西安科技大学高新学院毕业设计（论文）
题目电流型逆变电路的仿真与设计
专业电气自动化技术
院部机电信息学院
学号 1202070226
姓名杨波
指导教师李莉
电流型逆变电路的仿真与设计
摘要
电流型逆变器(CSI)具有很多优点：主电路简单；便于实现再生制动和四象限运行；限流能力强，短路保护可靠性高；适用于中、大容量的相量控制，用于电力拖动时能在宽范围内精确控制转矩和速度等。
在分析逆变电路基本原理的基础上，本文设计了一单相桥式电流型逆变器，和一三相桥式电流型逆变器，并对两种逆变器作了理论分析和计算机仿真研究，观察输出电压波形、系统输入电流波形、电压电流波形的谐波情况、不同仿真条件时系统输入输出的变化情况和理论分析的结果进行比较。
关键词：电流逆变电路；MATLAB；仿真
MATLAB-based simulation of bi-directional inverter
Abstract
CSI has many advantages: the main circuit is simple,easy to realize regenerative braking and four quadrant operation, The current limit ability is strong, short circuit protection high reliability; Suitable for medium and large capacity of phasor control, when used in electric power drag in wider range precise control torque and speed, etc.
this paper introduces the design of a single-phase bridge type current-mode inverter, and a three-phase bridge type currentmode inverter on the analysis of the basic principle of inverter circuits ,and two inverter to the theoretical analysis and computer simulation,observe the output voltage waveform, system input currents, voltage current waveform of harmonic, different simulation conditions when system input and output the changing situation and theoretical analysis results are compared.
Keywords: Current inverter, MATLAB, simulation
目录
绪论 (2)
1概述 (3)
1.1 MA TLAB 简介 (3)
1.2 逆变器 (3)
1.2.1 电流型逆变器的研究意义 (3)
1.2.2 电流型逆变器的发展与应用现状 (4)
2 电流型逆变电路的原理 (4)
2.1单相电流型逆变电路 (4)
2.1.1 单相电流型逆变电路的工作原理 (4)
2.1.2 单相电流逆变电路的数学分析 (4)
2.2 三相电流型逆变电路 (5)
2.2.1 三相电流型逆变电路的工作原理 (5)
2.2.2 三相电流型逆变电路的分析 (6)
3 电路仿真设计 (7)
3.1单相电流型逆变电路仿真 (8)
3.1.1 单相电流型逆变电路 (8)
3.1.2 参数设置 (9)
3.1.3 仿真结果 (10)
3.2三相电流型逆变电路的仿真 (10)
3.2.1 三相电流型逆变电路 (10)
3.2.2 参数设置 (10)
3.2.3 仿真结果 (11)
结束语 (13)
参考文献 (16)
致谢 (17)
附录 (14)
绪论
逆变器就是一种将低压（12或24v或48v）直流电转变为220伏交流电的电子设备。因为我们通常是将220伏交流电整流变成直流电来使用，而逆变器的作用与此相反，因此而得名。我们处在一个“移动”的时代，移动办公，移动通讯，移动休闲和娱乐。在移动的状态中，人们不但需要由电池或电瓶供给的低压直流电，同时更需要我们在日常环境中不可或缺的220v交流电，逆变器就可以满足我们的这种需求。
逆变器主要分为电压型和电流型两大类，电压型逆变器一直是研究的重点，这主要是因为电压型逆变器中储能元件电容与电流型逆变器中储能元件电感相比，储能效率和储能器件体积、价格都具有明显的优势，从而制约了电流型逆变器的应用和研究。电流型逆变器的应用不如电压型逆变器应用广泛，且相关理论的研究相对较少，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以及有特殊需求的应用领域。
MATLAB是一种保证集数学、分析、可视化、算法开发与发布于一体的软件平台，可以应用于动态系统的建模和仿真。1980年前后，New Mexico大学的Cleve Moler博士在讲授线性代数课程过程中，意识到应用一般高级语言编程解决工程计算问题存在诸便，于是利用已有的一些软件成果，采用Fortran语言构思开发了这套软件，取名为MATLAB ——MATrix LABoratoy(矩阵实验室)。之后，他又与John Little合作，采用C语言改写了MATLAB系统内核，将其正式推向市场。MATLAB语言是基于矩阵/数组运算的高级语言，具备完整的流程控制语句、函数、数据结构等。并具有面向对象的程序设计特性。它集成了许多工具和程序，具备管理工作空间及输入、输出数据功能，可为用户提供不同的工具来开发、调试、管理应用程序。利用MATLAB进行仿真具有较高精度，满足工程实际要求。MATLAB具有强大的矩阵运算功能，在电力电子技术过程中用用广泛。
针对要完成的任务，把仿真设计为4个阶段，具体流程如下图。
此次设计的主要工作就是对单相、三相电流型逆变电路的Matlab仿真。主要完成以下几方面的工作：
