三相逆变器仿真.docx

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三相逆变器仿真

课程设计任务书

学生姓名：

专业班级：

指导教师：

工作单位：

题目:

三相逆变器仿真

初始条件：

输入200V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，以及说明书撰写等具体要求）

1、得到输出为380V、50Hz三相交流电；

2、采用PWM斩波控制技术；

3、建立Matlab仿真模型；

4、得到实验波形。

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。

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

摘要I

1概述及设计要求1

1.1概述1

1.2设计要求1

2方案比较与选择2

2.1升压电路比较与选择2

2.2逆变电路方案比较与选择2

2.3闭环反馈电路比较与选择2

2.4总体电路方案设计3

3设计原理3

3.1升压斩波原理3

3.2双极性SPWM控制电路的原理4

3.3三相电压型桥式逆变电路原理5

4Matlab仿真及结果6

4.1升压斩波电路Matlab仿真及结果6

4.2三相桥式逆变电路Matlab仿真及结果7

4.3整体电路Matlab仿真及结果10

5心得体会12

参考文献13

本科生课程设计成绩评定表14

摘要

本次课程设计题目要求为三相逆变器的仿真，分为以下四个部分，方案选择，各电路原理分析，仿真模型以及仿真结果。

本文将按照设计思路对过程进行剖析，并进行相应的原理讲解，包括升压斩波电路的原理和逆变电路的理论基础等。

最后结合MatlabSimulink仿真，建立了升压斩波电路模型、三相桥式电压源型逆变电路的仿真模型，进而通过仿真得到较为理想的实验波形，达到了设计的要求。

关键词：

升压斩波三相桥式逆变电路Matlab仿真

三相逆变器仿真

1概述及设计要求

1.1概述

所谓电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，GTR，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。

电力电子技术的应用范围十分广泛，它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等。

在生产实践中，存在着与整流过程相反的要求，即要求把直流电转变成交流电这种对应于整流的逆变过程为逆变。

逆变电路的应用非常广泛。

在已知的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。

PWM控制技术就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）；面积等效原理是PWM技术的重要基础理论。

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，绝大部分都是PWM型逆变电路。

本文主要通过对三相逆变电源的Matlab仿真，研究逆变电路的输入输出及其特性，以及一些参数的选择设置方法。

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。

1.2设计要求

本设计要求输入200V直流电压，采用PWM斩波控制技术，得到输出为380V、50HZ三相交流电，并且建立Matlab仿真模型，得到实验波形。

2方案比较与选择

由于要求的输出为380V,50HZ三相交流电，显然不能直接由输入的200V直流电逆变产生，需将输入的200V直流电压通过升压电路提高电压，再经过逆变电路及滤波电路得到要求的输出。

2.1升压电路比较与选择

方案一：

通过升压斩波电路来提高电压，然后进行三相逆变和滤波，在本次设计中采用此方案，即通过升压斩波电路来升高直流电压，这样可以达到便于控制输出电压达到可以完成三相逆变的目的。

方案二：

先将输入的直流电压进行三相逆变，然后通过变压器升压，这种方案不能方便的对升压环节进行输出电压值的控制，而且会用到三个变压器，比较麻烦。

本次设计中采用方案一，经过升压斩波电路升压，然后进行三相逆变和滤波，可以很好的控制输出的直流电压和输出的三相电。

2.2逆变电路方案比较与选择

方案一：

用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路，然后进行滤波。

在本次设计中不采用此方案，此方案需要三个单相逆变电路，电路结构会变得复杂且可能不太好控制。

方案二：

逆变电路采用三相桥式PWM逆变电路。

三相桥式逆变电路应用最为广泛，电路不是很复杂，且很容易对输出进行控制。

根据直流侧电源性质不同，逆变电路可分为电压型逆变电路和电流型逆变电路，这里的逆变电路属电压型逆变电路。

采用等腰三角波作为载波，用SPWM进行双极性控制。

该电路的输出含有谐波，需要专门的滤波电路进行滤波。

滤波电路采用RC滤波电路。

经过逆变电路和滤波电路就可以在三相电压输出侧得到题目要求的380V、50Hz三相交流电。

2.3闭环反馈电路比较与选择

为了让输出电压更加稳定和准确，所以在本次设计仿真建模中很有必要进行闭环反馈电路的设计。

方案一：

在升压斩波电路输出进行采样比较，然后反馈会升压斩波电路的IGBT的控制端，使输出的直流电压更加的稳定，从而使后面三相电压也稳定。

方案二：

在三相逆变电路输出进行采样比较，然后反馈会升压斩波电路的IGBT的控制端，使输出的三相电压更加的稳定。

本此选择方案二，因为方案二的反馈比方案一的更加完整，是对整个电路的，会使整个电路稳定。

2.4总体电路方案设计

整体方案设计：

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2.1系统总体框图

3设计原理

3.1升压斩波原理

升压斩波电路如下图3.1所示。

假设电路中电感L值、电容C值很大，当可控开关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通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为

