1、精選學習資料 - - - 歡迎下載武漢理工高校電力電子技術課程設計說明書課程設計任務書同學姓名：專業班級：指導老師：工作單位：題目:pwm逆變器 matlab 仿真 初始條件：輸入 110v 直流電壓；要求完成的主要任務 : （包括課程設計工作量及其技術要求,以及說明書撰寫等詳細要求）1.得到輸出為 220v.50hz 單相溝通電；2.采納 pwm斬波掌握技術；3.建立 matlab 仿真模型；4.得到試驗結果；時間支配：課程設計時間為兩周,將其分為三個階段；第一階段：復習有關學問,閱讀課程設計指導書,搞懂原理,并預備收集設計資料,此階段約占總時間的20%；其次階段：依據設計的技術指標要求挑選

2、方案,設計運算；第三階段：完成設計和文檔整理,約占總時間的40%；指導老師簽名：年月日系主任（或責任老師）簽名：年月日精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載武漢理工高校電力電子技術課程設計說明書目錄摘要 . .11 設計方案的挑選與論證.22 逆變主電路設計.22.1 逆變電路原理及相關概念.22.2 逆變電路的方案論證及挑選.32.3 建立單相橋式逆變電路的simulink的仿真模型 .42.3.1模型假設 . .52.3.2利用 matlab/simulink 進行電路仿真 . .53 正弦脈寬調制 spwm原 理及掌握方法的simulink仿真 .63.1 正弦脈沖寬度調制 sp

3、wm原 理 .63.2spwm波的掌握方法 . . 73.2.1雙極性 spwm掌握原理及 simulink仿真 . . 73.2.2單極性 spwm掌握原理及 simulink仿真 . . 94 升壓電路的分析論證及仿真.114.1boost電路工作原理 . . 114.2boost電路的 simulink仿真 . 125 濾波器設計 .136 pwm逆變器總體模型.157 心得體會 .18參考文獻 . .19精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載武漢理工高校電力電子技術課程設計說明書pwm 逆變器 matlab仿真摘要隨著電力電子技術,運算機技術,自動掌握技術的快速進展,pwm技術

4、得到了快速進展, spwm 正弦脈寬調制這項技術的特點為原理簡潔,通用性強,具有開關頻率固定, 掌握和調劑性好,能排除諧波使輸出電壓只含有固定頻率的高次諧波重量,設計簡潔等一系列有點,為一種比較好的波形改善法；它的顯現對中小型逆變器的進展起了重要的推動作用； spwm 技術成為目前應用最為廣泛的逆變用pwm 技術；因此,爭論spwm 逆變器的基本工作原理和作用特性意義非常重大.本篇論文以 igbt 構成的單相橋式逆變電路為基礎, 爭論 spwm 波的產生原理及不同的掌握方法,并借助聞名的科學運算軟件 matlab/simulink ,對 spwm 逆變電路進行仿真設計,以達到題目要求的性能指標

5、,并進行結果分析；simulink 為 matlab最重要的組件之一,它供應一個動態系統建模.仿真和綜合分 析的集成環境； simulink 中有一個特地用于電力系統仿真的simpowersystems工具箱 、其中囊括了幾乎全部的電力電子器件的模型,通過調用這些模型可以完成對各種復雜系統的建仿照真；關鍵詞 ：逆變 spwmmatlab/simulink1精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載武漢理工高校電力電子技術課程設計說明書1 設計方案的挑選與論證從題目的要求可知, 輸入電壓為 110v 直流電, 而輸出為有效值為 220v 的溝通電, 所以這里涉及到一個升壓的問題,基于此有兩種

6、設計思路第一種為進行 dc-dc 升壓變換再進行逆變,另一種為先進行逆變再進行升壓；除此之外,要得到正弦溝通電壓仍要考慮濾波等問題,所以這兩種方案的設計框圖分別如下圖所示：精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載110v直直流電pwm波220v正精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載流電dc-dc升壓斬波逆變濾波弦波精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載110v直圖 1-1 方案一：先升壓再逆變pwm波pwm波220v正精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載流電逆變變壓器升壓濾波弦波精品學習資料精選學習資料 - - -

