2022年PWM逆变器Matlab仿真解析

1、精选学习资料 - - - 欢迎下载武汉理工高校电力电子技术课程设计说明书课程设计任务书同学姓名：专业班级：指导老师：工作单位：题目:pwm逆变器 matlab 仿真 初始条件：输入 110v 直流电压；要求完成的主要任务 : （包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等详细要求）1.得到输出为 220v.50hz 单相沟通电；2.采纳 pwm斩波掌握技术；3.建立 matlab 仿真模型；4.得到试验结果；时间支配：课程设计时间为两周,将其分为三个阶段；第一阶段：复习有关学问,阅读课程设计指导书,搞懂原理,并预备收集设计资料,此阶段约占总时间的20%；其次阶段：依据设计的技术指标要求挑选

2、方案,设计运算；第三阶段：完成设计和文档整理,约占总时间的40%；指导老师签名：年月日系主任（或责任老师）签名：年月日精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载武汉理工高校电力电子技术课程设计说明书目录摘要 . .11 设计方案的挑选与论证.22 逆变主电路设计.22.1 逆变电路原理及相关概念.22.2 逆变电路的方案论证及挑选.32.3 建立单相桥式逆变电路的simulink的仿真模型 .42.3.1模型假设 . .52.3.2利用 matlab/simulink 进行电路仿真 . .53 正弦脉宽调制 spwm原 理及掌握方法的simulink仿真 .63.1 正弦脉冲宽度调制 sp

3、wm原 理 .63.2spwm波的掌握方法 . . 73.2.1双极性 spwm掌握原理及 simulink仿真 . . 73.2.2单极性 spwm掌握原理及 simulink仿真 . . 94 升压电路的分析论证及仿真.114.1boost电路工作原理 . . 114.2boost电路的 simulink仿真 . 125 滤波器设计 .136 pwm逆变器总体模型.157 心得体会 .18参考文献 . .19精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载武汉理工高校电力电子技术课程设计说明书pwm 逆变器 matlab仿真摘要随着电力电子技术,运算机技术,自动掌握技术的快速进展,pwm技术

4、得到了快速进展, spwm 正弦脉宽调制这项技术的特点为原理简洁,通用性强,具有开关频率固定, 掌握和调剂性好,能排除谐波使输出电压只含有固定频率的高次谐波重量,设计简洁等一系列有点,为一种比较好的波形改善法；它的显现对中小型逆变器的进展起了重要的推动作用； spwm 技术成为目前应用最为广泛的逆变用pwm 技术；因此,争论spwm 逆变器的基本工作原理和作用特性意义非常重大.本篇论文以 igbt 构成的单相桥式逆变电路为基础, 争论 spwm 波的产生原理及不同的掌握方法,并借助闻名的科学运算软件 matlab/simulink ,对 spwm 逆变电路进行仿真设计,以达到题目要求的性能指标

5、,并进行结果分析；simulink 为 matlab最重要的组件之一,它供应一个动态系统建模.仿真和综合分 析的集成环境； simulink 中有一个特地用于电力系统仿真的simpowersystems工具箱 、其中囊括了几乎全部的电力电子器件的模型,通过调用这些模型可以完成对各种复杂系统的建仿照真；关键词 ：逆变 spwmmatlab/simulink1精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载武汉理工高校电力电子技术课程设计说明书1 设计方案的挑选与论证从题目的要求可知, 输入电压为 110v 直流电, 而输出为有效值为 220v 的沟通电, 所以这里涉及到一个升压的问题,基于此有两种

6、设计思路第一种为进行 dc-dc 升压变换再进行逆变,另一种为先进行逆变再进行升压；除此之外,要得到正弦沟通电压仍要考虑滤波等问题,所以这两种方案的设计框图分别如下图所示：精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载110v直直流电pwm波220v正精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载流电dc-dc升压斩波逆变滤波弦波精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载110v直图 1-1 方案一：先升压再逆变pwm波pwm波220v正精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载流电逆变变压器升压滤波弦波精品学习资料精选学习资料 - - -

7、 欢迎下载精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载方案挑选：图 1-2 方案二：先逆变,再升压精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载方案一：采纳dc-dc升压斩波电路其牢靠性高.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争论 ,在与后面的逆变电路相连时必需予以考虑,我们可以采纳附加掌握策略的方法来减小超调量同时达到较短的调剂时间,但这将增加逆变器的复杂度和设计成本；方案二：采纳变压器对逆变电路输出的沟通电进行升压,这种方法效率一般可达90%以上.牢靠性较高.抗输出短路的才能较强,但响应速度较慢,体积大,波

