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1、武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書 三相逆變器Matlab仿真研究1方案選擇1.1 課程設(shè)計(jì)要求本次課程設(shè)計(jì)要求對(duì)逆變電源進(jìn)行Matlab仿真研究，輸入直流電壓為110V，輸出為220V三相交流電，建立三相逆變器Matlab仿真模型,進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到三相交流電波形。1.2 實(shí)現(xiàn)方案確定由于要求的輸出為220V,50HZ三相交流電，顯然不能直接由輸入的110V直流電逆變產(chǎn)生，需將輸入的110V直流電壓通過升壓斬波電路提高電壓，再經(jīng)過逆變過程及濾波電路得到要求的輸出。根據(jù)課本所學(xué)的，可以采用升壓斬波電路和三相電壓型橋式逆變電路的組合電路，將升壓后的電壓作為逆變電路的直流側(cè)，得到三相交流
2、電，同時(shí)采用SPWM控制技術(shù)，使其頻率為50HZ。斬波電路有脈沖寬度調(diào)制、頻率調(diào)制和混合型三種控制方式。在此使用第一種控制方式，這種方式也是應(yīng)用最多的方法。通過控制開關(guān)器件的通斷實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存和釋放過程，輸出信號(hào)為方波，調(diào)節(jié)脈寬可以控制輸出的電壓的大小。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。PWM控制方式有兩種，一種是在調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)三角載波只在正極性或負(fù)極性一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的PWM波形也只在單個(gè)極性范圍變化的單極性PWM控制方式，另一種是雙極性控制方式，其在調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)三角載波不再是一種極性，而是有正有負(fù)，所得的PW
3、M波也是有正有負(fù)。對(duì)于三相橋式PWM逆變電路，一般采用雙極性控制方式。該電路的輸出含有諧波，濾波電路采用RLC濾波電路。直流斬波電路采用PWM斬波控制，輸出的方波經(jīng)過濾波電路后變?yōu)橹绷麟娝屯孀冸娐?。逆變采用PWM逆變電路，采用SPWM作為調(diào)制信號(hào)，輸出PWM波形，再經(jīng)過濾波電路得到220V、50Hz三相交流電，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)總體框圖2各模塊原理2.1 升壓斬波電路升壓斬波電路如下圖2所示。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。V斷時(shí)，E和L共
4、同向C充電并向負(fù)載R供電。設(shè)V斷的時(shí)間為，則此期間電感L釋放能量為，穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中L積蓄能量與釋放能量相等，即 化簡得 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。T與的比值為升壓比，將升壓比的倒數(shù)記作，則 故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2.2 三相電壓型橋式逆變電路三相電壓型橋式逆變電路如下圖3所示。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度。U、V和W各相功率開關(guān)器件的控制規(guī)律相同，現(xiàn)以U相為例
5、來說明。當(dāng)時(shí)，給上橋臂以導(dǎo)通信號(hào)，給下橋臂以關(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)uc時(shí)，V1和V4導(dǎo)通，V2和V3關(guān)斷，這時(shí)如io0，則V1和V4通，如io0，則VD1和VD4通，不管哪種情況都是當(dāng)uruc時(shí)，V2和V3導(dǎo)通，V1和V4關(guān)斷，這時(shí)如io0，則VD2和VD3通，不管哪種情況都是這樣就得到了正弦信號(hào)與三角載波的比較波形即SPWM波，此波形在效果上等效于調(diào)制波。其波形如圖5所示。urucuOwtOwt圖5雙極性PWM控制方式波形2.3.2雙極性SPWM控制電路的原理將正弦半波看成是由N個(gè)彼此相連的脈沖寬度為p/N，但幅值頂部是曲線且大小按正弦規(guī)律變化的脈沖序列組成的。
