课 程 设 计
题 目 学 院 专 业 班 级 姓 名 指导教师
单相逆变电源Matlab仿真研究
自动化学院 自动化专业
2012 年 12 月 28 日
武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书
任务书
学生姓名： 专业班级：
指导教师： 工作单位： 自动化学院 题 目: 单相逆变电源Matlab仿真研究 初始条件：
输入直流电压：100V。
要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写
等具体要求）
1、输出220V单相交流电。
2、建立单相逆变器Matlab仿真模型。 3、进行仿真实验，得到单相交流电波形。 时间安排：
课程设计时间为两周，将其分为三个阶段。
第一阶段：复习有关知识，阅读课程设计指导书，搞懂原理，并准备收集设计资料，此阶段约占总时间的20%。
第二阶段：根据设计的技术指标要求选择方案，设计计算。约占总时间的40%。
第三阶段：完成设计和文档整理，约占总时间的40%。
指导教师签名： 年 月 日
系主任（或责任教师）签名： 年 月 日
武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书
目录
摘要................................................................ 1 ABSTRACT............................................................ 2 1设计意义及要求 .................................................... 3
1.1设计意义..................................................... 3 1.2设计要求..................................................... 3 2方案设计 .......................................................... 4
2.1设计思路..................................................... 4 2.2 方案设计 .................................................... 4 3部分电路设计 ...................................................... 5
3.1单相桥式PWM逆变电路......................................... 5
3.1.1SPWM逆变器的工作原理 ................................... 5 3.1.2单相桥式PWM逆变电路 ................................... 6 3.2 升压变压电路 ................................................ 7 3.3 滤波电路 .................................................... 8 4 仿真建模.......................................................... 8
4．1 Simulink仿真环境........................................... 8 4.2 单相桥式逆变电路仿真建模 ................................... 10 4.3 逆变电源仿真建模 ........................................... 10 5 仿真实现......................................................... 11
5.1 单相逆变电路仿真实现 ....................................... 11 5.2 逆变电源仿真实现 ........................................... 12 6 心得体会......................................................... 14 参考文献........................................................... 15
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摘要
随着电力电子技术的不断发展，可控电路直流电动机控制，可变直流电源等方面得到了广泛的应用,而这些都是以逆变电路为核心。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。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路中，绝大多数都是PWM型逆变电路。可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才发展得比较成熟，从而确定了它在电力电子技术中的重要地位。
本文建立了基于Matlab的单相桥式SPWM逆变电路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Matlab仿真具有的快捷，灵活，方便，直观的优点，从而为电力电子电力的数学及设计提供了有效的工具。
关键字：单相桥式 逆变电路 SPWM Matlab仿真
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ABSTRACT
With the continuous development of power electronic technology, controlled circuit dc motor control, variable dc power supply, etc a wide range of applications, and these are inverter circuit as the core. Nowadays, the inverter is widely applied in all kinds of power supply has been, battery, battery, day Yang can battery are dc power supply, when need the power supply to the ac load power supply, they need to inverter. In addition, ac motor speed control frequency conversion, induction heating power supply, the use of a wide range of power electronic equipment, are inverter circuit as the core. PWM control technology in the application of inverter circuit most widely, the inverter circuit is the most profound influence. Now a lot of application of inverter circuit, the vast majority are PWM type inverter circuit. Can say PWM control technology in inverter circuit is depends on the application, to develop more mature, so as to determine the power electronic technology in the important position.
This paper established based on Matlab single-phase bridge SPWM inverter circuit dynamic model gives the simulation examples and simulation results, the accuracy of the model is proved, and show the Matlab simulation is fast, agile, convenient, intuitive advantages, thus for power electronic power of mathematics and is designed to provide an effective tool.
