三相逆变器仿真

电

力

电

子

技

术

大

作

业

学院： 机电与控制工程学院

实验项目名称： 三相逆变器仿真

学号： 2011110248

班级： 2班

目录

1．概述 . ....................................................................................... 4

2． 设计目的和意义 .................................................................. 5

3. 电路结构： . .............................................................................. 5

3.1 升压模块： ..................................................................... 5

3.2三相桥式PWM 型逆变电路 .......................................... 7

3.3三相逆变器的完整电路图 .............................................. 9

4. 仿真中各个模块的参数： ...................................................... 9

5. 仿真特性分析......................................................................... 12

1. 升压斩波数出来的电压在示波器中显示 . ...................... 12

2．对输出电压进行傅里叶分析 ........................................ 14

3. 对于三相输出电压波形 ................................................... 15

4. 对三相输出电压进行傅里叶分析 . .................................. 16

6. 总结 . ........................................................................................ 20

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。电力电子器件的发展经历了晶闸管（SCR ）、可关断晶闸管（GTO ）、晶体管（BJT ）、绝缘栅晶体管（IGBT ）等阶段。目前正向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、模块化、复合化方向发展，与其他电力电子器件相比，IGBT 具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点，为了达到这些高性能，采用了许多用于集成电路的工艺技术，如外延技术、离子注入、精细光刻等。IGBT 最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。它的并联不成问题，由于本身的关断延迟很短，其串联也容易。尽管IGBT 模块在大功率应用中非常广泛，但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题，其主要失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度，另外，绝缘材料的缺陷也是一个问题。

电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW 甚至GW ，也可以小到数W 甚至1W 以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同，电力电子技术主要用于电力变换。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。 逆变器也称逆变电源，是将直流电能转变成交流电能的变流装置，是太阳能、风力发电中的一个重要部件。随着微电子技术与电力电子技术的迅速发展，逆变技术也从通过直流电动机——交流发电机的旋转方式，发展到晶闸管逆变技术，而今的逆变技术多采用了MOSFET 、IGBT 、GTO 、IGCT 、MCT 等多种先进且易于控制的功率器件，控制电路也从模拟集成电路发展到单片机控制甚至采用数字信号处理器（DSP ）控制。各种现代控制理论如自适应控制、自学习控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等先进控制理论和算法也大量应用于逆变领域。其应用领域也达到了前所未有的广阔，从毫瓦级的液晶背光板逆变电路到百兆瓦级的高压直流输电换流站；从日常生活的变频空调、变频冰箱到航空领域的机载设备；从使用常规化石能源的火力发电设备到使用可再生能源发电的太阳能风力发电设备，都少不了逆变电源。毋庸置疑，随着计算机技术和各种新型功率器件的发展，逆变装置也将向着体积更小、效率更高、性能指标更优越的方向发展。

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。一种典型的PWM 控制波形SPWM ：脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM 波形称为SPWM 波。SPWM 法是一种比较成熟的也是目前使用较广泛的PWM 法。在采样控制理论中有一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。SPWM 法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM 波形即SPWM 波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。

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。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。Simulink 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI)，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。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。

2． 设计目的和意义

通过Matlab 的可视化仿真工具Simulink 建立三相逆变器电路的仿真模型，进行

仿真，可以让我们熟悉MATLAB 应用技术在电气工程与自动化中得应用，熟悉运用MATLAB 及Simulink 程序，通过分析输出波形，可以让我们知道在真实情况下三相桥式逆变电路的各个器件的运行情况。

3. 电路结构

3.1 升压模块

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3-1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I1，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升的作用，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，与负载并联的电容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3-1升压斩波电路原理图

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SeriesRLCBranch ，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3-2所示

图3-1升压斩波电路仿真图

逆变电路可参考三相桥式PWM 型逆变电路，其电路图如图3-4所示。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cu ，三相的调制信号rUu 、 rVu 和rWu 依次相差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rUu>cu时，给上桥臂1V 以导通信号，给下桥臂5V 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'/2UNduU=。当rUu

采用双极性方式时，在ur 的半个周期内，三角波载波不再是单极性的，而是有正有负，所得的PWM 形也是有正有负。在ur 的一个周期内，输出的PWM 波只有±Ud 两种电平，而不像单极性控制时还有零电平。仍然在调制信号ur 和载波信号uc 的交点时刻控制各开关的通断。在ur 的正负半周，对各开关器件的控制规律相同，如下图3-5所示。

图3-5 图3-6

3.2三相桥式PWM 型逆变电路

三相桥式PWM 型逆变电路模型如图3-7所示，其中变压器仅起隔离作用，不对电压进行升降。模块UniversalBridge3arms 的完整电路图如图3-8所示，即为六个开关器件

IGBT

的连接电路。提供SPWM 波的仿真器件采用DiscretePWMGenerator ，它可以直接产生控制三相逆变电路的SPWM 波，设置其参数达到设计要求

图3-7三相桥式PWM 型逆变电路模型

图3-8模块UniversalBridge3arms 的完整电路图

3.3三相逆变器的完整电路图

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。将升压斩波电路的输出接到逆变电路的输入这样就得到本次设计的逆变电源的总体仿真模型，如图3-9所示。