1、分析单相、三相电流逆变电路的工作原理，建立它们的数学模型。
2、针对三相电流逆变电路，对PWM的空间矢量调制技术进行研究。
3、利用MATLAB软件中的电力系统模块（PSB），建立单相电流型逆变器系统模型，利
用该模型实现了对电流型逆变器的仿真，并验证其可行性和正确性。
4、通过对PWM技术的分析，建立三相电流逆变电路的仿真模型，并编写S函数用于求
解逆变电路的电流和电压，并验证其可行性和正确性。
1概述
1.1 MATLAB 简介
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，本课题要求熟悉逆变器变换电路的工作原理，利用MATLAB与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。
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。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。Simulink具有适应面广、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处理的复杂仿真和设计。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Simulink。
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，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，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。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(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。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。
1.2 逆变器
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控制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。同是逆变单路也是UPS的重要组成部分，逆变电路的作用非常的大，因此，对于逆变电路的深层次的学习是很有用的。
1.2.1 电流型逆变器的研究意义
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，而且VSI中的储能元件电容器与CSI中的储能元件电感器相比，储能效率和储能元件的体积、价格都具有明显的优势。所以电压型逆变器及其控制方法的研究工作一直是人们研究的重点。但是，随着超导技术的发展，电流型逆变器中电感的储能效率问题得到了很好的解决。
电流型逆变器的应用不如电压型逆变器应用广泛，相关理论的研究相对较少，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以及有特殊需求的应用领域。
1.2.2 电流型逆变器的发展与应用现状
近年来国际和国内超导技术都取得了突破性的发展，二十一世纪超导技术奖获得广泛应用已成为人们的共识。超导储能系统（简称SMES ）在电力工业有着广泛的商业应用前景。
与电压型相比，电流型为SMES 提供无功功率的能力更强，使SMES 线圈承受的电压波动更小，交流功率损失更小，而且在大功率的应用场合更易实现多桥并联。储能线圈电流源特性，采用电流型逆变器的SMES 系统用于电力系统有功电流，无功电流和谐波电流补偿时，补偿是以连接超导储能线圈的逆变器向电网注入有功电流，无功电流和谐波电流的形式实现的，电力电子逆变器等效为可控的电流源。它能根据电力系统的形势需要发生快速响应以产生或吸收相应的有功功率、无功功率。
2. 电流型逆变电路的原理
2.1单相电流型逆变电路
2.1.1 单相电流型逆变电路的工作原理
单相电流型逆变电路原理图如图2-11所示，它由4个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器LT, LT 之间不存在互感。LT 用来限制晶闸管开通时的di/dt,使桥臂1、4和桥臂2、3以1000～ 2500HZ 的中频轮流导通，由此在负载上得到中频交流电。
该电路是采用负载换相方式时，要求负载电流略超前于负载电压，即负载略呈容性。实际负载一般是电磁感应线圈（图1中R 和L ），用来加热置于线圈内的钢料。由于功率因数很低，故应并联补偿电容器C 。补偿电容应使负载过补偿，使负载电路处于容性小失谐的工作状态。电容C 和L 、R 构成并联谐振电路，故这种逆变电路也被称为并联谐振式逆变电路。负载换流方式要求负载超前于电压，因此补偿电容应使负载过补偿，是负载电路总体上工作在容性小失谐的情况下。
与电压型逆变电路相比，由于电流源的强制作用，电流不可能反向流动，电流型逆变电路的开关元件两端不需要反并联二极管。当开关T1、T4闭合，T2、T3断开时，直流电流由x 流向y ，负载Io 为正；当T2、T3闭合，T1、T4断开时，直流电流由y 流向x ，Io 为负，Io 为宽度为180°的方波交流电流。 2.1.2 单相电流逆变电路的数学分析
下面对单相电流型逆变电路进行定量分析[1]：
如果忽略换流过程，Io 可近似看成矩形波。将幅值为Id 的矩形波Io 展开成傅里叶级数可得
)5s i n 5
1
3s i n 31(s i n 4???+++=
t t t I i d
o ωωωπ 其基波有效值Io1和基波幅值Io1m 为：
d d
I I I 9.02401==
π
d d
m I I I 27.1401==
π
负载电压有效值Uo 和直流电压Ud 的关系 逆变电路的输入功率Pi 为
Id Ud Pi ?=
逆变电路的输出功率Po 为
???=cos 1Io Uo Po 因为Po=Pi,于是可求得
?
