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， 图 3-1 升压斩波电路 MATLAB 仿真模型3.2 逆变电路仿真建模如图 3-2 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 SPW
