基于PWM控制的三相逆变电路仿真研究

柴济民，肖进，郭建江

(1.常州工学院电气与光电工程学院，江苏常州213032；2.河海大学能源与电气学院，江苏南京210098)

基于PWM控制的三相逆变电路仿真研究

柴济民1，2，肖进1，郭建江1

(1.常州工学院电气与光电工程学院，江苏常州213032；2.河海大学能源与电气学院，江苏南京210098)

PWM控制技术是逆变电路常用的控制方式。利用PWM控制技术，在Matlab/Simulink平台上建立了基于SPWM载波调制技术和滞环电流控制技术的三相逆变电路仿真模型，仿真结果表明了模型的可行性。

逆变电路；SPWM；滞环控制

逆变电路是电力电子变流技术核心电路之一，在工业控制、柔性电力技术和光伏风力发电领域得到了广泛应用。大多数逆变电路采用PWM控制技术，对脉冲宽度进行调制，常用控制方法有计算法、调制法和跟踪调制法三类[1-2]。本文采用调制法和电流跟踪法，通过Matlab/Si-mulink搭建三相逆变电路仿真系统，实现PWM控制，为后续的研究工作打下基础。

1 三相逆变电路建模

1.1 主电路模型

三相逆变主电路模型如图1。直流电源电压为200 V，IGBT与二极管并联构成一个模块，三相负载为阻感负载，直流侧用两个电容等效。其中，IGBT1、IGBT3和IGBT5模块构成上桥臂，IGBT4、IGBT6和IGBT2模块构成下桥臂。

1.2 参数设置

电阻负载为1 Ω，电感负载5 mH，C1和C2为两个等效电容，大小均为1 F。考虑Matlab仿真数值稳定性，每个电容串联一个小电阻(采用1 μΩ模拟)。六个IGBT和二极管的设置参数均采用Matlab/Simulink默认参数。模型中使用万用表模块Multimeter来测量三相负载端U、V、W上的电流和电压。

图1 三相逆变主电路仿真模型

2 SPWM正弦调制法建模

2.1 控制方法基本原理

如图2控制模块系统所示，调制信号为三相正弦波UrU、UrV、UrW(三相正弦波相位相差120°)，载波信号采用Vc三角波。

当UrU、UrV、UrW大于Vc信号时，产生逆变电路上桥臂的控制信号VG1、VG3、VG5来导通IGBT1、IGBT3、IGBT5模块。

同样，当UrU、UrV、UrW小于Vc信号时，产生逆变电路下桥臂的控制信号VG4、VG6、VG2来导通IGBT4、IGBT6、IGBT2模块。

图2 SPWM正弦调制控制模块

2.2 仿真参数说明

2.2.1 三角波参数模块

三角波由Repeating Sequence模块进行数字拟合产生[3]。其时间设置序列为[00.01/6 0.01/30.0050.02/30.05/60.010.07/6 0.04/30.0150.05/30.11/60.02]，输出序列为[0-1.501.50-1.501.50-1.5 01.50]。拟合产生的三角波如图3所示。

图3 三角波波形图

2.2.2 正弦波参数模块

正弦波参数模块采Sine Wave模块，以UrU为例，具体设置幅值为1，频率为50 Hz，相角为0°。

由以上三角波和正弦波的设置可以看到，该

PWM控制的载波比N=fc/fr=3，调制比M=Vrm/Vcm=0.667。

2.2.3 其他模块说明

图2控制系统设置中，Gain DELTA为增益模块(设置为1)，Relational Operator为比较器，Data Type Conversion为数据类型转换模块，将比较器比较结果由逻辑结果转换为电平型double的信号格式来触发IGBT模块。

2.3 仿真分析

仿真采用变步长ode23tb算法，通过示波器SCOPE模块读出主电路各个波形，如图4。图中：

图4 SPWM控制法仿真波形图

Vc为调制信号三角载波波形；

VAN为U相负载的电压信号波形；

iA为U相负载的电流信号波形；

VG1、VG3、VG5为上桥臂的IGBT1、IGBT3、IGBT5模块的控制信号波形；

VAB为U、V相间电压信号波形。

从图4波形中可以看到，通过调制信号与载波信号的对比，轮流触发三相逆变电路的各个IGBT模块，在交流侧负载上得到了交替的PWM电压波形VAN。阻感负载上的电流iA，近似呈现出正弦波。