Key words: single-phase bridge inverter circuit SPWM Matlab simulation
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单相逆变电源Matlab仿真研究
1设计意义及要求
1.1设计意义
通过对《电力电子技术》、《数字电子技术基础》和《模拟电子技术基础》
的学习，我们掌握了各种电路以及一些元器件芯片的结构、工作原理以及各元器件芯片的功能及使用方法，不过这些都只是理论上的知识，通过本次课程设计，我们可以将理论所学的知识与实践联系起来，不仅加深了我们对理论知识的理解，而且训练了我的创新思维，也提高了我综合解决问题的能力。
通过对单相逆变电源的学习和研究，我对单相逆变电源的理解更深入了一些，对其工作原理以及其在各方面的应用有了更进一步的了解，同时也对单相逆变电源的各项指标要求的设计方法有了一个大体的了解。总之，通过本次课程设计，加深了对理论知识的理解及掌握，还学到了许多课本上学不到的知识，通过理论联系实际，收获颇多。
1.2设计要求
在初始条件：输入直流电压：100V。要求完成的主要任务: 1、输出220V单相交流电。
2、建立单相逆变器Matlab仿真模型。 3、进行仿真实验，得到单相交流电波形。
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2方案设计
2.1设计思路
本次课程设计的要求是对单相逆变电源进行Matlab仿真研究，输入为100V的单相直流电，输出为220V的单相交流电，在此可以采用PWM控制技术和变压器的变压原理来建立单相逆变电源的Matlab仿真模型，并进行仿真实验，从而得到单相交流电波形。
2.2 方案设计
根据本次课设要求，可以先将输入的100V直流电压通过单相桥式PWM逆变电路逆变为交流电压，但是逆变后得到的交流电压相对较小，因此需要再经过变压器升压。因此可将单相电压型桥式逆变电路和升压变压器组合起来，即将逆变后的电压作为升压变压器的一次侧进行升压，进而得到所要求的220V单相交流电。在此组合电路中可以采用PWM控制技术中的调制法来控制单相桥式逆变电路中各个开关器件IGBT的通断。
在单相逆变这一部分，这里的逆变电路属电压型，采用等腰三角波作为载波信号，用SPWM进行控制。由于该电路的输出含有谐波，除了使波形具有对称性减少谐波和简化控制外，还需要专门的RLC滤波电路对其进行滤波。在升压这一部分，比较简单，只要采用升压变压器即可。逆变采用PWM逆变电路，采用SPWM作为调制信号，输出PWM波形，经过滤波电路后再进行升压即可以得到220V的单相交流电。系统总体框图如图2-1所示。并通过Simulink进行仿真。
100V DC PWM波 滤波电路 单相逆变电路 35.4V AC 升压变压器 220V AC SPWM调制信号 图2-1 系统总体框图
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所以整体电路图如下图2-2所示：
图2-2单相桥式电源整体电路图
3部分电路设计
由图2-2可知，单相逆变电源电路由单相桥式PWM逆变电路、升压变压电
路、滤波电路等三部分组成。七个部分的设计及原理如下。
3.1单相桥式PWM逆变电路
3.1.1SPWM逆变器的工作原理
本次课程设计要求逆变器输出的是一个正弦交流电压波形，可以把一个正弦半波分作N等份，就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相同，但幅值不等，且脉冲顶部是曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。如果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，使矩形脉冲的中点与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相等，所得到的脉冲序列就是SPWM波形。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。它们都是基于面积等效原理。在此课设中的一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出SPWM波形。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。当逆变器各开关器件都是在理想状态下工作时，驱动相应的各个IGBT的信号也应为与形状相似的一系列脉冲波形。如下图
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3-1所示。
图3-1PWM控制原理图
3.1.2单相桥式PWM逆变电路
单相桥式PWM逆变电路具体电路图如下图3-2所示，电压型全桥逆变电路可看成由两个半桥电路组合而成，共4个桥臂，桥臂1和4为一对，桥臂2和3为另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通。该电路采用PWM控制技术，设调制信号ur为正弦波，载波uc在ur的正半周为正极性的三角波，在ur的负半周为负极性的三角波。在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。在ur的正半周，V1保持通态，V2保持断态，当ur>uc时使V4导通，V3关断，u0=Ud；当ur 6 武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书 图3-2单相桥式PWM逆变电路 对电压波形进行定量分析将幅值为Uo的矩形波展开成傅里叶级数，得 u4Udsint1sin3t1sin5to 35其中基波幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为 Uo1mUo124Ud1.27Ud0.9Ud2Ud3.2 升压变压电路 要得到220V的交流电，必须在输出量较小的逆变电路后加一个升压电路，在此可以将逆变电路的输出侧接到升压变压器的输入端，通过修改变压器的参数就可以得到所需要的交流电压。