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1、PWM逆变器设计与仿真摘要随着电力电子技术的不断发展，电力电子技术的各种装置在国民 经济各行各业中得到了广泛应用。从电能转换的观点，电力电子的装 置涵盖交流直流变换、直流交流变换、直流直流变换、 交流交流变换。比如在可控电路直流电动机控制，可变直流电源 等方面都得到了广泛的应用，而这些都是以逆变电路为核心。由于电 力电子技术中有关电能的变换与控制过程，内容大多涉与电力电子各 种装置的分析与大量的计算、电能变幻的波形分析、测量与绘制等， 这些工作特别适合的使用。本次设计的题目是基于逆变器的设计与仿 真，所以在此次仿真就用的是软件，建立了基于的单相桥式逆变电路， 采用作为开关器件，并对单相桥式电压
2、型逆变电路和控制电路的工作 原理进行了分析，运用中的对电路进行了仿真，给出了仿真波形，并 运用提供的模块，分别用单极性和双极性的动态模型给出了仿真的实 例与仿真结果，验证了模型的正确性，并展现了仿真具有的快捷，灵 活，方便，直观的以与绘制的图形准确、清晰、优美的优点，从而进 一步展示了的优越性。关键字：逆变器单极性 双极性仿真目录摘要绪论1第1章 软件31.1软件的介绍31.2电力电子电路的仿真41.2.1实验系统总体设计51.2.2电力电子电路仿真d特点5第2章逆变主电路的方案论证与选择6第3章 逆变器的工作原理93.1控制理论基础93.1.1面积等效原理93.2逆变电路与其控制方法113.
3、2.1计算法113.2.2调制法113.2.3 控制方式15第4章 单相桥式逆变器的仿真184.1单相桥式逆变器调制电路的模型184.1.1单极性仿真模型图184.1.2双极性仿真模型图194.2仿真参数的设定与仿真图的分析194.2.1单极性的仿真与分析19324.2.2 双极性仿真与分析26总结33参考文献绪论20世纪60年代发展起来的电力电子技术，使电能可以交换和控 制，生产了现在各种高效节能的新型电源和交直流调速装置，为工业 生产，交通运输等提供了现代化的高新技术，提高了生产效率和人们 的生活质量，使人类社会生活发生了巨大的变化。但是在电力电子技 术中有关电能的变换与控制过程，内容大多
4、涉与电力电子技术各种装 置的分析与大量计算，电能变换的波形分析，测量与绘图等，随着晶 闸管所处状态的不同，系统的参数形式也不同，因而传统的计算机语 言编程仿真程序冗长，可读性差，调试费时，大量的时间花在矩阵处 理和图形的生成分析等繁琐易错的细节上，而这些工作特别适合的使 用。运算功能强大，计算准确又快捷；同时提供的动态仿真工具可直 接建立电路仿真参数，并且可以立即得到参数修改后的仿真结果，直 观性强，省去了编程步骤，实体图形化模型的仿真简单，方便，能节 省设计时间与降低成本。绘制的图形尤其准确，清晰，精美。电力电 子技术领域通常利用中的其中的电气系统模块库（）建立电力电子 装置的简化模型并进行
5、控制器的设计和仿真。现如今，逆变器的应用非常广泛，在已有的各种电源中，蓄电池，、 干电池、天阳能电池都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电 时，就需要逆变。另外，交流电机调速变频，感应加热电源等使用广 泛的电力电子设备，都是以逆变电路为核心。本次设计利用仿真软件 对单相桥式逆变双极性和单极性电路进行仿真分析，并得出正确的仿 真结果，而且改变了参数从而进行比较，更能清晰的了解逆变器的工作原理与影响其工作特性的因素，从而达到学习的目的。第1章 软件1.1软件的介绍环境（又称语言）是由美国 大学的 于1980年开始研究开发 的，1984年由 等人创立的 公司推出的第一个商业版本。经过几 十年的发
6、展，竞争和完善，现已成为国际公认最优秀的科技应用软件。 语言的两个最著名特点，即其强大的矩阵运算能力和完善的图形可视 化功能，使得它成为国际控制界应用最广的首选计算机工具。在控制 界，很多知名学者都能为其擅长的领域写出了工具箱，而其中很多工 具箱已成为该领域的标准。具有对应学科极强的适应能力，很快成为 应用学科计算机辅助分析，设计，仿真，教学甚至科技文字处理不可 缺少的基础软件。命令和矩阵函数是分析和设计控制系统时经常采用的。具有很多 预定含义的函数，供用户在求解许多不同类型的控制问题时调用。是 提供的一个用来对动态系统进行建模，仿真和分析的软件包。界面友 好，他为用户提供了用方框图进行建模的
