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电装课设最终
三相逆变器Matlab仿真研究
1概述
现代工业、交通运输、军事装备、尖端科学的进步以及人类生活质量和生存环境的改善,都依赖于高品质的电能,据统计70%的电能都是经过变换后才使用,而随着科技的发展,需要变换的比例将会进一步提高。
电力电子技术为电力工业的发展和电力应用的改善提供了先进技术,它的核心是电能形式的变换和控制,并通过电力电子装置实现其应用。
电力电子装置是以满足用电要求为目标,以电力半导体器件为核心,通过合理的电路拓扑和控制方式,采用相关的应用技术对电能实现变换和控制的装置。
逆变器和直流斩波电路是应用很广的一种电力电子装置或技术。
直流斩波电路(DCChopper)的功能是将直流电变为另一种固定的或可调的直流电,也称为直流-直流变换器(DC/DCConverter)直流斩波电路(DCChopper)一般是指直接将直流变成直流的情况,不包括直流-交流-直流的情况;直流斩波电路的种类很多,包括6种基本斩波电路:
降压斩波电路,升压斩波电路,升降压斩波电路,Cuk斩波电路,Sepic斩波电路,Zeta斩波电路,前两种是最基本电路。
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方案论证
2.1设计任务与要求
条件:
输入直流电压:
110V。
要求完成的主要任务:
1、输出220V三相交流电。
2、建立三相逆变器Matlab仿真模型。
3、进行仿真实验,得到三相交流电波形。
2.2设计任务分析
由于输入直流电压只有110V,而输出交流电压要求有效值为220V,所以必须通过升压电路将直流电压升到到一定值才能作为逆变器的输入电压。
逆变器的核心是半导体开关器件,不同拓扑的逆变电路有不同的优缺点和应用领域。
半导体开关器件需要触发信号才能导通,要使逆变器输出正弦波形,则需要特殊的触发电路对开关器件进行调制。
逆变器输出带有高次谐波,需要滤波电路对谐波进行。
在进行仿真前,需对上述电路模块进行比较论证和选择。
2.3各模块方案选择
2.3.1升压电路选择
1)方案1:
采用变压器直接对直流电压进行升压。
2)方案2:
采用boost直流斩波升压电路通过改变占空比对直流电压进行调节升压。
考虑到实际变压器变比不可调或者调节范围很小,不利于逆变器输出的调节,而boost电路通过调节开关器件的导通占空比可以灵活方便的调节输出电压的大小,从实际出发和从方便性出发,最终选择了boost电路作为升压电路。
2.3.2逆变电路选择
逆变器按照输出的相数分,有单相、三相两种;按电路拓扑分,有半桥式、全桥式和推挽式。
鉴于全桥结构的控制方式比较灵活,所以选择三相全桥电路作为逆变器主电路。
2.3.3逆变器触发电路选择
目前,逆变器广泛采用PWM脉宽调制技术实现对输出电压的控制。
PWM技术主要体现在两个方面,一是控制策略,二是实现的手段。
调制方式主要有直流脉宽调制和正弦波脉宽调制两种方式。
直流脉宽输出的是方波,波形畸变严重,所以不适合;正弦波脉宽调制输出波形只含高次谐波,可以大大减小滤波器的体积。
所以最终选择正弦波脉宽调制,即SPWM技术。
2.3.4滤波电路选择
由于设计任务对波形畸变率没有特殊的要求,可以采用最普通的LC滤波电路作为逆变输出的滤波电路。
2.3.5总电路的控制方式
由于设计任务没有对稳压和响应速度的特殊要求,故可采用开环的控制方式。
当负载变化时输出电压可能会发生变化,可以通过调整boost电路占空比来调整逆变器输入电压从而控制电压输出。
2.4设计方案方框图
图1系统总框图
3设计原理
3.1升压斩波电路
升压斩波电路如下图2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
。
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
,则此期间电感L释放能量为
,稳态时,一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等,即
化简得
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
的比值为升压比,将升压比的倒数记作β,则
故
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。
图2升压斩波电路原理图
3.2三相电压型桥式逆变电路
三相电压型桥式逆变电路如下图3所示,逆变器输出波形如图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
,三相的调制信号
、
和
一次相差120度。
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
>
时,给上桥臂
以导通信号,给下桥臂
以关断信号,则U相相对于直流电源假想中点
的输出电压
。
当
<
时,给
以导通信号,给
以关断信号,则
。
