级联型大功率逆变电路控制系统建模与仿真

张 蕾 赵 玺 任 重

（第713研究所，郑州 450015）

1 引言

随着电气传动技术的发展，它在军事领域中的作用越来越重大。在航空、航天、航海领域中，电动机转速调节都拥有着不可替代的地位。而在电动机转速调节中，通过连续改变供电电源频率，从而连续平滑的改变电动机速度的变频调速优于其它任何一种交流调速方式。有电动机的地方几乎就有变频器，在一切需要进行速度控制的场合，变频器以其操作方便、控制性能高而获得广泛应用。

2 变频器基本结构

变频器结构图如图1所示，主要分为整流电路、滤波电路、逆变电路以及制动电路4个部分。

图1 变频器组成结构示意图

本论文主要以某舰船设备为背景研究大功率变频器逆变电路，根据具体项目需要在逆变电路结构上选择多电平H桥，两级级联形式，结构如图2所示。

图2 逆变电路结构示意图

从图2可以看出，级联形的特点是每相逆变电路都由两个H桥单元相串联，每个H桥单元都有独立的直流电压源，通过串联的方法，实现系统高电压的输出。在整个变频器系统中考虑采用功率单元串联的形式，因此不存在元件之间的动态和静态均压问题，并且该方案设计的变频器具有模块化的结构，便于更换和维护。它的一般结构是由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦波输出电压。这种变换器由于输出电压电平数的增加，使得输出波形具有更好的谐波频谱，每个开关器件所承受的电压应力较小，无需均压电路，开关损耗小，du/dt较小对电机绝缘十分有利。

3 逆变电路控制系统建模与仿真

逆变器控制系统结构图如图3所示，系统主要分为矢量控制模块、PWM模块、逆变器模块以及负载模块四部分。矢量控制是控制方法，在建模中可以通过数学方法实现；而负载模块在没有具体研究对象的情况下可以近似考虑为一个电阻，所以要对逆变器控制系统建模主要对PWM生成模块、以及逆变器单元建模进行研究。

图3 控制系统结构图

3.1 PWM模块建模

正弦脉宽调制(SPWM)的基本原理是将参考波和载波进行比较，并根据二者比较的结果确定逆变器桥臂的开关状态。通常选择载波为三角波，根据载波与调制波的相交点作为开关状态切换的依据。当PWM应用于大功率场合时，需要对多个功率单元进行控制，可以通过载波的移相或移幅来满足产生多路开关信号的需要。对于两相极联的系统，可以采用如下图a、b所示的调制方案对逆变器的一相产生两组独立的驱动信号。

图4 SPWM大功率场合方案

根据图 4，比较移相载波调制和移幅载波调制各自特点以及实现方式，考虑程序的可实现性，选择采用移相载波调制方法。

实现 PWM模块主要是实现指定频率的三角载波和完成三角波和采样正弦值的比较。在仿真时可使用Matlab/Simulink中sine_wave模块生成指定频率、幅值、相位的正弦波。在生成三角载波方面考虑到大功率条件下载波的频率很高，如果直接采用三角波生成模块可能会导致波形变形，影响实验结果。所以采用编程法同时实现三角波的生成以及载波和正弦波的比较，再通过Simulink中的s-function模块调用程序来达到实验目的。程序流程图如图5所示。

图5 PWM程序流程图

3.2 变频器建模与仿真

变频器模型除了包括PWM生成模块还包括H桥组件，H桥中所包含的功率开关元器件以及各元器件所需的直流电源都可以通过直接使用 Simulink中的仿真模块来实现。两相极联逆变器电路仿真模型如图6所示。

仿真试验中首先假设取电源电压为 100，三角载波频率为50Hz，三相电压仿真曲线如图7所示。

图6 变频器仿真模型

从图7可以看出，在控制中，各相输出电压通过功率单元两极极联的逆变器，输出相位各相差120度且幅值为200的电压正弦波形，各项指标都基本达到实验要求，验证了逆变器模型以及PWM生成模块的正确性。可以应用于后期整个控制电路模型中。

图7 三相电压仿真曲线

4 结论

随着现代科技的不断进步，变频器在工业自动化领域发挥着越来越重要的作用，对于大功率变频器的需求也更加的迫切，随着变频器功率的不断增加，对逆变电路控制系统的要求也越来越高，级联作为一种逆变电路形式，由于其自身特点，在大功率变频器研究领域具有很大的潜力，在对逆变器控制系统的研究中，为了最大程度的节约成本，提高实际试验的可靠性，仿真成为一种必不可少的研究阶段。

Matlab/Simulink因其操作简单、适用面广等特点成为主要的仿真平台之一，但其中很多模块在一定的试验条件下都存在着局限性，在这种情况下可

以考虑使用编程的方法来弥补模块的不足，使仿真试验能够最大程度的反应实际试验的结果。编程还有利于后期在实际工程实践中，将程序写入DSP芯片，增加了程序的可移植性。

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