1、學 號：課 程 設 計題 目三相逆變器仿真學 院自動化學院專 業自動化班 級自動化1103班姓 名黃誠指導教師吳勇2014年1月9日目錄1 概述及設計要求11.1 概述11.2 設計要求12 方案比較及認證22.1 升壓電路模塊方案選擇22.2 逆變電路方案選擇22.3 閉環反饋電路設計22.4 總體電路方案設計23 系統原理說明43.1 升壓斬波電路43.2 三相電壓型橋式逆變電路43.3 SPWM逆變器的工作原理53.4 Simulink仿真環境54 仿真建模74.1 升壓斬波電路仿真建模7884. 4三相逆變電源總體電路仿真建模95仿真結果111111125.4 三相逆變電源總體仿真實現

2、結果136 總結15參考文獻16三相逆變器仿真1 概述及設計要求1.1 概述電力電子技術是一門新興的應用于電力領域的電子技術，就是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT等）對電能進行變換和控制的技術。電力電子技術的應用范圍十分廣泛，它不僅用于一般工業，也廣泛用于交通運輸、電力系統、通信系統、計算機系統、新能源系統等，在照明、空調等家用電器及其他領域中也有著廣泛的應用。PWM控制技術就是對脈沖的寬度進行調制的技術，即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來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技術的重要基礎理論。本文主要通過對逆變電源的Matlab仿真，研究逆變電路的輸入輸

3、出及其特性，以及一些參數的選擇設置方法。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設計環境，是實現動態系統建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。1.2 設計要求本設計要求輸入200V直流電壓，采用PWM斬波控制技術，得到輸出為380V、50HZ三相交流電，并且建立Matlab仿真模型，得到實驗波形。2 方案比較及認證2.1 升壓電路模塊方案選擇方案一：可以利用變壓器對輸入的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升壓環節進行控制，所以放棄此方案。方案二：通過斬波電路來提

4、高電壓，然后進行逆變和濾波，在本次設計中采用此方案，即通過升壓斬波電路來控制輸出的直流電壓，這樣可以達到便于控制的目的。方案三：先進行逆變，然后進行斬波電路升壓，由于本次設計需要產生的是三相交流電壓輸出，逆變之后的升壓就會涉及到三個直流升壓電路，所以也放棄此方案。方案四：也是先進行逆變，然后通過變壓器升壓，同樣的，也是不能方便的對升壓環節進行輸出電壓值的控制，而且會用到三個變壓器，比較麻煩。本次設計中采用方案二，經過升壓斬波電路升壓，然后進行逆變和濾波。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，根據直流側電源性質不同，逆變電路可分為電壓型逆變電路和電流型逆變電路，這里

5、的逆變電路屬電壓型。采用等腰三角波作為載波，用SPWM進行雙極性控制。該電路的輸出含有諧波，需要專門的濾波電路進行濾波。濾波電路采用RC濾波電路。經過逆變電路和濾波電路就可以在三相電壓輸出側得到題目要求的380V、50Hz三相交流電，不過容易受負載影響輸出電壓的值。2.3 閉環反饋電路設計為了讓輸出電壓更加穩定和準確，所以在本次設計仿真建模中很有必要進行閉環反饋電路的設計，在三相電壓輸出側進行電壓采集，經過整流得到電壓幅值，將采集到的電壓值與理想輸出電壓值進行比較，接著將差值經過PI環節，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，產生我們所需要的進行升壓斬波的PWM波，對

6、直流斬波電路中IGBT的通斷控制進而產生理想的輸出電壓值。2.4 總體電路方案設計整體方案設計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作為調制信號，輸出PWM波形，再經過濾波電路得到380V、50Hz三相交流電，在電壓輸出側進行電壓采樣進而與理想輸出值比較轉換之后產生所需要的PWM波，控制輸出的穩定和準確。系統總體框圖如圖1所示。圖1 系統總體框圖3 系統原理說明3.1 升壓斬波電路假設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通的時間

7、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控制通常公用一個三角載波，三相的調制信號、和一次相差120。U、V和W各相功率開關器件的控制規律相同，現以U相為例來說明。當時，給上橋臂以導通信號，給下橋臂以關斷信號，則U相相對于直流電源假想中點的輸出電壓。當HelpDemosSimulinkSimPowerSystemsGeneral Demos

8、中的Three-Phase Two-LevelPWMVoltage Source Converters。此電路采用了三相逆變橋集成塊UniversalBridge 3 arms，濾波電路也已由Three-Phasse Parallel RLC Load模塊構成，不需另加濾波電路。在此電路的基礎上稍作修改，即構成三相橋式PWM型逆變電路模型，如圖6所示。其中變壓器僅起隔離作用，不對電壓進行升降。圖6三相橋式PWM型逆變電路模型閉環反饋電路的設計是為了讓輸出電壓更加穩定和準確，通過上面的方案論證決定在三相電壓輸出側進行電壓采集，經過整流得到電壓幅值，將采集到的電壓值與理想輸出電壓值進行比較，接著將

