三相桥式PWM逆变器仿真研究-城建课设

1、运动控制系统课程设计课题：三相桥式PWM逆变器仿真研究系 别： 专 业： 姓 名： 学 号： 成 绩：河南城建学院 目录一、设计目的2二、设计任务及要求2三、方案设计21、三相桥式PWM逆变电路的工作原理22、状态空间模型33、系统的可控性和可观测性63.1 可控性判断63.2 可观测性判断64、整体方案设计75、仿真建模75.2三相桥式PWM逆变电路仿真建模95.3三相逆变电源总体电路仿真建模116、仿真结果116.1直流升压斩波电路仿真结果116.2三相桥式PWM逆变电路仿真实现结果126.3闭环反馈电路仿真实现结果136.4三相逆变电源总体仿真实现结果13四、心得体会15五、参考文献16

2、一、设计目的随着电力电子技术，计算机技术，自动控制技术的迅速发展，PWM技术得到了迅速发展，PWM正弦脉宽调制法这项技术的特点是原理简单，通用性强，具有开关频率固定，控制和调节性能好，能消除谐波使输出电压只含有固定频率的高次谐波分量，设计简单等一系列有点，是一种比较好的波形改善法。它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。PWM技术成为目前应用最为广泛的逆变用PWM技术。因此，研究PWM逆变器的基本工作原理和作用特性意义十分重大。二、设计任务及要求自拟负载，可选用电机或阻感负载等，画出系统主电路和控制电路的结构图，并进行仿真或实验验证系统的合理性。三、方案设计1、三相桥式PWM逆变电路的

3、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，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相同，现以U为例来说明。当时，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。 2、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

4、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： （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

5、矩阵，输入矩阵，输出矩阵，直接传递矩阵D=03、系统的可控性和可观测性3.1 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 = 93.2 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=

6、obsv (A,C); rank(TC)ans = 94、整体方案设计整体方案设计为直流斩波电路采用PWM斩波控制的升压斩波电路，输出的直流电送往逆变电路。逆变采用三相桥式PWM逆变电路，采用SPWM作为调制信号，输出PWM波形，再经过滤波电路得到380V、50Hz三相交流电，在电压输出侧进行电压采样进而与理想输出值比较转换之后产生所需要的PWM波，控制输出的稳定和准确。系统总体框图如图2-1所示。图3 系统总体框图5、仿真建模根据系统总体框图，可将其分为升压斩波电路，三相逆变电路（含滤波电路）和闭环反馈电路，下面分别对其进行仿真建模，然后再进行总体电路的仿真建模。5.1升压斩波电路仿真建模升

7、压斩波电路可以选用基本的升压斩波电路，升压斩波电路原理图如图3-1所示。该电路的基本工作原理是：假设L和C值很大，当V处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为I1，同时电容C上的电压向负载R供电，因为C值很大，基本保持输出电压Uo恒定。当V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。电路输出的电压还要经逆变后滤波，故对波形的要求不是很高，与负载并联的电容C取很大，就可以达到滤波的目的，因此不需另外添加滤波电路。图4 直流升压斩波电路由于本次设计着重于在Matlab

8、中进行仿真建模，所以对于各种元器件的查找和仿真使用就显得尤为重要。可以先打开SimulinkLibraryBrowser，在分类菜单中查找所需元件，也可以直接在查找栏中输入元件名称，双击查找。在最开始的时候没有找到电阻、电容和电感，后来经过多方努力终于知道了方法，选择SimPowerSystems下拉菜单Elements类别中的SeriesRLCBranch，放入窗口后，双击该图标，在BranchType中选择相应类型，如果是电阻就选择R，如果是电感就选择L，选择完毕后单击OK按钮。在仿真中控制IGBT的波形由PWM脉冲生成器PulseGenerator产生，可以双击PulseGenerato