8、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,因此本论文挑选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争论；2 逆变主电路设计2.1 逆变电路原理及相关概念逆变与整流为相对应的,把直流电变为沟通电的过程称为逆变；依据沟通侧为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,本论文针对的就为无源逆变的情形；依据直流侧为恒流源仍为恒压源又将逆变电路分为电2精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载武汉理工高校电力电子技术课程设计说明书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

9、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剂,所以本论文只争论电压型逆变电路；依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沟通电,所以本论文将只争论单相逆变电路；2.2 逆变电路的方案论证及挑选从上面的争论可以看出本论文主要争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,仍有一个特点即开关器件普遍挑选全控型器件如igbt ,电力 mosfet 等,有三种方案可供挑选,下面分别予以争论：方案一：半桥逆变电路,如下图所示,其特点为有两个桥臂,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

10、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供应通路,直流侧电容正起着缓冲无功能量的作用；其优点为简洁,使用器件少,缺点为输出沟通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,工作时仍要掌握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；精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载ud/2udv1ri oluovd1精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载ud/2v2vd2精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载图 2-1 半桥逆变电路方案二：全桥逆变电路,如下图所

11、示：其特点为有四个桥臂,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,两对交替各导通 180 ,其输出矩形波的幅值为半桥电路的两倍；全桥电路在带阻感负载时仍可以采纳移相调压的方式输出脉冲宽度可调的矩形波；3精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载武汉理工高校电力电子技术课程设计说明书精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载v1vd1v3vd3精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载udri ol精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载uov2vd2v4vd4精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载图 2

12、-2 全桥逆变电路方案三：带中心抽头变压器的逆变电路,其主要特点为交替驱动两个igbt ,通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为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,但器件承担的电压约为2ud,比全桥电路高一倍,且必需有一个变压器；负载i ououdv1v2vd1vd2图 2-3 带中心抽头变压器的逆变电路方案挑选：全桥电路和带中心抽头变压器的逆变电路的电压利用率为一样的,均比半桥电路大一倍；又由于全桥结构的掌握方式比较敏捷,所以本篇论文挑选单相桥式逆变电路作为逆变器的主电路；2.3 建立单相桥式逆变电路的simulink的仿真模型4精

13、品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载武汉理工高校电力电子技术课程设计说明书2.3.1 模型假设1全部开关器件都为抱负开关器件,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时完成,不考虑死区时间；2全部的输入信号包括触发信号.电源电压稳固,不存在波动；精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载2.3.2 利用 matlab/simulink进行电路仿真在 simulink 工作空间中添加如下元件：simscape/simpower systems /power electronic中s的 diode.igbt 模块精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载si

14、mscape/simpower systems /electrical sources/dc voltage sourc模e 块simscape/simpower systems /elements/series rlc branc模h 块simscape/simpower systems /measurements/current measureme模nt块simscape/simpower systems /measurements/multimete 模r 块simscape/simpower systems /powergu模i块simulink/source/pulse genera

15、tor模块simulink/sinks/floating scope 模块simulink/signal routing/demux 模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 2-4 单相桥式逆变电路模型5精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载武汉理工高校电力电子技术课程设计说明书各个模块的参数设置如下：“dc voltage source”模块幅值设为110v；“powergui”中“ simulationtype”选为“ continuous”,并且选中“enable use of ideal switching device”复选框；“ pulse generato

16、r3”中“amplitude ”设为 1,由于题目要求输出电压频率为 50hz,即周期为 0.02s,所以“period” 设为 0.02,“ phase delay”设为零,即初始相位为零,这一路脉冲送出去用来驱动桥臂 1和 3；“pulsegenerator1”的“ phase delay”设为 0.01,相当于推迟半个周期,以形成与 “ pulsegenerator3”互补的触发脉冲用来驱动桥臂2 和 4,其他参数与“ pulsegenerator3”相同；“ solver”求解器算法设为ode45；仿真时间设为5s,之后便可以开头仿真了,仿 真后 scope 输出波形如下图所示,图中自