。

当V断开时，E和L共同向C充电并向负载R供电。

设V断的时间为

，则此期间电感L释放能量为

。

当电路稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等，即

化简得

输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。

T与

的比值为升压比，将升压比的倒数记作β，则

故

升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因：

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。

图3.1升压斩波电路原理图

3.2双极性SPWM控制电路的原理

目前应用最为广泛的是电压型PWM逆变电路,脉宽控制方法主要有计算机法和调制法两种，但因为计算机法过程繁琐，当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位发生变化时，结果都要变化，而调制法在这些方面有着无可比拟的优势，因此，调制法应用最为广泛。

所谓调制法，就是把希望输出的波形作为调制信号ur，把接收调制的信号作为载波uc，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。

本次课程设计任务要求设计三相电压源型SPWM逆变电路，输出PWM电压波形等效为正弦波，因而信号波采用正弦波，载波采用最常用的等腰三角形。

在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关器件的通断。

在ur的半个周期内，三角波载波不是单级性的而是有正有负，所得的PWM波也是有正有负，在ur的一个周期内，输出的PWM波只有±Ud两种电平。

在ur的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。

当ur>uc时，V1和V4导通，V2和V3关断，这时如io>0，则V1和V4通，如io<0，则VD1和VD4通，不管哪种情况都是

当ur0，则VD2和VD3通，不管哪种情况都是

这样就得到了正弦信号与三角载波的比较波形即SPWM波，此波形在效果上等效于调制波。

3.3三相电压型桥式逆变电路原理

用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路。

但在三相逆变电路中，应用最为广泛的还是三相桥式逆变电路。

采用IGBT作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路如图3.2所示，可以看成是由三个半桥逆变电路组成。

图3.2三相电压型桥式逆变电路原理图

电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为了方便分析，画作串联的两个电容器并标出假想中点

。

和单相半桥、全桥逆变电路相同，三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是1800导电方式，即每个桥臂的导电角度为1800，同一相上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度以此相差1200。

这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。

可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。

因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流。

对于U相输出来说，当桥臂1导通时，

，当桥臂4导通时，

。

因此，

的波形是幅值为

的矩形波。

V、W两相的情况和U相类似，

、

的波形形状和

相同，只是相位依次差120°。

4Matlab仿真及结果

4.1升压斩波电路Matlab仿真及结果

由于本次设计着重于在Matlab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。

图4.1为升压斩波电路模型，该电路中开关器件用IGBT，控制IGBT的波形由PWM脉冲生成器PulseGenerator产生，PulseGenerator在SimulinkLibraryBrowser的Simulink下拉菜单Sources类别中。

在绘制仿真图时，打开SimulinkLibraryBrowser，可以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，如PulseGenerator，双击查找。

找到元件后直接将其拖到新建Model文件窗口中即可。

IGBT和二极管，选择SimPowerSystems下拉菜单PowerElectronics类别中的IGBT和Diode。

电阻、电感和电容元件，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，如电阻选R，电感选L，电容选C，选择完毕后单击OK按钮。

放齐元件后，按升降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，并在Simulink下拉菜单CommonlyUsedBlocks类别中选择Scope，即示波器，以观测输出电压波形。