=?
=
cos 11
.1cos 22Ud
Ud
Uo π
图2-11 单相电流型逆变电路
2.2 三相电流型逆变电路
2.2.1 三相电流型逆变电路的工作原理
如前所述，直流电源的逆变电路称为电流型逆变电路。实际上理想直流电流源并不多
见，一般是在逆变电路直流侧串联一个大电感，因而大电感中的电流脉动很小，因此可以近似看成直流电流源。采用反向阻断型GTO 的电流型三相桥式逆变电路如图2-21所示。图中的IGBT 串联二极管，构成单导开关，保证电流的单向流通；图中的交流侧电容是为吸收换流时负载电感中存贮的能量而设置的，是电流型逆变电路的必要组成部分。电流型逆变电路有以下特点：
1） 直流侧为电流源（串联大电感，相当于电流源），直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗（仿真时用直流源代替）。
2）
电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，与负载性质无关，而交流测电压波形和相位因负载阻抗角的不同而不同
3） 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电流不能反向，故可控器件不必反并联二极管。
4）
当用于交-直-交变频器且负载为电动机时，若交-直变换为相控整流，则可很方便地实现再生制动。
这种电路的基本工作方式是120°导电方式。即每个臂一周期内导电120°,按VT 1～VT6的顺序每隔60°依次导通。这样，每个时刻上下桥臂组都各有一个臂导通。换流时，是在上桥臂组或下桥臂组的组内依次换流，为横向换流。 2.2.2 三相电流型逆变电路的PWM 分析
下面对三相电流型逆变电路做定量分析[3]：
输出电流的基波有效值Io1和直流电流Id 的关系式为：
d d I I I 78.0601==π
图2-21 三相电流型逆变电路 定义电流型逆变器的开关函数为
j S =1(上管导通)；j S =-1（下管导通）
；j S =0{上、下管均不导通或均导通}，① 式中j=a,b,c
则逆变器的输出端电流可表示为 j I =j S ×d I 定义电流空间矢量为
)(3
2
3232ππ?-??+?+=j c j b a k e i e i i I ②
由式①②可得
)(3
2323
2ππ?-??+?+=j c j b a dc k e s e s s i I ③
综上可知，电流型逆变器的开关函数组合总共九种有效开关状态，有这9个电流空间矢量可构成所需的空间矢量，其表达式为：
)6
3(
3
2
ππ-??=
k j dc k e
i I （k=1,2,…6）;
0=k I (k=7,8,9)
式中，1I --6I 为非零矢量；7I --9I 为零矢量；
当7I 有效时a 相上下桥臂全通，当8I 有效时b 相上下桥臂全通，当9I 有效时c 相
上下桥臂全通，所以当零矢量7I --9I 有效时，三相CSR 交流侧不输出任何电流，7I --9I 零矢量统～表示为0I [11]。
矢量图2-22
3 电路仿真设计
仿真过程：
首先点击桌面的MATLAB 图标，进入MATLAB 环境，点击工具栏中的Simulink 选项。进入我们所需的仿真环境，如图3-01所示。点击File/New/Model 新建一个仿真平台。这时我们可以在
矢量合成有许多方法，应用最普遍的是图所示的三段法。由矢量图2-22可见，1I --6I 所对应的开关组合均对应有对应的电流值dc I 或dc I -。此时，直流侧与交流侧有能量交换。7I --9I 所指示的开关均为同一桥臂上的两个开关短路。此时，直流电源经开关管给直流Boost 电感储能，直流侧和交流侧无能量交换，因此只需采取适当的控制直流和交流的能量交换。
上一步Simulink 环境中拉我们所需的元件到Model 平台中，具体做法是点击左边的器件分类，这里我们一般只用到Simulink 跟SimPowerSystems 两个，分别在他们的下拉选项中找到我们所需的器件，用鼠 标左键点击所需的元件不放，然后直接拉到Model 平台中。
3.1单相电流型逆变电路仿真
3.1.1 单相电流型逆变电路
第一步：我们首先按照之前的方法打开仿真环境新建一个仿真平台，按照下表，根据
