1、學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 19 課課 程程 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 題題 目目 三相逆變器仿真三相逆變器仿真 學(xué)學(xué) 院院自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院 專專 業(yè)業(yè)自動(dòng)化自動(dòng)化 班班 級(jí)級(jí)自動(dòng)化自動(dòng)化 11031103 班班 姓姓 名名黃誠(chéng)黃誠(chéng) 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師吳勇吳勇 20142014 年 1 1 月 9 9 日 目錄目錄 1 概述及設(shè)計(jì)要求 .1 1 1.1 概述.1 1.2 設(shè)計(jì)要求.1 2 方案比較及認(rèn)證 .2 2 2.1 升壓電路模塊方案選擇.2 2.2 逆變電路方案選擇.2 2.3 閉環(huán)反饋電路設(shè)計(jì).2 2.4 總體電路方案設(shè)計(jì).2 3 系統(tǒng)原理說(shuō)明 .4 4 3.1 升壓斬波電路.4 3.2 三相電壓型橋式逆變電

2、路.4 3.3 SPWM 逆變器的工作原理 .5 3.4 SIMULINK仿真環(huán)境.5 4 仿真建模.7 4.1 升壓斬波電路仿真建模.7 4.2 三相橋式 PWM 逆變電路仿真建模 .8 4.3 閉環(huán)反饋電路仿真建模 .8 4. 4 三相逆變電源總體電路仿真建模 .9 5 仿真結(jié)果 .1111 5.1 直流升壓斬波電路仿真結(jié)果 .11 5.2 三相橋式 PWM 逆變電路仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果 .11 5.3 閉環(huán)反饋電路仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果 .12 5.4 三相逆變電源總體仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果.13 6 總結(jié) .1515 參考文獻(xiàn).1616 三相逆變器仿真 1 概述及設(shè)計(jì)要求 1.1 概述 電力電子技術(shù)是一門新興的應(yīng)

3、用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，就是使用電力電子器件 （如晶閘管，GTO，IGBT等）對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍 十分廣泛，它不僅用于一般工業(yè)，也廣泛用于交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調(diào)等家用電器及其他領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。 PWM控制技術(shù)就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行 調(diào)制，來(lái)等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值）；面積等效原理是PWM技術(shù)的重要 基礎(chǔ)理論。 本文主要通過(guò)對(duì)逆變電源的Matlab仿真，研究逆變電路的輸入輸出及其特性，以及一 些參數(shù)的選擇設(shè)置方法。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿

4、真工具，是一種基于 MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng) 用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。 1.2 設(shè)計(jì)要求 本設(shè)計(jì)要求輸入 200V 直流電壓，采用 PWM 斬波控制技術(shù)，得到輸出為 380V、50HZ 三相交流電，并且建立 Matlab 仿真模型，得到實(shí)驗(yàn)波形。 2 方案比較及認(rèn)證 2.1 升壓電路模塊方案選擇 方案一：可以利用變壓器對(duì)輸入的200V直流電壓直接升壓，接著逆變和濾波，但是 此種方案不方便對(duì)升壓環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，所以放棄此方案。 方案二：通過(guò)斬波電路來(lái)提高電壓，然后進(jìn)行逆變和濾波，在本次設(shè)計(jì)中采用此方 案

5、，即通過(guò)升壓斬波電路來(lái)控制輸出的直流電壓，這樣可以達(dá)到便于控制的目的。 方案三：先進(jìn)行逆變，然后進(jìn)行斬波電路升壓，由于本次設(shè)計(jì)需要產(chǎn)生的是三相交 流電壓輸出，逆變之后的升壓就會(huì)涉及到三個(gè)直流升壓電路，所以也放棄此方案。 方案四：也是先進(jìn)行逆變，然后通過(guò)變壓器升壓，同樣的，也是不能方便的對(duì)升壓 環(huán)節(jié)進(jìn)行輸出電壓值的控制，而且會(huì)用到三個(gè)變壓器，比較麻煩。 本次設(shè)計(jì)中采用方案二，經(jīng)過(guò)升壓斬波電路升壓，然后進(jìn)行逆變和濾波。 2.2 逆變電路方案選擇 逆變電路采用課本上的三相橋式PWM逆變電路，根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)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。采用等腰三角