17、上而下依次为负载的电压.电流.电源侧电流波形；图 2-5 单相桥式逆变电路scope输出波形从图中可以看出波形与理论上的波形外形相同,说明此逆变电路工作正常；3 正弦脉宽调制 spwm 原理及掌握方法的simulink仿真3.1 正弦脉冲宽度调制spwm 原理pwm脉宽调制技术就为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外形 ；pwm 的一条最基本的结论为：冲量相等而外形不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时其成效基本相同,冲量即窄脉冲面积,这就为我们通常所说的“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

18、这些矩形脉冲的幅值相等,就其脉冲宽度将按正弦规律变化,6精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载武汉理工高校电力电子技术课程设计说明书这种脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的pwm 波形叫做 spwm；示意图如下图所示：图 3-1 spwm 示意图3.2 spwm 波的掌握方法spwm 波的产生方法有运算法和调制法,运算法很繁琐,不易实现,所以在这里不作精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载介绍,重点介绍调制法,即把期望输出的波形作为调制信号ur ,把接受调制的信号作为载精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载波 uc ,通过信号波调制得到所期望的pwm 波形；通常采纳等

19、腰三角波作为载波,由于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,假如在交点时刻对电路中的开关器件进行通断掌握,就可得到spwm波,常见的 spwm 掌握方法有单极性spwm 掌握,双极性spwm 掌握；3.2.1 双极性 spwm 掌握原理及 simulink 仿真所谓的双极性为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spwm 波,其仿真原理图如下图所示：7精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载武汉理工高校电力电子技术课程设计说明书图 3-2 双极性 spwm 信号仿真原

20、理图其输出波形如下图所示：图 3-3 双极性 spwm 信号仿真 scope输出波形图现用 spwm 波产生模块驱动单相桥式逆变电路工作进行仿真,方法为在simulink 中选中 spwm 产生电路,然后右键挑选“ create subsystem”将其放入到一个“ subsystem子系统”中,配置好其输入输出引脚,然后右击该模块,挑选“mask subsystem”对其进行封装,封装后的模块名取为“pwm subsystem”,原理图如下图所示：8精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载武汉理工高校电力电子技术课程设计说明书图 3-4 双极性 pwm 逆变电路仿真模型电路中 rlc

21、皆取默认值, dc voltage source 值取为 110v,仿真后 scope 输出波形如下图所示：图 3-5 双极性 pwm 逆变电路 scope 输出波形3.2.2 单极性 spwm 掌握原理及 simulink 仿真9精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载武汉理工高校电力电子技术课程设计说明书所谓的单极性为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 spwm 信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 3-6 单极性 spwm 信号仿真原理图将该模块做封装后来驱动单相全桥

22、逆变电路,为了使模型结构更加清晰,本次仿真采 用 simulink 库中自带的“ universalbridge通用桥 ”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 3-7 单极性 pwm 逆变电路仿真模型在“universal bridge”模块的属性对话框中, 令桥臂数为 2 即构成单相桥式逆变电路； 在“dc voltage source”中将直流电压值设为110v；pwm 发生器的调制度设为0.5,频率精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载设为 50hz,载波频率设为基波频率的15 倍,所以令输出波形如下图所示：f c =750,即可开头仿真, 仿真后 s

23、cope精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载10精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载武汉理工高校电力电子技术课程设计说明书图 3-8 单极性 pwm 逆变电路 scope 输出波形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,一为先进行升压再进行逆变,二为先进行逆变再进行升压,这一节主要争论先通过boost 电路升压再进行逆变的方法；4.1 boost 电路工作原理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 i1,同时 c 的电压向负载供电,因c 值很大,输出电压uo 为恒值,记为 uo；设 v 通精品学习资料精选学

24、习资料 - - - 欢迎下载的时间为ton ,此阶段 l 上积蓄的能量为ei1ton ；v 断时, e 和 l 共同向 c 充电并向负载 r精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载供电；设 v 断的时间为toff,就此期间电感l 释放能量为u 0ei 1toff,稳态时,一个周期精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载t 中 l 积蓄能量与释放能量相等,即ei 1ton =u 0 -ei 1toff4-1精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎

25、下载化 简 得 ：u 0 =tetoff4-2精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载输出电压高于电源电压,故称升压斩波电路,也称之为boost 变换器；精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载t 与 t off的 比 值 为 升 压 比 , 将 升 压 比 的 倒 数 记 作 , 就14-3精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的缘由：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精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载武汉理工高校电力电子技术课程设计说明书精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载i