7、 歡迎下載精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載方案挑選：圖 1-2 方案二：先逆變,再升壓精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載方案一：采納dc-dc升壓斬波電路其牢靠性高.響應速度.噪聲性能好,效率高, 但不適用于升壓倍率較高的場合, 另外升壓斬波電路在初期會產生超調趨勢這一點將在后文予以爭論 ,在與后面的逆變電路相連時必需予以考慮,我們可以采納附加掌握策略的方法來減小超調量同時達到較短的調劑時間,但這將增加逆變器的復雜度和設計成本；方案二：采納變壓器對逆變電路輸出的溝通電進行升壓,這種方法效率一般可達90%以上.牢靠性較高.抗輸出短路的才能較強,但響應速度較慢,體積大,波

8、形畸變較重；從以上的分析可以看出兩種方案有各自的優缺點,但由于方案二設計較為簡便,因此本論文挑選方案二作為最終的設計方案,但對于方案一的相關內容也會在后文予以爭論；2 逆變主電路設計2.1 逆變電路原理及相關概念逆變與整流為相對應的,把直流電變為溝通電的過程稱為逆變；依據溝通側為否與交流電網相連可將逆變電路分為有源逆變和無源逆變,在不加說明時, 逆變一般指無源逆變,本論文針對的就為無源逆變的情形；依據直流側為恒流源仍為恒壓源又將逆變電路分為電2精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載武漢理工高校電力電子技術課程設計說明書壓型逆變電路和電流型逆變電路,電壓型逆變電路輸出電壓的波形為方波而電

9、流型逆變電路輸出電流波形為方波,由于題目要求對輸出電壓進行調劑,所以本論文只爭論電壓型逆變電路；依據輸出電壓電流的相數又將逆變電路分為單相逆變電路和三相逆變電路,由于題目要求輸出單相溝通電,所以本論文將只爭論單相逆變電路；2.2 逆變電路的方案論證及挑選從上面的爭論可以看出本論文主要爭論單相電壓型無源逆變電路,電壓型逆變電路的特點除了前文所提及的之外,仍有一個特點即開關器件普遍挑選全控型器件如igbt ,電力 mosfet 等,有三種方案可供挑選,下面分別予以爭論：方案一：半橋逆變電路,如下圖所示,其特點為有兩個橋臂,每個橋臂有一個可控器件和一個反并聯二極管組成；在直流側接有兩個相互串聯的足夠

10、大的電容,兩個電容的連接點為直流電源的中點；反并聯二極管為反饋電感中儲存的無功能量供應通路,直流側電容正起著緩沖無功能量的作用；其優點為簡潔,使用器件少,缺點為輸出溝通電壓的幅值僅為直流電源電壓的一半,且直流側需要兩個電容器串聯,工作時仍要掌握兩個電容器電壓的均衡,因此它只適用于幾千瓦以下的小功率逆變電路；精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載ud/2udv1ri oluovd1精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載ud/2v2vd2精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載圖 2-1 半橋逆變電路方案二：全橋逆變電路,如下圖所

11、示：其特點為有四個橋臂,相當于兩個半橋電路的 組合,其中橋臂1 和 4 作為一對,橋臂2 和 3 作為一對,成對的兩個橋臂同時導通,兩對交替各導通 180 ,其輸出矩形波的幅值為半橋電路的兩倍；全橋電路在帶阻感負載時仍可以采納移相調壓的方式輸出脈沖寬度可調的矩形波；3精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載武漢理工高校電力電子技術課程設計說明書精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載v1vd1v3vd3精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載udri ol精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載uov2vd2v4vd4精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載圖 2

12、-2 全橋逆變電路方案三：帶中心抽頭變壓器的逆變電路,其主要特點為交替驅動兩個igbt ,通過變壓器耦合給負載加上矩形波電壓；兩個二極管的作用也為給負載電感中儲存的無功能量提供反饋通道,該電路雖然比全橋電路少了一半開關器件,但器件承擔的電壓約為2ud,比全橋電路高一倍,且必需有一個變壓器；負載i ououdv1v2vd1vd2圖 2-3 帶中心抽頭變壓器的逆變電路方案挑選：全橋電路和帶中心抽頭變壓器的逆變電路的電壓利用率為一樣的,均比半橋電路大一倍；又由于全橋結構的掌握方式比較敏捷,所以本篇論文挑選單相橋式逆變電路作為逆變器的主電路；2.3 建立單相橋式逆變電路的simulink的仿真模型4精

