电压型PWM逆变器的分析及建模

刘洋　裴洲奇

摘 要 逆变电路属于电路变换的一种形式，传统的晶闸管相控式逆变电路发展得较早，但是由于器件本身存在的问题，所以在实际应用中仍然存在诸多问题。针对晶闸管逆变电路的缺点，本文提出了采用PWM逆变器代替传统的晶闸管相控逆变器。

【关键词】PWM 逆变器

1 引言

在生产实践中得到广泛应用的是三相电压型逆变器，本文针对电压型逆变器进行研究分析。电压型逆变器的直流电源侧并联大电容进行滤波，电流波形接近正弦波，波形好，抑制浪涌电压能力强，效率高，对网侧电压起到补偿作用。

2 PWM逆变器的主电路及原理

图1为电压型三相PWM逆变电路的结构图。

图1中usa、usb、usc为内馈电机的调节绕组电压即网侧电压均为调节绕组侧电压，电感La、Lb、Lc起到传递能量和平衡电压的作用， Ra、Rb、Rc为三相PWM逆变器交流侧的等效电阻。电容C起到储能的作用，eL是为斩波器提供的直流电源，V1～V6为全控型开关器件，VD1～VD6是反并联二极管。通过对上面的电路图的分析，电压型PWM逆变器电路具有下面的特点：直流侧并接电容储能，电网侧串接了电感，同时在功率型器件上反并联了二极管。

对于三相物理量的描述，都可以采用通用的矢量形式来表达，根据park变换的基本原理，该矢量在静止坐标系（a，b，c）坐标系上的投影为三相正弦量。表达式为：

三相变量在复平面上都是旋转的空间矢量，各矢量都是按照相同的ω的角速度做逆时针方向的旋转，空间相对位置是保持不变的，要实现PWM逆变器的四象限运行，三相电压型PWM逆变器由于对控制的精度、动态特性要求都比较高，所以在调速系统的结构中一般都要引入电流负反馈。故采用直接电流控制方式比较适合该系统。

3 三相电压型PWM逆变器的数学建模与分析

三相电压型PWM逆变器的数学模型是用数学表达式来表示电路的特性的一种方式。建立模型是分析研究系统特性的有效方式之一。

为了简化处理，可以高频分量省略不计，只是建立低频的数学模型，可以得出逆变器的交流侧电压和电流都是工频正弦波形，可得三相PWM逆变器的低频电压方程为：

此时两相坐标系下的状态方程是时变的，为了便于系统的控制，还要将αβ坐标系下的状态方程转换成dq坐标系下的方程。

这样就将三相坐标系下的正弦量转换为dq坐标系下的直流量，控制变量的减少使系统的设计得到了简化。同理可以推得三相PWM逆变器在dq坐标系下的交流侧的方程为

从上面的公式可以看出，这是一个强耦合系统，d轴电流和q轴的电流之间是相互影响的。因此简单地对q、d轴的电流做负反馈不能解决两轴之间的电流耦合问题，对控制器的设计没有实际的意义。对电流采用前馈解耦的方式，更利于的电流的控制。

基于上面的分析，结合串级调速系统本身的特点，对三相电压型PWM逆变器采用固定开关频率的直流电流控制方式比较合理，这样对提高系统的动、静态特性都有作用，同时也增强电流控制系统的鲁棒性。

参考文献

[1]庞辉.基于PWM控制的动态无功补偿装置的建模与仿真研究[D].合肥工业大学，2005.

[2]江友华.高压大功率异步电动机驱动风机、泵类负载调速技术的研究[D].上海大学，2006.

[3]皇金锋.三相电压型PWM逆变器的建模研究[J].电力电子技术，2011（04）：45.

