基于SPWM控制的航空静止变流器仿真分析

战祥新，郝世勇，张溪

(1.海军航空大学青岛校区，山东青岛，266041；2.95866部队，河北保定，071051)

0 引言

随着现代电力电子技术和控制理论的发展，航空静止变流器由于其工作效率高、可靠性高、体积小、重量轻等优点，已逐渐取代传统的变流机成为现代飞机上的重要电源设备。其功能是将机上低压直流电转变为交流电，满足飞机应急状态下的交流用电需求，是飞机供电系统的最后一道“屏障”。

正弦脉宽调制方法（sinusoidal pulse width modulation）控制是现代航空静止变流器应用较多的一种电压控制方式[1]。SPWM技术是在相等的时间内控制脉冲输入的面积与正弦波的面积相等，从而将正弦波等效为脉冲波形，在输出谐波方面较PWM调制法来说只存在开关频率的谐波以及期望正弦波频率的谐波，从而输出再经过LC电路的高频滤波后能够更好的得到期望输出的正弦波形。相对PWM调制，SPWM调制能够更加简单、稳定地得到期望的交流电压波形，因此SPWM调制相对于前者来说更容易被大众接受，更容易保证系统的稳定性，因而其普及率更高。本文通过分析静止变流器的组成、工作原理及数学模型，建立了Matlab环境下的仿真模型，并对SPWM控制的全桥逆变器进行了仿真验证。

1 单相静止变流器模块化组成以及工作原理

图1 航空静止变流器结构图

图中U1为静止变流器的输入电压。经过PWM控制来控制功率开关元件的导通与关断，从而将输出电压转化为方波。也就是脉宽调制电压Um再经过放大以及滤波电路转化为期望的正弦波，并且通过反馈控制电路控制PWM波形，以得到期望的正弦波。

2 静变器数学模型的建立

变流器各个组成电路都有其各自独立的作用，放大电路是将逆变输出进行放大，滤波电路是将高次谐波滤除等，各个模块最终组合起来达到的最终目的是将输入直流电转变为输出交流电。控制电路采用闭环反馈自动控制的相应原理，因而可以利用自动控制的基本原理建立数学模型。

2.1 逆变电路的数学模型

实际航空电源系统中，电网电压频率一般较低（交流电标准频率为400Hz），而静止变流器逆变回路中功率开关器件开关频率高。在这种情况下，可以使用状态空间平均法，进行线性化，将传递函数简化。在功率器件导通或者关断时，用平均值来取代瞬时值，误差也相对较小。在此基础上，再利用小信号分析法，可以进行频域的进一步分析。

在SPWM输出脉冲宽度与参考正弦波幅值成正比，开关函数s近似表示为：

从而当调制频率远大于输出电压频率可以近似等效为一个线性放大环节，因此可以得到逆变电路的数学模型。

图2 逆变电路数学模型

2.2 滤波电路的数学模型

静变器的低次谐波分量在采用SPWM控制时已经基本滤除。滤波电路需要完成的目标是将剩余的高次谐波进行滤除。因此滤波电路多采用二阶LC低通滤波器。

图3 滤波电路数学模型图

2.3 放大电路的数学模型

放大电路的作用是将电压进行放大或者进行相应缩小，所以可以将其等效为一个简单的比例放大环节。

2.4 整体模型的建立

通过对逆变回路、滤波回路、放大回路的仿真模型的建立，再加上对其各个回路工作原理以及结构的简要分析，以及其各个部分数学模型的建立，可以得到静止变流器的整体数学模型，如图4所示。图中可以清晰得出输入为直流稳压电源电压，反馈部分为输出交流电电压的比例环节，再与输入基准正弦波进行相应的运算达到控制效果。

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图4 静止变流器整体数学模型图

3 基于Simulink的静变器仿真模型的建立

通过对静止变流器各独立模块的原理分析以及针对各模块的工作过程,利用MATLAB/SIMULINK仿真软件建立仿真模型。

3.1 逆变回路仿真模型的建立

式中s*为开关函数，令d= 2s*−1

当采用半桥逆变电路时取1号MOSFET导通时，d=1；当MOSFET2导通时取d=0。

当采用全桥逆变电路时取1号MOSFET和4号MOSFET同时导通时，d=1；当MOSFET2与MOSFET3同时导通时取d=0。

图5 逆变电路模型

3.2 静止变流器整体仿真模型

依据滤波电路、控制电路的数学模型，将各环节的封装模型按电路逻辑关系连接，各环节加上相应的示波器，建立静变器的整体仿真模型如图6所示。

图6 静止变流器整体仿真模型

4 基于SPWM控制的全桥逆变的仿真验证

静止变流器中全桥逆变电路MOSFET的G极可调脉冲宽度信号也是SPWM信号，其中SPWM控制信号由三角载波与期望的正弦波进行逻辑运算得到，并且脉冲波分别控制两组MOSFET的导通与关断，两边交替导通。通过全桥逆变电路输出脉冲宽度波形，再经过电感电容的滤波电路，输出调制出的正弦波。

针对变流器实际使用中的开关元件存在故障情况（比如场效应管等）进行故障模拟，可以在静止变流器故障时快速找出故障根源。

输入直流电压，全桥逆变正常输出为正弦交流电。当1号MOSFET或者2号MOSFET管短路时，逆变器输出波形如图7所示。

图7 1号（或2号）MOSFET管短路时输出交流电波形

可见输出仍为正弦波，但幅值不变，整体向下移动了。

当1号MOSFET或者3号MOSFET断路时，逆变器输出波形如图8所示。

图8 1号(或3)号MOSFET断路时输出交流电波形

谐波分量明显增加，输出电压幅值也瞬间减小。

当1号MOSFET和4号MOSFFET同时断路时，输出为谐波含量较高的正弦波，如图9所示。

图9 1号和4号MOSFFET同时断路时输出交流电波形

可见利用仿真电路图，可以比较容易的得出逆变器输出波形的变化，从而判断出电路的故障点。

当1号和3号MOSFET同时断路或短路时输出电压的幅值为0；当1号和2号MOSFET同时同时断路或短路时，输出电压的幅值也为0。

5 结束语

通过分析静止变流器的构成，根据其原理框图建立了分块化的数学模型，接着利用SIMULINK仿真软件建立了相应的数学仿真模型。通过对仿真模型中相应参数的调整，可以实现对实际电路由于输入参数或器件变化引起的输出结果改变的仿真。同时，通过输出波形的变化，可以根据仿真结果判断故障点，对于变流器的研究改进和故障模拟提供了一种思路。