9、r对占空比进行修改，这是一种很简单的方法来控制输出电压的值。当把元件找齐之后，按照升压斩波电路原理图连接电路，为了方便观察输出，应在输出端加上电压测量装置VoltageMeasurement，并通过示波器Scope来观测输出电压的波形。所构成的直流升压斩波电路仿真模型，如图5所示图5 升压斩波电路仿真图5.2三相桥式PWM逆变电路仿真建模逆变电路可参考三相桥式PWM型逆变电路，其电路图如图1所示。该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载波cu，三相的调制信号rUu、rVu和rWu依次相差120。U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U相为例来说明。当rUu

10、cu时，给上桥臂1V以导通信号，给下桥臂4V以关断信号，则U相相对于直流电源假想中点N的输出电压/2UNduU=。当rUucu时，给4V以导通信号，给1V以关断信号，则/2UNduU=。1V和4V的驱动信号始终是互补的。当给1V（4V）加导通信号时，可能是1V（4V）导通，也可能是二极管1DV（4DV）续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定。V相和W相的控制方式都和U相相同。电路的波形如图6所示。图6三相桥式PWM逆变电路波形采用双极性方式时，在ur的半个周期内，三角波载波不再是单极性的，而是有正有负，所得的PWM形也是有正有负。在ur的一个周期内，输出的PWM波只有Ud两种电平，而不像单

11、极性控制时还有零电平。仍然在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关的通断。在ur的正负半周，对各开关器件的控制规律相同，如下图7所示图7 双极性PWM控制方式波形5.3三相逆变电源总体电路仿真建模本次设计的三相逆变电源总体电路包括直流升压斩波电路，三相桥式PWM逆变电路和闭环反馈电路，将升压斩波电路的输出接到逆变电路的输入，接着在逆变电路输出端接上反馈电路，经过处理后产生的PWM波连接到直流升压斩波电路的开关器件IGBT的控制端，这样就得到本次设计的逆变电源的总体仿真模型，如图8所示图11逆变电源总体电路仿真模型6、仿真结果6.1直流升压斩波电路仿真结果分析直流升压斩波电路的原理，并根

12、据参考资料设置各项初始参数，输入直流电设置为200V，开关器件IGBT和二极管Diode使用默认参数，其他器件的参数可以通过调试和参考资料进行设置。如果改变开关器件IGBT的占空比的值，可以改变其输出电压值，在仿真过程中能够得到很好的体现，符合直流升压斩波电路的原理。经过多次调节各元件参数发现，增大PWM波形的占空比或增大电感值，输出电压稳定值增大。电容的作用主要是使输出电压保持住，电容值过小输出波形会持续震荡，应取较大，但过大的电容值会使输出电压稳定的时间太长。根据以上规律反复改变各元件参数，直到得到满意的结果。如下图12即为当占空比为50%的时候，仿真建模得到的输出波形，该波形是在Scop

13、e中观察到的图12 直流斩波电路仿真波形很显然，当占空比为50%时输出电压应该为200V的两倍，即为400V，在仿真得到的波形中可以看到在0.038s后输出稳定的直流电压400V，效果比较好，满足要求。6.2三相桥式PWM逆变电路仿真实现结果这里说的三相桥式PWM逆变电路包括了滤波电路在进行逆变电路的仿真中，交流电的输出波形很容易受到一些参数的影响。在设计中要求输出交流电为380V，此值为线电压，则每相电压有效值为220V，每相输出的正弦波幅值为2202V，约为311V。根据此要求反复调节各元件参数，发现当输入直流电压为689.85V，离散PWM生成器的调制参数m=0.98时输出电压满足要求。此时逆变电路的输出波形如图13三相桥式PWM逆变电路仿真波形所示图13三相桥式PWM逆变电路仿真波形6.3闭环反馈电路仿真实现结果经过闭环反馈电路得到的输出PWM波形（占空比为71.1%）如图14所示图14 闭环反馈电路图6.4三相逆变电源总体仿真实现结果首先应该将升压斩波电路的输出电压调到689.85V左右，再对逆变电源进行仿真。反复调节参数知当直流升压斩波电路中PWM脉冲生成器的占空比达到71.1%时，输出的直流电压约为690V，此时的波形如图15三相逆变电源升压斩波电路输出波形所示，输出电压先大