7、图形接口，用户建模通过简 单的单击和拖运就能实现，使得建模就像用纸和笔来画面一样容易。 他与传统的仿真软件包相比，具有更直观，方便，灵活的优点。允许 用户定制和创建自己的模块。命令和矩阵函数是分析和设计控制系统时经常采用的。是提供的 一个用来对动态系统进行建模，仿真和分析的软件包。模块库内资源 相当丰富，基本模块库包括连续系统，离散系统非线性系统，信号与 函数，输入模块，接收模块等等，使用方便。由基本模块又形成了其 他的一些专业库，使仿真起来简单快捷，尤其是其中的电气系统模块 库（）和模块，可以使电力电子技术的仿真变得更加容易。在建成模型结构后，就可以启动系统仿真功能来分析系统的动态 特性。启
8、动仿真后，通过鼠标操作就可以实现在线修改参数，改变仿 真算法，暂停/继续或停止仿真，不需要其他的复杂操作。的模块实体图形化模型系统，把代表晶闸管，触发器，电阻，电 容，电源，电压表，电流表等实物的特有图形符号，连成一个蒸馏装 置电路，一个逆变装置或者是一个系统，它不是一个真实的物体，而 是世纪物体的图形化模型。这种实体模型的仿真具有简单方便节省设 计制作时间和低成本等特点。再者，界面友好，是的从事自动控制的 科技工作者乐于接触它，愿意使用它。最后，逆变技术讨论的电能转 换与控制，需要对各种电压与电流波形进行测量，绘制与分析，提供 的功能强大且使用方便的图形函数，特别适合完成此项任务。坐标体 系
9、完整，线形类型丰富，色彩绚丽多彩，绘制的图形尤其准确，清晰， 精美，可以用来对电路的工作原理进行讨论和分析。1.2电力电子电路的仿真实验软件中提供了典型电力电子电路（如整流电路、触发电路、 有源逆变电路、交流变换电路、直流斩波电路等）的数学模型，可供 实验使用，同时也可以自己设计模型完成不同功能的实验任务。1.2. 1实验系统总体设计电力电子电路的仿真流程如下：数学建模阶段一一模型转换阶段一一运行仿真阶段一一分析仿 真结果数学建模阶段：将实际对象的动态特性用微分方程、传递函数、状态方程或结构图等方式描述出来。模型转换阶段：在环境下选择仿真算法将数学模型转化成能被计 算机接受的离散化模型，即仿真
10、模型。建立模型后，设定每个模块参 数。运行仿真阶段：在环境下设置仿真参数，包括仿真时间，仿真步 长，误差值等，采取快速仿真算法，既能达到实时仿真的目的，又能 满足一定的精度要求。分析仿真结果：使用可以观察仿真结果。并且能在仿真运行过程 中随时改变参数，观察变化情况。1.2.2电力电子电路仿真的特点电力电子电路实验系统的仿真，具有以下特点：（1）仿真研究方法简单、灵活、多样。该仿真实验在仿真时还可 以任意参数调整，体现了仿真研究和数学的方便性和灵活性（2）仿真结果直观。通过仿真研究可以得到有关系统设计的大量、 充分而且直观的曲线与数据，方便对系统进行分析、改进。第2章逆变主电路的方案论证与选择方
11、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。方案二：单相桥式逆变电路。单相桥式逆变器有四个带反并联续 流二极管的组成，分别为14,直流侧由两个串联电容，他们共同提 供直流电压，负载为阻感负载，调制电路分别由单相交流正弦调制波 形和三角载波组成，其中三角载波和正弦调制波的幅值和频率之比分 别被称为调制度和载波频率，这是调制中的两个重要参数。三角载波 和正弦调制波相互调制产生四路
12、脉冲信号分别给六个提供触发信号。单相桥式逆变电路方案三：三相桥式逆变电路。当U U时，给V1导通信号， 给V4关断信号，u = U ；当u时使V通，V断，u = U， r12rc430 d当u u时使V断，V通，u =0。u负半周，V保持断，V保持通，当r c430r12u u时使V断，V通，u =0，虚线 r c340 dr c340u0f表示u0的基波分量。波形见图3-2-2。图3-2-2单极性控制方式波形同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通造成短路， 留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由 器件关断时间决定。死区时间会给输出波带来影响，使其稍稍偏离正 弦波
