逆变电路的MATLAB仿真研究毕业论文

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1 绪论

1.1 MATLAB仿真技术简介

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MATLAB是一种集数学、分析、可视化、算法开发与发布于一体的软件平台，本课题要求逆变器变换电路的工作原理，利用MATLAB和Simulink为基础，完成电力电子器件以及逆变器变换电路的建模及仿真和各种负载下的输出波形分析。并以此为基础掌握MATLAB/Simulink对一个动态系统进行建模、仿真和分析的基本方法[2]。

Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。Simulink具有使用面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点,并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号的复杂仿真和设计。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统[3]。

Simulink是MATLAB中的一种可视化工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一种软件包，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，也就是系统中的系统中的不同部分有不同的采样速率[5]。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，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以直接看到系统的仿真结果,这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。

构架在Simulink基础之上提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具,同时其他产品扩展了Simulink多领域建模功能。Simulink可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。

本文主要用到电子库中的电力电子元器件和电力电子组件。进行电力电子仿真时主电路可以直接直接使用苦力使用的桥式电路，也可以自己使用分立元件构建。这些电力电子器件中含有电感，如果电感值不是设置为0则电力器件具有电流源的性质，器件的缓冲电路一般不能去掉，因为在没有连接缓冲电路时不能事先与电感或电流源相连接，也不能开路工作，因此。在含有电力电子器件的电路或系统仿真时，仿真算法一般采用

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1.2 研究逆变技术的意义

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如ode23tb、ode15s等刚性积分算法，这样可以得到较快的仿真速度。

逆变，是对电能进行变换和控制的一种基本形式，逆变技术在风力发电系统中是一个极其关键的技术，在小型风力发电系统中的使用日益广泛，它承担着将直流电调制成稳压稳频的交流电直接供给负载的任务。而现代逆变技术综合了现代电力电子器件的应用、现代功率变换、模拟和数字电子技术、PWM技术、频率及相位控制技术等一门实用技术，已被广泛的用于工业和民用领域中的各种功率变换系统和装置中[11]。近年来，关于电力变换、电动机调速、不间断电源、逆变弧焊电源等各种系统都是逆变技术的应用领域，对于从事电力电子技术研究的工作人员来说，全面掌握现代逆变技术的系统知识就能容易的从事电力电子各方面的设计和研究工作。由于功率半导体元件的进步、微机处理机的快速发展以及现代控制理论的应用，使得逆变技术在现代工程领域中已经占有相当重要的地位。由于逆变领域的产品都是高频大功率的产品，这些相关领域的研究、制作与测试，对实验室的实验设备来说是一种重大的考验。

逆变电路是通用变频器核心部件之一，起着非常重要的作用。它的基本作用是在控制电路的作用下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。同时逆变电路也是UPS的重要组成部分。

由于通常的电力能源例如发电机、电网和蓄电池等均属于电压源，在储能效率和储能元件的体积、价格方面，VIS中的储能元件电容器与CSI中的储能元件电感器相比都具有明显的优势。随着超导技术的发展，电流型逆变器中的储能效率问题得到很好地解决，但是电压型逆变器及其控制方法的研究工作一直是人们的研究重点。虽然电流型逆变器相关理论的研究相对较少应用也不如电压型逆变器应用广泛，但是电流型逆变器在实际应用中也有其独特性，尤其适用于大功率变流系统已经有特殊需求的应用领域。

1.3逆变电路的发展现状

现代逆变技术这门学科是建立在工业电子技术、现代电力电子技术、半导体器件技术、现代控制技术、脉宽调制技术、半导体变流技术、磁性材料等学科基础上的一门实用技术，是研究现代逆变电路的理论和应用设计方法的一门学科。半导体功率集成器件及其应用、功率变换电路和逆变控制技术是现代逆变技术主要的三个部分，逆变的目的是为了获得不同的稳定或变化形式的电能[11]。

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在现代逆变技术的应用领域中，由磁放大式到硅二极管整流式，再到可控硅（晶闸管）整流式，直至发展到逆变式（或者叫开关式），许多用电设备和系统都有一个发展的过程。这不仅是因为采用逆变技术有很多优越性，更重要的还是现代电力电子技术的发展为逆变技术的采用提供了必要的条件。首先逆变电路能够灵活的输出电压和电流的幅度和频率。其次能够将蓄电池中的直流电转化成交流电。然后，可以明显的减小用电设备的体积和重量。最后逆变电路动态响应快，控制性能好，电气性能指标好，保护快，高效节能。

随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的提高平，逆变技术在很多领域应用越来越广泛，其中主要包括交流电动机调速，电动机制动再生能量回馈，不间断电源系统，感应加热，弧焊电源，通信开关电源，变频电源，风力发电，直流输电，磁悬浮列车，通用型直流电源变换器等等多个方面。

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2 逆变电路的工作原理简介

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在电力电子技术中,而把直流电能变换成交流电能的过程则称之为逆变, 通常把交流电能变成直流电源的过程称为整流,它是逆变的逆过程。如果把该电路的交流侧接到交流电源上,把直流电能经过直—交变换,逆变成与交流电源同频率的交流电返回到电网中,称之为有源逆变，不接电网则称作无缘逆变，因此在逆变电路中,按照负载性质的不同,逆变电路可以分为有源逆变和无缘逆变。

以图1（a）单相桥式逆变电路为例说明其最基本的工作原理。图中S1-S4是桥式电路的四个桥臂，它们由电力电子器件和他们的辅助电路组成。当开关S2、S3闭合，开关S1、S4断开时，负载电压u0为负；负载电流和电压当开关S1、S4闭合，开关S2、S3断开的时候，负载电压u0为正，其波形如图1（b）所示。这样把直流电变成交流电，改变两组开关的切换频率，就可以改变输出交流电的频率。这就是逆变电路的工作原理。

（a）

（b）

图1 逆变电路原理图及其波形举例

当负载为电阻时，负载电流i0和负载电压u0的波形形状和相位均相同。当负载为阻感时，负载电流i0相位滞后于负载电压u0，二者波形的形状也不同，图1（b）给出的就是阻感负载时的i0波形。设t1时刻以前S1、S4导通，u0和i0均为正。在t1时刻断开S1、S4，同时合上S2、S3，则u0的极性立刻变为负。但是其电流方向不能立即改变只能

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维持原方向，因为负载中有电感。这时负载电流从直流电源负极流出，经、负载和流回正极，负载电流逐渐减小，到时刻降为零，之后才反向并逐渐增大，于此同时负载电感中储存的能量向直流电源反馈。开关S2、S3断开，S1、S4闭合时的情况类似。

电流从一个支路向另一个支路转移的过程成为换流，换流也常称为换向相。换流过程中，有的支路从通态转移到断态，有的支路从断态转移到通态。换流方式一般分为器件换流、电网换流、负载换流等、强迫换流等。

本文进行了单相方波逆变电路、三相方波逆变电路、单相SPWM逆变电路、三相SPWM逆变电路的仿真，其中主要以单相SPWM逆变电路的仿真分析为例进行介绍，桥式逆变电路按电路结构可分为全桥和半桥式逆变电路，半桥式电路比较简单，全桥电路较复杂而变换容量较大，本文采用单相桥式逆变电路为例进行分析。

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