基于PWM控制的三相逆變電路仿真研究

柴濟(jì)民，肖進(jìn)，郭建江

(1.常州工學(xué)院電氣與光電工程學(xué)院，江蘇常州213032；2.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京210098)

基于PWM控制的三相逆變電路仿真研究

柴濟(jì)民1，2，肖進(jìn)1，郭建江1

(1.常州工學(xué)院電氣與光電工程學(xué)院，江蘇常州213032；2.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京210098)

PWM控制技術(shù)是逆變電路常用的控制方式。利用PWM控制技術(shù)，在Matlab/Simulink平臺(tái)上建立了基于SPWM載波調(diào)制技術(shù)和滯環(huán)電流控制技術(shù)的三相逆變電路仿真模型，仿真結(jié)果表明了模型的可行性。

逆變電路；SPWM；滯環(huán)控制

逆變電路是電力電子變流技術(shù)核心電路之一，在工業(yè)控制、柔性電力技術(shù)和光伏風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。大多數(shù)逆變電路采用PWM控制技術(shù)，對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，常用控制方法有計(jì)算法、調(diào)制法和跟蹤調(diào)制法三類[1-2]。本文采用調(diào)制法和電流跟蹤法，通過Matlab/Si-mulink搭建三相逆變電路仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)PWM控制，為后續(xù)的研究工作打下基礎(chǔ)。

1 三相逆變電路建模

1.1 主電路模型

三相逆變主電路模型如圖1。直流電源電壓為200 V，IGBT與二極管并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)模塊，三相負(fù)載為阻感負(fù)載，直流側(cè)用兩個(gè)電容等效。其中，IGBT1、IGBT3和IGBT5模塊構(gòu)成上橋臂，IGBT4、IGBT6和IGBT2模塊構(gòu)成下橋臂。

1.2 參數(shù)設(shè)置

電阻負(fù)載為1 Ω，電感負(fù)載5 mH，C1和C2為兩個(gè)等效電容，大小均為1 F?？紤]Matlab仿真數(shù)值穩(wěn)定性，每個(gè)電容串聯(lián)一個(gè)小電阻(采用1 μΩ模擬)。六個(gè)IGBT和二極管的設(shè)置參數(shù)均采用Matlab/Simulink默認(rèn)參數(shù)。模型中使用萬(wàn)用表模塊Multimeter來(lái)測(cè)量三相負(fù)載端U、V、W上的電流和電壓。

圖1 三相逆變主電路仿真模型

2 SPWM正弦調(diào)制法建模

2.1 控制方法基本原理

如圖2控制模塊系統(tǒng)所示，調(diào)制信號(hào)為三相正弦波UrU、UrV、UrW(三相正弦波相位相差120°)，載波信號(hào)采用Vc三角波。

當(dāng)UrU、UrV、UrW大于Vc信號(hào)時(shí)，產(chǎn)生逆變電路上橋臂的控制信號(hào)VG1、VG3、VG5來(lái)導(dǎo)通IGBT1、IGBT3、IGBT5模塊。

同樣，當(dāng)UrU、UrV、UrW小于Vc信號(hào)時(shí)，產(chǎn)生逆變電路下橋臂的控制信號(hào)VG4、VG6、VG2來(lái)導(dǎo)通IGBT4、IGBT6、IGBT2模塊。

圖2 SPWM正弦調(diào)制控制模塊

2.2 仿真參數(shù)說(shuō)明

2.2.1 三角波參數(shù)模塊

三角波由Repeating Sequence模塊進(jìn)行數(shù)字?jǐn)M合產(chǎn)生[3]。其時(shí)間設(shè)置序列為[00.01/6 0.01/30.0050.02/30.05/60.010.07/6 0.04/30.0150.05/30.11/60.02]，輸出序列為[0-1.501.50-1.501.50-1.5 01.50]。擬合產(chǎn)生的三角波如圖3所示。

圖3 三角波波形圖

2.2.2 正弦波參數(shù)模塊

正弦波參數(shù)模塊采Sine Wave模塊，以UrU為例，具體設(shè)置幅值為1，頻率為50 Hz，相角為0°。

由以上三角波和正弦波的設(shè)置可以看到，該

PWM控制的載波比N=fc/fr=3，調(diào)制比M=Vrm/Vcm=0.667。

2.2.3 其他模塊說(shuō)明

圖2控制系統(tǒng)設(shè)置中，Gain DELTA為增益模塊(設(shè)置為1)，Relational Operator為比較器，Data Type Conversion為數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換模塊，將比較器比較結(jié)果由邏輯結(jié)果轉(zhuǎn)換為電平型double的信號(hào)格式來(lái)觸發(fā)IGBT模塊。

