基于matlab的pwm逆变器的仿真研究

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 电气工程
专	业：

指导教师：

2013年12月

SimulationResearch of PWM Inverter Basedon MATLAB
BY

Supervisedby
Professor

Schoolof Electric Power Engineering
NanjingInstitute of Technology
October 2013

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

SimulationResearch of PWM Inverter
Basedon MATLAB

Abstract
PWMinverter control circuit plays an important roal in

applications.I introduce the working principle of three-phase bridge PWM invertercircuit here and establish thestate-space model of the output circuit.I will also analyze thecontrollability and observability of space model. I have establishedthe simulation model of PWM inverter circuit in three phase bridgebipolar control mode with the use of Matlab simulation tool simulink.Through dynamic simulation I have studyed the modulation depth , thecarrier frequency of the output voltage, and the load currenteffects.

Keywords：Matlab/Simulink;PWM inverter circuit; state-space model

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

u

c

，三相的调制信号

u

rU

、

u

rV

和

u

rW

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

u

rU



u

c

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

N

'

的输出电压

u U N

'

U

d

/

2

。当

u

rU



u

c

时，V4 导通，V1 关断，则

u U N

'

U

d

/

2

。 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。

u

UN

'

、

u

VN

和

u

WN

'的PWM 波形都只有



U

d

/

2

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。

ViAB	iiA	Lf	a	Cf	c	ica	Lload	iiA
		Lf	VLAB				Lload
								Rload
				iab				iLB
			b
ViBC	iiB	Lf	VLBC	Cf		VLCA	Lload	Rload
				ibc		Cf
	iiC							iLC
								Rload

图2 L-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：

i

A



LA



i

LCA



i

LAB



i

A



i

LA



C

dV

LCA



C

dV

LAB



0

（1-1）

f

dt

f

dt

0

节点b：

i

B



i

LB



i

LAB



i

LBC



i

B



i

LB



C

f

dV

LAB



C

f

dV

LBC



（1-2）

dt

dt

节点c：

i

C



i

LC



i

LBC



i

LCA



i

C



i

LC



C

f

dV

LBC



C

dV

LCA



0

（1-3）

dt

f

dt

其中，

i

LAB

C

f

dV

LAB

，

i

LBC

C

f

dV

LBC

，

i

LCA

C

f

dV LCA

dt

dt

dt

（1-4）

V

LAB



V

LBC



V

LCA



0

由以上四式计算可得：



dV

LAB



1

( i

A



i

B



i

LA



i

LB

)



1

( i

AB



i

LAB

)



dt

3 C

f

3 C

f

（1-5）

dV

LBC



1

(

B





LB



)



1

( i

BC



LBC

)



dt

3 C

f

C

LC

3 C

f

dV

LCA



1

( i

C



i



i

LC



i

)



1

( i

CA



i

LCA

)



dt

3 C

f

A

LA

3 C

f

根据基尔霍夫定律，可列出逆变电路输出部分的电压方程：

 V



V

A



Lf



V

LAB



V

B



Lf



L

f

di

AB



V

LAB

iAB   V

dt

（1-6）



V

B



Lf



V

LBC



V C



Lf



L

f

di

BC



V

LBC

iBC   V

dt



V C



Lf



V

LCA



V

A



Lf



L

f

di

CA



V

LCA

iCA

dt

由（1-6）式可转化为：

 

di

AB





1

V

LAB



1

V

 

dt

L

f

L

f

iAB

(1-7)

di

BC





V

LBC



V

1

1

   

dt

L

f

L

f

iBC

di

CA





V

LCA



V

1

1



dt

L

f

L

f

iCA

根据基尔霍夫定律，可以列出负载回路的电压方程：

 V



L

Load

di

A



L

Load

di

B



R

Load

( i

LA



i

LB

)



L

Load

di

LAB



R

Load

i

LAB

   V

LAB

dt

dt

dt



Load

di

B



L

Load

di

C



Load

(

LB



i

LC

)



L

Load

di

LBC



Load

i

LBC

   V

LBC

dt

dt

dt

（1-8）



L

Load

di

C



L

Load

di

A



R

Load

( i

LC



i

)



L

Load

di

LCA



R

Load

i

LCA

 

LCA

dt

dt

LA

dt

由（1-8）可以转化成



di

LAB





R

LOAD

i

LAB



1

V

LAB

  

dt

L

LOAD

L

LOAD

(1-9)

di

LBC





i

LBC



V

LBC

R

LOAD

1

   

dt

L

LOAD

L

LOAD

di

LCA





i

LCA



V

LCA

R

LOAD

1



dt

L

LOAD

L

LOAD

由此可将（1-5）、（1-7）、（1-9）写成矩阵的形式：

        

dV

L



1

f

I

i



1

f

I

L

I

L



[ i

A

i

B





] T

dt

3 C

3 C

dI





1

V

L



1

V i

dt

L

f

L

f

（1-10）

dI

L



L

1

V

L



R

LOAD

dt

LOAD

L

LOAD

CA

] T



i

B

i

C

i

C

i

A

，

其中，

V

L



[ V

LAB

V

LAB V

LAB

] T

，

I

i



[ i

AB

i

BC

i

LA

LB

i

LA

V i



[ V iAB V iAB

V iAB

] T

，

I

L



[ i

LAB

iL

BC

i

LCA

] T



[ i



i

L

B

i



i

LC

i



] T

L

LC

根据（1-10）我们可以建立此模型的状态空间模型：

其中，状态向量

X



V L  I I L

状态方程：

 X



AX

( t

)



BU



i  i i

LAB



31

输出方程：

Y



CX



DU



91

，输入向量

U 

V iAB V iBC

V iCA

T

，输出向量

Y

LBC

系统矩阵

A





0

33

LCA

1

I

33



1

I

33



，输入矩阵

31



33

3 C

f

3 C

f

B





0

I

33



，

1

I

0

33

0

33

1

L

f



L

f

91

1

I



R

LOAD

I

0

33

0

31

L

LOAD

33

L

LOAD

33

91

输出矩阵

C



0

30

31

I

33

39

，直接传递矩阵D=0