逆变电路的MATLAB仿真研究毕业论文(2)

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3 方波逆变电路的仿真研究

3.1 单相方波逆变电路的仿真研究

3.1.1单相方波逆变电路的数学分析

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单相全桥逆变电路如图2（a）所示，是由一个大小为Ud的直流电压源和两个桥臂组成，每个桥臂包括两个全控器件。图2（b）为该电路的基本波形，，两路频率为f,占空比为50%的周期互补信号分别控制全桥电路的两组斜对角功率开关S1、S4和S2、S3。当S1、S4导通时，逆变电路输出电压u0等于Ud，当开关S2、S3导通时，u0等于-Ud，因此u0为一个与驱动信号同频率，正负幅值均为Ud的交变方波电压。

（a）单相全桥逆变电路

（b）全桥方波逆变电路及基本波形

图2 单相方波逆变电路及其基本波形

按照图2（a）所示的参考方向，假定电路已进入稳态，在t0时刻，S1、S4的们驱动信号到达，同时S2、S3因门驱动信号撤除而关断，输出电压为Ud。由于负载的电感性质，

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负载电流之后负载电压一个角度，在此期间负载电压为负的，这意味着在t0时刻负载电流从S2、S3切换到桥臂对管S1、S4的反并联二极管D1、D4，这一过程称为强制换流。此后负载电感的磁场储能向直流母线馈送，负载电流的绝对值指数下降，直到负载电流过零。在t1时刻，负载电流达到零值并开始转变方向与u0同向，电流从二极管D1、D4自然转移到同桥臂的S1、S4这一过程称为自然换流。此后能量由负载向母线传递，负载电流指数上升，直到开关状态改变。

对逆变电路输出电压u0进行傅里叶展开，得

式中 。

输出电压基波峰值为

其有效值为

由上述分析可知，输出电压波形除方波外还包含奇次谐波，第n次谐波幅值与其频率成反比，若忽略较高次谐波，方波逆变电路输出电压的ＴＨＤ大约为45.2%，这一谐波水平不能满足相当部分的交流负载的要求。

直流电压利用率是逆变电路的一个重要指标，它的物理含义是表示一定的幅值的直流电压可以逆变产生的交流输出电压基波峰值或有效值的大小。方波逆变器输出电压的基波峰值为直流电压的1.273倍，其直流电压利用率相对于其他种类逆变器是相当高的，这也是方波逆变器的最大优点。 3.1.2单相方波逆变电路的仿真分析 3.1.2.1建立仿真模型

第一步建立主电路的仿真模型。在Simpowersystem的“Electrical Sources”库中选择直流电压源模块，在对话框中将直流电压设置为300V；然后在“Power Electronics”库中选择四个 “IGBT/Diode”模块，组成全桥电路；在“Elements”库中选择串联RLC支路模块，去掉电容后将电阻和电感分别设为1Ω和2mH；在Simpowersystem的“Sink”库中选择“Scope”示波器模块；在的“Simulink”的“Signal

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各模块相连，便完成了单相全桥方波逆变器的主电路部分。

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Routing”库中选择“Demux”模块，Demux模块的输出接口设为2；按照图2(a)所示将

第二步再来构造控制部分。在Simulink的“Sources”库中选择四个“Pulse Generator”模块，幅值为1。周期为0.02s，频率为50Hz，占空比为50%。其中两个滞后0s,其输出加在开关1和3的门极，另外两个滞后设为0.01s，其输出加在2和4的门极。

第三步完成波形观测及分析部分。将串联RLC支路模块的设置为测量电压和电流，再利用“Measurements”库中的“Multimeter”模块就可以观察逆变器的输出电压、电流。通过串联的电流表可以观察直流电流的波形。此外，利用“Extra Library”中“Measurements”子库的“Total Harmonic Distorsion”和“Fourier”模块，可得到逆变器输出方波电压的THD和基波及各次谐波的大小，同时要把模块中的基波频率设为50Hz。

最终完成仿真模型如图3所示。 <>Continuouspowergui2<>Multimeter<>i+-signalScopeTHD0.484DisplayCurrent Measurementgug2CmETotal HarmonicDistorsionudug1gCmEs2<>s1RLC s3ggug4CmEug3CmEFouriermagnitudesignalangle381.4Display1s4 图3 单相方波逆变电路仿真模型 3.1.2.2分析仿真结果

将仿真时间设为0.1s,选择ode45的仿真算法，将绝对误差设为1e-5，运行后可得仿真结果。

图4中自上而下为逆变输出电压的交流电压、电流和直流侧输出波形。交流电压为

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正负300V方波电压，周期与驱动信号频率同为50Hz。交流电流和直流电流波形有阻感负载的特性所决定。直流电流为负的期间，电流通过反并联二极管流向电源，负载电感的磁场储能向直流母线馈送；直流电流为负的期间，电流通过IGBT流向负载。若为纯电阻负载，则直流电流无波动。

图4 单相方波逆变电路波形图

根据傅里叶变换模块，逆变器输出的交流基波电压的幅值为381.4V与上节数学分析中的理论值相符，交流电压的THD为48.4%。可见，单相方波逆变电路输出电压的基波幅值大于直流电压，其中电压利用率较高，但同时谐波利用率较高，但同时谐波含量较大，难以满足多数负载的要求。

3.2三相方波逆变电路的仿真研究

3.2.1三相方波逆变电路的数学分析

由于配电负载平衡的要求以及用电设备本身的要求，较大容量的逆变器通常采用三相结构。其中，桥式结构的电压型三相方波逆变电路应用最为广泛，其主电路如图4所示，由直流电源和三个桥臂组成，负载为星形连接。当S1导通时，a点接在直流电源正极，当S4导通时，a点接在直流电源负极，b、c点电位是由其上下管的导通状态决定的。

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每个桥臂的上下驱动脉冲互补，是占空比为50%的方波，每个开关导通时间为180°。

三相方波逆变电路的基本波形如图5，每个时刻都有三个开关导通，并按照1、2、3、4、5、6的顺序导通，，所以在一个周期内有六种导通模式。线电压为正负幅值，都是Ud、宽度为180°的方波，三个线电压间各差120°。以5、6、1三个管子导通时的模式为例，此时负载的a、b与电源正极接通，负载b与电源负极接通，故相电压ubn=-2/3Ud,uan=ucn=1/3 Ud,以此类推，可分析出其他导通模式下逆变器各桥臂的工作情况以及工作波形，如图5所示。相电压每60°就可以发生一次电平变化，波形更加接近于正弦波。

图5 三相方波逆变电路原理图

利用傅里叶变换分析得到a、b间线电压和a相电压瞬时值分别为

由上式分析可知，输出电压中没有3的整数次倍谐波，只含更高阶次的奇次谐波，n次谐波的幅值为基波幅值的1/n。

线电压基波幅值为

当逆变电路接的是纯电阻负载时，三个桥臂中的反并联二极管由于不用反馈无功功率，都不用导通，，逆变器从直流母线中吸收直流电流。当逆变器接感性负载时，逆变器将会与母线之间交换无功功率，直流电流脉动频率是输出电压频率的6倍，而纯电阻

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