和
的驱动信号始终是互补的。
当给
(
)加导通信号时,可能是
(
)导通,也可能是二极管
(
)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。
。
图3三相电压型桥式逆变电路
图4三相桥式PWM逆变电路波形
3.3双极性SPWM控制电路
在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关器件的通断。
在ur的半个周期内,三角波载波有正有负,所得的PWM波也是有正有负,在ur的一个周期内,输出的PWM波只有±Ud两种电平。
在ur的正负半周,对各开关器件的控制规律相同。
当ur>uc时,V1和V4导通,V2和V3关断,这时如io>0,则V1和V4通,如io<0,则VD1和VD4通,不管哪种情况都是
。
当ur
。
这样就得到了正弦信号与三角载波的比较波形即SPWM波,此波形在效果上等效于调制波。
其波形如图5所示。
将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲宽度为/N,但幅值顶部是曲线且大小按正弦规律变化的脉冲序列组成的。
把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替,使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合,且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积(冲量)相等,这就是PWM波形。
对于正弦波的负半周,也可以用同样的方法得到PWM波形。
脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形,也称SPWM(SinusoidalPWM)波形。
PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种,由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波。
基于等效面积原理,PWM波形还可以等效成其他所需要的波形,如等效所需要的非正弦交流波形等。
由于各脉冲的幅值相等,所以逆变器可由恒定的直流电源供电。
图5双极性PWM控制方式波形
3.4驱动电路
由于本设计任务用Matlab进行仿真,仿真模型不需要专门的驱动电路,因为理想开关器件没有开关损耗,不需要驱动功率,只需要有单位的触发信号即可开通。
这里给出逆变器驱动电路的原理和要求,以供实际使用。
驱动电路是主电路与控制电路之间的接口电路。
合理的驱动电路可以使开关管工作在比较理想的状态,缩短开关时间,减少开关损耗,提高系统的运行效率。
另外,有些保护措施往往设在驱动电路中,或通过驱动电路来实现。
驱动电路的基本任务是将信息电子电路传来的信号转换为加在器件控制回路中的电压或者电流,应该具有一定的功率,是器件能够可靠地开通或者关断。
驱动电路往往还需要提供电气隔离环节。
目前,广泛使用的电力电子器件是MOSFET和IGBT,在常用的驱动电路中,变压器隔离驱动的驱动脉冲的占空比必须小于50%,否则变压器的磁通不能复位。
而采用SPWM调制方式时,开关管的驱动脉冲不可避免的有超过50%的情况,因此,小容量逆变器中,电力MOSFET多采用高压隔离驱动的集成芯片,而在大中容量逆变器中,IGBT则采用厚膜集成驱动电路模块。
4Matlab建模仿真
Simulink是Matlab的仿真集成环境,是一个实现动态系统建模、仿真的集成环境。
它使Matlab的功能进一步增强,主要表现为:
①模型的可视化。
在Windows环境下,用户通过鼠标就可以完成模型的建立与仿真;②实现了多工作环境间文件互用和数据交换;③把理论和工程有机结合在一起。
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。
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。
4.1boost升压电路仿真
升压电路的仿真模型如下图6所示。
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。
该电路中开关器件用IGBT,控制IGBT的波形由PWM脉冲生成器PulseGenerator产生,PulseGenerator在SimulinkLibraryBrowser的Simulink下拉菜单Sources类别中。
绘制仿真图时,打开SimulinkLibraryBrowser,可以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,如PulseGenerator,双击查找。
找到元件后直接将其拖到新建Model文件窗口中即可。
电路中其他元件按以上方法找出,放入Model文件窗口中。
其中电阻、电感和电容元件,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,如电阻选R,电感选L,选择完毕后单击OK按钮。
