基于MATLAB的三相電壓型變換器的仿真

沙宏哲， 杜欽君, 馮媛碩， 劉金金

(山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 山東淄博 255049)

基于MATLAB的三相電壓型變換器的仿真

沙宏哲， 杜欽君, 馮媛碩， 劉金金

(山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 山東淄博 255049)

摘要：電壓型變換電路是利用PWM控制方式以及由全控型器件組成的電路，具有網(wǎng)側(cè)電流諧波低、單位功率因數(shù)、能量雙向流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn).文中對三相電壓型PWM變換器的原理及控制策略進(jìn)行分析，利用MATLAB建立三相電壓型單橋和雙橋逆變電路的模型，并對基于PWM控制的AC-DC-AC變換器進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證此變換器做為負(fù)載模塊具有提高電能質(zhì)量管理的作用.

關(guān)鍵詞：PWM變換器； 控制技術(shù)； Matlab仿真

電壓型PWM變換器在電力電子技術(shù)中應(yīng)用廣泛，目前中小功率的逆變電路的控制部分幾乎都是采用PWM變換器進(jìn)行控制[1].三相電壓型變換器能夠?qū)崿F(xiàn)三相輸入的高功率因數(shù)校正，且結(jié)構(gòu)簡單，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流的正弦化以及能量的雙向流動(dòng)，響應(yīng)速度較快[2].本文研究了三相電壓型PWM變換器及其控制策略，建立三相電壓型變換電路以及基于PWM控制的AC-DC-AC變換器的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn).

1原理分析

1.1PWM變換器的基本原理

對于使用二極管與晶閘管的相控變換器的諧波影響較明顯，而且功率因數(shù)不高，其中二極管不可控的直流側(cè)母線電壓也是不可控的.如今，使用可關(guān)斷功率開關(guān)管的PWM變換器發(fā)展迅速，PWM整流器可以工作在逆變狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)電能由直流側(cè)向電網(wǎng)的傳輸.PWM變換器的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)是可控的，所以當(dāng)其網(wǎng)側(cè)電流與網(wǎng)側(cè)電壓同相時(shí)，PWM整流器工作于單位功率因數(shù)整流狀態(tài)，而當(dāng)其網(wǎng)側(cè)電流與網(wǎng)側(cè)電壓反向時(shí)，PWM整流器工作于逆變狀態(tài)[3].雙PWM交-直-交變頻器正是利用了PWM整流和逆變兩種特性設(shè)計(jì)的.

PWM變換電路組成框圖如下圖1所示，由交流回路、功率開關(guān)管橋路以及直流回路組成.其中，交流部分包括電網(wǎng)電動(dòng)勢e和交流側(cè)電感L；功率開關(guān)管橋路對于電壓型或電流型的PWM變換器是不同的；直流回路由負(fù)載電阻RL和負(fù)載電動(dòng)勢eL組成.當(dāng)忽略功率開關(guān)管損耗時(shí)，交流側(cè)輸入的功率與直流側(cè)產(chǎn)生的功率是相同的，由下式表示

i·v=idc·vdc

(1)

其中，v,i為交流側(cè)電壓、電流； idc、vdc為直流側(cè)電壓、電流.由式(1)可知，通過控制交流側(cè)電壓和電流，能實(shí)現(xiàn)對直流側(cè)的控制，反之也是成立的.

圖1　PWM變換器原理框圖

1.2電壓型三相全橋逆變器分析

在交流負(fù)載用電量大或者需要三相四線制供電的場合，必須采用三相逆變器.所以對三相逆變技術(shù)的研究也十分必要，其關(guān)鍵技術(shù)是研究輸出電壓的對稱性(幅值對稱和相位對稱)以及帶不平衡負(fù)載的能力.下面將對電壓型三相全橋式和半橋式逆變技術(shù)進(jìn)行分析.

三相全橋式逆變器的優(yōu)勢主要是電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，使用的功率器件數(shù)少，功率開關(guān)電壓應(yīng)力低等.對于電壓型三相全橋式逆變器是將輸入的直流電壓按一定的次序分配到各項(xiàng)負(fù)載中去.在導(dǎo)通方式上有 180°導(dǎo)通型和120°導(dǎo)通型，其中前者更有優(yōu)勢，每個(gè)橋臂上下管輪流導(dǎo)通180°，這樣每相負(fù)載電流是不間斷的，而對于120°導(dǎo)通型易引起過電壓.所以電壓型逆變器中廣泛應(yīng)用180°導(dǎo)通型[1].下圖2所示為180°導(dǎo)通電壓型三相全橋式逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(阻性負(fù)載).