作者简介

刘洋（1975-），女，辽宁省锦州市人。大学本科学历。现为大连海洋大学应用技术学院电气与信息工程系讲师。研究方向为控制工程。

作者单位

大连海洋大学应用技术学院 辽宁省瓦房店市 116300endprint

摘 要 逆变电路属于电路变换的一种形式，传统的晶闸管相控式逆变电路发展得较早，但是由于器件本身存在的问题，所以在实际应用中仍然存在诸多问题。针对晶闸管逆变电路的缺点，本文提出了采用PWM逆变器代替传统的晶闸管相控逆变器。

【关键词】PWM 逆变器

1 引言

在生产实践中得到广泛应用的是三相电压型逆变器，本文针对电压型逆变器进行研究分析。电压型逆变器的直流电源侧并联大电容进行滤波，电流波形接近正弦波，波形好，抑制浪涌电压能力强，效率高，对网侧电压起到补偿作用。

2 PWM逆变器的主电路及原理

图1为电压型三相PWM逆变电路的结构图。

图1中usa、usb、usc为内馈电机的调节绕组电压即网侧电压均为调节绕组侧电压，电感La、Lb、Lc起到传递能量和平衡电压的作用， Ra、Rb、Rc为三相PWM逆变器交流侧的等效电阻。电容C起到储能的作用，eL是为斩波器提供的直流电源，V1～V6为全控型开关器件，VD1～VD6是反并联二极管。通过对上面的电路图的分析，电压型PWM逆变器电路具有下面的特点：直流侧并接电容储能，电网侧串接了电感，同时在功率型器件上反并联了二极管。

对于三相物理量的描述，都可以采用通用的矢量形式来表达，根据park变换的基本原理，该矢量在静止坐标系（a，b，c）坐标系上的投影为三相正弦量。表达式为：

三相变量在复平面上都是旋转的空间矢量，各矢量都是按照相同的ω的角速度做逆时针方向的旋转，空间相对位置是保持不变的，要实现PWM逆变器的四象限运行，三相电压型PWM逆变器由于对控制的精度、动态特性要求都比较高，所以在调速系统的结构中一般都要引入电流负反馈。故采用直接电流控制方式比较适合该系统。

3 三相电压型PWM逆变器的数学建模与分析

三相电压型PWM逆变器的数学模型是用数学表达式来表示电路的特性的一种方式。建立模型是分析研究系统特性的有效方式之一。

为了简化处理，可以高频分量省略不计，只是建立低频的数学模型，可以得出逆变器的交流侧电压和电流都是工频正弦波形，可得三相PWM逆变器的低频电压方程为：

此时两相坐标系下的状态方程是时变的，为了便于系统的控制，还要将αβ坐标系下的状态方程转换成dq坐标系下的方程。

这样就将三相坐标系下的正弦量转换为dq坐标系下的直流量，控制变量的减少使系统的设计得到了简化。同理可以推得三相PWM逆变器在dq坐标系下的交流侧的方程为

从上面的公式可以看出，这是一个强耦合系统，d轴电流和q轴的电流之间是相互影响的。因此简单地对q、d轴的电流做负反馈不能解决两轴之间的电流耦合问题，对控制器的设计没有实际的意义。对电流采用前馈解耦的方式，更利于的电流的控制。

基于上面的分析，结合串级调速系统本身的特点，对三相电压型PWM逆变器采用固定开关频率的直流电流控制方式比较合理，这样对提高系统的动、静态特性都有作用，同时也增强电流控制系统的鲁棒性。

参考文献

[1]庞辉.基于PWM控制的动态无功补偿装置的建模与仿真研究[D].合肥工业大学，2005.

[2]江友华.高压大功率异步电动机驱动风机、泵类负载调速技术的研究[D].上海大学，2006.

[3]皇金锋.三相电压型PWM逆变器的建模研究[J].电力电子技术，2011（04）：45.