升压变压器如图3-3所示。 7 武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书 图3-3升压变压器 3.3 滤波电路 根据SPWM信号特点：1、开关频率往往高于基波频率很多倍；2、开关频率的谐波含量很大。因此，滤波器对通带平坦度和阻带衰减速度都有较高的要求。 综合指标较好的滤波器应该是采用通带内有最大平坦响应的巴特沃斯低通滤波器，通过增加阶数来提高阻带衰减速度。SPWM信号较多的出现在变频器输出，变频器输出信号电压高、电流大，不能采用有源滤波器，一般采用简单的LC低通滤波器。LC低通滤波器的电路图如下图3-4所示。 图3-4 RLC低通滤波器 4 仿真建模 对于本次课程设计，根据系统的总体框图，可将其分为单相桥式PWM逆变电路（含滤波电路）和变压器升压电路两部分，下面分别对其进行仿真建模。 4．1 Simulink仿真环境 Matlab运算功能强大，计算准确又快捷；同时Matlab提供的动态仿真工具 8 武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书 Simulink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。Matlab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Matlab中的Simulink其中的电气系统模块库（Power System Blockser）建立电力电子装置的简化模型并进行控制器的设计和仿真。 Simulink是Matlab的重要组成部分，具有提供建立系统模型、选择仿真参数和数值算法、启动仿真程序对该系统进行仿真、设置不同的输出方式来观察仿真结果等功能。Simulink是一种很有效的仿真工具，它能让使用者在图形方式下以最小的代价来模拟真实动态系统的运行。Simulink准备有数百种系统环节模型、最先进的有效积分算法和直观的图示化工具。依托Simulink强健的仿真能力，用户在原型机制造之前就可建立系统的模型，从而评估设计并修复瑕疵。Simulink仿真环境的存在使得Matlab的功能进一步增强，主要表现为三方面，即有模型的可视化，实现了多工作环境间文件互用和数据交换以及把理论和工程有机结合在一起。利用Matlab软件下的Simulink仿真环境和电力系统模块库(SimPowerSystems)对电力电子电路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，同时也可以将结果在示波器上显示出来。 Simulink仿真环境具有如下的特点： （1）建立动态的系统模型并进行仿真； Simulink是一种图形化的仿真工具，用于对动态系统建模和控制规律的研究制定。由于支持线性、非线性、连续、离散、多变量和混合式系统结构，Simulink几乎可分析任何一种类型的真实动态系统。 （2）以直观的方式建模； （3）交互式的仿真分析。 本次课程设计要求我们学会使用Matlab软件的Simulink集成环境进行仿真的相关操作，通过对逆变电源的Matlab仿真，输出使逆变电路输出的波形符合条件，同时在仿真过程中需要对仿真图形里的一些电力电子元件的参数进行设置，从而得到题目要求的输出电压的波形，而且通过本次课程设计的实践有利于巩固电力电子这门学科的知识，并且能更熟悉Matlab的使用方法及步骤。 9 武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书 4.2 单相桥式逆变电路仿真建模 本次课程设计采用单相桥式PWM逆变电路，电路原理图如3-2所示。在Matlab—>Help中的搜索栏输入Three-Phase Two-Level PWM Voltage Source Converters。此电路采用了逆变桥集成块Universal Bridge 3 arms，在此电路的基础上稍作修改，即构成单相桥式PWM型逆变电路模型，具体来讲可将直流电源的电压值即Amplitude改为100V，将逆变桥集成块Universal Bridge 3 arms中的参数Number of bridge arms改为2，将Discrete PWM Generator 6 pulses的参数Genetor Mode改为2-arm bridge(4 pulses), 将参数Sample Time改为4.6e-04,将参数Modulation Index改为0.87，将参数Frequency of output voltage改为50Hz，Carrier frequency改为200Hz。将示波器Scope的参数Time range改为0.08，在这个逆变电路中的变压器是用于隔离的，变比设为1:1，不升降电压，此外在输出时加入一个二阶滤波器就，即LC滤波器，将Cut-off frequency改为50Hz,各个元件的参数可以根据需要稍作修改直至输出电压符合要求，为了方便观察输出，应在输出端加上电压测量装置Voltage Measurement和示波器Scope，构成的单相桥式PWM逆变电路，如图4-1所示。 图4-1 单相桥式PWM逆变电路 4.3 逆变电源仿真建模 将单相桥式逆变电路的输出接到升压变压器的一次侧，就得到逆变电源仿真 10 武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书 模型。