放齐元件后,按升降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,并在Simulink下拉菜单CommonlyUsedBlocks类别中选择Scope,即示波器,以观测输出电压波形。
图6boost升压电路的仿真模型电路图
参数设置:
打开斩波电路窗口,根据参考资料设置初试参数,设置时双击元件图标。
输入直流电设为110V,开关器件IGBT和二极管Diode使用默认参数。
初步设定负载
,电感L=5e-04H(即0.6mH),电容C=4e-05F(即30uF)。
设置PWM发生器周期Period为0.0001s,占空比PulseWidth(%ofperiod)为50%,其他参数不变。
单击Startsimulation按键,开始仿真,双击示波器Scope,观察输出波形图。
此时输出波形持续等幅震荡,电压变化范围在213V-221V之间变化,达不到稳压的要求,波形不够理想。
由分析可以,要把电压波形稳住,应该加大电感电容的值。
设定电感值L=4.2e-3H(4.2mH),电容C=6e-4F(600uF),再次仿真。
经过短时间的震荡后得到稳定的电压波形,电压波形如下图7。
图7升压电路输出波形
输出电压约0.3s后稳定在218V左右,扣除电感和开关器件上的压降以后可以认为满足
。
占空比为50%时,输出约为输入电压2倍。
通过几次调节各元件参数发现,改变电感和电容的值,输出电压稳定值也在变化。
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。
4.2SPWM波的Matlab仿真模型
SPWM波的形成需要用三角形载波和正弦调制波比较输出。
等腰三角形载波的Matlab仿真如下图8所示:
图8等腰三角形载波的Matlab仿真模型
S-Functiom的函数具体如下:
function[sys,x0,str,ts]=sanjiaowave(t,x,u,flag,A,Freq)
switchflag,
case0,
[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes;
case1,
sys=mdlDerivatives(t,x,u);
case2,
sys=mdlUpdate(t,x,u);
case3,
sys=mdlOutputs(t,x,u,A,Freq);
case4,
sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u);
case9,
sys=mdlTerminate(t,x,u);
otherwise
error(['Unhandledflag=',num2str(flag)]);
end
function[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes
sizes=simsizes;
sizes.NumContStates=0;
sizes.NumDiscStates=0;
sizes.NumOutputs=1;
sizes.NumInputs=1;
sizes.DirFeedthrough=1;
sizes.NumSampleTimes=1;%atleastonesampletimeisneeded
sys=simsizes(sizes);
x0=[];
str=[];
%
%initializethearrayofsampletimes
%
ts=[00];
functionsys=mdlDerivatives(t,x,u)
sys=[];
functionsys=mdlUpdate(t,x,u)
sys=[];
functionsys=mdlOutputs(t,x,u,A,Freq)
%直接在输出函数部分编写三角波的代码
T=1/Freq;%求三角波周期
m=rem(u,T);%u为外部输入时间信息,rem为求余函数
K=floor(u/T);%floor为向零取整
r=4*A*Freq;
c=T/2;
if((m>=0)&(m sys=r*(u-(K+0.25)*T); elseif((m>=c)&(m<=T)) sys=-[r*(u-(K+0.75)*T)]; else sys=A; end functionsys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u) sampleTime=1;%Example,setthenexthittobeonesecondlater. sys=t+sampleTime; functionsys=mdlTerminate(t,x,u) sys=[]; %endmdlTerminate 参数输入如下图9所示。 图中1表示三角波幅值大小,1000表示三角波的频率大小。 图9S-Function参数设置 仿真输出波形如图10所示。 图10输出等腰三角波波形 正弦调制波可以由Matlab仿真库提供的模块来得到。 