6、把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，這就是PWM波形。對(duì)于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。 脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱SPWM（Sinusoidal PWM）波形。PWM波形可分為等幅PWM波和不等幅PWM波兩種，由直流電源產(chǎn)生的PWM波通常是等幅PWM波?；诘刃娣e原理，PWM波形還可以等效成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等。 由于各脈沖的幅值相等，所以逆變器可由恒定的直流電源供電。2.4 Simulink仿真環(huán)境S
7、imulink是Matlab的仿真集成環(huán)境，是一個(gè)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真的集成環(huán)境。它使Matlab的功能進(jìn)一步增強(qiáng)，主要表現(xiàn)為：模型的可視化。在Windows環(huán)境下，用戶通過鼠標(biāo)就可以完成模型的建立與仿真；實(shí)現(xiàn)了多工作環(huán)境間文件互用和數(shù)據(jù)交換；把理論和工程有機(jī)結(jié)合在一起。利用Matlab下的Simulink軟件和電力系統(tǒng)模塊庫(SimPowerSystems)進(jìn)行系統(tǒng)仿真是十分簡單和直觀的，用戶可以用圖形化的方法直接建立起仿真系統(tǒng)的模型，并通過Simulink環(huán)境中的菜單直接啟動(dòng)系統(tǒng)的仿真過程，同時(shí)將結(jié)果在示波器上顯示出來。本文主要通過對(duì)逆變電源的Matlab仿真，研究逆變電路的輸入輸出及其
8、特性，以及一些參數(shù)的選擇設(shè)置方法，從而為以后的學(xué)習(xí)和研究奠定基礎(chǔ)，同時(shí)也學(xué)習(xí)使用Matlab軟件的Simulink集成環(huán)境進(jìn)行仿真的相關(guān)操作。3 Matlab仿真建模根據(jù)系統(tǒng)總體框圖，可將其分為PWM升壓斬波電路和三相逆變電路（含濾波電路），而在三相逆變電路中，SPWM的作用很重要，會(huì)單獨(dú)進(jìn)行一些說明，下面分別對(duì)它們進(jìn)行仿真建模。3.1 斬波電路Matlab仿真建模斬波電路我采用了升壓斬波電路，MATLAB仿真模型如圖6所示，原理前面也講得很清楚了。電路輸出的電壓還要經(jīng)逆變后濾波，故對(duì)波形的要求不是很高，與負(fù)載并聯(lián)的電容C取很大，就可以達(dá)到濾波的目的，因此不需另外添加濾波電路。該電路中開關(guān)器件
9、用IGBT，控制IGBT的波形由PWM脈沖生成器Pulse Generator產(chǎn)生，Pulse Generator在Simulink Library Browser的Simulink下拉菜單Sources類別中。繪制仿真圖時(shí)，打開Simulink Library Browser，可以在分類菜單中查找所需元件，也可以直接在查找欄中輸入元件名稱，如Pulse Generator，雙擊查找。找到元件后直接將其拖到新建Model文件窗口中即可。電路中其他元件按以上方法找出，放入Model文件窗口中。其中電阻、電感和電容元件，選擇SimPowerSystems下拉菜單Elements類別中的Series
10、 RLC Branch，放入窗口后，雙擊該圖標(biāo)，在Branch Type中選擇相應(yīng)類型，如電阻選R，電感選L，選擇完畢后單擊OK按鈕。放齊元件后，按升降壓斬波電路原理圖連接電路，為了方便觀察輸出，應(yīng)在輸出端加上電壓測量裝置Voltage Measurement，并在Simulink下拉菜單Commonly Used Blocks類別中選擇Scope，即示波器，以觀測輸出電壓波形。圖6 升壓斬波電路MATLAB仿真模型3.2 逆變電路仿真建模3.2.1 逆變電路的Matlab模型如圖7所示，為逆變電路的Matlab的仿真模型。此電路采用了三相逆變橋集成塊Universal Bridge 3 ar
11、ms，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。對(duì)于SPWM控制波的生成，因?yàn)檫@一個(gè)模塊基本上是整個(gè)逆變電路的核心，直接用Matlab自帶的模塊集成電路，雖然也可以實(shí)現(xiàn)這一功能，但是顯然沒有對(duì)SPWM波的生成有一個(gè)比較深入的了解，下面會(huì)對(duì)SPWM波的生成，即下面仿真圖中的pwm subsystem進(jìn)行詳細(xì)的說明。圖7 逆變電路的Matlab的仿真模型3.2.2 SPWM波的Matlab仿真模型等腰三角形載波的Matlab仿真如下圖8所示圖8 等腰三角形載波的Matlab仿真模型其波形如下圖9所示圖9 三角形載波圖形生成等腰三角形載波的
