電壓型PWM逆變器的分析及建模

劉洋　裴洲奇

摘 要 逆變電路屬于電路變換的一種形式，傳統(tǒng)的晶閘管相控式逆變電路發(fā)展得較早，但是由于器件本身存在的問(wèn)題，所以在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在諸多問(wèn)題。針對(duì)晶閘管逆變電路的缺點(diǎn)，本文提出了采用PWM逆變器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的晶閘管相控逆變器。

【關(guān)鍵詞】PWM 逆變器

1 引言

在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用的是三相電壓型逆變器，本文針對(duì)電壓型逆變器進(jìn)行研究分析。電壓型逆變器的直流電源側(cè)并聯(lián)大電容進(jìn)行濾波，電流波形接近正弦波，波形好，抑制浪涌電壓能力強(qiáng)，效率高，對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓起到補(bǔ)償作用。

2 PWM逆變器的主電路及原理

圖1為電壓型三相PWM逆變電路的結(jié)構(gòu)圖。

圖1中usa、usb、usc為內(nèi)饋電機(jī)的調(diào)節(jié)繞組電壓即網(wǎng)側(cè)電壓均為調(diào)節(jié)繞組側(cè)電壓，電感La、Lb、Lc起到傳遞能量和平衡電壓的作用， Ra、Rb、Rc為三相PWM逆變器交流側(cè)的等效電阻。電容C起到儲(chǔ)能的作用，eL是為斬波器提供的直流電源，V1～V6為全控型開(kāi)關(guān)器件，VD1～VD6是反并聯(lián)二極管。通過(guò)對(duì)上面的電路圖的分析，電壓型PWM逆變器電路具有下面的特點(diǎn)：直流側(cè)并接電容儲(chǔ)能，電網(wǎng)側(cè)串接了電感，同時(shí)在功率型器件上反并聯(lián)了二極管。

對(duì)于三相物理量的描述，都可以采用通用的矢量形式來(lái)表達(dá)，根據(jù)park變換的基本原理，該矢量在靜止坐標(biāo)系（a，b，c）坐標(biāo)系上的投影為三相正弦量。表達(dá)式為：

三相變量在復(fù)平面上都是旋轉(zhuǎn)的空間矢量，各矢量都是按照相同的ω的角速度做逆時(shí)針?lè)较虻男D(zhuǎn)，空間相對(duì)位置是保持不變的，要實(shí)現(xiàn)PWM逆變器的四象限運(yùn)行，三相電壓型PWM逆變器由于對(duì)控制的精度、動(dòng)態(tài)特性要求都比較高，所以在調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中一般都要引入電流負(fù)反饋。故采用直接電流控制方式比較適合該系統(tǒng)。

3 三相電壓型PWM逆變器的數(shù)學(xué)建模與分析

三相電壓型PWM逆變器的數(shù)學(xué)模型是用數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)表示電路的特性的一種方式。建立模型是分析研究系統(tǒng)特性的有效方式之一。

為了簡(jiǎn)化處理，可以高頻分量省略不計(jì)，只是建立低頻的數(shù)學(xué)模型，可以得出逆變器的交流側(cè)電壓和電流都是工頻正弦波形，可得三相PWM逆變器的低頻電壓方程為：

此時(shí)兩相坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程是時(shí)變的，為了便于系統(tǒng)的控制，還要將αβ坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程轉(zhuǎn)換成dq坐標(biāo)系下的方程。

這樣就將三相坐標(biāo)系下的正弦量轉(zhuǎn)換為dq坐標(biāo)系下的直流量，控制變量的減少使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得到了簡(jiǎn)化。同理可以推得三相PWM逆變器在dq坐標(biāo)系下的交流側(cè)的方程為

從上面的公式可以看出，這是一個(gè)強(qiáng)耦合系統(tǒng)，d軸電流和q軸的電流之間是相互影響的。因此簡(jiǎn)單地對(duì)q、d軸的電流做負(fù)反饋不能解決兩軸之間的電流耦合問(wèn)題，對(duì)控制器的設(shè)計(jì)沒(méi)有實(shí)際的意義。對(duì)電流采用前饋解耦的方式，更利于的電流的控制。

基于上面的分析，結(jié)合串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，對(duì)三相電壓型PWM逆變器采用固定開(kāi)關(guān)頻率的直流電流控制方式比較合理，這樣對(duì)提高系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性都有作用，同時(shí)也增強(qiáng)電流控制系統(tǒng)的魯棒性。

參考文獻(xiàn)

[1]龐輝.基于PWM控制的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的建模與仿真研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2005.

[2]江友華.高壓大功率異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載調(diào)速技術(shù)的研究[D].上海大學(xué)，2006.

[3]皇金鋒.三相電壓型PWM逆變器的建模研究[J].電力電子技術(shù)，2011（04）：45.