9、差值經過PI環節，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，產生我們所需要的進行升壓斬波的PWM波，對直流斬波電路中IGBT的通斷控制進而產生理想的輸出電壓值。其仿真模型電路圖如圖7所示。圖7 閉環反饋電路仿真模型4. 4三相逆變電源總體電路仿真建模本次設計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，經過處理后產生的PWM波連接到直流升壓斬波電路的開關器件IGBT的控制端，這樣就得到本次設計的逆變電源的總體仿真模型，如圖8所示。圖8 逆

10、變電源總體電路仿真5仿真結果分析直流升壓斬波電路的原理，并根據參考資料設置各項初始參數，輸入直流電設置為200V，開關器件IGBT和二極管Diode使用默認參數，其他器件的參數可以通過調試和參考資料進行設置。如果改變開關器件IGBT的占空比的值，可以改變其輸出電壓值，在仿真過程中能夠得到很好的體現，符合直流升壓斬波電路的原理。經過多次調節各元件參數發現，增大PWM波形的占空比或增大電感值，輸出電壓穩定值增大。電容的作用主要是使輸出電壓保持住，電容值過小輸出波形會持續震蕩，應取較大，但過大的電容值會使輸出電壓穩定的時間太長。根據以上規律反復改變各元件參數，直到得到滿意的結果。如下圖即為當占空比為

11、50%的時候，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，當占空比為50%時輸出電壓應該為200V的兩倍，即為400V，在仿真得到的波形中可以看到在后輸出穩定的直流電壓400V，效果比較好，滿足要求。這里說的三相橋式PWM逆變電路包括了濾波電路在進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的影響，要想得到穩定且波形較好的380V，50Hz的交流電，必須經過多次調試和研究，將各項參數設定好。在設計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

12、據此要求反復調節各元件參數，發現當輸入直流電壓為，離散PWM生成器的調制參數時輸出電壓滿足要求。此時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逆變電路仿真波形經過閉環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 閉環反饋電路產生PWM波形5.4 三相逆變電源總體仿真實現結果首先應該將升壓斬波電路的輸出電壓調到左右，再對逆變電源進行仿真。反復調節參數知當直流升壓斬波電路中PWM脈沖生成器的占空比達到71.1%時，輸出的直流電壓約為690V，此時的波形如圖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，大約后，穩定在

13、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，也就是符合輸出交流電為50Hz的要求，同時三相電壓依次相差120，輸出的波形也比較好。同時由于反饋電路的存在，使其抗干擾能力也大為提高，受負載的影響也較小。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果圖6 總結在課程設計中，我認識到對生活當中具體事物的抽象概括和數學推理能力的重要性，當我們面對一個陌生的事物，如何將轉化為我們所學的知識，這種能力是很重要的。可以說整個設計中最麻煩的就是把一些在課本中學到的知識在Matlab

14、中進行仿真得到正確的結果。這個過程是十分繁瑣的，也是很鍛煉人的。通過本次課程設計，我學會了使用Matlab軟件仿真集成環境Simulink進行仿真的基本操作方法，也對直流斬波電路、逆變電源的原理和閉環控制的思想都有了進一步的理解。在使用Matlab的Simulink進行仿真時，很多時候波形不一定能夠快速正確的出現，這個時候就要好好研究其深層次的原理，同時要注意Matlab的仿真的一些細節，例如哪里可以接線哪里不行，電路接不接地，仿真時間的設定，采用自動定標器Autoscale觀察波形等。這些軟件的使用技巧在仿真的時候顯得尤為重要！以后自己一定要多多注重培養自己的實踐能力，對于一些常用的軟件也要

15、更加努力的學習，以求熟練掌握使用。這次課程設計使我認識到學好一門技術的重要性。我們既要牢固掌握課本的基本知識，又要掌握基本的操作技能，這兩者是密不可分的。以后的學習生活中一定要更加努力的學習、體驗、提高，從各方面充實自己。參考文獻1 王兆安等. 電力電子技術. 北京：機械工業出版社，2009.52薛定宇. 基于Matlab/Simulink的系統仿真技術與應用. 北京：清華大學出版社，20063 王丹力等. Matlab控制系統設計、仿真、應用. 北京:中國電力出版社, 20074周建興等. MATLAB從入門到精通. 北京：人民郵電出版社，20085 陳國呈. PWM逆變技術及應用. 北京：中國電力出版社, 2