单相逆变电源Matlab仿真研究

1、学 号： 课 程 设 计题 目单相逆变电源Matlab仿真研究学 院自动化学院专 业自动化专业班 级姓 名指导教师2012年12月28日武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 自动化学院 题 目: 单相逆变电源Matlab仿真研究初始条件：输入直流电压：100V。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、输出220V单相交流电。2、建立单相逆变器Matlab仿真模型。3、进行仿真实验，得到单相交流电波形。时间安排：课程设计时间为两周，将其分为三个阶段。第一阶段：复习有关知识，阅读课程设计指导书，搞懂

2、原理，并准备收集设计资料，此阶段约占总时间的20%。第二阶段：根据设计的技术指标要求选择方案，设计计算。约占总时间的40%。第三阶段：完成设计和文档整理，约占总时间的40%。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘要1ABSTRACT21设计意义及要求31.1设计意义31.2设计要求32方案设计42.1设计思路42.2 方案设计43部分电路设计53.1单相桥式PWM逆变电路53.1.1SPWM逆变器的工作原理53.1.2单相桥式PWM逆变电路63.2 升压变压电路73.3 滤波电路84 仿真建模841 Simulink仿真环境84.2 单相桥式逆变电路仿真建模10

3、4.3 逆变电源仿真建模105 仿真实现115.1 单相逆变电路仿真实现115.2 逆变电源仿真实现126 心得体会14参考文献15摘要随着电力电子技术的不断发展，可控电路直流电动机控制，可变直流电源等方面得到了广泛的应用,而这些都是以逆变电路为核心。现如今，逆变器的应用非常广泛，在已有的各种电源中，蓄电池，、干电池、天阳能电池都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变。另外，交流电机调速变频，感应加热电源等使用广泛的电力电子设备，都是以逆变电路为核心。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路中，绝大多数都是PWM型逆变电路。可

4、以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才发展得比较成熟，从而确定了它在电力电子技术中的重要地位。本文建立了基于Matlab的单相桥式SPWM逆变电路的动态模型给出了仿真的实例与仿真结果，验证了模型的正确性，并展现了Matlab仿真具有的快捷，灵活，方便，直观的优点，从而为电力电子电力的数学及设计提供了有效的工具。关键字：单相桥式 逆变电路 SPWM Matlab仿真ABSTRACTWith the continuous development of power electronic technology, controlled circuit dc motor control, va

5、riable dc power supply, etc a wide range of applications, and these are inverter circuit as the core. Nowadays, the inverter is widely applied in all kinds of power supply has been, battery, battery, day Yang can battery are dc power supply, when need the power supply to the ac load power supply, th

6、ey need to inverter. In addition, ac motor speed control frequency conversion, induction heating power supply, the use of a wide range of power electronic equipment, are inverter circuit as the core. PWM control technology in the application of inverter circuit most widely, the inverter circuit is t

7、he most profound influence. Now a lot of application of inverter circuit, the vast majority are PWM type inverter circuit. Can say PWM control technology in inverter circuit is depends on the application, to develop more mature, so as to determine the power electronic technology in the important pos

8、ition. This paper established based on Matlab single-phase bridge SPWM inverter circuit dynamic model gives the simulation examples and simulation results, the accuracy of the model is proved, and show the Matlab simulation is fast, agile, convenient, intuitive advantages, thus for power electronic

9、power of mathematics and is designed to provide an effective tool. Key words: single-phase bridge inverter circuit SPWM Matlab simulation15单相逆变电源Matlab仿真研究1设计意义及要求1.1设计意义 通过对电力电子技术、数字电子技术基础和模拟电子技术基础的学习，我们掌握了各种电路以及一些元器件芯片的结构、工作原理以及各元器件芯片的功能及使用方法，不过这些都只是理论上的知识，通过本次课程设计，我们可以将理论所学的知识与实践联系起来，不仅加深了我们对理论知识

