我的三相逆变器Matlab仿真研究

三相逆变器Matlab仿真研讨
1计划选择
1.1 课程设计请求
本次课程设计请求对逆变电源进行Matlab仿真研讨,输入直流电压为110V,输出为220V三订交换电,树立三相逆变器Matlab仿真模子,进行仿
真试验,得到三订交换电波形.
1.2 实现计划肯定
因为请求的输出为220V,50HZ三订交换电,显然不克不及直接由输入的110V直流电逆变产生,需将输入的110V直流电压经由过程升压斩波电路进步电压,再经由逆变进程及滤波电路得到请求的输出.依据教材所学的,可以采取升压斩波电路和三相电压型桥式逆变电路的组合电路,将升压后的电压作为逆变电路的直流侧,得到三订交换电,同时采取SPWM掌握技巧,使其频率为50HZ.
斩波电路有脉冲宽度调制.频率调制和混杂型三种掌握方法.在此应用第一种掌握方法,这种方法也是应用最多的办法.经由过程掌握开关器件的通断实现电能的储存和释放进程,输出旌旗灯号为方波,调节脉宽可以掌握输出的电压的大小.
依据直流侧电源性质不合,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.PWM掌握方法有两种,一种是在调制波的半个周期内三角载波只在正极性或负极性一种极性规模内变更,所得到的PWM波形也只在单个极性规模变更的单极性PWM掌握方法,另一种是双极性掌握方法,其在调制波的半个周期内三角载波不再是一种极性,而是有正有负,所得的PWM波也是有正有负.对于三相桥式PWM逆变电路,一般采取双极性掌握方法.该电路的输出含有谐波,滤波电路采取RLC滤波电路.
直流斩波电路采取PWM斩波掌握,输出的方波经由滤波电路后变成直流电送往逆变电路.逆变采取PWM逆变电路,采取SPWM作为调制旌旗灯号,输出PWM波形,再经由滤波电路得到220V.50Hz三订交换电,体系总体框图如
图1所示.
图1 体系总体框图
2各模块道理
2.1 升压斩波电路
升压斩波电路如下图2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u o为恒
值,记为U o.设V通的时光为t on,此阶段L断时,E
和L配合向C充电并向负载R供电.设V则此时代电感L释
稳态时,一个周期T中L蓄积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,也称之为boost变换器.
T,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感化,并且电容C可将输出电压保持住.
图2 升压斩波电路道理图
2.2 三相电压型桥式逆变电路
三相电压型桥式逆变电路如下图3所示.
PWM三相的调制旌旗灯
和W各相功率开关器件的掌握纪律
雷同,现以U相为例来解释.,,给下桥臂
U
,导通讯号,关断旌旗灯号,则
.
号时,,,这要由阻感负载中电流的偏素来决议.V相和W相的掌握方法都和U相雷同..
图3三相电压型桥式逆变电路
电路的相干波形如图4所示
图4三相桥式PWM 逆变电路波形
SPWM 波的应用道理
在调制旌旗灯号u r 和载波旌旗灯号u c 的交点时刻掌握各开关器件的通断.在u r 的半个周期内,三角波载波有正有负,所得的PWM 波也是有正有负,在u r 的一个周期内,输出的PWM 波只有±U d 两种电平.
在u r 的正负半周,对各开关器件的掌握纪律雷同.
当u r >u c 时,V 1和V 4导通,V 2和V 3关断,这时如i o >0,则V 1和V 4通,如i o <0,则VD 1和VD 4通,
当u r <u c 时,V 2和V 3导通,V 1和V 4关断,这时如i o <0,则V2和V3通,如i o >0,则VD 2和VD 3通,
如许就得到了正弦旌旗灯号与三角载波的比较波形即SPWM 波,此波形在后果上等效于调制波.其波形如图5所示.
图5双极性PWM 掌握方法波形
t t
将正弦半波算作是由N个彼此相连的脉冲宽度为p/N,但幅值顶部曲直线且大小按正弦纪律变更的脉冲序列构成的.
