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PWM逆变器Matlab仿真解析 -.doc
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2019-11-28
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PWM逆变器Matlab仿真解析 本次仿真实验是输入电压为110V直流电,而输出是有效值为220V的交流电。所以这里涉及到一个升压的问题,基于此有两种设计思路第一种是进行DC-DC升压变换再进行逆变,另一种是先进行逆变再进行升压。除此之外,要得到正弦交流电压还要考虑滤波等问题.
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目录
1 设计方案的选择与论证................................................................................................................................... 1
2 逆变主电路设计.............................................................................................................................................. 1
2.1 逆变电路原理及相关概念 1
2.2 逆变电路的方案论证及选择 2
2.3 建立单相桥式逆变电路的 SIMULINK 的仿真模型 3
2.3.1 模型假设.......................................................................................................................................................3
2.3.2 利用 MATLAB/Simulink 进行电路仿真........................................................................................................3
3 正弦脉宽调制(SPWM)原理及控制方法的 SIMULINK 仿真...............................................................................4
3.1 正弦脉冲宽度调制(SPWM)原理 5
3.2 SPWM 波的控制方法 5
3.2.1 双极性 SPWM 控制原理及 Simulink 仿真...................................................................................................5
3.2.2 单极性 SPWM 控制原理及 Simulink 仿真...................................................................................................7
4 升压电路的分析论证及仿真............................................................................................................................ 9
4.1 BOOST 电路工作原理 9
4.2 BOOST 电路的 SIMULINK 仿真 10
5 滤波器设计.................................................................................................................................................... 11
6 PWM 逆变器总体模型................................................................................................................................... 12
1 设计方案的选择与论证
本次仿真实验是输入电压为 110V 直流电,而输出是有效值为 220V 的交流电。所以
这里涉及到一个升压的问题,基于此有两种设计思路第一种是进行 DC-DC 升压变换再进
行逆变,另一种是先进行逆变再进行升压。除此之外,要得到正弦交流电压还要考虑滤
波等问题,所以这两种方案的设计框图分别如下图所示:
逆变 滤波
DC-DC升
压斩波
110V直
流电
直流电
PWM波
220V正
弦波
图 1-1 方案一:先升压再逆变
变压器升
压
滤波逆变
110V直
流电
PWM波
PWM波
220V正
弦波
图 1-2 方案二:先逆变,再升压
方案选择:
方案一:采用 DC-DC 升压斩波电路其可靠性高、响应速度、噪声性能好,效率高,
但不适用于升压倍率较高的场合,另外升压斩波电路在初期会产生超调趋势(这一点将在
后文予以讨论),在与后面的逆变电路相连时必须予以考虑,我们可以采用附加控制策略
的办法来减小超调量同时达到较短的调节时间,但这将增加逆变器的复杂度和设计成本。
方案二:采用变压器对逆变电路输出的交流电进行升压,这种方法效率一般可达
90%以上、可靠性较高、抗输出短路的能力较强,但响应速度较慢,体积大,波形畸变较
重。
从以上的分析可以看出两种方案有各自的优缺点,但由于方案二设计较为简便,因
此本论文选择方案二作为最终的设计方案,但对于方案一的相关内容也会在后文予以讨
论。
2 逆变主电路设计
2.1 逆变电路原理及相关概念
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。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,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。
1
2.2 逆变电路的方案论证及选择
从上面的讨论可以看出本论文主要讨论单相电压型无源逆变电路,电压型逆变电路
的特点除了前文所提及的之外,还有一个特点即开关器件普遍选择全控型器件如 IGBT,
电力 MOSFET 等,有三种方案可供选择,下面分别予以讨论:
方案一:半桥逆变电路,如下图所示,其特点是有两个桥臂,每个桥臂有一个可控
器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容,两个电容
的连接点为直流电源的中点。反并联二极管为反馈电感中储存的无功能量提供通路,直
流侧电容正起着缓冲无功能量的作用。其优点为简单,使用器件少,缺点为输出交流电
压的幅值仅为直流电源电压的一半,且直流侧需要两个电容器串联,工作时还要控制两
个电容器电压的均衡,因此它只适用于几千瓦以下的小功率逆变电路。
Ud
Ud/ 2
Ud/ 2
R L
V1
V2
VD2
VD1
uo
i
o
图 2-1 半桥逆变电路
方案二:全桥逆变电路,如下图所示:其特点是有四个桥臂,相当于两个半桥电路
的组合,其中桥臂 1 和 4 作为一对,桥臂 2 和 3 作为一对,成对的两个桥臂同时导通,两
对交替各导通 ,其输出矩形波的幅值是半桥电路的两倍。全桥电路在带阻感负载时还
可以采用移相调压的方式输出脉冲宽度可调的矩形波。
Ud
R L
V3
V4
VD4
VD3
V1
V2
VD2
VD1
u
o
i
o
图 2-2 全桥逆变电路
方案三:带中心抽头变压器的逆变电路,其主要特点是交替驱动两个 IGBT,通过变
压器耦合给负载加上矩形波电压。两个二极管的作用也是给负载电感中储存的无功能量
2
提供反馈通道,该电路虽然比全桥电路少了一半开关器件,但器件承受的电压约为 2Ud,
比全桥电路高一倍,且必须有一个变压器。
Ud
V1
V2
VD2
VD1
uo
i
o
负载
图 2-3 带中心抽头变压器的逆变电路
方案选择:全桥电路和带中心抽头变压器的逆变电路的电压利用率是一样的,均比
半桥电路大一倍。又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。
2.3 建立单相桥式逆变电路的 Simulink 的仿真模型
2.3.1 模型假设
1 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。
2 所有的输入信号包括触发信号、电源电压稳定,不存在波动。
2.3.2 利用 MATLAB/Simulink 进行电路仿真
在 Simulink 工作空间中添加如下元件:
Simscape/SimPower Systems /Power Electronics 中的 Diode、IGBT 模块
Simscape/SimPower Systems /Electrical Sources/DC Voltage Source 模块
Simscape/SimPower Systems /Elements/Series RLC Branch 模块
Simscape/SimPower Systems /Measurements/Current Measurement 模块
Simscape/SimPower Systems /Measurements/Multimeter 模块
Simscape/SimPower Systems /powergui 模块
Simulink/Source/Pulse Generator 模块
Simulink/Sinks/Floating Scope 模块
Simulink/Signal Routing/Demux 模块
3
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HSuperH
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