基于Ｍａｔｌａｂ、Ｓｉｍｕｌｉｎｋ環(huán)境下雙ＰＷＭ三相變流器仿真研究

【摘 要】 利用雙PWM設(shè)計一個AC/DC/AC變流系統(tǒng)，給出設(shè)計的基本原理和技術(shù)參數(shù)要求，并以此建立Matlab\\Simulink仿真模型，從空載到滿載進(jìn)行實驗研究。仿真結(jié)果表明，設(shè)計的變流系統(tǒng)具有良好的電壓、電流穩(wěn)定性和抗干擾性，電壓、電流畸變率能夠滿足變流系統(tǒng)并網(wǎng)的技術(shù)要求，可以大大提高實際變流系統(tǒng)的設(shè)計分析能力。

【關(guān)鍵詞】 PWM變流器Simulink 仿真

0 引言

電力電子技術(shù)是20世紀(jì)后半葉誕生與發(fā)展的一門嶄新技術(shù)。特別是隨著高電壓、大電流、大功率器件的應(yīng)用與發(fā)展，比如GTO、GTR、IGBT等器件的相繼問世，使得電力電子應(yīng)用技術(shù)和控制策略不斷革新并日趨成熟，形成了全控型、高頻化的現(xiàn)代電力電子應(yīng)用技術(shù)。目前，現(xiàn)代電力電子技術(shù)已廣泛應(yīng)用于自動化、電氣工程等系統(tǒng)控制之中，不但對提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性發(fā)揮著重要作用，而且在經(jīng)濟(jì)效益方面也帶來巨大的收獲。

SPWM正弦脈寬調(diào)制技術(shù)已成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于電力變流系統(tǒng)之中，實現(xiàn)的根本任務(wù)就是整流與逆變，即實現(xiàn)交流AC與直流DC之間的轉(zhuǎn)換。由于此系統(tǒng)應(yīng)用范圍越來越廣，所以，研究這種變流系統(tǒng)顯得尤為重要。MATLAB軟件是一種用于科學(xué)工程的高級語言，也是當(dāng)今控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真中重要的工具軟件，MATLAB提供的仿真工具箱SIMULINK是一個功能十分強(qiáng)大的仿真軟件，可以根據(jù)用戶的需要方便地為系統(tǒng)建立模型，并且十分直觀，仿真精度高，結(jié)果準(zhǔn)確。

1 設(shè)計基本原理

圖1為三相PWM交—直—交變流系統(tǒng)設(shè)計原理結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)輸入端采用SPWM整流器整流，將輸入的三相高頻交流電進(jìn)行整流，中間環(huán)節(jié)并聯(lián)大電容器進(jìn)行濾波，輸出直流電，然后經(jīng)SPWM逆變器逆變并用三相無源濾波器濾波，得到所要求的三相交流50Hz工頻電源。

2 設(shè)計技術(shù)參數(shù)及要求

輸入三相電壓:500V輸入頻率:1000Hz

輸出三相電壓:400V輸出頻率:50Hz

額定輸出功率:50kW

空載到滿載要求:輸出電壓變化率<2.5%;頻率變化率<0.5%;電壓電流畸變率<5%。

3 系統(tǒng)仿真設(shè)計

系統(tǒng)仿真設(shè)計參數(shù)選擇:

(1) 圖3為系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖。其中，整流和逆變SPWM模塊均采用SIMULINK工具箱中的通用橋模塊，整流PWM模塊采取內(nèi)調(diào)制波生成，載波為三角波，頻率設(shè)定為1000Hz，輸出電壓頻率設(shè)定為1000Hz;逆變PWM模塊也采取內(nèi)調(diào)制波生成，載波頻率設(shè)定為2000Hz，輸出電壓頻率設(shè)定為50Hz;調(diào)制幅值均設(shè)定為0.8;整流濾波電容器C選取為1.5F;負(fù)載采用0～50kW三相并聯(lián)RLC負(fù)載。

(2) 圖2為逆變器輸出三相無源濾波器結(jié)構(gòu)圖。其中，三相電感L串聯(lián)接入電路中，取值為2mH;三相電容C并聯(lián)接入電路，公共端接地，取值為0.03F。

