三相逆变器仿真

目录

1 概述及设计要求 (1)

1.1概述 (1)

1.2设计要求 (1)

2 方案比较及认证 (2)

2.1升压电路模块方案选择 (2)

2.2逆变电路方案选择 (2)

2.3闭环反馈电路设计 (2)

2.4总体电路方案设计 (2)

3 系统原理说明 (4)

3.1升压斩波电路 (4)

3.2三相电压型桥式逆变电路 (4)

3.3SPWM逆变器的工作原理 (5)

3.4S IMULINK仿真环境 (5)

4 仿真建模 (7)

4.1升压斩波电路仿真建模 (7)

4.2三相桥式PWM逆变电路仿真建模 (8)

4.3闭环反馈电路仿真建模 (8)

4.4三相逆变电源总体电路仿真建模 (9)

5仿真结果 (11)

5.1直流升压斩波电路仿真结果 (11)

5.2三相桥式PWM逆变电路仿真实现结果 (11)

5.3闭环反馈电路仿真实现结果 (12)

5.4三相逆变电源总体仿真实现结果 (13)

6 总结 (15)

参考文献 (16)

三相逆变器仿真

1 概述及设计要求

1.1 概述

电力电子技术是一门新兴的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，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，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。

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。

本文主要通过对逆变电源的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 方案比较及认证

2.1 升压电路模块方案选择

方案一：可以利用变压器对输入的200V直流电压直接升压，接着逆变和滤波，但是此种方案不方便对升压环节进行控制，所以放弃此方案。

方案二：通过斩波电路来提高电压，然后进行逆变和滤波，在本次设计中采用此方案，即通过升压斩波电路来控制输出的直流电压，这样可以达到便于控制的目的。

方案三：先进行逆变，然后进行斩波电路升压，由于本次设计需要产生的是三相交流电压输出，逆变之后的升压就会涉及到三个直流升压电路，所以也放弃此方案。

方案四：也是先进行逆变，然后通过变压器升压，同样的，也是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二，经过升压斩波电路升压，然后进行逆变和滤波。

2.2 逆变电路方案选择

逆变电路采用课本上的三相桥式PWM逆变电路，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。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，不过容易受负载影响输出电压的值。

2.3 闭环反馈电路设计

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，在三相电压输出侧进行电压采集，经过整流得到电压幅值，将采集到的电压值与理想输出电压值进行比较，接着将差值经过PI环节，然后再与等腰三角波比较输出，此处采用的是单极性PWM波控制方式，产生我们所需要的进行升压斩波的PWM波，对直流斩波电路中IGBT的通断控制进而产生理想的输出电压值。

2.4 总体电路方案设计

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1所示。

图1 系统总体框图

3 系统原理说明

3.1 升压斩波电路

假设L 值、C 值很大。V 通时，E 向L 充电，充电电流恒为I 1，同时C 的电压向负载供电，因C 值很大，输出电压u o 为恒值，记为U o 。设V 通的时间为t on ，此阶段L 上积蓄的能量为EI 1t on 。V 断时，E 和L 共同向C 充电并向负载R 供电。 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2 升压斩波电路原理图

3.2 三相电压型桥式逆变电路

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c u ，三相的调制信号rU u 、rV u 和rW u 一次相差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rU u >c u 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2/'d UN U u =。当rU u

图3 三相桥式逆变电路原理图

3.3 SPWM逆变器的工作原理

由于期望的逆变器输出是一个正弦电压波形，可以把一个正弦半波分作N等分。然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。这样，由N个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形为正弦的半周等效。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。

这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，也就是说，这种交一直一交变频器中的整流器采用不可控的二极管整流器就可以了。逆变器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压。当逆变器各开关器件都是在理想状态下工作时，驱动相应开关器件的信号也应为与形状相似的一系列脉冲波形，这是很容易推断出来的。

3.4 Simulink仿真环境

Simulink是Matlab的仿真集成环境，是一个实现动态系统建模、仿真的集成环境。它使Matlab的功能进一步增强，主要表现为：①模型的可视化。在Windows环境下，用户通过鼠标就可以完成模型的建立与仿真；②实现了多工作环境间文件互用和数据交换；③把理论和工程有机结合在一起。利用Matlab下的Simulink软件和电力系统模块库(SimPowerSystems)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，同时将结果在示波器上显示出来。本文主要通过对逆变电源的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，从而为以后的学习和研究奠定基础，同时也学习使用Matlab软件的Simulink集成环境进行仿真的相关操作。

