基于MATLAB的PWM逆变器的仿真研究.docx
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基于MATLAB的PWM逆变器的仿真研究
基于MATLAB的PWM逆变器的仿真研究
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课程设计说明书(论文)
基于MATLAB的PWM逆变器的仿真研究
学生姓名:
班级学号:
院、系、部:
研究生院
专业:
电气工程
指导教师:
2013年12月
SimulationResearchofPWMInverter
BasedonMATLAB
BY
Supervisedby
Professor
SchoolofElectricPowerEngineering
NanjingInstituteofTechnology
October2013
基于MATLAB的PWM逆变器的仿真研究
摘要
逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。
这里介绍了三相桥式桥式PWM逆变电路的工作原理,建立了输出电路的状态空间模型,分析了空间模型的可控性和可观测性.并采用Matlab的可视化仿真工具Simulink建立三相桥式双极性控制方式下PWM逆变电路的仿真模型,通过动态仿真,研究了调制深度、载波频率对输出电压、负载上电流的影响;并分析了输出电压、负载上电流的谐波特性.
关键词:
Matlab/Simulink;PWM逆变电路;状态空间模型
SimulationResearchofPWMInverter
BasedonMATLAB
Abstract
PWMinvertercontrolcircuitplaysanimportantroalinapplications.Iintroducetheworkingprincipleofthree—phasebridgePWMinvertercircuithereandestablishthestate-spacemodeloftheoutputcircuit.Iwillalsoanalyzethecontrollabilityandobservabilityofspacemodel.Ihaveestablishedthesimulation modelofPWMinvertercircuitinthreephasebridge bipolar controlmodewiththeuseofMatlab simulationtoolsimulink.ThroughdynamicsimulationIhavestudyedthemodulationdepth,thecarrierfrequencyoftheoutputvoltage,andtheloadcurrenteffects。
个人收集整理,勿做商业用途个人收集整理,勿做商业用途
Keywords:
Matlab/Simulink;PWMinvertercircuit;state-spacemodel
1。
引言
在电力电子技术中,把直流电变为交流电称为逆变。
逆变电向交流负载供电时需要逆变电路;交流电动机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分也是逆变电路。
这里主要讨论双极性控制下的三相桥式逆变电路,以及其输出电路的状态空间模型的分析和建立.并应用Matlab的可视化仿真工具Simulink,对该电路进行建模,并对不同调制深度、载波频率情况下对输出电压、负载上电流进行了仿真分析,加深了PWM逆变电路的理论认识。
本文中仿真软件采用MATALABR2013a版本.
2。
三相桥式PWM逆变电路的工作原理
图1三相桥式PWM型逆变电路
图1是三相桥式逆变电路,这种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波载波
,三相的调制信号
、
和
依次相差120°。
U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同,现以U为例来说明。
当
时,上桥臂V1导通,下桥臂V4关断,则U相相对于直流电源假想中点
的输出电压
。
当
时,V4导通,V1关断,则
。
V1和V4的驱动信号始终是互补的。
当给V1(V4)加导通信号时,可能是V1(V4)导通,也可能是二极管VD1(VD4)续流导通,这要由阻感负载中电流的方向来决定。
、
和
的PWM波形都只有
两种电平.
3.状态空间模型
图2显示了L—C输出滤波器得到的电流和电压方程.