13、。计算法中一种较有代表性的方法，图3-2-3。输出电压半周期内， 器件通、断各3次（不包括0和n）,共6个开关时刻可控。为减 少谐波并简化控制，要尽量使波形对称。首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，即:u ( t) = u ( t + 兀)(3.2.1)其次，为消除谐波中余弦项，使波形在半周期内前后1 /4周期以n/2为轴线对称。(3.2.2)u ( t) = u (兀 t)四分之一周期对称波形，用傅里叶级数表示为:(3.2.3)图3-2-3 特定谐波消去法的输出波形式中，为u ( t) sin n td t确定a1的值，再令两个不同的a 消去两种特定频率的谐波：=0就可建三个方程
14、，求得a、a和a图3-2-3,能独立控制a、a和a共3个时刻。该波形的a为123na - f ai sin n td t + j% (- d sin n t) d t +n 兀 0 2ai2fasin n td t + j T (- sin n t) d t -a22a322U /-2 cos n a )(1 - 2 cos n a + 2 cos n a(3.2.4)式中1,3,5,在三相对称电路的线电压中，相电压所含的3次谐波相互抵消，可考虑消去5次和7次谐波，得如下联立方程:a =2d (1 - 2 cos a + 2 cos a 2 cos a )1 丸122Ua 5 d (1 - 2
15、 cos 5a + 2 cos 5a - 2 cos 5a ) - 02U八a -7d(1 -2cos7a + 2cos7a - 2cos7a ) - 0 给定a，解方程可得a、a和a。a变，a112311（2-5）（2-6）（2-7）a 2 和 a3也相应改变。般，在输出电压半周期内器件通、断各k次，考虑波四分之一周期对称，k个开关时刻可控，除用一个控制基波幅值，可消去k1个频率的特定谐波，k越大，开关时刻的计算越复杂。3.2.3控制方式一.包括单极性和双极性两种调制方法，（1）如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的 一种极性范围内变化，所得到的波也只处于一个极性的范围内，叫做
16、单极性控制方式。(2)如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间 连续变化，则波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。(a)单极性法(1) 调制波和载波：曲线是正弦调制波，其周期决定于需要的 调频比，振幅值决定于，曲线是采用等腰三角波的载波，其周期决 定于载波频率，振幅不变，等于1时正弦调制波的振幅值，每半周期 内所有三角波的极性均相同(即单极性)。调制波和载波的交点，决定了脉冲系列的宽度和脉冲音的间隔宽 度，每半周期内的脉冲系列也是单极性的。(2) 单极性调制的工作特点：每半个周期内，逆变桥同一桥臂的 两个逆变器件中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时通时断地工 作，另一个完全截止
17、；而在另半个周期内，两个器件的工况正好相反， 流经负载的便是正、负交替的交变电流。单极性控制方式(b)双极性法(1) 调制波和载波：调制波仍为正弦波，其周期决定于，振幅决定于，中曲线，载 波为双极性的等腰三角波，其周期决定于载波频率，振幅不变，与1 时正弦波的振幅值相等。调制波与载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此脉 冲系列也是双极性的，但是，由相电压合成为线电压()时，所得到的 线电压脉冲系列却是单极性的。(2) 双极性调制的工作特点：逆变桥在工作时，同一桥臂的两个 逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断，毫不停 息，而流过负载的是按线电压规律变化的交变电流。双极性控制
