基于Simulink的逆变器仿真.doc

作者：阚枢基于Simulink的逆变器仿真逆变器由三大部分构成：逆变桥、控制逻辑和滤波电路。一、逆变器的桥式电路分为全桥电路和板桥电路。1、单相半桥电路2、三相半桥电路3、单相全桥电路4、三相全桥逆变电路对比分析：单相板桥电路有两个桥臂，每个桥臂有一个IGBT模块和一个反并联的晶闸管构成；直流侧接有两个串联的足够大的电感，两个电容的连接点就是直流电池的中点；而负载连接在直流电源中点和两个桥臂之间。三相整流逆变电路由3套同样的电路组合而成。单相全桥逆变电路有四个桥臂，其中1和3、2和4分别为一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通180。。区别：①半桥电路由一个臂就可以产生正/负半波，每个逆变模块和其他臂上的功率管不出现任何关系。而全桥电路中是一个桥臂上的功率管和其它桥臂的功耗组件同时导通，分时控制。 ②半桥电路的输出本身就是具有中线的三相四线制结构，一般选用高频调制脉冲进行控制，不用加输出变压器。而全桥电路应该有输出变压器。 ③半桥电路需要正负两组电池，直流电流高，需要单独的充电器，否则充电能力不足，而全桥电路只需一组电池，整流器具备大功率的充电能力。④半桥电路的每一组输出功率均需经过一个高频lc滤波器将脉宽调制波解调成正弦波，在混频过程中，每次谐波经电容器的低纹波旁路到中线n，又由于三相输出功率在相位上互差120o，不能将高次谐波互相抵消逆变器仿真，所以其中线n上带有不易消除的高次谐波。

全桥逆变器必然需要一个工频隔离变压器,其原边与电阻构成低通滤波将脉宽调制波解调成正弦波，高次谐波不会传递到负载侧。另外，相对半桥逆变器而言，全桥逆变器的插头电阻增大了一半，因而在中大容量场合受到了广泛应用。在全桥逆变器中，为推动输入输出之间的电器隔离和得到合适的输出功率幅值，务必在输出端接有交流变压器，其作用如下：1）降低零地电压，优化UPS末端配电；2）滤除负载端谐波，提高电网质量；如果不带隔离变压器，其输出零线存在高频电流，主要来自UPS整流器和高频逆变器脉动电流、负载的串扰干扰等，其干扰电流不仅数值高比如难以防止。采用隔离变压器则输出零地电压低，而且不存在高频分量，对于计算机网络的通讯安全来讲，更加重要。3）供电与负载隔离，增强过载短路保护能力，抗冲击能力强；4）通交流阻直流，保护负载；输出没有变压器隔离时，如果整流电流元件发生漏电，则直流母线（DC?BUS）上的高直流电流直接加到负载上，会对负载产生影响。半桥逆变电路特点?优点：简单，使用插头器件少，电路实现简单； ?缺点：输出交流电流幅值只有Ud/2，直流侧需两电容器串联，工作时要注意两侧直流电流均衡，否则容易造成元件出现漏油。

?半桥逆变电路常用于几kW～十几kW以下的小容量UPS逆变电源全桥逆变电路特点?优点是电流不高，输出功率大?缺点是使用的开关元件多，驱动较复杂，适用于大功率的逆变器 ?若整流输出功率为数千瓦到数百千瓦，一般都配备IGBT等高频自关断元件.二、控制逻辑分为方波逆变器、SPWM逆变和SVPWM逆变1、单相方波逆变器参数设置：直流电流300V、阻感负载（1?、2mH）、控制逻辑50Hz、仿真时间0.1s、绝对误差1e-5仿真结果：输出功率、电流及直流侧电压波形：交流基波幅值为381.4V，交流电流THD为48.4%，可见电压利用率较高，但谐波成分大。若为纯电容负载，则功率无波动2、三相方波逆变器参数设定：直流电流530V、控制逻辑（50Hz、占空比50%、依次滞后0.02/6）、负载RLC星形连接（额定413V，50Hz，有功1KW、感性无功100Var、容性无功0）、powergui（离散仿真模式、采样时间10-5s）、仿真时间0.1s仿真结果：A相电压、A相电流、AB线电压以及直流电阻波形：输出六阶梯波，电流波形与负载有关，可改负载阻抗比观察变化。直流电阻波动为逆变器输出基波电压的6倍。

相电压基波峰值为337.3V，线电流基波峰值为584.6V，输出交流毫伏不含3次谐波，只含更高次的奇次谐波，THD为30%左右。3、单相双极性SPWM控制信号： 参数设置：直流电流300V、阻感负载(1?、2mH)、输出基波频率50Hz、载波频率750Hz，仿真时间0.06s、POWERGUI为离散采样方式，采样时间10-5。仿真结果：输出交流毫伏、交流电压、直流电阻波形如下图调制深度m=0.5时：可知其基波幅值为152V，THD达到260%。载波比为15，不含偶次谐波，由于感性负载的谐振作用，负载电流上的THD为27.57%。当m=1时交流电压中心部份明显加宽，基波幅值减小到300v，交流毫伏THD降到92.36%，交流电压THD降到9.81%。得到，SPWM逆变器的串扰特性与基频频率有着密切关系。若将共模频率提升到1500Hz，则最低次谐波增加到28次。交流电压THD只有4.88%，正弦度更好。4、单相单极性SPWM单极性和双极性的仿真电路时相近的，只要将控制逻辑PWM改成仿真结果：输出交流毫伏、交流电压、直流电阻波形如下图调制深度m=0.5时：（与书上仿真结果不完全相同）载波比为15时，应不再含插头频率（15）次谐波，交流毫伏THD应为117.46%，交流电压THD为13.3%，可见单极性调制的串扰性能好于双极性。