图4.1升压斩波电路模型

打开升压斩波电路示波器窗口，设置参数，设置时双击元件图标。

输入直流电设为200V，开关器件IGBT和二极管Diode使用默认参数。

通过几次调节各元件参数发现，改变电感和电容的值，输出电压稳定值也在变化。

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。

负载R=50

，电感L=5e-04H（即0.5mH），电容C=6.5e-04F（即650uF）。

设置PWM发生器周期Period为0.0001s，占空比PulseWidth（%ofperiod）为75%。

单击Startsimulation按键，开始仿真，双击示波器Scope，观察输出波形图。

此时输出波形如图4.2。

图4.2升压仿真波形

图中电压值最终稳定在800V，与理论值

=4/1*200=800V相同，说明该升压斩波电路可以很好的工作。

4.2三相桥式逆变电路Matlab仿真及结果

如图4.3所示，为不带载的三相桥式逆变电路的Matlab的仿真模型。

此电路采用了三相逆变桥集成块UniversalBridge，变压器起隔离的作用，不然无法仿真。

图4.3不带载的三相桥式逆变电路模型

如图4.4所示，为不带载的三相桥式电路的波形。

没有滤波，波形有正弦波的趋势，也是三相的。

图4.4带载的三相桥式电路的波形

如图4.5所示，为加载后的三相桥式逆变电路，负载为R和C，它们同时也起到滤波的作用。

R=2欧，C=1000uF，则截止频率为，可以滤除高频谐波，起到使正弦波更平滑的作用。

图4.5带载三相桥式逆变电路模型

下面对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量分析。

把输出线电压展开成傅里叶级数得：

式中，

，

为自然数。

输出线电压有效值

为

接下来，我们再对负载相电压

进行分析。

把

展开成傅里叶级数得

式中，

，k为自然数。

负载相电压有效值

为

要求输出380V为线电压有效值，所以

，升压斩波电路的输出电压应为465.7V，因为测量的是相电压，则测得的相电压有效值应为220V，相电压幅值应为311V。

设置直流电输入为465.7V，图4.6为示波器输出波形。

图4.6带载三相逆变电路波形

从示波器的输出波形可以看出三相各差1200，周期为0.02Hz，即频率为50Hz，相电压幅值为190V左右，与311V不相同。

这是因为R和C除了起滤波作用外，还会有分压。

电容的阻值为，则实际测得的相电压应为，于示波器上的波形基本相同，达到了设计的要求380V，50Hz。

4.3整体电路Matlab仿真及结果

不带反馈的整体电路如图4.7所示。

经过仿真，该电路可以达到380V，50Hz的要求，带载的示波器波形和图4.6基本相同，相差无几。

图4.7不带反馈的整体电路

带反馈的整体电路如图4.8所示。

图4.8带反馈的整体电路图

经过1天半的仿真，更改反馈环节的锯齿波波形、锯齿波电压大小频率、开关状态、比较系数等等，仿真的结果没有不带反馈的电路的波形好，也无法达到题目的要求，不知道是什么原因，带反馈的整体电路的仿真还有待完善

5心得体会

本次课程设计分为以下四个部分，方案选择，各电路原理分析，仿真模型以及仿真结果。

首先对于方案选择，对于课设给出的220V电压，产生380V的三相交流电压，直接逆变明显不满足要求，所以首先以升压斩波电路提升直流电压至满足要求的一定值，然后再进行逆变，这样就可以满足课设要求了。

对于Matlab仿真模型的建立，在仿真过程中难免遇到很多问题，确实花费了大量的时间和精力，虽然对Matlab已经谈不上陌生，但是Matlab功能太强大，各种仿真模块库繁多，在网上查找了不少资料，总算是得出了正确的结果，但带反馈的整体电路的仿真还有待完善。

这次做了课程设计让我明白软件的学习是需要在实践中进行的，我认为光靠自己一个人的力量是远远不够的，当自己遇到问题实在解决不了时，可以和同学共同探讨，寻找解决办法。

正所谓“三人行，则必有我师”。

最后，我看着最终的成果，还是觉得受益匪浅的。

这次课程设计，让我有机会将课堂上所学的理论知识运用到实际中。

这是一次对所学知识的整合，一次综合利用，在做课程设计的同时也验证了我们课堂上所学的理论知识，对我们以后的工作学习具有很大的指导作用，同时我也明白了在以后的工作中，不仅要动脑，还要多进行动手实践。

参考文献

[1]王兆安,黄俊.电力电子技术.机械工业出版社（第四版），2004

[2]侯云海,薛鹏,王辉,卢秀和.新式电感型非线性阻抗变换整流电路.通信电源技术,2004年6月25日第21卷第3期

[3]刘跟平、汤永德、王国君、侯云海.基于电感非线性阻抗变换的一种新型高效整流电路.长春工业大学学报（自然科学版）,2008年7月第28期增刊

[4]路秋生.功率因数校正技术与应用.机械工业出版社，2006.2

[5]陈怀琛，吴大正.MATLAB及在电子信息课程中的应用.电子工业出版社（第三版），2006

本科生课程设计成绩评定表

姓名

性别

专业、班级

课程设计题目：

课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年月日