10、的理解，而且训练了我的创新思维，也提高了我综合解决问题的能力。通过对单相逆变电源的学习和研究，我对单相逆变电源的理解更深入了一些，对其工作原理以及其在各方面的应用有了更进一步的了解，同时也对单相逆变电源的各项指标要求的设计方法有了一个大体的了解。总之，通过本次课程设计，加深了对理论知识的理解及掌握，还学到了许多课本上学不到的知识，通过理论联系实际，收获颇多。1.2设计要求在初始条件：输入直流电压：100V。要求完成的主要任务: 1、输出220V单相交流电。2、建立单相逆变器Matlab仿真模型。3、进行仿真实验，得到单相交流电波形。2方案设计2.1设计思路本次课程设计的要求是对单相逆变电源进行

11、Matlab仿真研究，输入为100V的单相直流电，输出为220V的单相交流电，在此可以采用PWM控制技术和变压器的变压原理来建立单相逆变电源的Matlab仿真模型，并进行仿真实验，从而得到单相交流电波形。2.2 方案设计根据本次课设要求，可以先将输入的100V直流电压通过单相桥式PWM逆变电路逆变为交流电压，但是逆变后得到的交流电压相对较小，因此需要再经过变压器升压。因此可将单相电压型桥式逆变电路和升压变压器组合起来，即将逆变后的电压作为升压变压器的一次侧进行升压，进而得到所要求的220V单相交流电。在此组合电路中可以采用PWM控制技术中的调制法来控制单相桥式逆变电路中各个开关器件IGBT的通

12、断。在单相逆变这一部分，这里的逆变电路属电压型，采用等腰三角波作为载波信号，用SPWM进行控制。由于该电路的输出含有谐波，除了使波形具有对称性减少谐波和简化控制外，还需要专门的RLC滤波电路对其进行滤波。在升压这一部分，比较简单，只要采用升压变压器即可。逆变采用PWM逆变电路，采用SPWM作为调制信号，输出PWM波形，经过滤波电路后再进行升压即可以得到220V的单相交流电。系统总体框图如图2-1所示。并通过Simulink进行仿真。单相逆变电路100V DCPWM波滤波电路升压变压器35.4V ACSPWM调制信号220V AC图2-1 系统总体框图所以整体电路图如下图2-2所示：图2-2单相

13、桥式电源整体电路图3部分电路设计 由图2-2可知，单相逆变电源电路由单相桥式PWM逆变电路、升压变压电路、滤波电路等三部分组成。七个部分的设计及原理如下。3.1单相桥式PWM逆变电路3.1.1SPWM逆变器的工作原理本次课程设计要求逆变器输出的是一个正弦交流电压波形，可以把一个正弦半波分作N等份，就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相同，但幅值不等，且脉冲顶部是曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点与相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，所得到的脉冲序列就是SP

14、WM波形。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。它们都是基于面积等效原理。在此课设中的一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出SPWM波形。由于各脉冲的幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电。当逆变器各开关器件都是在理想状态下工作时，驱动相应的各个IGBT的信号也应为与形状相似的一系列脉冲波形。如下图3-1所示。图3-1PWM控制原理图3.1.2单相桥式PWM逆变电路单相桥式PWM逆变电路具体电路图如下图3-2所示，电压型全桥逆变电路可看成由两个半桥电路组合而成，共4个桥臂，桥臂1和4为一对，桥臂2和3为另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通。该电路采用PWM控制技术，设调制信号ur为

15、正弦波，载波uc在ur的正半周为正极性的三角波，在ur的负半周为负极性的三角波。在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。在ur的正半周，V1保持通态，V2保持断态，当ur>uc时使V4导通，V3关断，u0=Ud；当ur<uc时使V4关断，V3导通，u0=0。在ur的负半周期，V1保持断态，V2保持通态，当ur<uc时使V3导通，V4关断，u0=- Ud； 当ur>uc时使V3关断，V4导通 ,u0=0，这样就得到SPWM波形u0。像这种在ur的半个周期内三角波载波只在正极性或负极性一种极性范围内变化，所得到的PWM波形也只在单个极性范围变化的控制方式称为单极性PWM控

