PWM逆变器Matlab仿真

1 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 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案二：先逆变，再升压 方案选择： 方案 一： 采用 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 相关概念 2 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。 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 力 ，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。 R 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 3 交替各导通 180 ，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 还可以采用移相调压的方式输出脉冲宽度可调的矩形波 。 4V D 3 2V D 1u oi 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 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 2全桥电路高一倍，且 必须有一个变压器。 1 2V D 1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。 4 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。 在 作空间中添加如下元件： 的 块 C 块 块 块 块 块 块 块 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 图 2相桥式 逆变电路模型 5 各个模块的参数设置如下： “ 模块幅值设为 110V； “ 中 “ 选为“ ，并且选中“ of 选框； “ “ 设为 1，由于题目要求输出电压频率为 50周期为 以 “ 为 “ 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； “ 的 “ 设为 当于延迟半个周期， 以 形成与“ 互补的触发脉冲 用来驱动桥臂 2 和 4， 其他参数与 “ 同 ； “ 求解器算法设为 真时间设为 5S，之后便可以开始仿真了，仿真后 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相桥式逆变电路 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 (理及控制方法的 理 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 )。 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， 6 这种脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 形叫做 示意图如下图所示： 图 3意图 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接受调制的信号作为载波过信号波调制得到所期望的 形。 通常采用等腰三角波作为载波，因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 常见的 制方法有单极性 制，双极性 制。 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 ，其仿真原理图如下图所示： 7 图 3极性 号仿真原理图 其输出波形如下图所示： 图 3极性 号仿真 出 波形图 现 用 产生模块 驱动 单相桥式逆变电 路 工作 进行仿真， 方法是 在 选中 生电路，然后右键选择“ 将其放入到一个“ 系统 )”中，配置好其输入输出引脚，然后右击该模块，选择“ 其进行封装，封装后的模块名取为“ 原理图如下图所示： 8 图 3极性 变电路仿真模型 电路中 取默认值， 取为 110V，仿真后 出波形如下图所示： 图 3极性 变电路 出波形 9 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 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： 图 3 极性 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 中自带的“ 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： 图 3 极性 变电路仿真模型 在“ 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“ 将直流电压值设为 110V； 生器的调制度设为 率设为 50波频率设为基波频率的 15 倍，所以令 =750即可开始仿真，仿真后 10 图 3 极性 变电路 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 路升压再进行逆变的方法 。 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 时 C 的电压向负载供电，因 C 值很大，输出电压 恒值，记为 V 通的时间为 此阶段 L 上积蓄的能量为 1 V 断时， E 和 L 共同向 C 充电并向负载 V 断 的时间为 则此期间电感 L 释放能量为 01() I t ，稳态时，一个周期T 中 L 积蓄能量与释放能量相等，即 1 0 1= ( U - E ) Io n o t t (4化简得： 0 = 输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路，也称之为 换器。 T 与升压比的倒数记作，则 1 (4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。 11 E oi 图 4路原理图 在 建立 路的仿真模型，如下图所示： 在“ 设置其幅值为 110V；在“ 设置空比 )=这样才能使输出为 311V(220 2 V)。 图 4路仿真模型 仿真后 出波形如下图所示： 12 0 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 1 0 . 1 2 0 . 1 4 0 . 1 6 0 . 1 8 0 . 20100200300400500U b : 路 出波形 从图中可以看出 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 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 通滤波器， 其 电路图如下图所示： 图 5C 低通滤波器 通过适当的选取滤波器的截止频率： 1=2*C(5使其远小于 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 通滤波器的传递函数 为： 13 22( s ) 1=12( s ) + + 1(5其中L 振角频率， 1=L 阻尼系数， 1=2 (s) 滤波器输出电压； (s) 滤波器输入电压； s 拉普拉斯变换算子。 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 出其波特图，从而对 通滤波器的 特性 有一个直观的理解， 其 波特图如下图所示： - 4 0- 3 0- 2 0- 1 0000101102103104- 9 0- 4 50 o d e D i a g r a mG m = In f d B ( a t In f r a d / s) , P m = - 1 8 0 d e g ( a t 0 r a d / s)F r e q u e n ( r a d / s)图 5C 低通滤波器的波特图 在 有一个二阶滤波器模 型叫做“ 2我们可以直接设置其截止 频率，属性页如下图所示： 图 5性页 由于本题希望输出电压频率为 50据前面所述，此处截至频率可取为 100 14 6 体 模型 在 按下图接线 图 6体模型 各个模型主要参数设置 ： “ 幅值设为 110V； “ 置为 2 个桥臂； “ 中 “ 设置为 2 “ 波频率 )” 设置为 750“ 制深度 )” ：“ of 设置为 50“ 性 变压器 )” 变比为 150/611； “ 2中 “ 设为 100“ =50R ， 0仿真时间为 10s。所有参数设置完毕后可以启动仿真，仿真结束后滤波器相连的 示波器 ） 的输出波形 如下图所示： 15 图 6出波形 出波形如下图所示： 图 6出波形 为了看的的更加清楚，在 属性页中勾选 to 图 6将数据保存到 作空间中，在命令窗口中调用如下命令： 出波形 ) 时间 /秒 ) 幅值 /伏 ) 可得到重新绘制的 出波形见图 616 图 6性页 0 0. 01 0. 02 0. 03 0. 04 0. 05 0. 06 0. 07 0. 08 0. 09 0. 10100200300Sc o p e 1 输出波形时间 / 秒幅值/伏图 6令行绘制的 出波形 从图中 6可以看出 出波形基本上为标准正弦波，周期为 率为50图 6可以看出 示有效值为 本上满足设计要 求。 17 7心得体会 此次课程设计首先让我明白了 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 变电路、 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 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