基于MATLAB的三相电压型变换器的仿真

沙宏哲， 杜钦君, 冯媛硕， 刘金金

(山东理工大学电气与电子工程学院， 山东淄博 255049)

基于MATLAB的三相电压型变换器的仿真

沙宏哲， 杜钦君, 冯媛硕， 刘金金

(山东理工大学电气与电子工程学院， 山东淄博 255049)

摘要：电压型变换电路是利用PWM控制方式以及由全控型器件组成的电路，具有网侧电流谐波低、单位功率因数、能量双向流动等优点.文中对三相电压型PWM变换器的原理及控制策略进行分析，利用MATLAB建立三相电压型单桥和双桥逆变电路的模型，并对基于PWM控制的AC-DC-AC变换器进行仿真，仿真结果验证此变换器做为负载模块具有提高电能质量管理的作用.

关键词：PWM变换器； 控制技术； Matlab仿真

电压型PWM变换器在电力电子技术中应用广泛，目前中小功率的逆变电路的控制部分几乎都是采用PWM变换器进行控制[1].三相电压型变换器能够实现三相输入的高功率因数校正，且结构简单，可以实现网侧电流的正弦化以及能量的双向流动，响应速度较快[2].本文研究了三相电压型PWM变换器及其控制策略，建立三相电压型变换电路以及基于PWM控制的AC-DC-AC变换器的数学模型，并进行了仿真实验.

1原理分析

1.1PWM变换器的基本原理

对于使用二极管与晶闸管的相控变换器的谐波影响较明显，而且功率因数不高，其中二极管不可控的直流侧母线电压也是不可控的.如今，使用可关断功率开关管的PWM变换器发展迅速，PWM整流器可以工作在逆变状态，能够实现电能由直流侧向电网的传输.PWM变换器的网侧功率因数是可控的，所以当其网侧电流与网侧电压同相时，PWM整流器工作于单位功率因数整流状态，而当其网侧电流与网侧电压反向时，PWM整流器工作于逆变状态[3].双PWM交-直-交变频器正是利用了PWM整流和逆变两种特性设计的.

PWM变换电路组成框图如下图1所示，由交流回路、功率开关管桥路以及直流回路组成.其中，交流部分包括电网电动势e和交流侧电感L；功率开关管桥路对于电压型或电流型的PWM变换器是不同的；直流回路由负载电阻RL和负载电动势eL组成.当忽略功率开关管损耗时，交流侧输入的功率与直流侧产生的功率是相同的，由下式表示

i·v=idc·vdc

(1)

其中，v,i为交流侧电压、电流； idc、vdc为直流侧电压、电流.由式(1)可知，通过控制交流侧电压和电流，能实现对直流侧的控制，反之也是成立的.

图1　PWM变换器原理框图

1.2电压型三相全桥逆变器分析

在交流负载用电量大或者需要三相四线制供电的场合，必须采用三相逆变器.所以对三相逆变技术的研究也十分必要，其关键技术是研究输出电压的对称性(幅值对称和相位对称)以及带不平衡负载的能力.下面将对电压型三相全桥式和半桥式逆变技术进行分析.

三相全桥式逆变器的优势主要是电路拓扑结构简单，使用的功率器件数少，功率开关电压应力低等.对于电压型三相全桥式逆变器是将输入的直流电压按一定的次序分配到各项负载中去.在导通方式上有 180°导通型和120°导通型，其中前者更有优势，每个桥臂上下管轮流导通180°，这样每相负载电流是不间断的，而对于120°导通型易引起过电压.所以电压型逆变器中广泛应用180°导通型[1].下图2所示为180°导通电压型三相全桥式逆变电路拓扑结构(阻性负载).

图2　180°导通电压型三相全桥式逆变器拓扑结构

分析阻性负载下逆变器的电路原理，首先三相电阻负载是对称的，每个桥臂轮流导通，即每隔60°换流一次，六个功率开关导通顺序为 V1、V2、V3、V4、V5、V6.逆变电路中，六个二极管有限制过电压的作用,对IGBT管进行保护，电流仅在保护状态下相等，在逆变状态下两装置中电流不等.输入直流电源两端的等效负载电阻为3RL/2，直流电源输入平滑的直流电流Id，即为Id=Ud/(3RL/2).

