級聯(lián)型大功率逆變電路控制系統(tǒng)建模與仿真

張 蕾 趙 璽 任 重

（第713研究所，鄭州 450015）

1 引言

隨著電氣傳動技術(shù)的發(fā)展，它在軍事領(lǐng)域中的作用越來越重大。在航空、航天、航海領(lǐng)域中，電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)都擁有著不可替代的地位。而在電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中，通過連續(xù)改變供電電源頻率，從而連續(xù)平滑的改變電動機(jī)速度的變頻調(diào)速優(yōu)于其它任何一種交流調(diào)速方式。有電動機(jī)的地方幾乎就有變頻器，在一切需要進(jìn)行速度控制的場合，變頻器以其操作方便、控制性能高而獲得廣泛應(yīng)用。

2 變頻器基本結(jié)構(gòu)

變頻器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要分為整流電路、濾波電路、逆變電路以及制動電路4個(gè)部分。

圖1 變頻器組成結(jié)構(gòu)示意圖

本論文主要以某艦船設(shè)備為背景研究大功率變頻器逆變電路，根據(jù)具體項(xiàng)目需要在逆變電路結(jié)構(gòu)上選擇多電平H橋，兩級級聯(lián)形式，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 逆變電路結(jié)構(gòu)示意圖

從圖2可以看出，級聯(lián)形的特點(diǎn)是每相逆變電路都由兩個(gè)H橋單元相串聯(lián)，每個(gè)H橋單元都有獨(dú)立的直流電壓源，通過串聯(lián)的方法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高電壓的輸出。在整個(gè)變頻器系統(tǒng)中考慮采用功率單元串聯(lián)的形式，因此不存在元件之間的動態(tài)和靜態(tài)均壓問題，并且該方案設(shè)計(jì)的變頻器具有模塊化的結(jié)構(gòu)，便于更換和維護(hù)。它的一般結(jié)構(gòu)是由幾個(gè)電平臺階合成階梯波以逼近正弦波輸出電壓。這種變換器由于輸出電壓電平數(shù)的增加，使得輸出波形具有更好的諧波頻譜，每個(gè)開關(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力較小，無需均壓電路，開關(guān)損耗小，du/dt較小對電機(jī)絕緣十分有利。

3 逆變電路控制系統(tǒng)建模與仿真

逆變器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，系統(tǒng)主要分為矢量控制模塊、PWM模塊、逆變器模塊以及負(fù)載模塊四部分。矢量控制是控制方法，在建模中可以通過數(shù)學(xué)方法實(shí)現(xiàn)；而負(fù)載模塊在沒有具體研究對象的情況下可以近似考慮為一個(gè)電阻，所以要對逆變器控制系統(tǒng)建模主要對PWM生成模塊、以及逆變器單元建模進(jìn)行研究。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 PWM模塊建模

正弦脈寬調(diào)制(SPWM)的基本原理是將參考波和載波進(jìn)行比較，并根據(jù)二者比較的結(jié)果確定逆變器橋臂的開關(guān)狀態(tài)。通常選擇載波為三角波，根據(jù)載波與調(diào)制波的相交點(diǎn)作為開關(guān)狀態(tài)切換的依據(jù)。當(dāng)PWM應(yīng)用于大功率場合時(shí)，需要對多個(gè)功率單元進(jìn)行控制，可以通過載波的移相或移幅來滿足產(chǎn)生多路開關(guān)信號的需要。對于兩相極聯(lián)的系統(tǒng)，可以采用如下圖a、b所示的調(diào)制方案對逆變器的一相產(chǎn)生兩組獨(dú)立的驅(qū)動信號。

圖4 SPWM大功率場合方案

根據(jù)圖 4，比較移相載波調(diào)制和移幅載波調(diào)制各自特點(diǎn)以及實(shí)現(xiàn)方式，考慮程序的可實(shí)現(xiàn)性，選擇采用移相載波調(diào)制方法。

實(shí)現(xiàn) PWM模塊主要是實(shí)現(xiàn)指定頻率的三角載波和完成三角波和采樣正弦值的比較。在仿真時(shí)可使用Matlab/Simulink中sine_wave模塊生成指定頻率、幅值、相位的正弦波。在生成三角載波方面考慮到大功率條件下載波的頻率很高，如果直接采用三角波生成模塊可能會導(dǎo)致波形變形，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。所以采用編程法同時(shí)實(shí)現(xiàn)三角波的生成以及載波和正弦波的比較，再通過Simulink中的s-function模塊調(diào)用程序來達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。程序流程圖如圖5所示。

圖5 PWM程序流程圖

3.2 變頻器建模與仿真

變頻器模型除了包括PWM生成模塊還包括H橋組件，H橋中所包含的功率開關(guān)元器件以及各元器件所需的直流電源都可以通過直接使用 Simulink中的仿真模塊來實(shí)現(xiàn)。兩相極聯(lián)逆變器電路仿真模型如圖6所示。

仿真試驗(yàn)中首先假設(shè)取電源電壓為 100，三角載波頻率為50Hz，三相電壓仿真曲線如圖7所示。

圖6 變頻器仿真模型

從圖7可以看出，在控制中，各相輸出電壓通過功率單元兩極極聯(lián)的逆變器，輸出相位各相差120度且幅值為200的電壓正弦波形，各項(xiàng)指標(biāo)都基本達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，驗(yàn)證了逆變器模型以及PWM生成模塊的正確性?？梢詰?yīng)用于后期整個(gè)控制電路模型中。

圖7 三相電壓仿真曲線

4 結(jié)論

隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，變頻器在工業(yè)自動化領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，對于大功率變頻器的需求也更加的迫切，隨著變頻器功率的不斷增加，對逆變電路控制系統(tǒng)的要求也越來越高，級聯(lián)作為一種逆變電路形式，由于其自身特點(diǎn)，在大功率變頻器研究領(lǐng)域具有很大的潛力，在對逆變器控制系統(tǒng)的研究中，為了最大程度的節(jié)約成本，提高實(shí)際試驗(yàn)的可靠性，仿真成為一種必不可少的研究階段。

Matlab/Simulink因其操作簡單、適用面廣等特點(diǎn)成為主要的仿真平臺之一，但其中很多模塊在一定的試驗(yàn)條件下都存在著局限性，在這種情況下可

以考慮使用編程的方法來彌補(bǔ)模塊的不足，使仿真試驗(yàn)?zāi)軌蜃畲蟪潭鹊姆磻?yīng)實(shí)際試驗(yàn)的結(jié)果。編程還有利于后期在實(shí)際工程實(shí)踐中，將程序?qū)懭隓SP芯片，增加了程序的可移植性。

[1] 高志剛.多重化逆變器在直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[C].中科院碩士研究生論文, 2007.11.

[2] 呂汀,石紅梅.變頻技術(shù)原理與應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[3] 李永東.交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[4] 張皓,續(xù)明進(jìn),楊梅.高壓大頻率交流變頻調(diào)速技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[5] 張燕賓.SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[6] Bin wu著.衛(wèi)三民,蘇位峰譯.大功率變頻器及交流傳動[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[7] 成燕,孫勇軍.大功率變頻器綜述[J].工業(yè)技術(shù),2009(3).