在逆变部分各元件的参数已经确定的前提下，设置升压变压器的参数V1 Ph-Ph(Vrms)的值，然后进行仿真运行，如果得不到所要波形，则可以不断地改变，然后再次进行试验，反复试验运行，就可以得到本次课程设计题目所要求的输出的波形。单相逆变电源的仿真模型如图4-2所示。 图4-2 逆变电源仿真模型 5 仿真实现 5.1 单相逆变电路仿真实现 逆变电路中的参数主要有离散PWM生成器（Discrete PWM Generator）中的载波频率（Carrier frequency）、采样时间（Sample time）、调制参数（Modulation index）和输出电压频率（Frequency of output voltage），变压器（Transformer）中的绕组参数（Winding parameters），Three-Phasse Parallel RLC Load模块中的参考点相电压（Nominal phase-to-phase voltage）和频率（Nominal frequency）。可以根据需要改变各个参数，以达到所需输出的波形。单相桥式逆变电路的仿真波形如图5-1所示。 11 武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书 图5-1逆变电路仿真波形 5.2 逆变电源仿真实现 通过对单相桥式逆变电路的参数进行设置将逆变电路的输出电压调到50V（峰值）左右，然后再对逆变电源进行仿真。若仿真出来的波形不满足要求的220V（有效值）交流这一条件，则可以反复设置升压变压器的参数以得到所需要的波形。通过反复试验可知，当单相桥式逆变电路中的Discrete PWM Generator 4 pulses的参数Modulation Index为0.87左右时，输出的交流电压约为40V（峰值），此时的波形如图5-2 所示，输出电压是幅值为40V，周期是0.02s的正弦交流波形。 12 武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书 图5-2逆变电源逆变部分的输出波形 改变单相逆变电源仿真模型中的升压变压器的参数进而来仿真，由理论值进 n140100行计算得升压变压器的变比为n，所以设升压变压器的变比为n2311777.5100:777.5，若是输出波形不是220V交流电则可以改动变压器参数再进行仿真，直至输出波形符合要求（即峰值约为311V）。图5-3为最终的逆变电源输出波形。可见逆变电源输出的单相交流电的波形为幅值是311V，周期是0.02s，符合课程设计的题目要求。 图5-3 逆变电源输出波形 13 武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书 6 心得体会 通过本次电力电子技术课程设计，我进一步熟悉了使用Matlab软件仿真集成环境Simulink对电路进行仿真的基本操作方法，同时对课本上的逆变电源电路的原理有了进一步的理解。当然，在做课程设计的过程中我碰到了各种问题，对于出现的问题，首先我会通过自己查阅课本，或者到图书馆借阅课外有关资料来解决，实在解决不了我会主动请教同学的帮助。在查阅资料的过程中，我还了解了一些电力电子领域的其他知识点，从而扩充了自己的知识面。在和同学的交流中，我也大大认识到自己的薄弱环节在哪里，受益匪浅。同时，在这次课程设计中，我对电力电子技术这门学科中的一些平时没注意过的知识点有了了解，通过将理论上的电力电子电路与模拟的仿真联系起来从而也增强实践的能力，尤其是在解决各种问题后看到自己的仿真图形出现时，很有成就感，我在学到了运用Matlab仿真电力电子电路的同时也增强了自己对电力电子这门学科和Matlab使用的兴趣。 总之，通过本次课程设计，我加强了自学软件的能力，也提高了自己的自学能力，学会了很快地把握重点，并将其灵活运用。当然在今后的学习中，还需要继续加强自己对这款软件的学习以及在软件学习方面能力的提高。 14 武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书 参考文献 1、王兆安, 黄俊.电力电子技术.机械工业出版社（第四版），2004 2、侯云海,薛鹏,王辉,卢秀和. 新式电感型非线性阻抗变换整流电路. 通信电源技术, 2004年6月25日第21卷第3期 3、刘跟平、汤永德、王国君、侯云海. 基于电感非线性阻抗变换的一种新型高效整流电路.长春工业大学学报（自然科学版）, 2008年7月第28期增刊 4、路秋生. 功率因数校正技术与应用.机械工业出版社，2006.2 5、王丹力等.Matlab控制系统设计、仿真、应用.北京:中国电力出版社,2007 6、陈国呈.PWM逆变技术及应用.北京：中国电力出版社,2007 7、周建兴等. Matlab从入门到精通.北京：人民邮电出版社，2008 15 本科生课程设计成绩评定表 姓 名 专业、班级 柯 黎 自动化1005班 性 别 男 课程设计题目：单相逆变电源Matlab仿真研究 课程设计答辩或质疑记录： 成绩评定依据： 评 定 项 目 1．选题合理、目的明确（10分） 2．设计方案正确、具有可行性、创新性（20分） 3．设计结果（20分） 4．态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分） 5．设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（10分） 6．答辩（25分） 总 分 评分成绩 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字： 年 月 日 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容