13、品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載武漢理工高校電力電子技術課程設計說明書2.3.1 模型假設1全部開關器件都為抱負開關器件,即通態壓降為零,斷態壓降為無窮大,并認為各開關器件的換流過程在瞬時完成,不考慮死區時間；2全部的輸入信號包括觸發信號.電源電壓穩固,不存在波動；精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載2.3.2 利用 matlab/simulink進行電路仿真在 simulink 工作空間中添加如下元件：simscape/simpower systems /power electronic中s的 diode.igbt 模塊精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載si

14、mscape/simpower systems /electrical sources/dc voltage sourc模e 塊simscape/simpower systems /elements/series rlc branc模h 塊simscape/simpower systems /measurements/current measureme模nt塊simscape/simpower systems /measurements/multimete 模r 塊simscape/simpower systems /powergu模i塊simulink/source/pulse genera

15、tor模塊simulink/sinks/floating scope 模塊simulink/signal routing/demux 模塊利用上述模塊構成如下圖所示的單相橋式逆變電路模型圖 2-4 單相橋式逆變電路模型5精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載武漢理工高校電力電子技術課程設計說明書各個模塊的參數設置如下：“dc voltage source”模塊幅值設為110v；“powergui”中“ simulationtype”選為“ continuous”,并且選中“enable use of ideal switching device”復選框；“ pulse generato

16、r3”中“amplitude ”設為 1,由于題目要求輸出電壓頻率為 50hz,即周期為 0.02s,所以“period” 設為 0.02,“ phase delay”設為零,即初始相位為零,這一路脈沖送出去用來驅動橋臂 1和 3；“pulsegenerator1”的“ phase delay”設為 0.01,相當于推遲半個周期,以形成與 “ pulsegenerator3”互補的觸發脈沖用來驅動橋臂2 和 4,其他參數與“ pulsegenerator3”相同；“ solver”求解器算法設為ode45；仿真時間設為5s,之后便可以開頭仿真了,仿 真后 scope 輸出波形如下圖所示,圖中自

17、上而下依次為負載的電壓.電流.電源側電流波形；圖 2-5 單相橋式逆變電路scope輸出波形從圖中可以看出波形與理論上的波形外形相同,說明此逆變電路工作正常；3 正弦脈寬調制 spwm 原理及掌握方法的simulink仿真3.1 正弦脈沖寬度調制spwm 原理pwm脈寬調制技術就為對脈沖寬度進行調制的技術；即通過對一系列脈沖寬度進行 調制,來等效的獲得所需要的波形含幅值和外形 ；pwm 的一條最基本的結論為：沖量相等而外形不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時其成效基本相同,沖量即窄脈沖面積,這就為我們通常所說的“面積等效”原理；因此將正弦半波分成n 等分,每一份都用一個矩形脈沖按面積原理等效,令

18、這些矩形脈沖的幅值相等,就其脈沖寬度將按正弦規律變化,6精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載武漢理工高校電力電子技術課程設計說明書這種脈沖寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的pwm 波形叫做 spwm；示意圖如下圖所示：圖 3-1 spwm 示意圖3.2 spwm 波的掌握方法spwm 波的產生方法有運算法和調制法,運算法很繁瑣,不易實現,所以在這里不作精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載介紹,重點介紹調制法,即把期望輸出的波形作為調制信號ur ,把接受調制的信號作為載精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載波 uc ,通過信號波調制得到所期望的pwm 波形；通常采納等

19、腰三角波作為載波,由于等腰三角波上任一點的水平寬度和高度呈線性關系且左右對稱,當它與任何一個緩慢變化的調制信號波相交時,假如在交點時刻對電路中的開關器件進行通斷掌握,就可得到spwm波,常見的 spwm 掌握方法有單極性spwm 掌握,雙極性spwm 掌握；3.2.1 雙極性 spwm 掌握原理及 simulink 仿真所謂的雙極性為指在調制信號波的半個周波內三角載波有正負兩種極性變化；用調制信號波與三角載波比較的方法可以產生雙極性spwm 波,其仿真原理圖如下圖所示：7精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載武漢理工高校電力電子技術課程設計說明書圖 3-2 雙極性 spwm 信號仿真原

