基于MATLAB的PWM逆变器的仿真研究

1、 PAGE15 / NUMPAGES15课程设计说明书(论文)基于MATLAB的逆变器的仿真研究学生：班级学号：院、系、部： 研究生院专 业：电气工程 指导教师：2013年12月 Simulation Research of PWM InverterBased on MATLABBYSupervised byProfessorSchool of Electric Power EngineeringNanjing Institute of TechnologyOctober 2013基于MATLAB的逆变器的仿真研究摘要逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。这里介绍了三相桥式桥式PWM逆变

2、电路的工作原理，建立了输出电路的状态空间模型，分析了空间模型的可控性和可观测性。并采用Matlab的可视化仿真工具Simulink建立三相桥式双极性控制方式下PWM逆变电路的仿真模型，通过动态仿真，研究了调制深度、载波频率对输出电压、负载上电流的影响；并分析了输出电压、负载上电流的谐波特性。关键词：Matlab/Simulink；PWM逆变电路；状态空间模型Simulation Research of PWM InverterBased on MATLABAbstractPWM inverter control circuit plays an important roal in applic

3、ations. I introduce the working principle of three-phase bridge PWM inverter circuit here and establish the state-space model of the output circuit.I will also analyze the controllability and observability of space model. I have established the simulationmodel of PWM inverter circuit in three phase

4、bridgebipolarcontrol mode with the use of Matlabsimulationtool simulink.Through dynamic simulation Ihave studyed the modulation depth , the carrier frequency of the output voltage, and the load current effects.Keywords：Matlab/Simulink;PWM inverter circuit; state-space model1.引言在电力电子技术中，把直流电变为交流电称为逆变

5、。逆变电向交流负载供电时需要逆变电路；交流电动机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分也是逆变电路。这里主要讨论双极性控制下的三相桥式逆变电路，以与其输出电路的状态空间模型的分析和建立。并应用Matlab的可视化仿真工具Simulink，对该电路进行建模，并对不同调制深度、载波频率情况下对输出电压、负载上电流进行了仿真分析，加深了PWM逆变电路的理论认识。本文中仿真软件采用MATALABR2013a版本。2. 三相桥式PWM逆变电路的工作原理图1三相桥式PWM型逆变电路图1是三相桥式逆变电路，这种电路采用双极性控制方式。U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波，

6、三相的调制信号、和依次相差120。U、V和W各相功率开关器件的控制规律一样，现以U为例来说明。当EQ时，上桥臂V1导通，下桥臂V4关断，则U相相对于直流电源假想中点的输出电压 。当时，V4导通，V1关断，则。 V1和V4的驱动信号始终是互补的。当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是二极管VD1(VD4)续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定。、和的PWM波形都只有两种电平。 3. 状态空间模型图2显示了L-C输出滤波器得到的电流和电压方程。图2 L-C输出滤波器得到的电流和电压方程根据基尔霍夫定律，节点a、b、c可列出下列电流方程方程节点a： （1-1）节点b： （

7、1-2）节点c： （1-3） 其中， （1-4）由以上四式计算可得： （1-5）根据基尔霍夫定律，可列出逆变电路输出部分的电压方程： （1-6）由（1-6）式可转化为： (1-7)根据基尔霍夫定律，可以列出负载回路的电压方程： （1-8）由（1-8）可以转化成 (1-9)由此可将（1-5）、（1-7）、（1-9）写成矩阵的形式： （1-10） 其中，L根据（1-10）我们可以建立此模型的状态空间模型：状态方程：输出方程：其中，状态向量，输入向量，输出向量系统矩阵，输入矩阵，输出矩阵，直接传递矩阵D=04. 系统的可控性和可观测性4.1 可控性判断 用可控性的秩判据来判断系统能控性，系统状态完全