26、 1li ovd精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载evcuor精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载图 4-1 boost 电路原理图4.2 boost 电路的 simulink仿真在 simulink 中建立 boost 电路的仿真模型,如下图所示：在“ dcvoltagesource”中设置其幅值为110v ；在“ pulse generator”中设置 period=0.0001s,pulse width占空比 =64.6%,这样才能使输出为311v2202 v ；图 4-2 boost 电路仿真模型仿真后 multima

27、ter 输出波形如下图所示：12精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载武汉理工高校电力电子技术课程设计说明书ub: r500400300200100000.020.040.060.080.10.120.140.160.180.2图 4-3 boost 电路 multimeter 输出波形从图中可以看出 boost 响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,一般期望超调量越小越好,纹波越小越好,调剂时间越短越好,为了保证这几点,需要采用附加掌握策略,这样使系统变得复杂,经过这样一番分析我打算采纳先逆变后升压的方法,采纳升压变压器,其参数设置相对简便,同时也可以的到良

28、好的成效；5 滤波器设计采纳 spwm掌握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邻近的谐波,载波比越高,最低次谐波离基波便越远,也简洁进行滤波；比较常用的为 lc 低通滤波器,其电路图如下图所示：图 5-1 lc 低通滤波器通过适当的选取滤波器的截止频率：精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载1f l =2*lc5-1精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载使其远小于pwm电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抱负的正弦波；可以证明上述 lc 低通滤波器的传递函数为：13精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载武汉理工高

29、校电力电子技术课程设计说明书精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载u o s =u i s121s2 + 2s+15-2精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载lll其中 lc 谐振角频率,=1；阻尼系数,=1l ；us 滤精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载ollc2rc精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载波器输出电压；u i s 滤波器输入电压；s拉普拉斯变换算子；精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载从其传递函数的形式可以看出它为一个二阶系统,我们可以用matlab画出其波特图,从而对 lc 低通滤波

30、器的特性有一个直观的懂得,其波特图如下图所示：bode diagramgm = inf db at inf rad/s 、 pm = -180 deg at 0 rad/s0db-10udeit-20gnam -30精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载gesd ea h p-400-45精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载-90011010234101010精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载frequency rad/s图 5-2 lc 低通滤波器的波特图在 matlab中有一个二阶滤波器模型叫做“2nd-order

31、 filter”,我们可以直接设置其截止频率,属性页如下图所示：图 5-3 2nd-order filter 属性页14精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载武汉理工高校电力电子技术课程设计说明书由于此题期望输出电压频率为50hz,依据前面所述,此处截至频率可取为100hz；6 pwm 逆变器总体模型在 simulink 中按下图接线图 6-1 pwm 总体模型各个模型主要参数设置：“dc voltage source”幅值设为 110v；“ universal bridge”设置为 2 个桥臂； “ descrete pwm generato”r中“ generator mode”设

32、置为 2-arm-bridge4pulses；“ carrier frequency载波频率 ”设置为 750hz；“ modulation index调制深度 ”： 0.7,“ frequency of output voltage ”设置为 50hz；“ linear transformer 线性变压器 ”变比为 150/611；“ 2nd-order filter”中“cut-off frequency ”设为 100hz；“series rlc branch”精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载中 r=50, l =10-3 h ；仿真时间为10s；全部参数设置完毕后可以启动

33、仿真,仿真终止后精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载scope1（与滤波器相连的示波器）的输出波形如下图所示：15精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载武汉理工高校电力电子技术课程设计说明书图 6-2 scope1输出波形scope输出波形如下图所示：精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载图 6-3 scope输出波形为了看的的更加清晰,在scope1 的属性页中勾选 save data to workspac（e将数据储存到 matlab工作空间中,在命令窗口中调用如下命令：>> plotscopedata1.time、scopedata1.signal

34、s.values、'-r'>> grid on>> title'scope1 输出波形 '>> xlabel'时间/秒'>> ylabel'幅值/伏'见图 6-4）,精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载16精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载武汉理工高校电力电子技术课程设计说明书可得到重新绘制的scope输出波形见图 6-5图 6-4 scope1属性页scope1 输出波形3002001000/伏值幅-100-200-300精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载-40000.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1时间 / 秒精品学习资料精选学习资料 - - - 欢迎下载图 6-5 命令行绘制的 scope1输出波形从图中 6-5 中可以看出 scope1输出波形基本上为标准正弦波,周期为0.02s,频率为 50hz,从图 6-1 中可以看出 display 显示有效值为 2