6、波作為載波，用SPWM進(jìn)行雙極性控制。該電路的輸出含有諧波，需要專門的濾波電路進(jìn) 行濾波。濾波電路采用RC濾波電路。經(jīng)過(guò)逆變電路和濾波電路就可以在三相電壓輸出側(cè) 得到題目要求的380V、50Hz三相交流電，不過(guò)容易受負(fù)載影響輸出電壓的值。 2.3 閉環(huán)反饋電路設(shè)計(jì) 為了讓輸出電壓更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確，所以在本次設(shè)計(jì)仿真建模中很有必要進(jìn)行閉環(huán)反 饋電路的設(shè)計(jì)，在三相電壓輸出側(cè)進(jìn)行電壓采集，經(jīng)過(guò)整流得到電壓幅值，將采集到的 電壓值與理想輸出電壓值進(jìn)行比較，接著將差值經(jīng)過(guò) PI 環(huán)節(jié)，然后再與等腰三角波比較 輸出，此處采用的是單極性 PWM 波控制方式，產(chǎn)生我們所需要的進(jìn)行升壓斬波的 PWM 波，對(duì)直流斬

7、波電路中 IGBT 的通斷控制進(jìn)而產(chǎn)生理想的輸出電壓值。 2.4 總體電路方案設(shè)計(jì) 整體方案設(shè)計(jì)為直流斬波電路采用 PWM 斬波控制的升壓斬波電路，輸出的直流電送 往逆變電路。逆變采用三相橋式 PWM 逆變電路，采用 SPWM 作為調(diào)制信號(hào)，輸出 PWM 波形，再經(jīng)過(guò)濾波電路得到 380V、50Hz 三相交流電，在電壓輸出側(cè)進(jìn)行電壓采樣進(jìn)而與 理想輸出值比較轉(zhuǎn)換之后產(chǎn)生所需要的 PWM 波，控制輸出的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。系統(tǒng)總體框圖 如圖 1 所示。 圖1 系統(tǒng)總體框圖 3 系統(tǒng)原理說(shuō)明 3.1 升壓斬波電路 假設(shè) L 值、C 值很大。V 通時(shí)，E 向 L 充電，充電電流恒為 I1，同時(shí) C 的電壓向

8、負(fù)載 供電，因 C 值很大，輸出電壓 uo為恒值，記為 Uo。設(shè) V 通的時(shí)間為 ton，此階段 L 上積 蓄的能量為 EI1ton。V 斷時(shí)，E 和 L 共同向 C 充電并向負(fù)載 R 供電。 升壓斬波電路能使 輸出電壓高于電源電壓的原因 ：L 儲(chǔ)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 3.2 三相電壓型橋式逆變電路 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(gè)三角載波 ，三相的調(diào)制信號(hào)、和一次相差 120。U、V 和 W 各相功率開關(guān)器件 c u rU u rV u rW u 的控制規(guī)律相同，現(xiàn)以 U 相為例

9、來(lái)說(shuō)明。當(dāng)時(shí)，給上橋臂以導(dǎo)通信號(hào)，給下橋 rU u c u 1 V 臂以關(guān)斷信號(hào)，則 U 相相對(duì)于直流電源假想中點(diǎn)的輸出電壓。當(dāng)HelpDemosSimulink SimPowerSystemsGeneral Demos 中的 Three-Phase Two-Level PWM Voltage Source Converters。此電路采用了三相逆變橋集成塊 Universal Bridge 3 arms，濾波電路也已由 Three-Phasse Parallel RLC Load 模塊構(gòu)成，不需另加濾波電路。在此電路的基礎(chǔ)上稍作修 改，即構(gòu)成三相橋式 PWM 型逆變電路模型，如圖 6 所示。

