PWM逆变器MATLAB仿真.docx

摘要
随着电力电子技术，计算机技术，自动控制技术的迅速发展，PWM技术得到了迅速发展，PWM控制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）。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，对大部分都是PWM型逆变电路。可以说 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。
本次课程设计以IGBT构成的单相桥式逆变电路为基础，控制并得到所需的波形，并通过计算软件matlab/simulink对PWM逆变电路进行仿真设计，得到题目要求的数据指标，并分析得到的结果。

关键词：PWM 逆变 matlab/simulink

目录
摘要 1
1 设计方案的选择 3
2 逆变电路的原理及方案选择 3
3 PWM原理及控制方法 4
4 滤波器设计 6
5 PWM逆变器仿真 7
5.1 单相桥式逆变器仿真 7
5.2 PWM仿真 10
5.3 PWM逆变器总体模型 13
6 心得体会 17
参考文献 18

PWM逆变器MATLAB仿真
1 设计方案的选择
按照题目要求，已知输入电压为110V直流电，要求得到的是220V、50HZ的单相交流电，这里涉及到两个问题：升压和逆变。于是就存在两种设计方法，一是进行DC-DC升压变换在进行逆变，另一种是先进行逆变变换再进行升压。当然，要得到正弦交流电压还要考虑滤波的问题。
若采用方案一，先升压再逆变，这种方案可靠性高、响应速度快、噪声性能好、效率高，但升压电路会在初期产生超调趋势，若采用附加控制的办法减小超调量则会增加逆变器的复杂度和设计成本。若采用方案二，这种方法效率一般可达90%以上、可靠性高、抗输出的能力较强，其缺点是响应速度慢、体积大、波形畸变较为严重。由于两个方案各有优缺点，但方案二的设计更为简单，所以我们选择方案二作为本次设计的最终方案。
2 逆变电路的原理及方案选择
逆变与整流是相对应的，把直流电变为交流电的过程称为逆变。当交流侧接在电网上，即交流测接有电源时，称为有源逆变；当交流测直接和负载连接时，称为无源逆变。根据交流侧是否与交流电网相连可将逆变电路分为有源逆变和无源逆变，在不加说明时，逆变一般指无源逆变。逆变电路的应用非常广泛，在已有的各种电源中，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。另外，交流电动机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。本论文针对的就是无源逆变的情况；根据直流侧是恒流源还是恒压源又将逆变电路分为电压型逆变电路和电流型逆变电路，电压型逆变电路输出电压的波形为方波而电流型逆变电路输出电流波形为方波，由于题目要求对输出电压进行调节，所以本论文只讨论电压型逆变电路；根据输出电压电流的相数又将逆变电路分为单相逆变电路和三相逆变电路，由于题目要求输出单相交流电，所以本论文将只讨论单相逆变电路。
本次课程设计主要讨论单相电压型无源逆变电路，电压型逆变电路的开关器件一般选择全控型器件如IGBT,电力MOSFET等。
可供选择的有三种方案分别为：半桥式逆变电路，全桥式逆变电路，推挽式逆变电路。半桥电路输出端的电压波形幅值仅为直流母线电压值的一半，因此，电压利用率低；但在板桥电路中，可以利用两个大电容自动补偿不对称波形，这是板桥电路的一大优点。全桥式和推挽式的逆变电路的电压利用率是一样的，均比半桥电路大一倍。但全桥式、推挽式电路都存在变压器直流不平衡的问题，需要采取措施解决。推挽电路主要优点是电压损失小，直流母线电压只有一个开关管压降损失；此外，两个开关管的驱动电路电源可以共用，驱动电路简单。推挽式比较适合低压输入的场合。低压输入的推挽式变压器原边绕组匝数较少，一般采用并绕方式，以增加两绕组的对称性，工艺上难度大。但由于全桥结构的控制方式比较灵活，所以本篇论文选择单相桥式逆变电路作为逆变器的主电路。
3 PWM原理及控制方法
PWM脉宽调制技术就是对脉冲宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形(含幅值和形状)。PWM控制技术在逆变电路中应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用中的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。可以说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中的重要地位。PWM的一条最基本的结论是：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，冲量即窄脉冲面积，这就是我们通常所说的“面积等效”原理。因此将正弦半波分成N等分，每一份都用一个矩形脉冲按面积原理等效，令这些矩形脉冲的幅值相等，则其脉冲宽度将按正弦规律变化，这种脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形叫做SPWM。如图所示：