逆变器输出线电压有效值UAB为

输出相电压有效值UAN为

式中： Ud为定直流电压；UAN、UAB分别为相电压及线电压波形峰值.

2控制原理分析

电压型单闭环控制系统原理图如图3(a)所示，变换器输出电压反馈信号uof与基准电压信号ur进行比较后，经过误差放大器(PI调节器)后得到误差信号ue，将信号ue与载波uc进行交截，经适当的逻辑变换和驱动电路后控制变换器.如图3(b)所示，G1(s)为误差放大器的传递函数，d≈k1u3为PWM信号的占空比， N1、N2分别表示变压器一、二次绕组的匝数， kuf=R1/(R1+R2)为输出电压反馈系数.

图3 电压型变换器单闭环控制结构图

控制系统的开环传递函数为

闭环传递函数为

由上述公式可知该系统为有条件稳定的二阶系统.输出滤波电感Lf和滤波电容Cf一般较大，谐振频率 fr=1较小.所以在中频段需要加校正环节，这样才能使开环幅频特性满足系统要求.截止频率一般设置为 ωc=(1/4～1/5)2πfs.

电压型控制的特点为：1)系统为单闭环反馈，设计较简便；2)控制系统具有很强的抗干扰能力，因为存在大幅值的锯齿波；3)功率输出的低阻抗性使得多路输出电源具有较好的交叉调节能力；4)若输入电路器件的参数发生变化，只能在输出电压变化以后，反馈环路起到调节作用，即动态响应速度比较慢；5)补偿电路复杂；6)系统静态性能与稳定性存在不协调性[6].

图4 三相电压型单桥逆变电路仿真模型

图5 三相电压型双桥逆变电路仿真模型

3仿真与分析

3.1三相两级电压型PWM逆变系统仿真

本文建立了两个逆变电路模型并进行了仿真，如图4和5所示, 直接利用MATLAB软件中的PWM发生器模块，依据PWM由载波和调制波产生的机理建立双极性PWM信号，对桥式逆变电路进行仿真.图6和图7分别为单桥和双桥逆变电路仿真波形图，单桥逆变电路是采用6脉冲发生器，而双桥逆变电路采用12脉冲发生器.单桥逆变器的基准电压为

Vab=m/2×Vbc×sprt(3)Voltspeak=

0.85×0.866×400=294V

双桥逆变电侧基准电压为

Vaa=m*VdcVoltspeak=0.85×400=340V

式中：Vdc为定直流电压， Voltspeak为输出电压波形峰值.

图6和7为系统示波器中输出电压波形，分别为逆变侧输出电压和变压器侧输出电压波形.由波形可以看出输出电压值与理论分析计算相符.

图6 三相电压型单桥逆变电路仿真波形

以上两个系统分别是对三相电压型PWM变换器的仿真与分析.每个逆变器后面需接一个三相变压器，然后是交流负载(1kW, 500var, 60Hz, 208Vrms)，电路中每一个转换器都工作在开环状态，离散的PWM发生器可以在Extras/DiscreteControlBlocks模块库中找到.两个系统中都使用电压为400V的直流电压源，载波频率为1 080Hz，调节系数为0.85，振荡频率为60Hz.由变压器的漏电感(8%)和负载电容(500var)进行谐波的滤除.

图7　三相电压型双桥逆变电路仿真波形

图6(a)和图7(a)的波形为PWM逆变器产生的电压，图6(b)和图7(b)波形为负载电压.可以通过Powergui模块对仿真模型进行频域分析.逆变器的基准电压在输出窗口中显示，将其与电路原始电压进行比较.对于输入6脉冲的单桥逆变电路，一次谐波出现在载波频率为1 080Hz阶段，然而对于输入12脉冲的双桥逆变电路的谐波往往在载波频率两倍的时候才出现，所以对于双桥逆变电路的负载电压波形更加平滑.