18、方式第四章单相桥式逆变器的仿真4.1单相桥式逆变器调制电路的模型4.1. 1单极性仿真模型图设计中不采用元件模型，而是采用“ ”模块，在对话框中选择桥 臂数为2,即可构成单相全桥电路，开关器件选反并联二极管的；阻 感负载.直流电压模块设置为220其模块设置如下图所示4-1-1单极性仿真主电路通用桥为中的模块。参数设置：其中（桥臂个数）为2,（电力电子器件）选用（晶闸管），从而构成了逆变器。产生的脉冲信号发生器，使用的是中的 模块。该模块的作用即 为为产生而用以控制等电桥的脉冲信号。在 选项中选择2 （4 ），即两 桥臂共需要4个脉冲信号用以控制开关管。为载波频率，该频率的 大小决定了一个周期内
19、脉冲的密度。 是输出电压的频率，此处设 置为国内标准的50。另外用到模块，其设置为离散仿真模式，采样 时间为2005.4.1.2双极性仿真模型图4-1-2双极性仿真主电路对于双极性的电路来说设置基本与单极性的相同，只是双极性的 产生的脉冲信号发生器，使用的是中的 模块，此时在 选项中选择 1,即两桥臂共需要2个脉冲信号用以控制开关管.4.2仿真参数的设定与仿真图的分析4.2.1单极性的仿真与分析一.负载的变化设定输出电压频率50，载波频率1080，调制深度0.41. 当电阻3，22时的直流侧电流、交流侧电压、交流侧电流的波形 （仿真时间0.05）图4-2-1 3, 22的波形2. 当电阻5,
20、22时的直流侧电流、交流侧电压、交流侧电流的波形 （仿真时间0.05）151050-5-104000-200Time offset: 0200图4-2-25，22时的波形分析：从图4-2-1和图4-2-2可以看出，当系统刚启动时电流波形不稳定，会发生震荡，当电感相同的情况下，电阻较小时（3）,电 流波形震荡的更厉害，震荡完以后才趋于稳定。3. 当电阻10，21时的直流侧电流、交流侧电压、交流侧电流的波形（仿真时间0.05）1050-54002000-200-4001050-5-101, i 1111“/If 1 j1 II I M1rl：i；IcL4rrpT直流侧电流六N /mu 由 cc.5
21、J-祝4丁卜*00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05交流侧电流Time offset: |0图4-2-3 10，21时的波形4. 当电阻10，23时的直流侧电流、交流侧电压、交流侧电流的波形（仿真时间0.05）0.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05-20nn hhr图4-2-410，23时的波形分析：从图4-2-3和图4-2-4可以看出,当电阻一定时，减小电感，会发现电流波形在正弦波的基础上发生大幅度的震荡，波形的峰值电压增大，影响系统的特性，所以对于阻感性负载不能使电感过小。通过仿真，比较分析，得
22、出改变负载对输出的影响的结论：（1）负载有功功率越大，系统进入稳态的时间越快，较小的负载有功率会在暂态时产生很大的波动。（2）负载的感性功率会影响峰值电压。二.输出电压频率和载波频率的变化设定1022，调制深度0.41. 当输出电压频率为50，载波频率1080时的直流侧电流、交流 侧 电压、交流侧电流波形仿真时间0.02s图4-2-5输出电压频率为50，载波频率1080时的波形仿真时间0.05sTime offset: lu图4-2-6输出电压频率为50，载波频率1080时的波形2. 当输出电压频率为50，载波频率3240时的直流侧电流、交流侧电压、交流侧电流的波形仿真时间0.02图4-2-7
23、输出电压频率为50，载波频率3240时的波形仿真时间0.05-540020010500-200图4-2-8输出电压频率为50,载波频率3240时的波形分析：从图4-2-5和图4-2-7可以看出，载波频率直接影响了 波形的光滑度，载波频率越大波纹越小仿正弦效果越好。但也应注意 到频率过高有可能对整流桥器件产生影响，所以也不能过于高。另外 载波频率越高，在一个周期内脉冲越密。3. 当输出电压频率为100，载波频率1080时的直流侧电流、交流侧 电压、交流侧电流的波形仿真时间0.05图4-2-9输出电压频率为100,载波频率1080时的波形4. 当输出电压频率为100，载波频率3240时的直流侧电流