把上述脉冲序列应用雷同数目的等幅而不等宽的矩形脉冲代替,使矩形脉冲的中点和响应正弦波部分的中点重合,且使矩形脉冲和响应的正弦波部分面积（冲量）相等,这就是PWM波形.
对于正弦波的负半周,也可以用同样的办法得到PWM波形.脉冲的宽度按正弦纪律变更而和正弦波等效的PWM波形,也称SPWM（Sinusoidal PWM）波形.PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种,由直流电源产生的PWM波平日是等幅PWM波.
基于等效面积道理,PWM波形还可以等效成其他所须要的波形,如等效所须要的非正弦交换波形等.
因为各脉冲的幅值相等,所以逆变器可由恒定的直流电源供电.
2.4 Simulink仿真情形
Simulink是Matlab的仿真集成情形,是一个实现动态体系建模.仿真的集成情形.它使Matlab的功效进一步加强,重要表示为：①模子的可视化.在Windows情形下,用户经由过程鼠标就可以完成模子的树立与仿真;
②实现了多工作情形间文件互用和数据交换;③把理论和工程有机联合在一路.应用Matlab下的Simulink软件和电力体系模块库(SimPowerSystems)进行体系仿真是十分简略和直不雅的,用户可以用图形化的办法直接树立起仿真体系的模子,并经由过程Simulink情形中的菜单直接启动体系的仿真进程,同时将成果在示波器上显示出来.本文重要经由过程对逆变电源的Matlab仿真,研讨逆变电路的输入输出及其特征,以及一些参数的选择设置办法,从而为今后的进修和研讨奠基基本,同时也进修应用Matlab软件的Simulink集成情形进行仿真的相干操纵.
3 Matlab仿真建模
依据体系总体框图,可将其分为PWM升压斩波电路和三相逆变电路（含滤波电路）,而在三相逆变电路中,SPWM的感化很重要,会单独进行一些解释,下面分离对它们进行仿真建模.
3.1 斩波电路Matlab仿真建模
斩波电路我采取了升压斩波电路,MATLAB仿真模子如图6所示,道理前面也讲得很清晰了.电路输出的电压还要经逆变后滤波,故对波形的请求不是很高,与负载并联的电容C取很大,就可以达到滤波的目标,是以不需别的添加滤波电路.
该电路中开关器件用IGBT,掌握IGBT的波形由PWM脉冲生成器Pulse Generator产生,Pulse Generator在Simulink Library Browser的Simulink下拉菜单Sources类别中.绘制仿真图时,打开Simulink Library Browser,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Pulse Generator,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.电路中其他元件按以上办法找出,放入Model 文件窗口中.个中电阻.电感和电容元件,选择SimPowerSystems下拉菜单Elements类别中的Series RLC Branch,放入窗口后,双击该图标,在Branch Type中选择响应类型,如电阻选R,电感选L,选择完毕后单击OK按钮.放齐元件后,按起落压斩波电路道理图衔接电路,为了便利不雅察输出,应在输出端加上电压测量装配Voltage Measurement,并在Simulink下拉菜单Commonly Used Blocks类别中选择Scope,即示波器,以不雅测输出电压波形.
图6 升压斩波电路MATLAB仿真模子
3.2 逆变电路仿真建模
3.2.1 逆变电路的Matlab模子
如图7所示,为逆变电路的Matlab的仿真模子.此电路采取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.对于SPWM掌握波的生成,因为这一个模块根本上是全部逆变电路的焦点,直接用Matlab自带的模块集成电路,固然也可以实现这一功效,但是显然没有对SPWM波的生成有一个比较深刻的懂得,下面会对SPWM波的生成,即下面仿真图中的pwm subsystem进行具体的解释.