3 滞环电流控制建模

3.1 控制方法基本原理

如图5控制模块所示，三相指令电流为正弦波iU、iV、iW(相位相差120°)。

万用表模块Multimeter1测量图1主电路U、V、W各相的实际电流iA、iB、iC。

图5 滞环电流控制模块

指令电流和实际测量电流比较，经滞环比较器Relay模块，产生逆变电路上桥臂的控制信号VG1、VG3、VG5来控制IGBT1、IGBT3、IGBT5模块。产生逆变电路下桥臂的控制信号VG4、VG6、VG2来控制IGBT4、IGBT6、IGBT2模块。

以IGBT1和IGBT4构成的桥臂为例，具体导通关断逻辑为：当iU-iA>ΔI时，VG1为导通，VG4为关断；iU-iA<ΔI时，VG1为关断，VG4为导通。

3.2 仿真模块说明

3.2.1 Multimeter1模块

Multimeter1模块测量主电路电流波形。指令电流以U相为例，设置幅值为20 A，频率为50 Hz，相角为0°。

3.2.2 滞环Relay参数模块

滞环Relay参数模块(以Relay3为例)，设置阈值上限Switch on point和阈值下限Switch off point分别为0、1，阈值上限输出值output when on设置为0，阈值下限输出值output when off设置为1。Relay1、Relay3、Relay5参数设置和Relay4、Relay6、Relay2逻辑比较结果相反。

3.2.3 其他模块说明

图5控制系统中，Gain增益模块设置为-1，进行指令电流和测量电流比较。

3.3 仿真分析

仿真采用变步长ode23tb算法，由示波器SCOPE模块读出主电路各波形，如图6所示。

图6 滞环电流控制仿真波形图

图中：Vc为调制信号三角载波波形；VAN为U相负载的电压信号波形；iA为U相负载的电流信号波形；VG1、VG3、VG5为上桥臂的IGBT1、IGBT3、IGBT5模块的控制信号波形；VAB为U、V相间电压信号波形。为便于比较，将SPWM控制中的Vc信号列于图6。由图6可见，通过指令电流和实际电流的比较，滞环比较Relay模块输出的控制信号轮流对六个IGBT模块进行控制，在三相交流侧负载上得到了正负交替的PWM电压波形VAN。同时，阻感性负载得到了近似为正弦波的负载电流iA，其电流大小接近指令电流。

4 结语

本文基于Matlab/Simulink，使用SPWM载波方法和滞环电流控制方法研制了三相逆变电路仿真模型，仿真结果表明了该模块的可行性，在三相交流负载侧能够得到有效的PWM电压波形和近似于正弦波的电流波形，为后续研究工作打下了基础。

[1]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].5版.北京:机械工业出版社,2013：164-179.

[2]陈坚.柔性电力系统中的电力电子技术：电力电子技术在电力系统中的应用[M].北京：机械工业出版社,2012：78-88.

[3]于群，曹娜.Matalb/Simulink电力系统建模与仿真[M].北京:机械工业出版社,2010：213-234.

责任编辑：杨子立

Simulation of Three Phase Inverter Circuit Based on PWM Control

CHAI Jimin1,2，XIAO Jin1，GUO Jianjiang1

(1.School of Electrical and Photoelectronic Engineering,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213032; 2.College of Energy and Electrical Engineering，Hohai University，Nanjing 210098)

Pulse-width modulation(PWM) control is a commonly used control method for an inverter circuit.Under the guidance of PWM control technology,a three phase inverter circuit simulation model based on Matlab/Simulink was proposed on the basis of sinusoidal pulse-width modulation (SPWM) carrier modulation control technique and current hysteresis control technique.The simulation results proved the feasibility of the model.

inverter circuit;sinusoidal pulse-width modulation;hysteresis control

10．3969/j．issn．1671⁃0436．2016．06．009

2016-10-25

常州工学院科研基金项目(YN1409)；常州工学院教学建设项目(A3-4403-16-038)

柴济民(1983— )，男，硕士,讲师

TM734

A

1671- 0436(2016)06- 0038- 04