圖2　180°導(dǎo)通電壓型三相全橋式逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

分析阻性負(fù)載下逆變器的電路原理，首先三相電阻負(fù)載是對稱的，每個(gè)橋臂輪流導(dǎo)通，即每隔60°換流一次，六個(gè)功率開關(guān)導(dǎo)通順序?yàn)?V1、V2、V3、V4、V5、V6.逆變電路中，六個(gè)二極管有限制過電壓的作用,對IGBT管進(jìn)行保護(hù)，電流僅在保護(hù)狀態(tài)下相等，在逆變狀態(tài)下兩裝置中電流不等.輸入直流電源兩端的等效負(fù)載電阻為3RL/2，直流電源輸入平滑的直流電流Id，即為Id=Ud/(3RL/2).

逆變器輸出線電壓有效值UAB為

輸出相電壓有效值UAN為

式中： Ud為定直流電壓；UAN、UAB分別為相電壓及線電壓波形峰值.

2控制原理分析

電壓型單閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖如圖3(a)所示，變換器輸出電壓反饋信號uof與基準(zhǔn)電壓信號ur進(jìn)行比較后，經(jīng)過誤差放大器(PI調(diào)節(jié)器)后得到誤差信號ue，將信號ue與載波uc進(jìn)行交截，經(jīng)適當(dāng)?shù)倪壿嬜儞Q和驅(qū)動(dòng)電路后控制變換器.如圖3(b)所示，G1(s)為誤差放大器的傳遞函數(shù)，d≈k1u3為PWM信號的占空比， N1、N2分別表示變壓器一、二次繞組的匝數(shù)， kuf=R1/(R1+R2)為輸出電壓反饋系數(shù).

圖3 電壓型變換器單閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

閉環(huán)傳遞函數(shù)為

由上述公式可知該系統(tǒng)為有條件穩(wěn)定的二階系統(tǒng).輸出濾波電感Lf和濾波電容Cf一般較大，諧振頻率 fr=1較小.所以在中頻段需要加校正環(huán)節(jié)，這樣才能使開環(huán)幅頻特性滿足系統(tǒng)要求.截止頻率一般設(shè)置為 ωc=(1/4～1/5)2πfs.

電壓型控制的特點(diǎn)為：1)系統(tǒng)為單閉環(huán)反饋，設(shè)計(jì)較簡便；2)控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，因?yàn)榇嬖诖蠓档匿忼X波；3)功率輸出的低阻抗性使得多路輸出電源具有較好的交叉調(diào)節(jié)能力；4)若輸入電路器件的參數(shù)發(fā)生變化，只能在輸出電壓變化以后，反饋環(huán)路起到調(diào)節(jié)作用，即動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度比較慢；5)補(bǔ)償電路復(fù)雜；6)系統(tǒng)靜態(tài)性能與穩(wěn)定性存在不協(xié)調(diào)性[6].

圖4 三相電壓型單橋逆變電路仿真模型

圖5 三相電壓型雙橋逆變電路仿真模型

3仿真與分析

3.1三相兩級電壓型PWM逆變系統(tǒng)仿真

本文建立了兩個(gè)逆變電路模型并進(jìn)行了仿真，如圖4和5所示, 直接利用MATLAB軟件中的PWM發(fā)生器模塊，依據(jù)PWM由載波和調(diào)制波產(chǎn)生的機(jī)理建立雙極性PWM信號，對橋式逆變電路進(jìn)行仿真.圖6和圖7分別為單橋和雙橋逆變電路仿真波形圖，單橋逆變電路是采用6脈沖發(fā)生器，而雙橋逆變電路采用12脈沖發(fā)生器.單橋逆變器的基準(zhǔn)電壓為

Vab=m/2×Vbc×sprt(3)Voltspeak=

0.85×0.866×400=294V

雙橋逆變電側(cè)基準(zhǔn)電壓為

Vaa=m*VdcVoltspeak=0.85×400=340V

式中：Vdc為定直流電壓， Voltspeak為輸出電壓波形峰值.

圖6和7為系統(tǒng)示波器中輸出電壓波形，分別為逆變側(cè)輸出電壓和變壓器側(cè)輸出電壓波形.由波形可以看出輸出電壓值與理論分析計(jì)算相符.

圖6 三相電壓型單橋逆變電路仿真波形

以上兩個(gè)系統(tǒng)分別是對三相電壓型PWM變換器的仿真與分析.每個(gè)逆變器后面需接一個(gè)三相變壓器，然后是交流負(fù)載(1kW, 500var, 60Hz, 208Vrms)，電路中每一個(gè)轉(zhuǎn)換器都工作在開環(huán)狀態(tài)，離散的PWM發(fā)生器可以在Extras/DiscreteControlBlocks模塊庫中找到.兩個(gè)系統(tǒng)中都使用電壓為400V的直流電壓源，載波頻率為1 080Hz，調(diào)節(jié)系數(shù)為0.85，振蕩頻率為60Hz.由變壓器的漏電感(8%)和負(fù)載電容(500var)進(jìn)行諧波的濾除.