图1 SPWM示意图
SPWM波的产生方法有计算法和调制法，计算法很繁琐，不易实现，所以在这里不作介绍，重点介绍调制法，即把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度呈线性关系且左右对称，当它与任何一个缓慢变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中的开关器件进行通断控制，就可得到SPWM波，常见的SPWM控制方法有单极性SPWM控制，双极性SPWM控制。

4 滤波器设计
采用SPWM控制方式输出的电压波形中含有基波同时含有与载波频率整数倍及其附近的谐波，载波比越高，最低次谐波离基波便越远，也容易进行滤波。
比较常用的是LC低通滤波器，其电路图如下图所示：
图2 LC低通滤波器

通过适当的选取滤波器的截止频率：

使其远小于PWM电压中所含有的最低次谐波频率，同时又远大于基波频率，就可以在输出端得到较为理想的正弦波。
可以证明上述LC低通滤波器的传递函数为：

其中——LC谐振角频率，；——阻尼系数，；——滤波器输出电压；——滤波器输入电压；——拉普拉斯变换算子。
5 PWM逆变器仿真
5.1 单相桥式逆变器仿真
假设所有开关器件都是理想开关器件，即通态压降为零，断态压降为无穷大，并认为各开关器件的换流过程在瞬间完成，不考虑死区时间。假设所有的输入信号包括触发信号、电源电压稳定，不存在波动。
利用matlab/simulink进行仿真，在simulink工作空间中添加下列元件：Diode、IGBT、DC Voltage Source、Series PLC Branch、Multimeter、Current Measurement、powergui、Pulse Generator、Floating Scope、Demux等。利用上述模块构成如下图所示的单相桥式逆变电路模型。
图3 单相桥式你变电路图
各个模块的参数如下图：
“Pulse Generator” 中“Amplitude”设为1，由于题目要求输出电压频率为50Hz,即周期为0.02S，所以“Period” 设为0.02，“Phase Delay” 设为零，即初始相位为零，这一路脉冲送出去用来驱动桥臂1和3；“Pulse Generator1” 的“Phase Delay”设为0.01，相当于延迟半个周期，以形成与“Pulse Generator3”互补的触发脉冲用来驱动桥臂2和4，其他参数与“Pulse Generator3”相同。

仿真后Scope输出波形如下图所示：
5.2 PWM仿真
仿真图如下：
其中PWM的封装为：
参数设置如下图：
在“Universal Bridge”模块的属性对话框中，令桥臂数为2即构成单相桥式逆变电路；在“DC Voltage Source”中将直流电压值设为110V；PWM发生器的调制度设为0.5，频率设为50Hz，载波频率设为基波频率的15倍，所以令，即可开始仿真，仿真后Scope输出波形如下图所示：

图4 pwm仿真波形
5.3 PWM逆变器总体模型
仿真图如下：
图5 PWM总体模型
各个模型主要参数设置如下图：

仿真结束后Scope1的输出波形如下图所示：
可以观察到输出波形基本上为标准正弦波，周期为0.02S，频率为50Hz，并可以从Display显示有效值为220.7V，基本上满足设计要求。

6 心得体会
本次课程设计PWM逆变器的两种设计方案的优缺点以及3种逆变器电路的优缺点及适用范围。同时，也加深了我对DC-DC、逆变器电路、PWM控制技术等知识点的理解和掌握，特别是matlab，在做课设的过程中，我对matlab中的仿真部分simulink有了更加深刻的了解。
此次课程设计主要运用了电力电子技术及电力电子装置的知识，使我在做课程设计的同时，进一步巩固了在课堂上学习到的知识，同时也激发了我们的创新性思想，当然，在做课设的过程中，我也遇到了许多问题，但经过我的努力和同学间的交流学习，慢慢克服了这些问题，最终完成了课程设计及报告。
另外，通过此次课程设计，我也发现了自己的许多不足，如对课本知识不够了解，对matlab这种常用软件的使用还太不熟悉。所以在以后的学习中，我应更加努力，提高自己的实际动手能力和独立思考能力，并持之以恒，坚持下去。

参考文献
[1] 杨荫福，段善旭，朝泽云 电力电子装置及系统 清华大学出版社，2006.9
[2] 王兆安，刘进军 电力电子技术 机械工业出版社，2012.7
[3] 陈坚 电力电子学-电力电子变换和控制技术 高等教育出版社，2004.11
[4] 陈国呈 PWM逆变器技术及应用 中国电力出版社，2007.1
[5] 周建新 MATLAB从入门到精通 人民邮电出版社，2008