4 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。

4.1 升压斩波电路仿真建模

升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4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I，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生的作用，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 直流升压斩波电路原理

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。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Series RLCBranch，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PulseGenerator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 升压斩波电路仿真模型

4.2三相桥式PWM逆变电路仿真建模

三相桥式PWM型逆变电路的模型可参考Marlab—>Help—>Demos—>Simulink —>SimPowerSystems—>General Demos中的Three-Phase Two-Level PWM Voltage Source Converters。此电路采用了三相逆变桥集成块Universal Bridge 3 arms，滤波电路也已由Three-Phasse Parallel RLC Load模块构成，不需另加滤波电路。在此电路的基础上稍作修改，即构成三相桥式PWM型逆变电路模型，如图6所示。其中变压器仅起隔离作用，不对电压进行升降。

图6三相桥式PWM型逆变电路模型

4.3闭环反馈电路仿真建模

闭环反馈电路的设计是为了让输出电压更加稳定和准确，通过上面的方案论证决定在

三相电压输出侧进行电压采集，经过整流得到电压幅值，将采集到的电压值与理想输出电压值进行比较，接着将差值经过PI环节，然后再与特定的PWM输出值比较后与等腰三角波比较输出，此处采用的是单极性PWM波控制方式，产生我们所需要的进行升压斩波的PWM波，对直流斩波电路中IGBT的通断控制进而产生理想的输出电压值。

其仿真模型电路图如图7所示。

图7 闭环反馈电路仿真模型

4. 4三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8 逆变电源总体电路仿真

5仿真结果

5.1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Scope中观察到的。

图9 直流升压斩波电路仿真波形

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。

5.2三相桥式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，要想得到稳定且波形较好的380V，50Hz的交流电，必须经过多次调试和研究，将各项参数设定好。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，每相电压有效值为220V，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10三相桥式PWM逆变电路仿真波形所示。

图10 三相桥式PWM逆变电路仿真波形

5.3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11所示：

图11 闭环反馈电路产生PWM波形

5.4 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12三相逆变电源升压斩波电路输出波形所示，输出电压先大幅震荡，大约0.038s后，稳定在690V左右。

三相逆变电源的最终输出电压波形如下图13所示，由图中可以清楚地看出三相电压的最大值均为311V，满足输出线电压为380V的要求，且周期也都是0.02s，也就是符合输出交流电为50Hz的要求，同时三相电压依次相差120°，输出的波形也比较好。同时由于反馈电路的存在，使其抗干扰能力也大为提高，受负载的影响也较小。

图12三相逆变电源升压斩波电路输出波形

图13三相逆变电源仿真结果图

6 总结

经过一个星期的课程设计，的确收获了很多，感觉自己对于电力电子技术这门课程有了更加深刻的认识。因为把平时所学的知识应用于实践真的会遇到很多问题，当然也会发现有很多乐趣在其中。可以说整个设计中最麻烦的就是把一些在课本中学到的知识在Matlab中进行仿真得到正确的结果。这个过程是十分繁琐的，也是很锻炼人的。通过本次课程设计，我学会了使用Matlab软件仿真集成环境Simulink进行仿真的基本操作方法，也对直流斩波电路、逆变电源的原理和闭环控制的思想都有了进一步的理解。

在使用Matlab的Simulink进行仿真时，很多时候波形不一定能够快速正确的出现，这个时候就要好好研究其深层次的原理，同时要注意Matlab的仿真的一些细节，例如哪里可以接线哪里不行，电路接不接地，仿真时间的设定，采用自动定标器Autoscale观察波形等。这些软件的使用技巧在仿真的时候显得尤为重要！以后自己一定要多多注重培养自己的实践能力，对于一些常用的软件也要更加努力的学习，以求熟练掌握使用。

这次课程设计使我认识到学好一门技术的重要性。我们既要牢固掌握课本的基本知识，又要掌握基本的操作技能，这两者是密不可分的。以后的学习生活中一定要更加努力的学习、体验、提高，从各方面充实自己。

参考文献

[1] 王兆安等. 《电力电子技术》. 北京：机械工业出版社，2009.5

[2]薛定宇. 《基于Matlab/Simulink的系统仿真技术与应用》. 北京：清华大学出版社，

2006

[3] 王丹力等. 《Matlab控制系统设计、仿真、应用》. 北京:中国电力出版社, 2007

[4] 周建兴等. 《MATLAB从入门到精通》. 北京：人民邮电出版社，2008

[5] 陈国呈. 《PWM逆变技术及应用》. 北京：中国电力出版社, 2007