圖7　三相電壓型雙橋逆變電路仿真波形

圖6(a)和圖7(a)的波形為PWM逆變器產(chǎn)生的電壓，圖6(b)和圖7(b)波形為負(fù)載電壓.可以通過Powergui模塊對仿真模型進(jìn)行頻域分析.逆變器的基準(zhǔn)電壓在輸出窗口中顯示，將其與電路原始電壓進(jìn)行比較.對于輸入6脈沖的單橋逆變電路，一次諧波出現(xiàn)在載波頻率為1 080Hz階段，然而對于輸入12脈沖的雙橋逆變電路的諧波往往在載波頻率兩倍的時(shí)候才出現(xiàn)，所以對于雙橋逆變電路的負(fù)載電壓波形更加平滑.

3.2基于PWM的AC-DC-AC變換電路仿真分析

圖8是本文設(shè)計(jì)的基于PWM的AC-DC-AC變換電路， 逆變器采用PWM式變換器，向負(fù)載提供三相的50Hz頻率的正弦電壓逆變器的斬波頻率為2 000Hz.

圖8　基于PWM的AC-DC-AC變換電路原理圖

變換電路使用基于IGBT的逆變器，由PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，在負(fù)載終端產(chǎn)生380V(50Hz)的基電壓.圖9即為建立的仿真模型，其中使用了萬用表模塊(Multimeterblock)用來測量二極管側(cè)的的電流，以及IGBT變換器側(cè)的電流.對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，在暫態(tài)過程后大約40ms，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，在示波器1中分別觀察直流母線電壓波形(如圖10a)，逆變器輸出波形(圖10b)以及負(fù)載輸出波形(圖10c).

逆變器產(chǎn)生的偶次諧波經(jīng)過LC濾波器進(jìn)行濾波.理論計(jì)算得出的負(fù)載電路的峰值電壓為537V(有效值為380V).穩(wěn)態(tài)階段，調(diào)節(jié)系數(shù)的平均值為m=0.77，直流電壓平均值為780V.基于50Hz的基準(zhǔn)電壓經(jīng)過逆變器后的有效值為vab=780V*0.612*0.80=382V.圖11(a)和圖11(b)為直流側(cè)二極管1向二極管3換相時(shí)波形，圖11(c)和圖11(d)表示IGBT變換器側(cè)的電流，這兩個(gè)電流是互補(bǔ)的，由波形圖可以清晰的觀察到曲線3中電流為正，曲線4中電流為負(fù).

該系統(tǒng)是60Hz的電壓源通過一個(gè)AC-DC-AC逆變器向一個(gè)50Hz/50kW的負(fù)載供電的仿真電路.首先經(jīng)過6脈沖整流器進(jìn)行整流，然后在變壓器二次側(cè)獲得600V/60Hz的電壓.經(jīng)過濾后的直流電壓被輸入到一個(gè)IGBT逆變器，輸出為50Hz電壓.IGBT逆變采用的脈沖寬度調(diào)制(PWM)，其載波頻率為2kHz.離散采用時(shí)間為2μs.通過PI電壓調(diào)節(jié)器將負(fù)載電壓調(diào)節(jié)到1pu(有效值為380V).電壓調(diào)節(jié)器的第一個(gè)輸出量為矢量，它包含三個(gè)調(diào)制信號，所使用的PWM變換器為基于6脈沖的IGBT變換器.第二路輸出返回調(diào)制系數(shù).萬用表模塊用于觀察二極管和IGBT的輸出電流[8].

圖9 基于PWM的AC-DC-AC變換系統(tǒng)仿真模型

圖10　直流母線電壓波形圖

圖11　系統(tǒng)整流側(cè)與逆變側(cè)電流波形

4結(jié)束語

電壓型PWM變換器可以實(shí)現(xiàn)AC/DC變換性能(整流)以及DC/AC變流特性(有源逆變).本文對三相電壓型PWM變換器以及基于PWM的AC-DC-AC變換電路進(jìn)行了建模仿真，驗(yàn)證了此變換器做為負(fù)載模塊具有提高電能質(zhì)量管理的作用，有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，為以后基于PWM的AC-DC-AC變換電路的發(fā)展及研究提供一定的理論參考.

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(編輯：劉寶江)

收稿日期：2014-06-27

作者簡介：沙宏哲，男，303398867@qq.com; 通信作者：杜飲君，男，duqinjun@sdut.edu.cn

文章編號：1672-6197(2015)02-0071-05

中圖分類號：TM461

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Thesimulationofthree-phasevoltage-sourceconvertersbasedonMATLAB

SHAHong-zhe,DUQing-jun,FENGYuan-shuo,LIUJin-jin

(SchoolofElectricalandElectronicEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China)

Abstract:PWM conversion circuit is composed of full-controlled devices with PWM control method. It has the advantages of low net side current harmonic, unit power factor,and bidirectional energy flow. In this paper, the principle of the three-phase voltage source PWM converter and the control strategy are analyzed, three-phase voltage type single bridge and double bridge inverter circuit model are established by MATLAB for simulation, and the model of AC - DC- AC conversion circuit based on PWM is simulated. The simulation results validate that the converter as a load module can improve the power quality management.

Key words:PWM converter; control technique; MATLAB simulation