当m=1时5、单相倍频SPWM仿真结果：倍频SPWM可以极大地改善三相全桥逆变电路的纹波特性6、三相SPWM逆变电路参数设置：DC500V，三相负载（有功1KW、感性无功500Var），基波50Hz，载波1500Hz,仿真时间0.06s。仿真结果：交流相电压、相电流、线电阻、和直流功率波形如下图m=1时谐波分析图：输出线电流幅值为0.866Ud，谐波分布主要在开关速率的整数倍附近。相电流THD3.56%。进一步降低插头频率可得电流波形波形更近似于正弦波。7、死去时间的影响理想状态下，逆变桥的各个桥臂的上下开关管严格轮流导通和关断。实际状况是开关管的通断都应该一定的时间逆变器仿真，为避免短路，通常让触发信号延迟一段时间，这段时间称为死去时间。在死去时间内，桥臂上下开关管都没有触发信号，该桥臂的工作状态取决于两个续流二极管和该相电流的方向。死去时减小了直流电流利用率，使实际输出功率的基波相位超前于理想的电流基。增加死区时间会减少实际输出功率的基波幅值，增加相位的超前角。在死区时间恒定的状况下，增大功率滞后角会降低转速幅值的代价，同时提高相位的超前角。加入死去会带入谐波，并使输出电压失真。可用MATLAB仿真比较。

8、电流跟踪SPWM电流跟踪控制的PWM逆变器由一般的PWM逆变器和电压控制环组成。其基本控制方法是给定三相正弦电压信号Ia、Ib、Ic，并分别由电流传感器实测的逆变器三相输出功率信号ia、ib、ic相比较，以其误差通过电阻控制器控制PWM逆变器相应的功耗开关器件。Simulink仿真：Figure SEQ Figure \* ARABIC 1仿真建模图Figure SEQ Figure \* ARABIC 2 电流滞环控制器仿真结果：交流相电压、相电流、线电阻和直流功率波形如下： SEQ Figure \* ARABIC 3交流相电压、相电流、线功率和直流电流波形 SEQ Figure \* ARABIC 4相电流谐波分析图电压滞环跟踪型PWM逆变电流通过负载电流和指令电流的比较产生PWM脉冲，因此PWM脉冲的速率，即电流元件的插头频率fc并不固定，fc与电压滞环的长度h成反比，环宽h越小则fc越大。适当增加环宽可以提升负载电流的跟踪误差，但由于开关温度也会随之减少，因此需要合理设计滞环宽度，以注重开关温度和跟踪误差的要求。fc会随着直流电流的减小而减少，因为直流电阻越大，负载电流的攀升和减少速度越快，其超过滞环上上限的时间也越短。

同理，负载电阻越大，负载电流的变化速度越小，则fc越小。由于电压滞环PWM的插头频率不固定，因此逆变器输出功率中不含特定温度的纹波分量，可以避免特定谐波对负载的不利影响，但也不利于滤波。9、电压空间矢量SVPWM仿真参数：DC530V、三相负载（有功1KW、感性无功500Var）、输出基波频率50Hz、开关温度1500Hz。仿真结果：交流相电压、相电流、线电阻和直流功率波形如图：当m=1时输出线电流幅值为530V，即直流电阻Ud，说明SVPWM的直流电流利用率达到了100%，较SPWM的86.6%高。谐波分量的分布规律与SPWM类似，仍然在开关速率的整数倍附近，但THD与SPWM比较略小。10、多电平你变电路（二极管钳位式三电平逆变器）参数设置：DC530V，电容Cd1和电阻Cd2均为560uF(电压初值设为530/2),由于MATLAB仿真时不允许电压源和电阻直接相连，因此DC串一个10-4小电流；三相负载（有功1KW，感性无功500Var），基波50Hz，载波1500Hz，仿真时间0.06s。仿真结果：输出点a相对于中性点的电阻Ua0、线功率Uab、负载相电压Uan和负载相电流的仿真波形如图：电容阻值和中点电流波形：线功率转矩分析图：由图得到三个电压分别为3、5、9电平，随着转矩数的升高，线电流和负载相电压较两电平逆变器更近似于正弦波。其基波幅值仍为459，可见电流利用率与两电平的SPWM相同，但THD仅为29.48%，较两电平降低了一半。由于中点电流不为零，造成了电阻阻值的波动，波动温度为基波频率的三倍。将逆变器输出功率的波形放大后，可看到电容电阻变化的制约，若电容减小，则波动幅度变小，反之变大。

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