20、理圖其輸出波形如下圖所示：圖 3-3 雙極性 spwm 信號仿真 scope輸出波形圖現用 spwm 波產生模塊驅動單相橋式逆變電路工作進行仿真,方法為在simulink 中選中 spwm 產生電路,然后右鍵挑選“ create subsystem”將其放入到一個“ subsystem子系統”中,配置好其輸入輸出引腳,然后右擊該模塊,挑選“mask subsystem”對其進行封裝,封裝后的模塊名取為“pwm subsystem”,原理圖如下圖所示：8精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載武漢理工高校電力電子技術課程設計說明書圖 3-4 雙極性 pwm 逆變電路仿真模型電路中 rlc

21、皆取默認值, dc voltage source 值取為 110v,仿真后 scope 輸出波形如下圖所示：圖 3-5 雙極性 pwm 逆變電路 scope 輸出波形3.2.2 單極性 spwm 掌握原理及 simulink 仿真9精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載武漢理工高校電力電子技術課程設計說明書所謂的單極性為指在調制信號波的半個周波內三角載波有零.正或零.負一種極性變 化,單極性型 spwm 信號的產生比雙極性復雜些, 要按調制波每半個周期對調制波本身或者載波進行一次極性反轉,其仿真原理圖如下圖所示：圖 3-6 單極性 spwm 信號仿真原理圖將該模塊做封裝后來驅動單相全橋

22、逆變電路,為了使模型結構更加清晰,本次仿真采 用 simulink 庫中自帶的“ universalbridge通用橋 ”代替由電力電子器件組合而成的橋式逆變電路,仿真模型如下圖所示：圖 3-7 單極性 pwm 逆變電路仿真模型在“universal bridge”模塊的屬性對話框中, 令橋臂數為 2 即構成單相橋式逆變電路； 在“dc voltage source”中將直流電壓值設為110v；pwm 發生器的調制度設為0.5,頻率精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載設為 50hz,載波頻率設為基波頻率的15 倍,所以令輸出波形如下圖所示：f c =750,即可開頭仿真, 仿真后 s

23、cope精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載10精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載武漢理工高校電力電子技術課程設計說明書圖 3-8 單極性 pwm 逆變電路 scope 輸出波形4 升壓電路的分析論證及仿真前文提到過升壓有兩種方案,一為先進行升壓再進行逆變,二為先進行逆變再進行升壓,這一節主要爭論先通過boost 電路升壓再進行逆變的方法；4.1 boost 電路工作原理升壓斬波電路如下圖所示；假設l 值.c 值很大, v 通時, e 向 l 充電,充電電流恒為 i1,同時 c 的電壓向負載供電,因c 值很大,輸出電壓uo 為恒值,記為 uo；設 v 通精品學習資料精選學

24、習資料 - - - 歡迎下載的時間為ton ,此階段 l 上積蓄的能量為ei1ton ；v 斷時, e 和 l 共同向 c 充電并向負載 r精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載供電；設 v 斷的時間為toff,就此期間電感l 釋放能量為u 0ei 1toff,穩態時,一個周期精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載t 中 l 積蓄能量與釋放能量相等,即ei 1ton =u 0 -ei 1toff4-1精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎

25、下載化 簡 得 ：u 0 =tetoff4-2精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載輸出電壓高于電源電壓,故稱升壓斬波電路,也稱之為boost 變換器；精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載t 與 t off的 比 值 為 升 壓 比 , 將 升 壓 比 的 倒 數 記 作 , 就14-3精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓的緣由：l 儲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；11精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載武漢理工高校電力電子技術課程設計說明書精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載i

26、 1li ovd精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載evcuor精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載圖 4-1 boost 電路原理圖4.2 boost 電路的 simulink仿真在 simulink 中建立 boost 電路的仿真模型,如下圖所示：在“ dcvoltagesource”中設置其幅值為110v ；在“ pulse generator”中設置 period=0.0001s,pulse width占空比 =64.6%,這樣才能使輸出為311v2202 v ；圖 4-2 boost 電路仿真模型仿真后 multima

