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

(山東理工大學電氣與電子工程學院， 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

(山東理工大學電氣與電子工程學院， 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，具有網側電流諧波低、單位功率因數、能量雙向流動等優點.文中對三相電壓型PWM變換器的原理及控制策略進行分析，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變換器進行仿真，仿真結果驗證此變換器做為負載模塊具有提高電能質量管理的作用.

關鍵詞：PWM變換器； 控制技術； Matlab仿真

電壓型PWM變換器在電力電子技術中應用廣泛，目前中小功率的逆變電路的控制部分幾乎都是采用PWM變換器進行控制[1].三相電壓型變換器能夠實現三相輸入的高功率因數校正，且結構簡單，可以實現網側電流的正弦化以及能量的雙向流動，響應速度較快[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變換器的數學模型，并進行了仿真實驗.

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，而且功率因數不高，其中二極管不可控的直流側母線電壓也是不可控的.如今，使用可關斷功率開關管的PWM變換器發展迅速，PWM整流器可以工作在逆變狀態，能夠實現電能由直流側向電網的傳輸.PWM變換器的網側功率因數是可控的，所以當其網側電流與網側電壓同相時，PWM整流器工作于單位功率因數整流狀態，而當其網側電流與網側電壓反向時，PWM整流器工作于逆變狀態[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計的.

PWM變換電路組成框圖如下圖1所示，由交流回路、功率開關管橋路以及直流回路組成.其中，交流部分包括電網電動勢e和交流側電感L；功率開關管橋路對于電壓型或電流型的PWM變換器是不同的；直流回路由負載電阻RL和負載電動勢eL組成.當忽略功率開關管損耗時，交流側輸入的功率與直流側產生的功率是相同的，由下式表示

i·v=idc·vdc

(1)

其中，v,i為交流側電壓、電流； idc、vdc為直流側電壓、電流.由式(1)可知，通過控制交流側電壓和電流，能實現對直流側的控制，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的研究也十分必要，其關鍵技術是研究輸出電壓的對稱性(幅值對稱和相位對稱)以及帶不平衡負載的能力.下面將對電壓型三相全橋式和半橋式逆變技術進行分析.

三相全橋式逆變器的優勢主要是電路拓撲結構簡單，使用的功率器件數少，功率開關電壓應力低等.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負載中去.在導通方式上有 180°導通型和120°導通型，其中前者更有優勢，每個橋臂上下管輪流導通180°，這樣每相負載電流是不間斷的，而對于120°導通型易引起過電壓.所以電壓型逆變器中廣泛應用180°導通型[1].下圖2所示為180°導通電壓型三相全橋式逆變電路拓撲結構(阻性負載).

圖2　180°導通電壓型三相全橋式逆變器拓撲結構

分析阻性負載下逆變器的電路原理，首先三相電阻負載是對稱的，每個橋臂輪流導通，即每隔60°換流一次，六個功率開關導通順序為 V1、V2、V3、V4、V5、V6.逆變電路中，六個二極管有限制過電壓的作用,對IGBT管進行保護，電流僅在保護狀態下相等，在逆變狀態下兩裝置中電流不等.輸入直流電源兩端的等效負載電阻為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

電壓型單閉環控制系統原理圖如圖3(a)所示，變換器輸出電壓反饋信號uof與基準電壓信號ur進行比較后，經過誤差放大器(PI調節器)后得到誤差信號ue，將信號ue與載波uc進行交截，經適當的邏輯變換和驅動電路后控制變換器.如圖3(b)所示，G1(s)為誤差放大器的傳遞函數，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， kuf=R1/(R1+R2)為輸出電壓反饋系數.

圖3 電壓型變換器單閉環控制結構圖

控制系統的開環傳遞函數為

閉環傳遞函數為

由上述公式可知該系統為有條件穩定的二階系統.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節，這樣才能使開環幅頻特性滿足系統要求.截止頻率一般設置為 ωc=(1/4～1/5)2πfs.