图2L-C输出滤波器得到的电流和电压方程
根据基尔霍夫定律,节点a、b、c可列出下列电流方程方程
节点a:
(1—1)
节点b:
(1—2)
节点c:
(1-3)
其中,
,
(1-4)
由以上四式计算可得:
(1-5)
根据基尔霍夫定律,可列出逆变电路输出部分的电压方程:
(1-6)
由(1—6)式可转化为:
(1-7)
根据基尔霍夫定律,可以列出负载回路的电压方程:
(1-8)
由(1—8)可以转化成
(1—9)
由此可将(1-5)、(1-7)、(1-9)写成矩阵的形式:
(1-10)
其中,
,
L
根据(1—10)我们可以建立此模型的状态空间模型:
状态方程:
输出方程:
其中,状态向量
,输入向量
输出向量
系统矩阵
,输入矩阵
,
输出矩阵
,直接传递矩阵D=0
4。
系统的可控性和可观测性
4.1可控性判断
用可控性的秩判据来判断系统能控性,系统状态完全能控的充分必要条件是能控性矩阵
满秩,即
。
MATLAB中的ctrb指令求出可控性矩阵
,
=9,由于可控性矩阵满秩,所以此系统可控。
调用格式为:
=ctrb(A,B)
〉〉TA=ctrb(A,B);
〉〉rank(TA)
ans=
9
4。
2可观测性判断
用系统可观测性的秩判据来判断系统能观性,系统状态完全能观的充要条件是可观测性矩阵
满秩
。
MATLAB中的obsv指令可以求得可观测性矩阵
,
=9,由于可观测性矩阵满秩,所以此系统可观。
调用格式为:
=obsv(A,C)
>>TC=obsv(A,C);
>>rank(TC)
ans=
9
5.Simulink仿真结果
图3仿真波形。
图3中第一个图表表示逆变后输出线到线电压(ViAB、ViBC、ViCA);第二个表示逆变后输出电流(iA、iB、iC);第三个表示负载线电流(iLA、iLB、iLC)
图4输出线电压的波形
图5逆变后输出电流的波形
图6负载电路线电流的波形
6。
小结
本课题讨论了双极性控制下的三相桥式逆变电路,以及其输出电路的状态空间模型的分析和建立。
并应用Matlab进行了Simulink仿真。
在完成设计的过程中查看了部分电力电子书籍和一些文献材料,复习了PWM逆变电路的理论知识,加深了对现代控制系统部分内容的理解。
在此,感谢同学在Matlab使用上对我的帮助。
本次设计是综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题锻炼实践能力的重要环节,我觉得是对我实际工作能力的具体训练和考察过程。
随着科学技术发展的日新日异,电子技术已经成为当今世界空前活跃的领域,在生活中可以说得是无处不在。
此次设计暴露了很多问题,本科的知识掌握很不牢靠,今后对各个学科的学习不能放松.
参考文献:
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北京:
机械工业出版社,2009。
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[4]刘桂英,粟时平。
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87-89。
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HoftR.G。
Generalizedtechniquesofharmoniceliminationandvoltagecontrolinthyristorinverter-sPartÑ:
Harmonicelimination,PartÒ:
Voltagecontroltechniques[J]。
IEEE—IA-9,1973:
310-317
附录:
MATLAB代码
clearall
Vdc=400;
Lf=800e-6;
Cf=400e-6;
Lload=2e-3;
Rload=5;
f=60;
fz=3e3;
a=0。
6;
w=2*pi*60;
Tz=1/fz;
V_ref=(2/3)*a*Vdc;
A=[zeros(3,3)eye(3)/(3*Cf)-eye(3)/(3*Cf)
—eye(3)/Lfzeros(3,3)zeros(3,3)
eye(3,3)/Lloadzeros(3,3)-eye(3)*Rload/Lload];
B=[zeros(3,3)
eye(3)/Lf
zeros(3,3)];
C=[eye(9)];
D=[zeros(9,3)];
Ks=1/3*[—101;1—10;01—1];
由MATLAB代码绘制仿真结果
ViAB=Vi(:
,1);
ViBC=Vi(:
2);
ViCA=Vi(:
,3);
VLAB=VL(:
1);
VLBC=VL(:
,2);
VLCA=VL(:
3);
iiA=IiABC(:
,1);
iiB=IiABC(:
,2);
iiC=IiABC(:
3);
iLA=ILABC(:
1);
iLB=ILABC(:
2);
iLC=ILABC(:
3);
图1PWM逆变器
图2PWM逆变器子系统模型
图3控制开关时间的子系统模型
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- 基于 MATLAB PWM 逆变器 仿真 研究