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PWM逆变器Matlab仿真.doc

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.61M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    PWM逆变器Matlab仿真
    1.设计方案的论证与选择
    1.1总体设计思路
    1.2 DC-DC方案论证与选择
    1.3逆变主电路的方案论证与选择
    1.4 逆变器控制方法的论证与选择
    2.设计原理及实现方法
    2.1 升压斩波电路的设计
    2.2 全桥式逆变电路的设计
    2.3 PWM控制技术及SPWM波的生成
    2.3.1 PWM控制的基本原理
    2.3.2 SPWM法的基本原理
    2.3.3 规则采样法
    2.3.4单极性和双极性PWM控制逆变电路分析
    （一） 单极性PWM控制方式
    （二） 双极性PWM控制方式
    3.MATLAB仿真及结论分析
    3.1升压环节的建模与仿真
    3.2 制作并生成SPWM波形
    3.3 逆变环节的建模与仿真（一）
    3.4 逆变环节的建模与仿真（二）
    3.4.1载波频率与输出电压频率改变对波形的影响
    3.4.2 改变负载对输出的影响
    4.收获与体会
    5.参考文献
    武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书 摘要 在本设计中，首先，针对课设题目要求，进行了系统的总体方案选择，以及 各功能模块的方案论证和选择。选择通过升压斩波电路将输入直流电压升高，再 利用全桥逆变方式将直流电转换成 50HZ 的交流电，控制部分采用 PWM 斩波控 制技术。接着，对各功能模块进行了详细的原理分析和电路设计，同时也对可能 出现的直流不平衡等问题进行了考虑。并最终通过 MATLAB 来实现 PWM 逆变 器的仿真，并进行结果分析，得出系统参数对输出的影响规律。 经过理论分析设计以及 MATLAB 仿真两种方式，证明了本系统可以很好地 实现将输入 110V 直流转换成 220V、50HZ 单相交流电的设计要求，另外本设计 也按设计要求采用了 PWM 斩波控制技术。 关键词： 逆变；PWM 控制；MATLAB 仿真；DC-DC；
    武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书 目录 1.设计方案的论证与选择.................................................................................... 1 1.1 总体设计思路......................................................................................... 1 1.2 DC-DC 方案论证与选择........................................................................1 1.3 逆变主电路的方案论证与选择............................................................. 2 1.4 逆变器控制方法的论证与选择............................................................ 3 2.设计原理及实现方法........................................................................................ 4 2.1 升压斩波电路的设计............................................................................ 4 2.2 全桥式逆变电路的设计........................................................................ 5 2.3 PWM 控制技术及 SPWM 波的生成..................................................... 6 2.3.1 PWM 控制的基本原理................................................................7 2.3.2 SPWM 法的基本原理..................................................................7 2.3.3 规则采样法................................................................................. 8 2.3.4 单极性和双极性 PWM 控制逆变电路分析...............................9 3.MATLAB 仿真及结论分析.............................................................................12 3.1 升压环节的建模与仿真....................................................................... 12 3.2 制作并生成 SPWM 波形.....................................................................13 3.3 逆变环节的建模与仿真（一）.......................................................... 15 3.4 逆变环节的建模与仿真（二）.......................................................... 17 3.4.1 载波频率与输出电压频率改变对波形的影响........................ 18 3.4.2 改变负载对输出的影响........................................................... 21 4.收获与体会...................................................................................................... 25 5.参考文献.......................................................................................................... 26