27、ter 輸出波形如下圖所示：12精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載武漢理工高校電力電子技術課程設計說明書ub: r500400300200100000.020.040.060.080.10.120.140.160.180.2圖 4-3 boost 電路 multimeter 輸出波形從圖中可以看出 boost 響應曲線具有超調趨勢, 超調量的大小與l 和 c 值的選取有關,一般期望超調量越小越好,紋波越小越好,調劑時間越短越好,為了保證這幾點,需要采用附加掌握策略,這樣使系統變得復雜,經過這樣一番分析我打算采納先逆變后升壓的方法,采納升壓變壓器,其參數設置相對簡便,同時也可以的到良

28、好的成效；5 濾波器設計采納 spwm掌握方式輸出的電壓波形中含有基波同時含有與載波頻率整數倍及其鄰近的諧波,載波比越高,最低次諧波離基波便越遠,也簡潔進行濾波；比較常用的為 lc 低通濾波器,其電路圖如下圖所示：圖 5-1 lc 低通濾波器通過適當的選取濾波器的截止頻率：精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載1f l =2*lc5-1精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載使其遠小于pwm電壓中所含有的最低次諧波頻率,同時又遠大于基波頻率,就可以在輸出端得到較為抱負的正弦波；可以證明上述 lc 低通濾波器的傳遞函數為：13精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載武漢理工高

29、校電力電子技術課程設計說明書精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載u o s =u i s121s2 + 2s+15-2精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載lll其中 lc 諧振角頻率,=1；阻尼系數,=1l ；us 濾精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載ollc2rc精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載波器輸出電壓；u i s 濾波器輸入電壓；s拉普拉斯變換算子；精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載從其傳遞函數的形式可以看出它為一個二階系統,我們可以用matlab畫出其波特圖,從而對 lc 低通濾波

30、器的特性有一個直觀的懂得,其波特圖如下圖所示：bode diagramgm = inf db at inf rad/s 、 pm = -180 deg at 0 rad/s0db-10udeit-20gnam -30精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載gesd ea h p-400-45精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載-90011010234101010精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載frequency rad/s圖 5-2 lc 低通濾波器的波特圖在 matlab中有一個二階濾波器模型叫做“2nd-order

31、 filter”,我們可以直接設置其截止頻率,屬性頁如下圖所示：圖 5-3 2nd-order filter 屬性頁14精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載武漢理工高校電力電子技術課程設計說明書由于此題期望輸出電壓頻率為50hz,依據前面所述,此處截至頻率可取為100hz；6 pwm 逆變器總體模型在 simulink 中按下圖接線圖 6-1 pwm 總體模型各個模型主要參數設置：“dc voltage source”幅值設為 110v；“ universal bridge”設置為 2 個橋臂； “ descrete pwm generato”r中“ generator mode”設

32、置為 2-arm-bridge4pulses；“ carrier frequency載波頻率 ”設置為 750hz；“ modulation index調制深度 ”： 0.7,“ frequency of output voltage ”設置為 50hz；“ linear transformer 線性變壓器 ”變比為 150/611；“ 2nd-order filter”中“cut-off frequency ”設為 100hz；“series rlc branch”精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載中 r=50, l =10-3 h ；仿真時間為10s；全部參數設置完畢后可以啟動

33、仿真,仿真終止后精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載scope1（與濾波器相連的示波器）的輸出波形如下圖所示：15精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載武漢理工高校電力電子技術課程設計說明書圖 6-2 scope1輸出波形scope輸出波形如下圖所示：精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載圖 6-3 scope輸出波形為了看的的更加清晰,在scope1 的屬性頁中勾選 save data to workspac（e將數據儲存到 matlab工作空間中,在命令窗口中調用如下命令：>> plotscopedata1.time、scopedata1.signal

34、s.values、'-r'>> grid on>> title'scope1 輸出波形 '>> xlabel'時間/秒'>> ylabel'幅值/伏'見圖 6-4）,精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載16精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載武漢理工高校電力電子技術課程設計說明書可得到重新繪制的scope輸出波形見圖 6-5圖 6-4 scope1屬性頁scope1 輸出波形3002001000/伏值幅-100-200-300精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載-40000.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1時間 / 秒精品學習資料精選學習資料 - - - 歡迎下載圖 6-5 命令行繪制的 scope1輸出波形從圖中 6-5 中可以看出 scope1輸出波形基本上為標準正弦波,周期為0.02s,頻率為 50hz,從圖 6-1 中可以看出 display 顯示有效值為 2