图7 逆变电路的Matlab的仿真模子
3.2.2 SPWM波的Matlab仿真模子
等腰三角形载波的Matlab仿真如下图8所示
图8等腰三角形载波的Matlab仿真模子其波形如下图9所示
图9 三角形载波图形
生成等腰三角形载波的S函数如下
function [sys,x0,str,ts] = sanjiaowave(t,x,u,flag,A,Freq) switch flag,
case 0,
[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes;
case 1,
sys=mdlDerivatives(t,x,u);
case 2,
sys=mdlUpdate(t,x,u);
case 3,
sys=mdlOutputs(t,x,u,A,Freq);
case 4,
sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u);
case 9,
sys=mdlTerminate(t,x,u);
otherwise
error(['Unhandled flag = ',num2str(flag)]);
end
function [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes
sizes = simsizes;
sizes.NumContStates = 0;
sizes.NumDiscStates = 0;
sizes.NumOutputs = 1;
sizes.NumInputs = 1;
sizes.DirFeedthrough = 1;
sizes.NumSampleTimes = 1; % at least one sample time is needed sys = simsizes(sizes);
x0 = [];
str = [];
%
% initialize the array of sample times
%
ts = [0 0];
function sys=mdlDerivatives(t,x,u)
sys = [];
function sys=mdlUpdate(t,x,u)
sys = [];
function sys=mdlOutputs(t,x,u,A,Freq)
%直接在输出函数部分编写三角波的代码
T=1/Freq; %求三角波周期
m=rem(u,T); %u为外部输入时光信息,rem为求余函数
K=floor(u/T); %floor为向零取整
r=4*A*Freq;
c=T/2;
if ((m>=0)&(m<c))
sys =r*(u-(K+0.25)*T);
elseif ((m>=c)&(m<=T))
sys=-[r*(u-(K+0.75)*T)];
else
sys=A;
end
function sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u)
sampleTime =1; % Example, set the next hit to be one second later.
sys = t + sampleTime;
function sys=mdlTerminate(t,x,u)
sys = [];
% end mdlTerminate
SPWM波的Matlab仿真模子如下图10所示
图10 SPWM波的Matlab仿真模子
SPWM波的Matlab仿真波形如下图11所示
图11 SPWM波的Matlab仿真波形
3.3 逆变电源仿真建模
将斩波电路的输出接到逆变电路的输入,就得到逆变电源仿真模子,如图12所示.
图12逆变电源仿真模子
4 仿真波形
打开斩波电路窗口,依据参考材料设置初试参数,设置时双击元件图标.输入直流电设为100V,开关器件IGBT和二极管Diode应用默认参数.负载
电感L=6e-04H（即0.6mH）,电容C=3e-05F（即30uF）.设置PWM 产生器周期Period为0.0001s,占空比Pulse Width(% of period)为75.7%,其他参数不变.
单击Start simulation按键,开端仿真,双击示波器Scope,不雅察输出波形图.此时输出波形中断等副震动,且幅值太高,很不睬想.
剖析知起落压斩波电路中电感和电容值均应很大,将电容值改为600uF （C=6e-04F）,电感值为 4.2mH,不雅察波形,如图13 所示,输出电压约0.2s后稳固在435V.
经由过程几回调节各元件参数发明,转变电感和电容的值,输出电压稳固值也在变更.电容的感化主如果使输出电压保持住,电容值过小输出波形会中断震动,应取较大,但过大的电容值会使输出电压稳固的时光太长.依据以上纪律重复转变各元件参数,直到得到知足的成果.
图13 斩波电路仿真波形
4.2 逆变电路仿真波形
在SPWM中三角载波的频率为1000HZ,因为本次课程设计所须要的调制波为50HZ,而依据当载波比为20时,逆变电路输出的波形中谐波含量最小.所以取三角载波的频率为1000HZ.其幅值为1V,调制所须要的正弦波由Matlab自带的函数库产生.其频率当然为50HZ,幅值设为1V,其产生的SPWM波形在上面已给出,变压器（Transformer）中的绕组参数（Winding parameters）,其变比为 1.Three-Phasse Parallel RLC Load模块,在电路中起着很重要的感化,其一是作为后级滤波电路,滤除SPWM波中正弦基波中含有的高次谐波,若没有其滤波感化得到的波形为SPWM波,其不含有低次谐波,谐波重要散布在载波频率以及载波频率整数倍邻近.其二是作为逆变电路的负载.在现实应用时,对于IGBT等全控器件须要加上驱动电路.其输出波形如下图14所示.