8、能控的充分必要条件是能控性矩阵满秩，即。MATLAB中的ctrb指令求出可控性矩阵，=9，由于可控性矩阵满秩，所以此系统可控。调用格式为：=ctrb（A,B） TA=ctrb (A,B); rank(TA)ans =94.2 可观测性判断用系统可观测性的秩判据来判断系统能观性，系统状态完全能观的充要条件是可观测性矩阵满秩。MATLAB中的obsv指令可以求得可观测性矩阵，=9，由于可观测性矩阵满秩，所以此系统可观。调用格式为：=obsv（A,C） TC=obsv (A,C); rank(TC)ans =95. Simulink仿真结果图3仿真波形。图3中第一个图表表示逆变后输出线到线电压（Vi

9、AB、ViBC、ViCA）；第二个表示逆变后输出电流（iA、iB、iC）；第三个表示负载线电流（iLA、iLB、iLC）图4 输出线电压的波形图5 逆变后输出电流的波形图6 负载电路线电流的波形6. 小结本课题讨论了双极性控制下的三相桥式逆变电路，以与其输出电路的状态空间模型的分析和建立。并应用Matlab进行了Simulink仿真。在完成设计的过程中查看了部分电力电子书籍和一些文献材料，复习了PWM逆变电路的理论知识，加深了对现代控制系统部分容的理解。在此，感同学在Matlab使用上对我的帮助。本次设计是综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题锻炼实践能力的重要环节，我觉得是对我实际

10、工作能力的具体训练和考察过程。随着科学技术发展的日新日异，电子技术已经成为当今世界空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。此次设计暴露了很多问题，本科的知识掌握很不牢靠，今后对各个学科的学习不能放松。参考文献：1王兆安,进军.电力电子技术(第5版)M.:机械工业,2009.2朱南,理兵,叶卫川,徐俊佩.基于MATLAB的单相PWM逆变电路的仿真研究J.电子世界,2012,07:70-72.3王健,王亚慧.带LC滤波器的PWM逆变器建模研究J.建筑工程学院学报,2007,01:52-55.4桂英,粟时平.“电力电子技术”的Matalab/Simulink教学仿真实践J.电气电子教学学报,20

11、11,33(1):87-89. 5兴佳,纯明,宏峰,美英.基于Matlab/Simulink的双PWM逆变系统仿真J.电气技术,2007,12:20-23.6王振.三相PWM逆变器新型控制策略研究D.大学,2009.7 徐顺刚,许建平,太强.SPWM逆变电源输出谐波分析与抑制方法研究J.电子科技大学学报.2010(05)8胡赛纯.SPWM单相逆变电路的谐波分析J.通信电源技术,2011,03:45-47.9俞威,金天均,文涛,吕征宇.基于PWM逆变器的LC滤波器J.机电工程,2007,05:50-52.10 薛定宇, . 基于Matlab/Simulink 的系统仿真技术与应用M. : 清华大

12、学，2002.11 Patel H. S. , Hoft R. G. Generalized techniques of harmonicelimination and voltage control in thyristor inverter-s Part : Harmo nic elimination, Par t : Voltage control techniques J . IEEE- IA- 9, 1973: 310- 317附录：MATLAB代码clear all Vdc= 400; Lf= 800e-6;Cf= 400e-6; Lload = 2e-3;Rload= 5; f=

13、 60;fz = 3e3; a= 0.6;w= 2*pi*60; Tz= 1/fz; V_ref= (2/3)*a*Vdc; A=zeros(3,3) eye(3)/(3*Cf) -eye(3)/(3*Cf)-eye(3)/Lf zeros(3,3) zeros(3,3)eye(3,3)/Lload zeros(3,3) -eye(3)*Rload/Lload; B=zeros(3,3)eye(3)/Lfzeros(3,3);C=eye(9); D=zeros(9,3); Ks = 1/3*-1 0 1; 1 -1 0; 0 1 -1;由MATLAB代码绘制仿真结果ViAB = Vi(:,1);V