3.2基于PWM的AC-DC-AC变换电路仿真分析

图8是本文设计的基于PWM的AC-DC-AC变换电路， 逆变器采用PWM式变换器，向负载提供三相的50Hz频率的正弦电压逆变器的斩波频率为2 000Hz.

图8　基于PWM的AC-DC-AC变换电路原理图

变换电路使用基于IGBT的逆变器，由PI调节器进行控制，在负载终端产生380V(50Hz)的基电压.图9即为建立的仿真模型，其中使用了万用表模块(Multimeterblock)用来测量二极管侧的的电流，以及IGBT变换器侧的电流.对系统进行仿真，在暂态过程后大约40ms，系统达到稳态，在示波器1中分别观察直流母线电压波形(如图10a)，逆变器输出波形(图10b)以及负载输出波形(图10c).

逆变器产生的偶次谐波经过LC滤波器进行滤波.理论计算得出的负载电路的峰值电压为537V(有效值为380V).稳态阶段，调节系数的平均值为m=0.77，直流电压平均值为780V.基于50Hz的基准电压经过逆变器后的有效值为vab=780V*0.612*0.80=382V.图11(a)和图11(b)为直流侧二极管1向二极管3换相时波形，图11(c)和图11(d)表示IGBT变换器侧的电流，这两个电流是互补的，由波形图可以清晰的观察到曲线3中电流为正，曲线4中电流为负.

该系统是60Hz的电压源通过一个AC-DC-AC逆变器向一个50Hz/50kW的负载供电的仿真电路.首先经过6脉冲整流器进行整流，然后在变压器二次侧获得600V/60Hz的电压.经过滤后的直流电压被输入到一个IGBT逆变器，输出为50Hz电压.IGBT逆变采用的脉冲宽度调制(PWM)，其载波频率为2kHz.离散采用时间为2μs.通过PI电压调节器将负载电压调节到1pu(有效值为380V).电压调节器的第一个输出量为矢量，它包含三个调制信号，所使用的PWM变换器为基于6脉冲的IGBT变换器.第二路输出返回调制系数.万用表模块用于观察二极管和IGBT的输出电流[8].

图9 基于PWM的AC-DC-AC变换系统仿真模型

图10　直流母线电压波形图

图11　系统整流侧与逆变侧电流波形

4结束语

电压型PWM变换器可以实现AC/DC变换性能(整流)以及DC/AC变流特性(有源逆变).本文对三相电压型PWM变换器以及基于PWM的AC-DC-AC变换电路进行了建模仿真，验证了此变换器做为负载模块具有提高电能质量管理的作用，有一定的实际应用价值，为以后基于PWM的AC-DC-AC变换电路的发展及研究提供一定的理论参考.

参考文献:

[1]张兴.张崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,2012.

[2]邓志奇.三相电压型PWM变换器的控制策略研究[D].浙江：浙江大学,2011.

[3]陈道炼.DC-AC逆变技术及其应用[M].北京：机械工业出版社2003.160-163.

[4]陈国呈.PWM逆变技术及其应用[M].北京：中国电力出版社，2007:20-22.

[5]王兆安，刘进军，杨旭，等.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2010:164-166.

[6]孙向群，王久和.电压型PWM整流器功率控制策略研究[J]．华北科技学院学报，2004,2(1)2:80-83.

[7]吴炳桥，赵峰.单相PWM逆变电路的两种仿真模型建立[J].电气传动自动化，2012,34(2)：40-43.

[8]邓醉杰，王辉，徐锋，等.三相电压型PWM逆变器双闭环控制策略研究[J].防爆电机，2007,42(1):11-14.

[9]姚兴佳，张纯明，李宏峰，等.基于Matlab/Simulink的双PWM逆变器系统仿真[J].电气技术，2007(12):20-23.

(编辑：刘宝江)

收稿日期：2014-06-27

作者简介：沙宏哲，男，303398867@qq.com; 通信作者：杜饮君，男，duqinjun@sdut.edu.cn

文章编号：1672-6197(2015)02-0071-05

中图分类号：TM461

文献标志码：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