表3-11单相电流逆变仿真电路模块的名称及提取路径
提取出来的器件模型如图3-12所示：
图3-12 提取的器件模型
第三步，我们把元件的位置调整好，准备进行连接线，具体做法是移动鼠标到一个器件的连接点上，会出现一个“十字”形的光标，按住鼠标左键不放，一直到你所要连接另一个器件的连接点上，放开左键，这样线就连好了，如果想要连接分支线，可以要在需要分支的地方按住Ctrl 键，然后按住鼠标左键就可以拉出一根分支线了。在连接示波器时会发现示波器只有一个接线端子，这时可以参照下面示波器的参数调整的方法进行增加端
子。在调整元件位置的时候，有时你会遇到有些元件需要改变方向才更方便于连接线，这时可以选中要改变方向的模块，使用Format菜单下的Flip block 和Rotate block两条命令，前者改变水平方向，后者做90度旋转，也可以用Ctrl+R来做90度旋转。同时双击模块旁的文字可以改变模块名。然后单击菜单栏中的Edit/Signal Properties命令来刷新模型。模块的颜色也可以在激活模块后，点击右键，在background color中选择自己喜欢的颜色。
连接好的电路图如图3-13所示。
图3-13单相电流型逆变电路仿真模块
3.1.2 参数设置
仿真参数设置:在仿真开始前还必须首先设置仿真参数。在菜单中选择Simulation，在下拉菜单中选择Simulation parameters，在弹出的对话款中可设置的项目很多，主要有开始时间、终止时间、仿真类型（包括步长和解电路的树枝方法），积极相对误差、绝对误差等。步长、解法和误差的选择对仿真运行的速度影响很大，步长太长计算容易发散，步长太小，
运算时间太长，本题使用ode23tb算法。
3.1.3 仿真结果
图3-14
3.2三相电流型逆变电路的仿真
3.2.1 三相电流型逆变电路
详细设计步骤：
1.建立仿真模型
（1）首先我们新建一个仿真模型的文件。方法跟单相电流逆变器一样。
（2）提取电路元件模块。组成电路的主要元器件有直流电源、晶闸管、RLC负载等。
表3-21三相电流逆变仿真电路模块的名称及提取路径
(3)将电路元件模块按三相电流逆变器的原理图连接起来组成仿真电路。将元件调整的到合适的位置，有些器件需要多次用到的，可以点击该模块，然后按住鼠标右键直接拖到想要放置的地方就可以实现复制了。连接好的电路如图3-22所示。
3.2.2 参数设置
设置参数如下：直流输入500v，输出交流频率50Hz，线电压有效值380v，负载电流30A，负载功率因数30°
图3-22三相电流型逆变电路仿真模块
3.2.3仿真结果
仿真结果如下：Uan波形：
Ubn波形：
线电压U_ab：
基波的图像：
结束语
通过本系统的设计，对电流型逆变器系统有了深入的理解。通过对描述单相、三相电
流型逆变器的数学模型以及现有的控制思想和相关的控制算法，采用MATLAB/SIMULINK仿真手段，建立逆变器的Simulink模型，然后将其控制原理和控制方法通过仿真模型验证其控制原理和规律的正确性，并研究参数变化时对双向逆变器的性能的影响。编制S-函数，选用合适的控制算法，实现系统功能；
通过这次设计，对电力电子系统有了进一步认识，在一个多月的设计过程中学到了许多东西，不仅仅是毕业设计中的。也学到了不少其它的东西。设计中，我们遇到不懂或不明白的地方。除了查阅相关资料，老师也给了我们很多的指导。总之，这次设计为我们打开了以后面向实际应用的大门，为我们以后做各项工作和进一步学习奠定了基础。
附录
根据三相电流型逆变器PWM仿真要求得出S-函数如下。
以A相为参考，即A相电路参数的初相位均设为0。
利用锯齿波发生函数sawtooth可写出产生一定时间内一定频率的三角波Vtri的函数mySawtooth2(t,f):
function y=mySawtooth2(t,f) %输入为t（向量）和频率f
y=sawtooth(2*pi*f*t-1/2*pi,0.5);
也可写出产生V_control的函数：
function y=V_control(t,f) %输入为t（向量）和频率f
y=sin(2*pi*f*t);
利用Vtri和Vcontrol相比可得A相相电压函数：
function y=V_an(t,f1,fs,ma,Vd)
length_t=length(t);