作者簡(jiǎn)介

劉洋（1975-），女，遼寧省錦州市人。大學(xué)本科學(xué)歷。現(xiàn)為大連海洋大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院電氣與信息工程系講師。研究方向?yàn)榭刂乒こ獭?/p>

作者單位

大連海洋大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 遼寧省瓦房店市 116300endprint

摘 要 逆變電路屬于電路變換的一種形式，傳統(tǒng)的晶閘管相控式逆變電路發(fā)展得較早，但是由于器件本身存在的問(wèn)題，所以在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在諸多問(wèn)題。針對(duì)晶閘管逆變電路的缺點(diǎn)，本文提出了采用PWM逆變器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的晶閘管相控逆變器。

【關(guān)鍵詞】PWM 逆變器

1 引言

在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用的是三相電壓型逆變器，本文針對(duì)電壓型逆變器進(jìn)行研究分析。電壓型逆變器的直流電源側(cè)并聯(lián)大電容進(jìn)行濾波，電流波形接近正弦波，波形好，抑制浪涌電壓能力強(qiáng)，效率高，對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓起到補(bǔ)償作用。

2 PWM逆變器的主電路及原理

圖1為電壓型三相PWM逆變電路的結(jié)構(gòu)圖。

圖1中usa、usb、usc為內(nèi)饋電機(jī)的調(diào)節(jié)繞組電壓即網(wǎng)側(cè)電壓均為調(diào)節(jié)繞組側(cè)電壓，電感La、Lb、Lc起到傳遞能量和平衡電壓的作用， Ra、Rb、Rc為三相PWM逆變器交流側(cè)的等效電阻。電容C起到儲(chǔ)能的作用，eL是為斬波器提供的直流電源，V1～V6為全控型開(kāi)關(guān)器件，VD1～VD6是反并聯(lián)二極管。通過(guò)對(duì)上面的電路圖的分析，電壓型PWM逆變器電路具有下面的特點(diǎn)：直流側(cè)并接電容儲(chǔ)能，電網(wǎng)側(cè)串接了電感，同時(shí)在功率型器件上反并聯(lián)了二極管。

對(duì)于三相物理量的描述，都可以采用通用的矢量形式來(lái)表達(dá)，根據(jù)park變換的基本原理，該矢量在靜止坐標(biāo)系（a，b，c）坐標(biāo)系上的投影為三相正弦量。表達(dá)式為：

三相變量在復(fù)平面上都是旋轉(zhuǎn)的空間矢量，各矢量都是按照相同的ω的角速度做逆時(shí)針?lè)较虻男D(zhuǎn)，空間相對(duì)位置是保持不變的，要實(shí)現(xiàn)PWM逆變器的四象限運(yùn)行，三相電壓型PWM逆變器由于對(duì)控制的精度、動(dòng)態(tài)特性要求都比較高，所以在調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中一般都要引入電流負(fù)反饋。故采用直接電流控制方式比較適合該系統(tǒng)。

3 三相電壓型PWM逆變器的數(shù)學(xué)建模與分析

三相電壓型PWM逆變器的數(shù)學(xué)模型是用數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)表示電路的特性的一種方式。建立模型是分析研究系統(tǒng)特性的有效方式之一。

為了簡(jiǎn)化處理，可以高頻分量省略不計(jì)，只是建立低頻的數(shù)學(xué)模型，可以得出逆變器的交流側(cè)電壓和電流都是工頻正弦波形，可得三相PWM逆變器的低頻電壓方程為：

此時(shí)兩相坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程是時(shí)變的，為了便于系統(tǒng)的控制，還要將αβ坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程轉(zhuǎn)換成dq坐標(biāo)系下的方程。

這樣就將三相坐標(biāo)系下的正弦量轉(zhuǎn)換為dq坐標(biāo)系下的直流量，控制變量的減少使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得到了簡(jiǎn)化。同理可以推得三相PWM逆變器在dq坐標(biāo)系下的交流側(cè)的方程為

從上面的公式可以看出，這是一個(gè)強(qiáng)耦合系統(tǒng)，d軸電流和q軸的電流之間是相互影響的。因此簡(jiǎn)單地對(duì)q、d軸的電流做負(fù)反饋不能解決兩軸之間的電流耦合問(wèn)題，對(duì)控制器的設(shè)計(jì)沒(méi)有實(shí)際的意義。對(duì)電流采用前饋解耦的方式，更利于的電流的控制。

基于上面的分析，結(jié)合串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，對(duì)三相電壓型PWM逆變器采用固定開(kāi)關(guān)頻率的直流電流控制方式比較合理，這樣對(duì)提高系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性都有作用，同時(shí)也增強(qiáng)電流控制系統(tǒng)的魯棒性。

參考文獻(xiàn)

[1]龐輝.基于PWM控制的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的建模與仿真研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2005.

[2]江友華.高壓大功率異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載調(diào)速技術(shù)的研究[D].上海大學(xué)，2006.

[3]皇金鋒.三相電壓型PWM逆變器的建模研究[J].電力電子技術(shù)，2011（04）：45.

