1、武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书目录1 概述.12 方案论证.32.1 升压电路模块方案选择.32.2 逆变电路方案选择.32.3 闭环反馈电路方案设计.32.4 总体电路方案设计.33 仿真建模.53.1 升压斩波电路仿真建模.53.2 三相桥式 PWM 逆变电路仿真建模.63.3 闭环反馈电路仿真建模.83.4 三相逆变电源总体电路仿真建模.94 仿真结果.104.1 直流升压斩波电路仿真结果.104.2 三相桥式 PWM 逆变电路仿真实现结果.104.3 闭环反馈电路仿真实现结果.114.4 三相逆变电源总体仿真实现结果.115 结束语.13参考文献.14武汉理工大学电力电子技术课
2、程设计说明书1三相逆变器仿真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
3、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
4、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
5、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武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书2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
6、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
7、 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
8、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。武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书32 方案论证本次课程设计要求采用 PWM 斩波控制技术，将输入的 200V 直流电压转换为 380V、50Hz三相交流电输出，并建立 Matlab 仿真模型，进而得到实验波形。题目中要求的输出为 380V、50Hz 三相交流电，显然不能直接由输入的 200V 直流电逆变产生。所以必须对 200V 直流电进行变换电压到一定幅值，接着进行逆变和滤波
9、。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，
10、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 闭环反馈电路方案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
11、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 总体电路方案设计综上，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，输出的直流武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书4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
12、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 2-1 所示。200V 直流电380V，50HZ 交流电PWM升压斩波电路三相逆变电路滤波电路SPWM 调制信号电压采集，与理想值比较产生差值PI 环节与等腰三角波比较输出PWM 控制信号图 1系统总体框图武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书53 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。3.1 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 3-1 所示。该电
13、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 2直流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
14、使用就显得尤为重要。可以先打开 Simulink Library Browser，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SeriesRLC Branch，放入窗口后，双击该图标，在 Branch Type 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 Pulse Generator 产生，可以双击 Pulse Generator
15、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 Voltage Measurement，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。武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书6图 3升压斩波电路仿真模型3.2 三相桥式 PWM 逆变电路仿真建模逆变电路可参考三相桥式 PWM 型逆变电路，其电路图如图 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
16、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rUucu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/2UNduU=。当rUucu时，给4V以导通信号，给1V以关断信号，则/2UNduU=。1V和4V的驱动信号始终是互补的。当给1V（4V）加导通信号时，可能是1V（4V）导通，也可能是二极管1DV（4DV）续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定。V 相和 W 相的控制方式都和 U 相相同。电路的波形如图 6 所示。图 4三相桥式 PWM 型逆变电路采用双极性方式时，在 ur的半个周期内，三角波载波不
17、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 5 所示。武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书7图 5双极性 PWM 控制方式波形图 6三相桥式 PWM 逆变电路波形在仿真的时候由于三相桥式PWM型逆变电路输出的波形需经过滤波电路才能得到要求的 380V 交流电，所以在输出端接入了 RC 滤波电路。由于需要滤除的高次谐波的频率都大于50Hz，借用公式1/2hfRC=即可得到电阻
18、和电容的取值关系，经过计算和比较尝试在这里取 R=50，C=31.8uf 可以满足滤波要求。图 7滤波电路连接图三相桥式 PWM 型逆变电路模型如图 8 所示，其中变压器仅起隔离作用，不对电压进行升降。模块 Universal Bridge 3 arms 的完整电路图如图 9 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 Discrete PWM Generator，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。武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书8图 8三相桥式 PWM 型逆变电路模型图 9模块 Universal Bridge
19、3 arms 实际连接电路3.3 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下图 10 所示。武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书9图 10闭环反馈电路仿真模型3.4 三相逆变电源总体电路仿真建模本次设
20、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 11 所示。图 11逆变电源总体电路仿真模型武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书104 仿真结果4.1 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
21、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 12 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 12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 40
22、0V，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。4.2 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，每相输出的正弦波幅值为220 2 V，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 生成器的调制参数武汉理
23、工大学电力电子技术课程设计说明书11m=0.98 时输出电压满足要求。此时逆变电路的输出波形如图 13 三相桥式 PWM 逆变电路仿真波形所示。图 13 三相桥式 PWM 逆变电路仿真波形4.3 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 14 所示：图 14闭环反馈电路产生 PWM 波形4.4 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 15 三相逆变
24、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。武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书12三相逆变电源的最终输出电压波形如下图 16 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 15 三相逆变电源升压斩波电路输出波形图 16 三相逆变电源仿真结果图武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书135 结束语经过一个
25、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
26、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。通过这次的课程设计，使我认识到要将电力电子技术这门专业课学好不仅仅是要把书上的基本知识学好而且还要不断进行实践，将所学的跟实践操作结合起来才能更好地巩固所学，才能提高自己的实践能力。而且在实践过程中通过查找资料、分析资料以及请教老师和同学，使一些不清楚的问题得以解决，这一点也是非常重要的。当然最关键的还是要靠自己亲
27、自去领会思考如何解决问题，掌握独自面对问题分析问题的方法。不少人抱怨在大学学不到东西，我并不这样认为。我想无论是在学习还是在生活上只有自己真正用心去学习和参与才可能有收获，这也算是本次计算机控制技术课程设计给我知识之外的一点小小的感悟。总之本次课程设计的收获确实良多，很珍惜这样的的机会，因为可以锻炼自己提升自己。武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书14参考文献1王兆安，刘进军.电力电子技术（第五版）.北京：机械工业出版社，20092谢卫.电力电子与交流传动系统仿真.北京:机械工业出版社,20093周建兴.MATLAB 从入门到精通.北京：人民邮电出版社，20084陈坚.电力电子学电力电子变换和控制技术.北京：高等教育出版社，20025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