10、其中變壓器僅起隔離作用，不 對(duì)電壓進(jìn)行升降。 圖 6 三相橋式 PWM 型逆變電路模型 4.3 閉環(huán)反饋電路仿真建模 閉環(huán)反饋電路的設(shè)計(jì)是為了讓輸出電壓更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確，通過(guò)上面的方案論證決定 在三相電壓輸出側(cè)進(jìn)行電壓采集，經(jīng)過(guò)整流得到電壓幅值，將采集到的電壓值與理想輸 出電壓值進(jìn)行比較，接著將差值經(jīng)過(guò) PI 環(huán)節(jié)，然后再與特定的 PWM 輸出值比較后與等腰 三角波比較輸出，此處采用的是單極性 PWM 波控制方式，產(chǎn)生我們所需要的進(jìn)行升壓斬 波的 PWM 波，對(duì)直流斬波電路中 IGBT 的通斷控制進(jìn)而產(chǎn)生理想的輸出電壓值。 其仿真模型電路圖如圖 7 所示。 圖 7 閉環(huán)反饋電路仿真模型 4. 4

11、 三相逆變電源總體電路仿真建模 本次設(shè)計(jì)的三相逆變電源總體電路包括直流升壓斬波電路，三相橋式 PWM 逆變電路 和閉環(huán)反饋電路，將升壓斬波電路的輸出接到逆變電路的輸入，接著在逆變電路輸出端 接上反饋電路，經(jīng)過(guò)處理后產(chǎn)生的 PWM 波連接到直流升壓斬波電路的開關(guān)器件 IGBT 的 控制端，這樣就得到本次設(shè)計(jì)的逆變電源的總體仿真模型，如圖 8 所示。 圖 8 逆變電源總體電路仿真 5 仿真結(jié)果 5.1 直流升壓斬波電路仿真結(jié)果 分析直流升壓斬波電路的原理，并根據(jù)參考資料設(shè)置各項(xiàng)初始參數(shù)，輸入直流電設(shè) 置為 200V，開關(guān)器件 IGBT 和二極管 Diode 使用默認(rèn)參數(shù)，其他器件的參數(shù)可以通過(guò)調(diào)

12、試和參考資料進(jìn)行設(shè)置。如果改變開關(guān)器件 IGBT 的占空比的值，可以改變其輸出電壓值， 在仿真過(guò)程中能夠得到很好的體現(xiàn)，符合直流升壓斬波電路的原理。經(jīng)過(guò)多次調(diào)節(jié)各元 件參數(shù)發(fā)現(xiàn)，增大 PWM 波形的占空比或增大電感值，輸出電壓穩(wěn)定值增大。電容的作用 主要是使輸出電壓保持住，電容值過(guò)小輸出波形會(huì)持續(xù)震蕩，應(yīng)取較大，但過(guò)大的電容 值會(huì)使輸出電壓穩(wěn)定的時(shí)間太長(zhǎng)。根據(jù)以上規(guī)律反復(fù)改變各元件參數(shù)，直到得到滿意的 結(jié)果。如下圖即為當(dāng)占空比為 50%的時(shí)候，仿真建模得到的輸出波形，該波形是在 Scope 中觀察到的。 圖 9 直流升壓斬波電路仿真波形 很顯然，當(dāng)占空比為 50%時(shí)輸出電壓應(yīng)該為 200V 的

13、兩倍，即為 400V，在仿真得到 的波形中可以看到在 0.038s 后輸出穩(wěn)定的直流電壓 400V，效果比較好，滿足要求。 5.2 三相橋式 PWM 逆變電路仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果 這里說(shuō)的三相橋式 PWM 逆變電路包括了濾波電路在進(jìn)行逆變電路的仿真中，交流電 的輸出波形很容易受到一些參數(shù)的影響，要想得到穩(wěn)定且波形較好的 380V，50Hz 的交流 電，必須經(jīng)過(guò)多次調(diào)試和研究，將各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定好。在設(shè)計(jì)中要求輸出交流電為 380V， 此值為線電壓，則每相電壓有效值為 220V，每相電壓有效值為 220V，輸出的正弦波幅值 為 220V，約為 311V。根據(jù)此要求反復(fù)調(diào)節(jié)各元件參數(shù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸入直流電壓為2