16、制方式。通过调制电路来控制各IGBT的通断从而获得交流波形。图3-2单相桥式PWM逆变电路 对电压波形进行定量分析将幅值为Uo的矩形波展开成傅里叶级数，得其中基波幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为3.2 升压变压电路要得到220V的交流电，必须在输出量较小的逆变电路后加一个升压电路，在此可以将逆变电路的输出侧接到升压变压器的输入端，通过修改变压器的参数就可以得到所需要的交流电压。升压变压器如图3-3所示。图3-3升压变压器3.3 滤波电路 根据SPWM信号特点：1、开关频率往往高于基波频率很多倍；2、开关频率的谐波含量很大。因此，滤波器对通带平坦度和阻带衰减速度都有较高的要求。综合指标较好的

17、滤波器应该是采用通带内有最大平坦响应的巴特沃斯低通滤波器，通过增加阶数来提高阻带衰减速度。SPWM信号较多的出现在变频器输出，变频器输出信号电压高、电流大，不能采用有源滤波器，一般采用简单的LC低通滤波器。LC低通滤波器的电路图如下图3-4所示。图3-4 RLC低通滤波器4 仿真建模对于本次课程设计，根据系统的总体框图，可将其分为单相桥式PWM逆变电路（含滤波电路）和变压器升压电路两部分，下面分别对其进行仿真建模。41 Simulink仿真环境Matlab运算功能强大，计算准确又快捷；同时Matlab提供的动态仿真工具Simulink可直接建立电路仿真参数，并且可以立即得到参数修改后的仿真结果

18、，直观性强，省去了编程步骤，实体图形化模型的仿真简单，方便，能节省设计时间与降低成本。Matlab绘制的图形尤其准确，清晰，精美。电力电子技术领域通常利用Matlab中的Simulink其中的电气系统模块库（Power System Blockser）建立电力电子装置的简化模型并进行控制器的设计和仿真。Simulink是Matlab的重要组成部分，具有提供建立系统模型、选择仿真参数和数值算法、启动仿真程序对该系统进行仿真、设置不同的输出方式来观察仿真结果等功能。Simulink是一种很有效的仿真工具，它能让使用者在图形方式下以最小的代价来模拟真实动态系统的运行。Simulink准备有数百种系统

19、环节模型、最先进的有效积分算法和直观的图示化工具。依托Simulink强健的仿真能力，用户在原型机制造之前就可建立系统的模型，从而评估设计并修复瑕疵。Simulink仿真环境的存在使得Matlab的功能进一步增强，主要表现为三方面，即有模型的可视化，实现了多工作环境间文件互用和数据交换以及把理论和工程有机结合在一起。利用Matlab软件下的Simulink仿真环境和电力系统模块库(SimPowerSystems)对电力电子电路进行系统仿真是十分简单和直观的，用户可以用图形化的方法直接建立起仿真系统的模型，并通过Simulink环境中的菜单直接启动系统的仿真过程，同时也可以将结果在示波器上显示出

20、来。Simulink仿真环境具有如下的特点：（1）建立动态的系统模型并进行仿真；Simulink是一种图形化的仿真工具，用于对动态系统建模和控制规律的研究制定。由于支持线性、非线性、连续、离散、多变量和混合式系统结构，Simulink几乎可分析任何一种类型的真实动态系统。（2）以直观的方式建模；（3）交互式的仿真分析。本次课程设计要求我们学会使用Matlab软件的Simulink集成环境进行仿真的相关操作，通过对逆变电源的Matlab仿真，输出使逆变电路输出的波形符合条件，同时在仿真过程中需要对仿真图形里的一些电力电子元件的参数进行设置，从而得到题目要求的输出电压的波形，而且通过本次课程设计的