图14 逆变电路仿真波形
4.3 逆变电源仿真实现
起首应将斩波电路的输出电压调到450V阁下,再对逆变电源进行仿真.重复调节参数知当斩波电路中PWM脉冲生成器的占空比达到75.7%时,输出的直流电压约为435V,此时的波形如图15所示,输出电压先大幅震动,大约0.2s后,稳固在435V阁下.
图15 逆变电源斩波输出波形
转变逆变电源仿真模子中的参数到请求值,单击Start simulation按键开端仿真,图16为逆变电源输出波形.从图可知,逆变电源输出三订交换电相电压波形幅值为311V,各相电压互差120°,周期为0.02s即频率为50Hz.第一个波形会消失掉,因为电路到正常的响应须要一段时光,但从后续波形看,仿真成果照样知足义务请求的.
图16 逆变电源输出三订交换电相电压波形
5 心得领会
本次课程设计分为以下四个部分,计划选择,模块道理剖析,仿真模子
以及仿真成果.起首对于计划选择,对于课设给出的110V电压,产生220V
的三订交换电压,直接逆变显著不知足请求,所以起首以升压斩波电路晋升直流电压至知足请求的必定值,然后再进行逆变,如许就可以知足课设请求了,对于Matlab仿真模子的树立,确切消费了大量的时光和精神,固然对Matlab已经谈不上生疏,但是Matlab功效太壮大,各类仿真模块库繁多,对于SPWM波的产生,在网上查找了许多材料,总算是得出了准确的成果,在这个进程中,我也学会了许多,特殊是S函数的仿真,S函数确切有其独到之处,仿真进程中不免碰到许多问题,但万幸,固然花了很长时光和精神去检讨,
但最终仿真图新照样出来了.从这些进程中我看出没有研讨就没有谈话权,只有进行了深刻的研讨,你才干更清晰的懂得它.
在画升压斩波电路,逆变电路等模子图的进程中我用到了Matlab软件,再一次的让我重温了用它绘图的感到是最让我愉快的事,记得照样大二时
学过的软件课程,但在进修的时刻老是感到差点什么,此次做了课程设计让我明确软件的进修是须要在实践中进行的.在经由进修,就教后,我能轻松
的画出本身想要的Simulink仿真图形,特殊是这个Simulink仿真图形还
包含S函数的一个模块,这时感到很有成就感.我以为光靠本身一小我的力气是远远不敷的,当本身碰到问题其实解决不了时,可以和同窗配合商量,
查找解决办法.正所谓“三人行,则必有我师”.最后,我看着最终的成果,
照样以为受益匪浅的.
此次课程设计,让我有机遇将教室上所学的理论常识应用到现实中.这是一次对所学常识的整合,一次分解应用,在做课程设计的同时也验证了我们教室上所学的理论常识,对我们今后的工作进修具有很大的指点感化,同时我也明确了在今后的工作中,不但要动脑,还要多进行着手实践.
参考文献
[1] 杨荫福.段善旭.朝泽云.电力电子装配及体系.北京：清华大学出
版社,2006
[2] 王维平.现代电力电子技巧及应用.南京：东南大学出版社,1999
[3] 王兆安,黄俊.电力电子技巧.北京：机械工业出版社,2008
[4] 叶斌.电力电子应用技巧及装配.北京：铁道出版社,1999
[5] Robert H.Bishop.Modern Contorl Systems Analysis and
Design-Using MATLAB and Simulation[M].影印版. 北京：清华
大学出版社,2008。