12、S函數(shù)如下function sys,x0,str,ts = sanjiaowave(t,x,u,flag,A,Freq)switch flag, case 0, sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizes; case 1, sys=mdlDerivatives(t,x,u); case 2, sys=mdlUpdate(t,x,u); case 3, sys=mdlOutputs(t,x,u,A,Freq); case 4, sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u); case 9, sys=mdlTerminate(t,x,u); otherw
13、ise error(Unhandled flag = ,num2str(flag);endfunction sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizessizes = simsizes;sizes.NumContStates = 0;sizes.NumDiscStates = 0;sizes.NumOutputs = 1; sizes.NumInputs = 1;sizes.DirFeedthrough = 1;sizes.NumSampleTimes = 1; % at least one sample time is neededsys = simsizes(sizes
14、);x0 = ;str = ;% initialize the array of sample times%ts = 0 0;function sys=mdlDerivatives(t,x,u)sys = ;function sys=mdlUpdate(t,x,u)sys = ;function sys=mdlOutputs(t,x,u,A,Freq)%直接在輸出函數(shù)部分編寫三角波的代碼T=1/Freq; %求三角波周期m=rem(u,T); %u為外部輸入時(shí)間信息，rem為求余函數(shù)K=floor(u/T); %floor為向零取整r=4*A*Freq; c=T/2;if (m=0)&(m=c
15、)&(m=T)sys=-r*(u-(K+0.75)*T);else sys=A;endfunction sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u)sampleTime =1; % Example, set the next hit to be one second later.sys = t + sampleTime;function sys=mdlTerminate(t,x,u)sys = ;% end mdlTerminateSPWM波的Matlab仿真模型如下圖10所示圖10 SPWM波的Matlab仿真模型SPWM波的Matlab仿真波形如下圖11所示圖11 S
16、PWM波的Matlab仿真波形3.3 逆變電源仿真建模將斬波電路的輸出接到逆變電路的輸入，就得到逆變電源仿真模型，如圖12所示。圖12 逆變電源仿真模型4 仿真波形4.1斬波電路仿真波形打開斬波電路窗口，根據(jù)參考資料設(shè)置初試參數(shù)，設(shè)置時(shí)雙擊元件圖標(biāo)。輸入直流電設(shè)為100V，開關(guān)器件IGBT和二極管Diode使用默認(rèn)參數(shù)。負(fù)載R=50 ，電感L=6e-04H（即0.6mH），電容C=3e-05F（即30uF）。設(shè)置PWM發(fā)生器周期Period為0.0001s，占空比Pulse Width(% of period)為75.7%，其他參數(shù)不變。單擊Start simulation按鍵，開始仿真，雙擊
17、示波器Scope，觀察輸出波形圖。此時(shí)輸出波形持續(xù)等副震蕩，且幅值太高，很不理想。分析知升降壓斬波電路中電感和電容值均應(yīng)很大，將電容值改為600uF（C=6e-04F），電感值為4.2mH，觀察波形，如圖13 所示，輸出電壓約0.2s后穩(wěn)定在435V。通過幾次調(diào)節(jié)各元件參數(shù)發(fā)現(xiàn)，改變電感和電容的值，輸出電壓穩(wěn)定值也在變化。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(huì)持續(xù)震蕩，應(yīng)取較大，但過大的電容值會(huì)使輸出電壓穩(wěn)定的時(shí)間太長。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。圖13 斬波電路仿真波形4.2 逆變電路仿真波形在SPWM中三角載波的頻率為1000HZ，因?yàn)楸敬握n程設(shè)計(jì)所
18、需要的調(diào)制波為50HZ，而根據(jù)當(dāng)載波比為20時(shí)，逆變電路輸出的波形中諧波含量最小。所以取三角載波的頻率為1000HZ。其幅值為1V，調(diào)制所需要的正弦波由Matlab自帶的函數(shù)庫產(chǎn)生。其頻率當(dāng)然為50HZ,幅值設(shè)為1V，其產(chǎn)生的SPWM波形在上面已給出，變壓器（Transformer）中的繞組參數(shù)（Winding parameters），其變比為1。Three-Phasse Parallel RLC Load模塊，在電路中起著很重要的作用，其一是作為后級(jí)濾波電路，濾除SPWM波中正弦基波中含有的高次諧波，若沒有其濾波作用得到的波形為SPWM波，其不含有低次諧波，諧波主要分布在載波頻率以及載波頻率
