級聯型大功率逆變電路控制系統建模與仿真

張 蕾 趙 璽 任 重

（第713研究所，鄭州 450015）

1 引言

隨著電氣傳動技術的發展，它在軍事領域中的作用越來越重大。在航空、航天、航海領域中，電動機轉速調節都擁有著不可替代的地位。而在電動機轉速調節中，通過連續改變供電電源頻率，從而連續平滑的改變電動機速度的變頻調速優于其它任何一種交流調速方式。有電動機的地方幾乎就有變頻器，在一切需要進行速度控制的場合，變頻器以其操作方便、控制性能高而獲得廣泛應用。

2 變頻器基本結構

變頻器結構圖如圖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個部分。

圖1 變頻器組成結構示意圖

本論文主要以某艦船設備為背景研究大功率變頻器逆變電路，根據具體項目需要在逆變電路結構上選擇多電平H橋，兩級級聯形式，結構如圖2所示。

圖2 逆變電路結構示意圖

從圖2可以看出，級聯形的特點是每相逆變電路都由兩個H橋單元相串聯，每個H橋單元都有獨立的直流電壓源，通過串聯的方法，實現系統高電壓的輸出。在整個變頻器系統中考慮采用功率單元串聯的形式，因此不存在元件之間的動態和靜態均壓問題，并且該方案設計的變頻器具有模塊化的結構，便于更換和維護。它的一般結構是由幾個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的增加，使得輸出波形具有更好的諧波頻譜，每個開關器件所承受的電壓應力較小，無需均壓電路，開關損耗小，du/dt較小對電機絕緣十分有利。

3 逆變電路控制系統建模與仿真

逆變器控制系統結構圖如圖3所示，系統主要分為矢量控制模塊、PWM模塊、逆變器模塊以及負載模塊四部分。矢量控制是控制方法，在建模中可以通過數學方法實現；而負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電阻，所以要對逆變器控制系統建模主要對PWM生成模塊、以及逆變器單元建模進行研究。

圖3 控制系統結構圖

3.1 PWM模塊建模

正弦脈寬調制(SPWM)的基本原理是將參考波和載波進行比較，并根據二者比較的結果確定逆變器橋臂的開關狀態。通常選擇載波為三角波，根據載波與調制波的相交點作為開關狀態切換的依據。當PWM應用于大功率場合時，需要對多個功率單元進行控制，可以通過載波的移相或移幅來滿足產生多路開關信號的需要。對于兩相極聯的系統，可以采用如下圖a、b所示的調制方案對逆變器的一相產生兩組獨立的驅動信號。

圖4 SPWM大功率場合方案

根據圖 4，比較移相載波調制和移幅載波調制各自特點以及實現方式，考慮程序的可實現性，選擇采用移相載波調制方法。

實現 PWM模塊主要是實現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致波形變形，影響實驗結果。所以采用編程法同時實現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模塊調用程序來達到實驗目的。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中的仿真模塊來實現。兩相極聯逆變器電路仿真模型如圖6所示。

仿真試驗中首先假設取電源電壓為 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，各項指標都基本達到實驗要求，驗證了逆變器模型以及PWM生成模塊的正確性。可以應用于后期整個控制電路模型中。

圖7 三相電壓仿真曲線

4 結論

隨著現代科技的不斷進步，變頻器在工業自動化領域發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的要求也越來越高，級聯作為一種逆變電路形式，由于其自身特點，在大功率變頻器研究領域具有很大的潛力，在對逆變器控制系統的研究中，為了最大程度的節約成本，提高實際試驗的可靠性，仿真成為一種必不可少的研究階段。

Matlab/Simulink因其操作簡單、適用面廣等特點成為主要的仿真平臺之一，但其中很多模塊在一定的試驗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模塊的不足，使仿真試驗能夠最大程度的反應實際試驗的結果。編程還有利于后期在實際工程實踐中，將程序寫入DSP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型風力發電系統中的應用研究[C].中科院碩士研究生論文, 2007.11.

[2] 呂汀,石紅梅.變頻技術原理與應用[M].機械工業出版社,2003.

[3] 李永東.交流電機數字控制系統[M].機械工業出版社,2004.

[4] 張皓,續明進,楊梅.高壓大頻率交流變頻調速技術[M].機械工業出版社,2006.

[5] 張燕賓.SPWM變頻調速應用技術[M].機械工業出版社,2002.

[6] Bin wu著.衛三民,蘇位峰譯.大功率變頻器及交流傳動[M].機械工業出版社,2007.

[7] 成燕,孫勇軍.大功率變頻器綜述[J].工業技術,2009(3).