24、、交流侧电压、交流侧电流的波形（仿真时间0.05）交流侧电压4002000-200图4-2-10输出电压频率为100，载波频率3240时的波形分析 a：从图4-2-9和图4-2-5以与图4-2-8和4-2-10可以看出，当载波频率不变时，输出电压频率改变后可以注意到，波纹相对于输 出电压频率为50时比较小，但是输出电压频率为50时每个周期内的 脉冲个数比100时的减小了一半，所以仿正弦的效果大大下降了，可 见如若提高输出电压的频率后，不改变载波频率，逆变效果会打折扣。分析b:从图4-2-6和4-2-10可以看出，即输出电压频率为50， 载波频率1080时的波形和输出电压频率为100，载波频率3
25、240时的 波形进行比较，可以看出：在提高了输出电压频率的同时，成比例的 提高载波频率，既可以使波纹更小，而且可以增加每个周期内的脉冲 个数，使得仿正弦的效果更好。通过仿真，比较分析，得出载波频率与输出电压频率改变对输出 的影响的结论：在电压输出频率一定的情况下，载波频率的大小影响了仿正弦波 的光滑度，即决定了正弦波形的仿制质量。当载波频率一定时，电压 输出频率的大小决定每个周期内的仿正弦的个数。4.2.2双极性仿真与分析一.负载的变化设定输出电压频率50，载波频率10801. 当电阻1，0.5时的直流侧电流、交流侧电流、交流侧电压的波形 仿真时间0.05-21.51直流侧电流210-1，泌M
26、aE、* Aa .,-V Vva.Fa交流侧电流Time offset: Id0.50图4-2-11 1, 0.5的波形2.当电阻10, 1时的直流侧电流、交流侧电流、交流侧电压的波形(仿真时间0.05)0.80.6交流侧电流0.40.203.当电阻10, 0.5时的直流侧电流、交流侧电流、交流侧电压的波形（仿真时间0.05）图4-2-13 10，0.5的波形分析a：从图4-2-11和图4-2-13可以看出，当电感相同的情况下， 电阻较大时（10），电流波形发生震荡，震荡完以后才趋于稳定。分析b：从图4-2-11和图4-2-13可以看出,当电阻不变时，电感 越大波形的峰值电压越小。通过仿真，比
27、较分析，得出改变负载对输出的影响的结论:（1）负载有功功率越小系统进入稳态的时间越快，较大的有功功率会在暂态时产生很大的波动。（2）载的感性功率会影响峰值电压，电感越大波形的峰值电压越小。 二.电压频率和载波频率的变化设定10 0.5H1.当输出电压频率为50，载波频率1080时的直流侧电流、交流侧电流、交流侧电压的波形（仿真时间0.05）图4-2-14输出电压频率为50，载波频率1080的波形2. 当输出电压频率为50，载波频率4320时的直流侧电流、交流侧电流、交流侧电压的波形（仿真时间0.05）图4-2-15输出电压频率为50，载波频率4320的波形3. 当输出电压频率为100,载波频率
28、1080时的直流侧电流、交流侧电流、交流侧电压的波形（仿真时间0.05）图4-2-16 输出电压频率为100，载波频率1080的波形4. 当输出电压频率为100，载波频率4320时的直流侧电流、交流侧电流、交流侧电压的波形（仿真时间0.05）图4-2-17输出电压频率为100，载波频率4320的波形分析a：从图4-2-14和图4-2-15可以看出，载波频率直接影响 了波形的光滑度，载波频率越大波纹越小仿正弦效果越好。但也应注 意到频率过高有可能对整流桥器件产生影响，所以也不能过于高。另 外载波频率越高，在一个周期内脉冲越密。分析b： 从图4-2-14和图4-2-16以与图4-2-15和4-2-
29、17可以看 出，当载波频率不变时，输出电压频率改变后可以注意到，波纹相对 于输出电压频率为50时比较小，但是输出电压频率为50时每个周期 内的脉冲个数比100时的减小了一半，所以仿正弦的效果大大下降 了，可见如若提高输出电压的频率后，不改变载波频率，逆变效果会 打折扣。分析C：从图4-2-6和4-2-10可以看出，即输出电压频率为50， 载波频率1080时的波形和输出电压频率为100，载波频率3240时的 波形进行比较，可以看出：在提高了输出电压频率的同时，成比例的 提高载波频率，既可以使波纹更小，而且可以增加每个周期内的脉冲 个数，使得仿正弦的效果更好。通过仿真，比较分析，得出载波频率与输出电压频率改变对输出 的影响的结论：在电压输出频率一定的情况下，载波频率的大小影响了仿正弦波 的光滑度，即决定了正弦波形的仿制质量。当载波频率一定时，电压 输出频率的大小决定每个周期内的仿正弦的个数。