mySaw=mySawtooth2(t,fs);
myControl=ma*V_control(t,f1);
diffence=myControl-mySaw; %求差值
p_or_m=sign(diffence)+1; %判断正负，>0为1，≤0为0
y=Vd*p_or_m/2; %相乘即得V_an
下面利用这三个函数对电路进行分析：
clear all;
f_sample=1e5; %采样频率
t=0:1/f_sample:0.03; %采样时间为1.5个周期
ma=1.87; % amplitude modulation ratio
f1=50; % desired fundamental frequency
fs=450; % switching frequency
Vd=500; %直流电压
y1=V_an(t,f1,fs,ma,Vd); %三个相电压
y2=V_bn(t,f1,fs,ma,Vd);
y3=V_cn(t,f1,fs,ma,Vd);
y_ab=y1-y2; %Uab线电压（未滤波）
N=f_sample/f1; %采样点数为一个周期
Y=fft(y_ab,N); %快速傅里叶变换
Pyy=abs(Y)/N; %计算幅值
f= f_sample *(0:1000-1)/N; %计算频率
plot(f,2*Pyy(1:0.5*N)); %画图，由于对称性，幅值×2
axis([-500,5000,-20,550]);
U_ab_max=2*Pyy(1,2) %50Hz处幅值
phase_Uab=angle(Y(1,2)); %Uab相位
Uab_fundamental=U_ab_max*cos(2*pi*50*t+phase_Uab); %Uab基波Ia=30*sqrt(2)*cos(2*pi*f1*t+phase_Uab-pi/3); %输出三相电流
Ib=30*sqrt(2)*cos(2*pi*f1*t+phase_Uab-pi/3-2*pi/3);
Ic=30*sqrt(2)*cos(2*pi*f1*t+phase_Uab-pi/3+2*pi/3);
I1=Ia.*sign(y1); %根据开关状态得三个节点的电流
I2=Ib.*sign(y2);
I3=Ic.*sign(y3);
Id=I1+I2+I3;
Y2=fft(Id,N); %对输入电流进行傅里叶分析
Pyy2=abs(Y2)/N;
f2= f_sample *(0:1000-1)/N;
figure(2);
plot(f2,[Pyy2(1),2*Pyy2(2:0.5*N)]); %直流量不需×2
axis([-500,5000,-5,40]);
参考文献
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致谢
通过这次设计，我们对电力电子技术、MATLAB仿真有了进一步认识，对电流型逆变器系统有了一定了解。总之，这次设计为我们打开了以后面向实际应用的大门，为我们以后做各项工作和进一步学习奠定了基础。它好比一个灯塔，为我们指明了远行的航向；好比一颗启明星，为我们指明了前进的道路。
短暂的毕业设计就这样在紧张有序中度过了。衷心的感谢李莉老师在这次设计过程中的精心指导，，她在每一个阶段都认真的教导和耐心的讲解，使我能顺利的走到现在。
为了使自己能够全方位的发展，更好的适应这个日新月异的社会，在这几学年中，我兢兢业业，努力学习，严格要求自己，不断的提高自己各方面的素质，争取在人生的道路上更好的实现社会价值,人生价值和自我价值!
本次毕业设计是对我们每个学生在校四年来所学知识与生产实践技术所进行的一次综合性的全面考察；培养了我们运用所学专业知识解决实际问题的能力；它还为我们了解一般机械工程设计的基本思想打下良好的基础；在设计方案的拟定,设计资料的收集,手册，国标选用，设计方法的运用,零部件及总体装配图的绘制等方面，有一次较全面的锻炼。对我们进入社会具备一定独立工作能力起了良好的作用,能较好的适应工作。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的精心指导下，同组人员的相互帮助下，完成了课程设计任务，同时，在老师和组员身上我学到了很多实用的知识，在此特别表示感谢！
最后，毕业设计的完成，感谢老师您的谆谆教诲和不断帮助。谢谢！