图3-9

4. 仿真中各个模块的参数

1）. 整流桥

图

4-1

图4-2

通用三相整流桥为Simulink 中的Universal bridge模块。图 4-2为该模块的参数设置对话框。其中Number of bridge arms（桥臂个数）为3，Power Electronic device（电力电子器件）选用IGBT/Diodes（晶闸管）。

2）.spwm 脉冲信号发生器：

图

4-3

图4-4

图 14-2为为控制通用三相整流桥产生SPWM 的脉冲信号发生器，使用的是Matlab 中的Discrete PWM Generator模块。该模块的作用即为为产生PWM 而用以控制IGBTs 等电桥的脉冲信号。图 4-4为该模块的参数设置，在Generator mode选项中选择3-arms bridge(6 pulse),既三桥臂共需要六个脉冲信号用以控制如图 6中所示的六个电子管。Carrier frequency为载波频率，该频率的大小决定了一个周期内SPWM 脉冲的密度。Frequency of output voltage是输出电压的频率，此处设置为国内标准的50Hz 。 3）. 脉冲发生器：

图

4-5

图4-6

其中脉冲发生器的频率也是选择50Hz 。如图4-6所示。 4）. 其他模块

电阻都是选择100欧姆，电感在升压模块中选择0.001h,, 在三相负载引出的低通滤波器端的是0.01mh. 电容都是1.6μf ，其他都是0.001F 。

5. 仿真特性分析

1. 升压斩波数出来的电压在示波器中显示

如下图5-1所示

图5-1

在0-0.5s 时，输出的电压不断地增大，只要是因为，电路中的电容在储存能量的时候会消耗掉一定的时间，在电容充满了电荷之后，电路输出来的电压波形如下图5-2所示：

图5-2

稳态是，电压主要是稳定在一定的值的范围之内。但是会有很多的纹波输出。按道理来说，电容的越大越好，但是，电容的大小有限，而且电容去很大的话，那么电压达到稳态的时间就会变得很长。所以输出的电压就会有纹波存在。

2．对输出电压进行傅里叶分析

如下图5-3和图5-4所示：

1）. 对于0-0.5S 的时间之内，对斩波输出电压进行傅里叶分析，如下图5-3所示，由于电容是出于充电的状态，所以，电路中输出来的电压就不会有纹波，即在傅里叶分析中可以看到电压中的分量主要是基波分量，其他谐波分量非常少。

图5-3

2). 对于0-0.5S 的时间之内，对斩波输出电压进行傅里叶分析，如下图5-3所示，由于电容是出于充电的状态，所以，电路中输出来的电压就不会有纹波，即在傅里叶分析中可以看到电压中的分量主要是基波分量，其他谐波分量非常少。

但是在电容冲满电之后，电路中电容由于不是无限大的，所以就会存在放电和冲点的状态，而且电容假如不够大的话，就会出现电流断的情况，所以，在稳态的过程中就会出现很多纹波。傅里叶分析中可看到基波占得比重很大，但是，也有很多的其他谐波，有些谐波的分量也很重。如图5-4所示：

图5-4

3. 对于三相输出电压波形

如下图5-5所示：

图5-5

在图5-5中，第一个波形是第一相加了电容进行了滤波之后的波形，其中滤波电容的值大小根据公式f=1/（2*π*R*C），如果要把高频50HZ 以上的波滤掉，那么f=100HZ，现在负载R=100Ω，把R=100Ω代进公式可求得电容C=1.59μf ，所以，第一个波形接入的电容为1.6μf 大小。

第二个波形是第二相不进行滤波的波形，即不介入任何电容。

第三个波形是第三相进行滤波，但是滤波的电容的大小为1nf （很大）。

正如图5-5所示，第一个波形和第二个波形比较，可知道，滤波之后，出来的波形更加接近正弦波。第一高波形和第二个波形作比较，可知道，图形更加接近正弦波，但是很明显看到第三个波形的电压值大小大幅度减得很小，比滤波之前的电压小了10几倍。

4. 对三相输出电压进行傅里叶分析

如图5-6,5-7,5-8所示：

图5-6.1是第一个波形的傅里叶波形图，图5-6.2是第一个波形的傅里叶波形图的放大波形。图5-7.1是第二个波形的傅里叶波形图，图5-7.2是第一个波形的傅里叶波形图的放大波形。图5-8.1是第三个波形的傅里叶波形图图5-8.2是第一个波形的傅里叶波形图的放大波形。 由5-6.1,5-6.2和5-7.1,5-7.2图的傅里叶分析可知道，看到个分量的纵坐标的分量可知道大于50HZ 的高频谐波已经被削弱的很多了，但是还是存在一点高频谐波，但是他们所占的比重小很多了。

由5-8.1,5-8.2和5-7.1,5-7.2图的傅里叶分析可知道，看到个分量的纵坐标的分量可知道大于50HZ 的高频谐波已经被削弱的很多了完全被滤掉了。 综上，可知道，电容越大，那么滤波功能就很强大，但是会减小电压的输出值大小。

图5-6.1

图

5-6.2

图5-7.1

图5-7.2

图 5-8.1

图

5-8.2

6. 总结

经过这次的电路设计，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。 最后还是发现一个很重要的问题，如果全部想课本那样搭电路的话，得到的图像就会和书本所说的不一样。主要是，搭出来的电路都是开环电路，如果要准确的调节的话就要引入反馈环节。利用PID 来进行调节，到最后得到的结果会比较好一点。