21、实践有利于巩固电力电子这门学科的知识，并且能更熟悉Matlab的使用方法及步骤。4.2 单相桥式逆变电路仿真建模 本次课程设计采用单相桥式PWM逆变电路，电路原理图如3-2所示。在Matlab>Help中的搜索栏输入Three-Phase Two-Level PWM Voltage Source Converters。此电路采用了逆变桥集成块Universal Bridge 3 arms，在此电路的基础上稍作修改，即构成单相桥式PWM型逆变电路模型，具体来讲可将直流电源的电压值即Amplitude改为100V，将逆变桥集成块Universal Bridge 3 arms中的参数Numbe

22、r of bridge arms改为2，将Discrete PWM Generator 6 pulses的参数Genetor Mode改为2-arm bridge(4 pulses), 将参数Sample Time改为4.6e-04,将参数Modulation Index改为0.87，将参数Frequency of output voltage改为50Hz，Carrier frequency改为200Hz。将示波器Scope的参数Time range改为0.08，在这个逆变电路中的变压器是用于隔离的，变比设为1:1，不升降电压，此外在输出时加入一个二阶滤波器就，即LC滤波器，将Cut-off

23、frequency改为50Hz,各个元件的参数可以根据需要稍作修改直至输出电压符合要求，为了方便观察输出，应在输出端加上电压测量装置Voltage Measurement和示波器Scope，构成的单相桥式PWM逆变电路，如图4-1所示。图4-1 单相桥式PWM逆变电路4.3 逆变电源仿真建模将单相桥式逆变电路的输出接到升压变压器的一次侧，就得到逆变电源仿真模型。在逆变部分各元件的参数已经确定的前提下，设置升压变压器的参数V1 Ph-Ph(Vrms)的值，然后进行仿真运行，如果得不到所要波形，则可以不断地改变，然后再次进行试验，反复试验运行，就可以得到本次课程设计题目所要求的输出的波形。单相逆变

24、电源的仿真模型如图4-2所示。图4-2 逆变电源仿真模型5 仿真实现5.1 单相逆变电路仿真实现逆变电路中的参数主要有离散PWM生成器（Discrete PWM Generator）中的载波频率（Carrier frequency）、采样时间（Sample time）、调制参数（Modulation index）和输出电压频率（Frequency of output voltage），变压器（Transformer）中的绕组参数（Winding parameters），Three-Phasse Parallel RLC Load模块中的参考点相电压（Nominal phase-to-phase

25、 voltage）和频率（Nominal frequency）。可以根据需要改变各个参数，以达到所需输出的波形。单相桥式逆变电路的仿真波形如图5-1所示。图5-1逆变电路仿真波形5.2 逆变电源仿真实现通过对单相桥式逆变电路的参数进行设置将逆变电路的输出电压调到50V（峰值）左右，然后再对逆变电源进行仿真。若仿真出来的波形不满足要求的220V（有效值）交流这一条件，则可以反复设置升压变压器的参数以得到所需要的波形。通过反复试验可知，当单相桥式逆变电路中的Discrete PWM Generator 4 pulses的参数Modulation Index为0.87左右时，输出的交流电压约为40V

26、（峰值），此时的波形如图5-2 所示，输出电压是幅值为40V，周期是0.02s的正弦交流波形。图5-2逆变电源逆变部分的输出波形改变单相逆变电源仿真模型中的升压变压器的参数进而来仿真，由理论值进行计算得升压变压器的变比为，所以设升压变压器的变比为100:777.5，若是输出波形不是220V交流电则可以改动变压器参数再进行仿真，直至输出波形符合要求（即峰值约为311V）。图5-3为最终的逆变电源输出波形。可见逆变电源输出的单相交流电的波形为幅值是311V，周期是0.02s，符合课程设计的题目要求。图5-3 逆变电源输出波形6 心得体会通过本次电力电子技术课程设计，我进一步熟悉了使用Matlab软件仿真集成环境Simulink对电路进行仿真的基本操作方法，同时对课本上的逆变电源电路的原理有了进一步的理解。当然，在做课程设计的过程中我碰到了各种问题，对于出现的问题，首先我会通过自己查阅课本，或者到图书馆借阅课外有关资料来解决，实在解决不了我会主动请