如下图11所示 11正弦波输出电路 参数设定方法如下图12所示。 图中1表示正弦波峰值大小,0表示初相角,50表示正弦波的频率。 图12正弦波输出电路参数设定 输出正弦波形如下图13所示。 输出三相幅值为1,频率为50的正弦波,相角互差120度。 图13三相正弦调制波输出波形 SPWM波的Matlab仿真模型如下图14所示 图14SPWM波输出仿真模型 其中一路SPWM波形如下图15所示。 波形幅值相等,宽度成正弦规律变化。 图15SPWM波形 4.3逆变电路仿真建模 逆变电路的模型如下图16所示。 主电路为6个IGBT构成的三相全桥电路,采用了Matlab仿真库提供的模块,负载为RC并联回路接地,变压器的作用只有是电气隔离,变比约为1,在变压器原副边分别接入电感和电容作为滤波电路。 触发电路采用上述的SPWM波形形成电路,即图中封装后的subsystem模块。 在进行仿真调试时先使用直流电压源,电压给定为100V。 图16逆变器仿真模型 图17逆变器输出波形 图18畸变率比较大的输出波形 图19调整后的逆变输出波形放大图 经过一天反复的调试终于调到了比较理想的波形,如图17、图18和图19所示。 初期调试的波形,要不奇形怪状,要不畸变率太高不能接受。 电路各个元件参数设定如下: 滤波电感L=5mH,滤波电容C=0.1mF,变压器取默认值,变比取1,原边三角形接法,副边Y接法,负载有功功率取10kW,电容性无功功率取0.5kVar。 根据仿真经验可得,如果用SPWM硬开关调制方式,当载波比为21时,死区对于波形的影响较小,据此,开关器件的工作频率选为50*21=1050Hz,即三角波频率为1050Hz。 由上图看到,由于调制比等于1,所以输入直流电压为100V,输出交流波形峰值也为100V左右,即输出电压有效值为 ,与理论分析一致。 同时,从中也可确定boost电路的占空比 4.4总电路仿真建模 总体电路模型如下图20所示。 图20总电路模型图 考虑到boost电路上的电压损耗,应该适当调节占空比略大于理论值,经调试后取66.5%,得到如下输出波形。 图21逆变器输出波形 图22逆变器输出波形放大图 图23三相输出波形 I 图24三相输出波形放大图 4.5仿真结果分析 由图21和图22可以看到逆变器输出幅值接近311V,频率为50Hz的正弦波,波形畸变不明显;由图23和图24可以看到逆变器输出三相正弦波形互差120度,三相输出波形都比较接近理想正弦波形,仿真结果达到设计要求。 5小结 很难想象最终还是把这个课程设计做下来了,因为中间过程是多么曲折。 当我刚拿到设计任务的时候,乍一眼看我还觉得题目比较简单,就是一个DC-AC转换电路,然后我脑海中立马浮现出课本上学的逆变电路图,简单的六只开关管接成桥式电路然后接负载。 后来当我真正开始付之行动时才发现实际做起来要比理论分析难很多。 做任何事都要先有计划。 首先,我解决的第一个问题是方案问题,根据输入输出电压的差别,我决定先用一个升压电路将直流电压进行升压处理后才输入到逆变器,而逆变器主电路则采用我们学的最多的三相桥式电路。 然后,我对各种模块电路进行了理论复习,记下每个电路需要哪些器件,以及各自的作用,在纸上画出了大概的模型图,以便仿真时参考。 紧接着,等待我解决的就剩下技术问题了。 设计任务要求使用Matlab进行仿真,虽然之前也用过Matlab来进行类似的仿真,但是当时用的主要是各种函数和功放,这次要用到很多种电源和波形模块,所以必须对Matlab仿真方法和仿真库提前预习一番。 于是我到图书馆借了几本有关Matlab仿真的书来看,粗略的浏览一遍以后知道大概有那些我还不知道的功能和我可能需要用到的东西,留待以后仿真的时候使用。 最后,也是最关键的一步,就是进行仿真了。 我觉得仿真最大的难处就是电路搭出来以后耐心的调节参数得到想要的波形的曲折过程。 搭建模型非常简单,在仿真库里面找到相应的器件或模块,按照书上的电路原理图连线成为一个整体就完成了。 但是模型完成要根据理论知识和经验来调整各个元件的参数才能使电路正确工作或者得到所需要的波形。 调试升压电压模型的时候,一开始由于电感和电容的参数设置的太小,电路不稳定,输出电压一直在振荡。 后来加大了电感和电容以后虽然电压响应时间变长了,但是稳定后电压质量比较理想。 所以说调试是一个漫长而需要祈祷的过程。 在做SPWM波输出电路的时候,我在仿真库里面只找到一个signalgenerator,能输出正弦波、方波、锯齿波,但是就没有三角波。 所以我参照了借的书上面的一个例子,用S-Function函数写了一个等腰三角波的程序,可以输出指定电压幅值指点频率的三角波,来作为SPWM调制方式的载波信号。 后来,宿舍一位电脑高手告诉我其实matlab仿真库里面有一个PWMgenerator,可以直接输出指点频率的PWM波形,来作为IGBT的触发信号。 知道以后觉得虽然自己绕路了,但未尝不是好事,至少又学会了多一种产生信号的方式。 在调试逆
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