14、689.85V，離散 PWM 生成器的調(diào)制參數(shù) m=0.98 時(shí)輸出電壓滿足要求。 此時(shí)逆變電路的輸出波形如圖10三相橋式PWM逆變電路仿真波形所示。 圖 10 三相橋式 PWM 逆變電路仿真波形 5.3 閉環(huán)反饋電路仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果 經(jīng)過(guò)閉環(huán)反饋電路得到的輸出 PWM 波形（占空比為 71.1%）如圖 11 所示： 圖 11 閉環(huán)反饋電路產(chǎn)生 PWM 波形 5.4 三相逆變電源總體仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果 首先應(yīng)該將升壓斬波電路的輸出電壓調(diào)到 689.85V 左右，再對(duì)逆變電源進(jìn)行仿真。反 復(fù)調(diào)節(jié)參數(shù)知當(dāng)直流升壓斬波電路中 PWM 脈沖生成器的占空比達(dá)到 71.1%時(shí)，輸出的直 流電壓約為 690V，此時(shí)的

15、波形如圖 12 三相逆變電源升壓斬波電路輸出波形所示，輸出電 壓先大幅震蕩，大約 0.038s 后，穩(wěn)定在 690V 左右。 三相逆變電源的最終輸出電壓波形如下圖 13 所示，由圖中可以清楚地看出三相電壓 的最大值均為 311V，滿足輸出線電壓為 380V 的要求，且周期也都是 0.02s，也就是符合 輸出交流電為 50Hz 的要求，同時(shí)三相電壓依次相差 120，輸出的波形也比較好。同時(shí) 由于反饋電路的存在，使其抗干擾能力也大為提高，受負(fù)載的影響也較小。 圖 12 三相逆變電源升壓斬波電路輸出波形 圖 13 三相逆變電源仿真結(jié)果圖 6 總結(jié) 在課程設(shè)計(jì)中，我認(rèn)識(shí)到對(duì)生活當(dāng)中具體事物的抽象概括和

16、數(shù)學(xué)推理能力的重要性， 當(dāng)我們面對(duì)一個(gè)陌生的事物，如何將轉(zhuǎn)化為我們所學(xué)的知識(shí)，這種能力是很重要的?？?以說(shuō)整個(gè)設(shè)計(jì)中最麻煩的就是把一些在課本中學(xué)到的知識(shí)在 Matlab 中進(jìn)行仿真得到正確 的結(jié)果。這個(gè)過(guò)程是十分繁瑣的，也是很鍛煉人的。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了使用 Matlab 軟件仿真集成環(huán)境 Simulink 進(jìn)行仿真的基本操作方法，也對(duì)直流斬波電路、逆變 電源的原理和閉環(huán)控制的思想都有了進(jìn)一步的理解。 在使用 Matlab 的 Simulink 進(jìn)行仿真時(shí)，很多時(shí)候波形不一定能夠快速正確的出現(xiàn)， 這個(gè)時(shí)候就要好好研究其深層次的原理，同時(shí)要注意 Matlab 的仿真的一些細(xì)節(jié)，例如哪 里

17、可以接線哪里不行，電路接不接地，仿真時(shí)間的設(shè)定，采用自動(dòng)定標(biāo)器 Autoscale 觀察 波形等。這些軟件的使用技巧在仿真的時(shí)候顯得尤為重要！以后自己一定要多多注重培 養(yǎng)自己的實(shí)踐能力，對(duì)于一些常用的軟件也要更加努力的學(xué)習(xí)，以求熟練掌握使用。 這次課程設(shè)計(jì)使我認(rèn)識(shí)到學(xué)好一門技術(shù)的重要性。我們既要牢固掌握課本的基本知 識(shí)，又要掌握基本的操作技能，這兩者是密不可分的。以后的學(xué)習(xí)生活中一定要更加努 力的學(xué)習(xí)、體驗(yàn)、提高，從各方面充實(shí)自己。 參考文獻(xiàn) 1 王兆安等. 電力電子技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.5 2 薛定宇. 基于 Matlab/Simulink 的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用. 北京：清華大學(xué)出版社， 2006 3 王丹力等. Matlab 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真、應(yīng)用. 北京:中國(guó)電力出版社, 2007 4 周建興等. MATLAB 從入門到精通. 北京：人民郵電出版社，2008 5 陳國(guó)呈. PWM 逆變技術(shù)及應(yīng)用. 北京：中國(guó)電力出版社, 2007 本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表 姓姓 名名黃誠(chéng)黃誠(chéng)性性 別別男男 專業(yè)、班級(jí)專業(yè)、班級(jí)自動(dòng)化自動(dòng)化 11031103 班班 課程設(shè)計(jì)題目：三項(xiàng)逆變器仿真課程設(shè)