基于PSIM的固定開關頻率電流控制逆變器仿真分析

武子恒 于泊寧

【摘 要】固定開關頻率電流控制逆變器的應用日益廣泛，本文利用PSIM仿真軟件研究固定開關頻率電流逆變器的基本原理和電路實現，并分析其中存在的一些問題。

【關鍵詞】固定開關頻率；逆變器；仿真

中圖分類號： TM464 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）12-0118-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.051

0 引言

當今社會科技發展十分迅速，各種電氣電子設備對供電的要求也越來越高，而逆變供電作為一種簡單有效的電力供應形式，已經廣泛地應用于生產和生活的各個領域。為了提高逆變器的輸出性能，人們創造了多種逆變器控制方法，常見的有：電壓瞬時值控制、電流滯環控制、電流預測控制、SPWM電流控制和固定開關頻率電流控制等，其中，固定開關頻率電流控制逆變器可以應用在諸如交流電機伺服驅動器的控制中。本文就是利用PSIM仿真軟件研究固定開關頻率電流逆變器的基本原理和電路實現，并分析其中存在的一些問題。

1 工作原理

固定開關頻率電流控制的結構框圖如下圖所示：

以單相電路為例，輸出電流iA與參考電流i*A的誤差iε=i*A-iA，經過比例積分（PI）環節后輸出電壓信號vcontrol，然后將vcontrol與一個固定頻率（即開關頻率fs）的三角載波信號vtri進行比較，并以此控制主電路的開關器件的開關狀態，即通過增加或減少PWM輸出信號的占空比，實現對輸出電流的控制，從而實現對電流參考信號i*A的跟蹤。

例如，當誤差iε=i*A-iA為正，即i*A>iA時，輸出的vcontrol為正，PWM輸出信號占空比增加，進而使得主電路輸出電壓升高，輸出電流增大，使得誤差減小。反之，當誤差iε=i*A-iA為負，即i*A

2 仿真模型

根據控制的結構框圖和逆變電路的原理，在PSIM中搭建單相的逆變電路如下圖所示。左側為控制電路，右側為主電路。

3 仿真分析

電路參數設置如下，i*A=10sin100πtA，PI控制電路放大倍數為1，時間常數為0.0001，vtri峰值為20V，頻率為10kHz，直流電源電動勢Ed=300V，交流側電阻負載R=10Ω，交流側電感負載L=10mH，仿真步距設置為5×10-6s。

仿真波形如下，藍色為參考電流i*A，紅色為輸出電流iA，綠色為誤差電流iε=i*A-iA。

發現輸出電流iA在參考電流i*A附近上下波動，跟蹤效果較好。

若保持其他的參數不變，將PI控制電路的時間常數改為0.001s，仿真波形如下圖4：

PI控制器中的積分環節可以使系統消除穩態誤差，積分作用的強弱取決與積分時間常數T， T越小，積分作用就越強。但是加入積分調節會使系統穩定性下降，動態響應變慢。從波形我們可以看出，T變大后，動態響應變慢，紅色的輸出電流明顯滯后于藍色為參考電流iA。

若保持其他的參數不變，改變的頻率為5kHz，重新進行仿真，仿真波形如下：

可以看到綠色的誤差電流iε=i*A-iA的平均值為1.41A，而之前的值為0.71A，誤差明顯增大。

若保持其他的參數不變，分別改變電感的數值為50mH、100mH和200mH，重新進行仿真，仿真數據如下：

4 結論

由以上實驗結果可以分析得出，對于固定開關頻率電流控制電路，輸出電流以固定的頻率上下波動，且當開關頻率越高時變化越頻繁，輸出電流越接近參考電流并且誤差電流的值越小。

由于比例積分環節自身的特性，時間常數應當合理設置，時間常數過大會引起系統的動態響應速度變慢而使得輸出電流調節速度變慢，誤差增大。

負載電路的感性強弱也起到很關鍵的作用，感性增大可以改善輸出電流的質量，但是感性不能太大，否則將導致電流變化緩慢，造成很大的誤差。

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