作者簡(jiǎn)介

劉洋（1975-），女，遼寧省錦州市人。大學(xué)本科學(xué)歷。現(xiàn)為大連海洋大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院電氣與信息工程系講師。研究方向?yàn)榭刂乒こ獭?/p>

作者單位

大連海洋大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 遼寧省瓦房店市 116300endprint

摘 要 逆變電路屬于電路變換的一種形式，傳統(tǒng)的晶閘管相控式逆變電路發(fā)展得較早，但是由于器件本身存在的問(wèn)題，所以在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在諸多問(wèn)題。針對(duì)晶閘管逆變電路的缺點(diǎn)，本文提出了采用PWM逆變器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的晶閘管相控逆變器。

【關(guān)鍵詞】PWM 逆變器

1 引言

在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用的是三相電壓型逆變器，本文針對(duì)電壓型逆變器進(jìn)行研究分析。電壓型逆變器的直流電源側(cè)并聯(lián)大電容進(jìn)行濾波，電流波形接近正弦波，波形好，抑制浪涌電壓能力強(qiáng)，效率高，對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓起到補(bǔ)償作用。

2 PWM逆變器的主電路及原理

圖1為電壓型三相PWM逆變電路的結(jié)構(gòu)圖。

圖1中usa、usb、usc為內(nèi)饋電機(jī)的調(diào)節(jié)繞組電壓即網(wǎng)側(cè)電壓均為調(diào)節(jié)繞組側(cè)電壓，電感La、Lb、Lc起到傳遞能量和平衡電壓的作用， Ra、Rb、Rc為三相PWM逆變器交流側(cè)的等效電阻。電容C起到儲(chǔ)能的作用，eL是為斬波器提供的直流電源，V1～V6為全控型開(kāi)關(guān)器件，VD1～VD6是反并聯(lián)二極管。通過(guò)對(duì)上面的電路圖的分析，電壓型PWM逆變器電路具有下面的特點(diǎn)：直流側(cè)并接電容儲(chǔ)能，電網(wǎng)側(cè)串接了電感，同時(shí)在功率型器件上反并聯(lián)了二極管。

對(duì)于三相物理量的描述，都可以采用通用的矢量形式來(lái)表達(dá)，根據(jù)park變換的基本原理，該矢量在靜止坐標(biāo)系（a，b，c）坐標(biāo)系上的投影為三相正弦量。表達(dá)式為：

三相變量在復(fù)平面上都是旋轉(zhuǎn)的空間矢量，各矢量都是按照相同的ω的角速度做逆時(shí)針?lè)较虻男D(zhuǎn)，空間相對(duì)位置是保持不變的，要實(shí)現(xiàn)PWM逆變器的四象限運(yùn)行，三相電壓型PWM逆變器由于對(duì)控制的精度、動(dòng)態(tài)特性要求都比較高，所以在調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中一般都要引入電流負(fù)反饋。故采用直接電流控制方式比較適合該系統(tǒng)。

3 三相電壓型PWM逆變器的數(shù)學(xué)建模與分析

三相電壓型PWM逆變器的數(shù)學(xué)模型是用數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)表示電路的特性的一種方式。建立模型是分析研究系統(tǒng)特性的有效方式之一。

為了簡(jiǎn)化處理，可以高頻分量省略不計(jì)，只是建立低頻的數(shù)學(xué)模型，可以得出逆變器的交流側(cè)電壓和電流都是工頻正弦波形，可得三相PWM逆變器的低頻電壓方程為：

此時(shí)兩相坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程是時(shí)變的，為了便于系統(tǒng)的控制，還要將αβ坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程轉(zhuǎn)換成dq坐標(biāo)系下的方程。

這樣就將三相坐標(biāo)系下的正弦量轉(zhuǎn)換為dq坐標(biāo)系下的直流量，控制變量的減少使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得到了簡(jiǎn)化。同理可以推得三相PWM逆變器在dq坐標(biāo)系下的交流側(cè)的方程為

從上面的公式可以看出，這是一個(gè)強(qiáng)耦合系統(tǒng)，d軸電流和q軸的電流之間是相互影響的。因此簡(jiǎn)單地對(duì)q、d軸的電流做負(fù)反饋不能解決兩軸之間的電流耦合問(wèn)題，對(duì)控制器的設(shè)計(jì)沒(méi)有實(shí)際的意義。對(duì)電流采用前饋解耦的方式，更利于的電流的控制。

基于上面的分析，結(jié)合串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，對(duì)三相電壓型PWM逆變器采用固定開(kāi)關(guān)頻率的直流電流控制方式比較合理，這樣對(duì)提高系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性都有作用，同時(shí)也增強(qiáng)電流控制系統(tǒng)的魯棒性。

參考文獻(xiàn)

[1]龐輝.基于PWM控制的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的建模與仿真研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2005.

[2]江友華.高壓大功率異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載調(diào)速技術(shù)的研究[D].上海大學(xué)，2006.

[3]皇金鋒.三相電壓型PWM逆變器的建模研究[J].電力電子技術(shù)，2011（04）：45.

作者簡(jiǎn)介

劉洋（1975-），女，遼寧省錦州市人。大學(xué)本科學(xué)歷。現(xiàn)為大連海洋大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院電氣與信息工程系講師。研究方向?yàn)榭刂乒こ獭?/p>

作者單位

大連海洋大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 遼寧省瓦房店市 116300endprint