    武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书
    武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书 PWM 逆变器 Matlab 仿真 1.设计方案的论证与选择 1.1 总体设计思路 由于要求的输出为 220V,50HZ 单相交流电，而输入却是只有 110V 的直流电 压，所以仅仅由逆变环节不能实现，而应该有升压环节。 方案一：有工频变压器的逆变电源。逆变电路将 110V 输入电压逆变成有效 值基本不变的频率为 50HZ 的交流电，再由工频变压器升压得到 220V 交流电压。 方案二：无工频变压器的逆变电源。直流-直流变流电路将输入的 110V 直流 电压提高，再经过逆变过程及滤波电路得到要求的输出。 方案选择：方案一的效率一般可达 90%以上、可靠性较高、抗输出短路的能 力较强。但是，它响应速度较慢，体积大，波形畸变较重，带非线性负载的能力 较差，而且噪声大。而方案二的效率、可靠性高的同时，其响应速度、噪声、体 积等性能都更好。因此我选择方案二。 从而本设计应该包含有 DC-DC、滤波电路、逆变电路以及控制部分。按设计 要求，控制部分应采用 PWM 斩波控制技术，使输出交流电的频率为 50HZ。 因为各个功能模块有多种方案可供选择，每种方案有其各自的优点和适用范 围，所以本设计的重点是对各功能模块进行方案论证和比较，并针对所选方案进 行电路的设计，同时确定相关参数和性能指标。按设计要求，最终应该进行 Matlab 仿真及结果分析。 1.2 DC-DC 方案论证与选择 方案一：直接直流变流电路。该电路也称作斩波电路，它的功能是将直流电 直接变成另一种固定电压或可调电压的直流电，这种情况下输入和输出之间不隔 离。 方案二：间接直流变流电路。该形式的电路是在直流变流电路中增加了交流 1
    武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书 环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出的隔离。 方案选择：方案一由于不采用变压器进行输入和输出的隔离，所以系统体积 小、重量轻、效率高、成本低而且系统也不复杂。本设计采用方案一，由于没有 进行隔离，所以应采取相应保护措施。 直流直流变流电路的结构我选用常用的升压斩波电路，该电路结构较为简 单，损耗较小，效率较高。不仅能起调压的作用，同时还能起到有效地抑制谐波 电流噪声的作用。 1.3 逆变主电路的方案论证与选择 方案一：半桥式逆变电路。在驱动电压的轮流开关作用下,半桥电路两只晶 体管交替导通和截止。半桥电路输入电压只有一半加在变压器一次侧，这导致电 流峰值增加，因此半桥电路只在较低输出功率场合下使用，同时它具有抗不平衡 能力，从而得到广泛应用。半桥式拓扑结构原理图如图所示。 图 1.1 半桥式逆变电路 方案二：全桥逆变电路。全桥电路中互为对角的两个开关同时导通，而同一 侧半桥上下两开关交替导通，将直流电压成幅值为 inV 的交流电压，加在变压器 一次侧。改变开关的占空比，也就改变了输出电压 outV 。全桥式电路如图所示。 2
    武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书 图 1.2 全桥逆变电路 方案三：推挽式逆变电路。推挽电路的工作是由两路相位相反的驱动脉冲分 别加到逆变开关管 Q1、Q2 的基极，控制它们交替断通，使输入直流电压变换成 高频的方波交流电压从变压器输出。 图 1.3 推挽式逆变电路 方案选择：全桥电路和推挽电路的电压利用率是一样的，均比半桥电路大一 倍。再基于全桥结构的控制方式比较灵活，我选用方案二全桥结构，全桥结构的 直流不平衡问题，需要采取措施解决。 1.4 逆变器控制方法的论证与选择 方案一：数字控制。单片机、DSP 等微处理器可以读取输出，并通过控制算 法，实时的计算出 PWM 输出值 3
    武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书 方案二：模拟控制。控制脉冲的生成、控制算法的实现全部由模拟器件完成。 方案三：数模结合的 SPWM 控制电路。它由数字分频电路、三角波形成电路、 调节器、标准正弦波形成电路及 PWM 形成电路等组成。数字分频电路由石英晶体 振荡器构成，分频电路提供了三角波频率信号，标准正弦波的产生是利用数字电 路实现的。正弦信号 SINE 和三角载波信号 TR 通过快速电压比较器，来得到 SPWM 信号。 方案选择：综合考虑便利性、灵活性以及投资成本，选用方案三来实现控制 功能。 2.设计原理及实现方法 2.1 升压斩波电路的设计 升压斩波电路如下图所示。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 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 1 onEI t 。V 断时，E和 L 共同向 C充电并向负载 R供电。设 V 断的时间为 offt ，则此期间电感 L释放能量 为 0 ，稳态时，一个周期 T中 L积蓄能量与释放能量相等，即 ( U E I t 1  off ) 化 简 得 tEI 1 on  U 0  T t off E ( tIEU 1  ) 0 off （ 2 - 1 ） （ 2 - 2 ） 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 与 offt 的 比 值 为 升 压 比 ， 将 升 压 比 的 倒 数 记 作 β ， 则    1 （ 2 - 3 ） 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。 4
    武汉理工大学《电力电子装置及控制》课程设计说明书 图 2.1 升压斩波电路 2.2 全桥式逆变电路的设计 如图所示，单相全桥逆变电路可以看作是由两个半桥逆变电路组成的，桥臂 1、4 和桥臂 2、3 各成一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通 180°， 其输出电压 ou 的波形和半桥电路的 ou 波形形状相同，也是矩形波，但其幅值高 出一倍， mU = dU 。在直流电压和负载都相同的情况下，输出的电流 oi 的波形也 和半桥电路中 oi 的形状相同，而幅值增加一倍。 图 2.2 全桥式逆变电路 全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的电路，下面对其电压波形做定量 分析。把幅值为 dU 的矩形波 u0 展开，形成傅里叶级数： sin t  (sin sin t  u o   4 U d /  1 3 1 5 t  )  (2-4) 5
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