19、整數(shù)倍附近。其二是作為逆變電路的負(fù)載。在實(shí)際使用時(shí)，對(duì)于IGBT等全控器件需要加上驅(qū)動(dòng)電路。其輸出波形如下圖14所示。圖14 逆變電路仿真波形4.3 逆變電源仿真實(shí)現(xiàn)首先應(yīng)將斬波電路的輸出電壓調(diào)到450V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)斬波電路中PWM脈沖生成器的占空比達(dá)到75.7%時(shí)，輸出的直流電壓約為435V，此時(shí)的波形如圖15所示，輸出電壓先大幅震蕩，大約0.2s后，穩(wěn)定在435V左右。圖15 逆變電源斬波輸出波形改變逆變電源仿真模型中的參數(shù)到要求值，單擊Start simulation按鍵開始仿真，圖16為逆變電源輸出波形。從圖可知，逆變電源輸出三相交流電相電壓波形幅值為3
20、11V，各相電壓互差120，周期為0.02s即頻率為50Hz。第一個(gè)波形會(huì)出現(xiàn)失，因?yàn)殡娐返秸５捻憫?yīng)需要一段時(shí)間，但從后續(xù)波形看，仿真結(jié)果還是滿足任務(wù)要求的。圖16 逆變電源輸出三相交流電相電壓波形5 心得體會(huì)本次課程設(shè)計(jì)分為以下四個(gè)部分，方案選擇，模塊原理分析，仿真模型以及仿真結(jié)果。首先對(duì)于方案選擇，對(duì)于課設(shè)給出的110V電壓，產(chǎn)生220V的三相交流電壓，直接逆變明顯不滿足要求，所以首先以升壓斬波電路提升直流電壓至滿足要求的一定值，然后再進(jìn)行逆變，這樣就可以滿足課設(shè)要求了，對(duì)于Matlab仿真模型的建立，確實(shí)花費(fèi)了大量的時(shí)間和精力，雖然對(duì)Matlab已經(jīng)談不上陌生，但是Matlab功能太強(qiáng)
21、大，各種仿真模塊庫繁多，對(duì)于SPWM波的產(chǎn)生，在網(wǎng)上查找了不少資料，總算是得出了正確的結(jié)果，在這個(gè)過程中，我也學(xué)會(huì)了很多，特別是S函數(shù)的仿真，S函數(shù)確實(shí)有其獨(dú)到之處，仿真過程中難免遇到很多問題，但萬幸，雖然花了很長時(shí)間和精力去檢查，但最終仿真圖新還是出來了。從這些過程中我看出沒有研究就沒有發(fā)言權(quán)，只有進(jìn)行了深入的研究，你才能更清楚的了解它。在畫升壓斬波電路，逆變電路等模型圖的過程中我用到了Matlab軟件，再一次的讓我重溫了用它畫圖的感覺是最讓我高興的事，記得還是大二時(shí)學(xué)過的軟件課程，但在學(xué)習(xí)的時(shí)候總是感覺差點(diǎn)什么，這次做了課程設(shè)計(jì)讓我明白軟件的學(xué)習(xí)是需要在實(shí)踐中進(jìn)行的。在經(jīng)過學(xué)習(xí)，請(qǐng)教后，我
22、能輕松的畫出自己想要的Simulink仿真圖形，特別是這個(gè)Simulink仿真圖形還包括S函數(shù)的一個(gè)模塊，這時(shí)感覺很有成就感。我認(rèn)為光靠自己一個(gè)人的力量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，當(dāng)自己遇到問題實(shí)在解決不了時(shí)，可以和同學(xué)共同探討，尋找解決辦法。正所謂“三人行，則必有我?guī)煛薄Ｗ詈?，我看著最終的成果，還是覺得受益匪淺的。這次課程設(shè)計(jì)，讓我有機(jī)會(huì)將課堂上所學(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中。這是一次對(duì)所學(xué)知識(shí)的整合，一次綜合利用，在做課程設(shè)計(jì)的同時(shí)也驗(yàn)證了我們課堂上所學(xué)的理論知識(shí)，對(duì)我們以后的工作學(xué)習(xí)具有很大的指導(dǎo)作用，同時(shí)我也明白了在以后的工作中，不僅要?jiǎng)幽X，還要多進(jìn)行動(dòng)手實(shí)踐。參考文獻(xiàn)1 楊蔭福、段善旭、朝澤云.電力電子裝置及系統(tǒng).北京：清華大學(xué)出版社，20062 王維平.現(xiàn)代電力電子技術(shù)及應(yīng)用.南京：東南大學(xué)出版社，1999 3 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20084 葉斌.電力電子應(yīng)用技術(shù)及裝置.北京：鐵道出版社，19995 Robert H.Bishop.Modern Contorl Systems Analysis and Design-Using MATLAB and SimulationM.影印版. 北京：清華大學(xué)出版社，200815
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