可逆PWM逆變器及其MATLAB仿真

田素娟

(包頭職業技術學院 電氣工程系，內蒙古 包頭 014030)

脈沖寬度調制變換器(簡稱“PWM變換器”)是直流脈寬調制調速系統(P-M系統)的一個關鍵環節，是該系統的主電路部分，它的原理實際上是利用GTO、GTR、IGBT等全控型電力電子器件構成的直流斬波器，將固定的直流信號轉換成大小可調的直流信號，為DC-DC電源變換裝置。它有調制頻率高、動態響應速度快以及電動機轉矩平穩脈動小等優點，所以脈沖寬度調制調速系統在中小功率調速系統以及伺服系統中廣泛應用，并且可以獲得顯著的節能效果。可逆PWM變換器主電路的結構以H型變換器最為常見，它是由4個全控型電力電子器件和4個續流二極管組成的H型橋式電路。H型可逆PWM變換器的控制方式有3種類型，分別為雙極式、單極式和受限單極式。本篇主要講解可逆PWM變換器不同控制方式時的工作原理，并利用MATLAB仿真軟件進行仿真。

1 可逆PWM變換器原理

圖1為H型可逆PWM變換器的電路原理圖。圖1中采用的全控型電力電子器件是電力晶體管GTR，根據4個開關管的控制信號不同，可以有2種控制方式，即單極式和雙極式控制。

1.1 雙極式控制方式下的H型PWM變換器原理

1.1.1 對控制信號的要求。VT1和VT4的控制信號相同，VT2和VT3的控制信號相同，這樣就可以使得VT1和VT4同時導通，VT2和VT3同時導通，4個控制信號的波形圖如圖2所示。同時，VT2、VT3控制信號的極性與VT1、VT4的控制信號極性相反，這樣就避免了上下兩個橋臂上的管子同時導通的短路現象的發生，降低短路事故的發生率。

1.1.2 電路原理分析。在一個周期內，ton之前，VT1、VT4的控制信號ub1、ub4為正，電力晶體管VT1和VT4飽和導通；VT2和VT3的控制信號ub2、ub3為負，電力晶體管VT2和VT3截止，流過電動機電樞的電流id從Us的正極流出，經過VT1到電動機電樞，再經過VT4到Us的負極，在這個電流回路中忽略VT1、VT4，電動機電樞兩端的電壓UAB為正的Us，ton之后到一個周期結束時，VT1、VT4的控制信號ub1、ub4由正極性變負，電力晶體管VT1和VT4截止；ub2和ub3由負極性變正，但是電力晶體管VT2和VT3并不能立即導通，因為在電動機電樞電感上產生的感應電動勢使二極管VD2和VD3承受正向電壓而導通形成續流通路，向電源Us釋放能量，在二極管VD2和VD3上的管壓降使VT2和VT3的集射之間受反壓不能導通，這期間電樞AB兩端電壓UAB=-Us。開關管在一個開關周期內，電動機電樞兩端的電壓為+Us或-Us，正負相間，所以這種控制方式下的脈寬變換器稱為雙極性PWM變換器。

圖1 H型PWM變換器原理

圖2 雙極式PWM變換器電壓電流波形

1.1.3 流過電動機電樞的電流波形。流過電動機電樞的電流波形隨負載輕重分為2種情況：①重載時，流過負載的電流較大，波形如圖2中的id1，后半周期為續流階段，電流流動方向不變，電動機工作在正向電動運行狀態；②輕載時，電流較小時，電流id的波形如圖2中的id2，續流時間較短，在下一個周期到來之前，電流就已經衰減到零，電力晶體管VT2和VT3的集射之間不再承受反向電壓，而是承受電源給的正向電壓變成導通狀態，流過電動機電樞的電流反向，id從電源Us正極→VT3→電動機電樞→VT2→電源Us負極，電動機工作在制動運行狀態。同理，在0≤t

1.2 單極式控制方式下的H型PWM變換器原理

對控制信號的要求：VT1和VT4的控制信號相同，VT2的控制信號一直為正，VT3的控制信號一直為負，使VT1和VT4交替導通，VT2和VT3的管子一個一直導通，一個一直關斷(根據電機的轉動方向而定)。4個控制信號以及輸出波形如圖3所示。這樣，在性能要求不是太高的系統中應用單極式控制方式，可以減少開關損耗和降低上下兩管同時導通的短路事故的發生，系統的可靠性得到提高，但是系統的低速性能相對較差。

(a)正轉時 (b)反轉時

2 可逆PWM變換器的建模及MATLAB仿真

在MATLAB/Simulink仿真環境中建立可逆PWM變換器的數學模型，如圖4所示。通過對脈沖發生器的控制，使電路工作在雙極式工作方式下，其中H橋變流器調用了多功能橋，其參數設為兩相橋臂，橋中的開關器件采用的是全控型器件IGBT，為了防止同一側橋臂上的上下兩管出現同時導通的“直通”現象，在控制電路中設置了反向器模塊。

圖4 可逆PWM變換器的數學模型

從觀測器中觀察到輸出電壓及電流的仿真結果如圖5、圖6所示。

圖5 電壓仿真波形

圖6 電流仿真波形

3 單相雙極性控制的SPWM變換器建模及仿真

通過上述理論分析及仿真可以得出，輸出電壓的PWM波形幅值相等、寬度可以根據全控型器件的通斷控制實現調節，其諧波成分較大。如果采用SPWM技術進行控制，輸出的脈沖序列不僅幅值相等、寬度可調，也可以實現寬度按照正弦規律變化，這樣得到的脈沖序列就可以和正弦波相等效，作用效果相當，大大減少了諧波成分。圖7建立采用IGBT全控型器件的雙極性控制SPWM單相變換器模型，并進行適當的參數配置，進行仿真。

圖7 單相變換器模型

從觀測器中觀察到輸出電壓的仿真結果如圖8所示。該波形是幅值相等、寬度按正弦規律變化的雙極性脈沖序列。

圖8 輸出電壓波形

4 結束語

通過分析與仿真，可逆PWM變換器不管在單極式控制方式下工作還是在雙極式控制方式下工作都可以很好地實現電動機的四象限運行。并且，當采用SPWM控制時，可以大大減少諧波成分。