4 系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

圖3為雙PWM三相交—直—交系統(tǒng)變流仿真結(jié)構(gòu)圖。圖3中Vim和Vim1為電壓電流測量模塊，通過示波器可以實時檢測出輸入輸出的電壓和電流;Thd和Thd1為電流和電壓畸變率測量模塊，可以實時監(jiān)測電壓和電流的變化，以便參數(shù)設(shè)計符合實際要求;V4為整流濾波后輸出電壓測量模塊，Vab為逆變器輸出電壓測量模塊;LC Filter為三相無源濾波器模塊。

5 空載運行時仿真結(jié)果

圖4～圖9所示波形是在空載時應(yīng)用上述變流控制系統(tǒng)仿真后得到的仿真結(jié)果。圖4所示是輸入的電壓電流波形，可以看到，電壓符合給定的要求，即三相正弦波電壓，幅值為500V，頻率為1000Hz。圖6和圖8所示分別是三相輸入電流和輸出電壓波形畸變率。圖5所示是PWM整流器整流后經(jīng)大電容器C濾波后得到的直流電壓波形，直流電壓大小為400V左右，當(dāng)電容器電容值選取恰當(dāng)時，輸出直流電壓跟蹤輸入交流電壓變化速度非?？欤ㄐ螏缀醭室粭l水平直線;當(dāng)逐漸增大電容時，由于電容沖放電時間變長，波形變化比較緩慢，仿真速度較慢，時間較長，波形呈斜線上升趨勢;當(dāng)逐漸減小電容時，仿真速度較快，波形不平滑，使逆變器輸出波形產(chǎn)生畸變。

所以，選擇濾波電容器的電容大小是個關(guān)鍵，經(jīng)反復(fù)調(diào)整，仿真運行，根據(jù)輸出電壓波形選擇電容器值大小為1.5F，得到如圖5所示直流電壓波形和圖7所示逆變器輸出電壓波形，從波形上看是非常理想的。逆變器輸出電壓主要受其輸入的直流電壓幅值和波形影響，如果整流電壓波形不平滑，幅值振幅較大，則逆變器的輸出波形便不是矩形波，逆變器波形越接近矩形波，則經(jīng)過三相無源濾波器濾波后，逆變器輸出波形越接近正弦波。圖9所示是空載時輸出端的三相電壓和三相電流波形。其中，V2abc是輸出三相電壓波形，Vac load為A、C相空載線電壓的波形，大小為400V，頻率為50Hz，電流波形顯示為零。

6滿載運行時仿真結(jié)果

圖10～圖15所示為滿載變流控制系統(tǒng)仿真結(jié)果圖。圖10為三相輸入電壓和輸入電流波形，可以看出，電壓波形仍然是三相正弦波，大小為500V，頻率為1000Hz。圖12和圖14所示為輸入電流和輸出電壓的畸變率波形。圖11和圖13為整流直流輸出電壓和逆變器輸出電壓波形，電壓波形不受負(fù)載的大小影響，只與輸入電壓、電流和濾波電容器有關(guān)。圖15所示為滿載時三相輸出電壓、電流波形及負(fù)載端電壓波形。從圖15中可以看出，三相電壓滿載時波形比空載時要好，接近正弦波形，三相輸出電流的波形也較好，大小50A左右。Vac load為滿載時A、C相線電壓波形，呈正弦波形變化，大小與空載時線電壓相同，為400V，頻率為50Hz。

7 結(jié)束語

從上述設(shè)計的變流系統(tǒng)仿真過程可以看出，利用Matlab/Simulink對系統(tǒng)建模及仿真具有較高的真實性和可信度，對實際系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計、選擇是一個非常好的仿真工具，設(shè)計人員不需要進(jìn)行編程，也無需進(jìn)行電路分析、計算，更不需要研究設(shè)計系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型等等，就可以很快得到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。特別值得一提的是通過對系統(tǒng)仿真，可以實時地觀測到仿真結(jié)果，通過對各種仿真結(jié)果的分析將可以有目的地對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)或設(shè)計有關(guān)參數(shù)，使系統(tǒng)達(dá)到實際要求的結(jié)果和性能，大大地加快了實際系統(tǒng)的分析和設(shè)計過程，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的各種需要。