電壓型控制的特點為：1)系統為單閉環反饋，設計較簡便；2)控制系統具有很強的抗干擾能力，因為存在大幅值的鋸齒波；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節能力；4)若輸入電路器件的參數發生變化，只能在輸出電壓變化以后，反饋環路起到調節作用，即動態響應速度比較慢；5)補償電路復雜；6)系統靜態性能與穩定性存在不協調性[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逆變系統仿真

本文建立了兩個逆變電路模型并進行了仿真，如圖4和5所示, 直接利用MATLAB軟件中的PWM發生器模塊，依據PWM由載波和調制波產生的機理建立雙極性PWM信號，對橋式逆變電路進行仿真.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脈沖發生器，而雙橋逆變電路采用12脈沖發生器.單橋逆變器的基準電壓為

Vab=m/2×Vbc×sprt(3)Voltspeak=

0.85×0.866×400=294V

雙橋逆變電側基準電壓為

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為系統示波器中輸出電壓波形，分別為逆變側輸出電壓和變壓器側輸出電壓波形.由波形可以看出輸出電壓值與理論分析計算相符.

圖6 三相電壓型單橋逆變電路仿真波形

以上兩個系統分別是對三相電壓型PWM變換器的仿真與分析.每個逆變器后面需接一個三相變壓器，然后是交流負載(1kW, 500var, 60Hz, 208Vrms)，電路中每一個轉換器都工作在開環狀態，離散的PWM發生器可以在Extras/DiscreteControlBlocks模塊庫中找到.兩個系統中都使用電壓為400V的直流電壓源，載波頻率為1 080Hz，調節系數為0.85，振蕩頻率為60Hz.由變壓器的漏電感(8%)和負載電容(500var)進行諧波的濾除.

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逆變器產生的電壓，圖6(b)和圖7(b)波形為負載電壓.可以通過Powergui模塊對仿真模型進行頻域分析.逆變器的基準電壓在輸出窗口中顯示，將其與電路原始電壓進行比較.對于輸入6脈沖的單橋逆變電路，一次諧波出現在載波頻率為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候才出現，所以對于雙橋逆變電路的負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是本文設計的基于PWM的AC-DC-AC變換電路， 逆變器采用PWM式變換器，向負載提供三相的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調節器進行控制，在負載終端產生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)用來測量二極管側的的電流，以及IGBT變換器側的電流.對系統進行仿真，在暫態過程后大約40ms，系統達到穩態，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)以及負載輸出波形(圖10c).

逆變器產生的偶次諧波經過LC濾波器進行濾波.理論計算得出的負載電路的峰值電壓為537V(有效值為380V).穩態階段，調節系數的平均值為m=0.77，直流電壓平均值為780V.基于50Hz的基準電壓經過逆變器后的有效值為vab=780V*0.612*0.80=382V.圖11(a)和圖11(b)為直流側二極管1向二極管3換相時波形，圖11(c)和圖11(d)表示IGBT變換器側的電流，這兩個電流是互補的，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.

該系統是60Hz的電壓源通過一個AC-DC-AC逆變器向一個50Hz/50kW的負載供電的仿真電路.首先經過6脈沖整流器進行整流，然后在變壓器二次側獲得600V/60Hz的電壓.經過濾后的直流電壓被輸入到一個IGBT逆變器，輸出為50Hz電壓.IGBT逆變采用的脈沖寬度調制(PWM)，其載波頻率為2kHz.離散采用時間為2μs.通過PI電壓調節器將負載電壓調節到1pu(有效值為380V).電壓調節器的第一個輸出量為矢量，它包含三個調制信號，所使用的PWM變換器為基于6脈沖的IGBT變換器.第二路輸出返回調制系數.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變換系統仿真模型

圖10　直流母線電壓波形圖

圖11　系統整流側與逆變側電流波形

4結束語

電壓型PWM變換器可以實現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變換電路進行了建模仿真，驗證了此變換器做為負載模塊具有提高電能質量管理的作用，有一定的實際應用價值，為以后基于PWM的AC-DC-AC變換電路的發展及研究提供一定的理論參考.

參考文獻:

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[9]姚興佳，張純明，李宏峰，等.基于Matlab/Simulink的雙PWM逆變器系統仿真[J].電氣技術，2007(12):20-23.

(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

文獻標志碼：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