2.3 仿真分析

仿真采用變步長(zhǎng)ode23tb算法，通過示波器SCOPE模塊讀出主電路各個(gè)波形，如圖4。圖中：

圖4 SPWM控制法仿真波形圖

Vc為調(diào)制信號(hào)三角載波波形；

VAN為U相負(fù)載的電壓信號(hào)波形；

iA為U相負(fù)載的電流信號(hào)波形；

VG1、VG3、VG5為上橋臂的IGBT1、IGBT3、IGBT5模塊的控制信號(hào)波形；

VAB為U、V相間電壓信號(hào)波形。

從圖4波形中可以看到，通過調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)的對(duì)比，輪流觸發(fā)三相逆變電路的各個(gè)IGBT模塊，在交流側(cè)負(fù)載上得到了交替的PWM電壓波形VAN。阻感負(fù)載上的電流iA，近似呈現(xiàn)出正弦波。

3 滯環(huán)電流控制建模

3.1 控制方法基本原理

如圖5控制模塊所示，三相指令電流為正弦波iU、iV、iW(相位相差120°)。

萬(wàn)用表模塊Multimeter1測(cè)量圖1主電路U、V、W各相的實(shí)際電流iA、iB、iC。

圖5 滯環(huán)電流控制模塊

指令電流和實(shí)際測(cè)量電流比較，經(jīng)滯環(huán)比較器Relay模塊，產(chǎn)生逆變電路上橋臂的控制信號(hào)VG1、VG3、VG5來(lái)控制IGBT1、IGBT3、IGBT5模塊。產(chǎn)生逆變電路下橋臂的控制信號(hào)VG4、VG6、VG2來(lái)控制IGBT4、IGBT6、IGBT2模塊。

以IGBT1和IGBT4構(gòu)成的橋臂為例，具體導(dǎo)通關(guān)斷邏輯為：當(dāng)iU-iA>ΔI時(shí)，VG1為導(dǎo)通，VG4為關(guān)斷；iU-iA<ΔI時(shí)，VG1為關(guān)斷，VG4為導(dǎo)通。

3.2 仿真模塊說(shuō)明

3.2.1 Multimeter1模塊

Multimeter1模塊測(cè)量主電路電流波形。指令電流以U相為例，設(shè)置幅值為20 A，頻率為50 Hz，相角為0°。

3.2.2 滯環(huán)Relay參數(shù)模塊

滯環(huán)Relay參數(shù)模塊(以Relay3為例)，設(shè)置閾值上限Switch on point和閾值下限Switch off point分別為0、1，閾值上限輸出值output when on設(shè)置為0，閾值下限輸出值output when off設(shè)置為1。Relay1、Relay3、Relay5參數(shù)設(shè)置和Relay4、Relay6、Relay2邏輯比較結(jié)果相反。

3.2.3 其他模塊說(shuō)明

圖5控制系統(tǒng)中，Gain增益模塊設(shè)置為-1，進(jìn)行指令電流和測(cè)量電流比較。

3.3 仿真分析

仿真采用變步長(zhǎng)ode23tb算法，由示波器SCOPE模塊讀出主電路各波形，如圖6所示。

圖6 滯環(huán)電流控制仿真波形圖

圖中：Vc為調(diào)制信號(hào)三角載波波形；VAN為U相負(fù)載的電壓信號(hào)波形；iA為U相負(fù)載的電流信號(hào)波形；VG1、VG3、VG5為上橋臂的IGBT1、IGBT3、IGBT5模塊的控制信號(hào)波形；VAB為U、V相間電壓信號(hào)波形。為便于比較，將SPWM控制中的Vc信號(hào)列于圖6。由圖6可見，通過指令電流和實(shí)際電流的比較，滯環(huán)比較Relay模塊輸出的控制信號(hào)輪流對(duì)六個(gè)IGBT模塊進(jìn)行控制，在三相交流側(cè)負(fù)載上得到了正負(fù)交替的PWM電壓波形VAN。同時(shí)，阻感性負(fù)載得到了近似為正弦波的負(fù)載電流iA，其電流大小接近指令電流。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于Matlab/Simulink，使用SPWM載波方法和滯環(huán)電流控制方法研制了三相逆變電路仿真模型，仿真結(jié)果表明了該模塊的可行性，在三相交流負(fù)載側(cè)能夠得到有效的PWM電壓波形和近似于正弦波的電流波形，為后續(xù)研究工作打下了基礎(chǔ)。

[1]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].5版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013：164-179.

[2]陳堅(jiān).柔性電力系統(tǒng)中的電力電子技術(shù)：電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2012：78-88.

[3]于群，曹娜.Matalb/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010：213-234.

責(zé)任編輯：楊子立

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

常州工學(xué)院科研基金項(xiàng)目(YN1409)；常州工學(xué)院教學(xué)建設(shè)項(xiàng)目(A3-4403-16-038)

柴濟(jì)民(1983— )，男，碩士,講師

TM734

A

1671- 0436(2016)06- 0038- 04