作者简介

刘洋（1975-），女，辽宁省锦州市人。大学本科学历。现为大连海洋大学应用技术学院电气与信息工程系讲师。研究方向为控制工程。

作者单位

大连海洋大学应用技术学院 辽宁省瓦房店市 116300endprint

摘 要 逆变电路属于电路变换的一种形式，传统的晶闸管相控式逆变电路发展得较早，但是由于器件本身存在的问题，所以在实际应用中仍然存在诸多问题。针对晶闸管逆变电路的缺点，本文提出了采用PWM逆变器代替传统的晶闸管相控逆变器。

【关键词】PWM 逆变器

1 引言

在生产实践中得到广泛应用的是三相电压型逆变器，本文针对电压型逆变器进行研究分析。电压型逆变器的直流电源侧并联大电容进行滤波，电流波形接近正弦波，波形好，抑制浪涌电压能力强，效率高，对网侧电压起到补偿作用。

2 PWM逆变器的主电路及原理

图1为电压型三相PWM逆变电路的结构图。

图1中usa、usb、usc为内馈电机的调节绕组电压即网侧电压均为调节绕组侧电压，电感La、Lb、Lc起到传递能量和平衡电压的作用， Ra、Rb、Rc为三相PWM逆变器交流侧的等效电阻。电容C起到储能的作用，eL是为斩波器提供的直流电源，V1～V6为全控型开关器件，VD1～VD6是反并联二极管。通过对上面的电路图的分析，电压型PWM逆变器电路具有下面的特点：直流侧并接电容储能，电网侧串接了电感，同时在功率型器件上反并联了二极管。

对于三相物理量的描述，都可以采用通用的矢量形式来表达，根据park变换的基本原理，该矢量在静止坐标系（a，b，c）坐标系上的投影为三相正弦量。表达式为：

三相变量在复平面上都是旋转的空间矢量，各矢量都是按照相同的ω的角速度做逆时针方向的旋转，空间相对位置是保持不变的，要实现PWM逆变器的四象限运行，三相电压型PWM逆变器由于对控制的精度、动态特性要求都比较高，所以在调速系统的结构中一般都要引入电流负反馈。故采用直接电流控制方式比较适合该系统。

3 三相电压型PWM逆变器的数学建模与分析

三相电压型PWM逆变器的数学模型是用数学表达式来表示电路的特性的一种方式。建立模型是分析研究系统特性的有效方式之一。

为了简化处理，可以高频分量省略不计，只是建立低频的数学模型，可以得出逆变器的交流侧电压和电流都是工频正弦波形，可得三相PWM逆变器的低频电压方程为：

此时两相坐标系下的状态方程是时变的，为了便于系统的控制，还要将αβ坐标系下的状态方程转换成dq坐标系下的方程。

这样就将三相坐标系下的正弦量转换为dq坐标系下的直流量，控制变量的减少使系统的设计得到了简化。同理可以推得三相PWM逆变器在dq坐标系下的交流侧的方程为

从上面的公式可以看出，这是一个强耦合系统，d轴电流和q轴的电流之间是相互影响的。因此简单地对q、d轴的电流做负反馈不能解决两轴之间的电流耦合问题，对控制器的设计没有实际的意义。对电流采用前馈解耦的方式，更利于的电流的控制。

基于上面的分析，结合串级调速系统本身的特点，对三相电压型PWM逆变器采用固定开关频率的直流电流控制方式比较合理，这样对提高系统的动、静态特性都有作用，同时也增强电流控制系统的鲁棒性。

参考文献

[1]庞辉.基于PWM控制的动态无功补偿装置的建模与仿真研究[D].合肥工业大学，2005.

[2]江友华.高压大功率异步电动机驱动风机、泵类负载调速技术的研究[D].上海大学，2006.

[3]皇金锋.三相电压型PWM逆变器的建模研究[J].电力电子技术，2011（04）：45.

作者简介

刘洋（1975-），女，辽宁省锦州市人。大学本科学历。现为大连海洋大学应用技术学院电气与信息工程系讲师。研究方向为控制工程。

作者单位

大连海洋大学应用技术学院 辽宁省瓦房店市 116300endprint