电流跟踪型逆变器的设计与仿真.docx

浙江大学远程教育学院本科生毕业论文（设计）题 目 电流跟踪型逆变器的设计与仿真 专 业 05秋电气工程与自动化（专本） 学习中心 洛阳 姓 名 成春应 学 号 D20505320008指导教师 陈友荣 2007 年 12 月 8 日电流跟踪型逆变器的设计与仿真摘要随着电力电子的蓬勃发展和迅速换代促进了交流电动机变流（频）供电技术的迅 速发展和变流（频）装置的现代化，其中逆变技术的发展是其中具有代表性的一个分 支，具有很重要的研究价值电流控制电压型逆变器（Current-controlled PWM），简 称CC-PWM，是一种电压型逆变器的直接电流控制方法，即：通过电流的闭环控制实现 逆变器负载电流的准确、及时跟踪在CC-PWM电流控制方案中，滞环电流控制是应 用得最经常、最广泛的一种控制方法本文对滞环电流控制的电流跟踪型逆变器进行了原理 的分析，并且利用 Matlab/Simulink动态仿真工具对其系统进行了动态的仿真，验证了其原理的正确性和 可行性，证明了滞环电流控制具有输出电流正弦，具有鲁棒性好和动态性能好的突出 优点关键词：逆变器 电流控制 滞环电流 仿真目录一概述 1（一） 逆变器的研究现状 1（二） 电流跟踪控制方式研究现状 11 .滞环电流控制 22. 线性电流控制 2二电流跟踪控制方式原理分析 2（一）电流跟踪控制的基本原理 2（二）其他电流追踪控制方法 3三系统的仿真模型设计 4（一） Matlab/Simulink 工具简介 4（二） 系统模型的搭建 41. 单相电流跟踪型逆变器 52. 三相电流跟踪型逆变器 5四仿真结果的分析 6（一） 单相逆变器仿真结果 6（二） 三相逆变器仿真结果 7五毕业设计小结 8六致谢 8参考文献 9电流跟踪型逆变器的设计与仿真一概述(一) 逆变器的研究现状直流调速在上世纪80年代以前一直占据主要地位。

但是，由于直流电动机本身存 在有机械式换向器和电刷的弱点，给直流调速系统的开发和应用带来了一系列限制， 从而让人们把目光集中在了交流电动机上交流电动机，特别是鼠笼型异步电动机，具有结构简单、制造容易、价格便宜、 坚固耐用、惯量小、运行可靠、很少维修、使用环境及结构发展不受限制等优点与 直流电动机相比，单机功率比直流机高的多，电压容易做成6000-10000V，还能实现 高速拖动但早期只有一些调速性能差、低效耗能的调速方法，如：绕线式异步电动 机及机组式串级调速方法；鼠笼式异步电动机定子调压调速及后来的电磁(滑差离合 器)调速方法随着电力电子的蓬勃发展和迅速换代促进了交流电动机变流(频)供电技 术的迅速发展和变流(频)装置的现代化其中逆变技术的发展是其中具有代表性的一个分支脉宽调制(PWM)技术首先是 通信系统调制技术，后来应用到逆变技术中的其发展过程是：1963年，F.GTurnbull 提出了消除特定谐波法；1964年，A.Schnoung和H.StemmleSg通讯系统的调制技术应 用到交流传动逆变器中，产生了正弦脉宽调制技术(SPWM)，后由英国Bristol大学的 S.R.Bowes于1975年进行了推广和应用，使SPWM调制技术成为广泛注意的热点。

后 来，Bowes又相继提出了全数字化SPWM方案，规则采样数字化方案及准优化PWM 技术(SuboptimalPWM)，以提高直流电压利用率1983年，J.Holtz等又提出了空间相 量PWM技术，该技术从用于异步电动机的角度出发，直接采用以电动机磁链圆形轨 迹为目的的控制方法，因而使用起来更直观，更方便此外，1980年A.B.Plunke^出 的电流滞环比较PWM技术，以及在此基础上发展起来的全数字化无差拍控(Dead-beat Control) PWM技术，都具有实现简单的特点为消除噪声，1993-1994年， A.M.Trzynadlowsky和V GAgelidis等提出了随机PWM法，它是从改变谐波的频谱分 布入手，使谐波频谱均匀分布在较宽的频带范围内，以达到抑制噪声和机械共振的目 的PWM的发展和应用优化了变频装置的性能，可以使用于各类交流调速系统，在当 今逆变领域中占据了绝对的主导地位PWM控制技术种类很多，并且正在不断发展之中基本上可以分为四类，即等 宽PWM法、正弦PWM法(SPWM)、磁链追踪型PWM法和电流跟踪型PWM法PWM 技术的应用克服了相控原理的所有弊端，使交流电动机定子得到了接近正弦的电压和 电流，从而提高了电机的功率因数和输出效率。

二) 电流跟踪控制方式研究现状三相电压型PWM变换器结构(VS-PWM )被广泛地应用于交流调速系统、高功率因 数的AC/DC、有源滤波、不间断电源UPS、交流灵活输电系统(FACTS)等工业实际之 中通常，电压型变换器系统的电流控制是十分重要的，它将直接影响设计系统的各 项性能指标电流控制电压型逆变器(Current-controlled PWM)，简称CC-PWM，是一种 电压型逆变器的直接电流控制方法，艮即通过电流的闭环控制实现逆变器负载电流的 准确、及时跟踪因而，与开环PWM控制系统不同，整个PWM逆变器控制系统构成 了一个闭环控制系统CC-PWM变换器通常具有以下的一些优点：•能使负载端的实际电流得到高精度的瞬时电流波形控制•能对负载进行峰值电流保护•具有过负载抑制能力•系统具有快速的动态响应•可补偿由于负载参数变化而产生的影响•可补偿半导体器件电压降和变换器的死区时间•可补偿由于直流环节和交流环节电压变化而产生的影响1. 滞环电流控制在CC-PWM电流控制方案中，滞环电流控制是应用得最经常、最广泛的一种控制 方法这是一种非线性、闭环电流控制方法这一方法通常又分为了恒定滞环宽度法 和同步开关法两大类。

在恒定滞环宽度法中逆变器的开关器件的开关频率不固定，但 它能够实现负载电流的实时、准确跟踪；而同步开关法则能保证开关频率固定，但电 流误差不能被严格地控制在滞环环宽内，有时甚至达到两倍环宽宽度处在CC-PWM 逆变器的众多电流控制策略中，和其它电流控制方法相比，滞环电流控制具有以下的 一些突出优点，如：实现简单、对负载参数变化不敏感，电流跟踪误差小等，同时， 滞环电流控制也存在着开关频率过高、频率不稳定的问题由于人们普遍看中了滞环 电流控制的鲁棒性好和动态性能好的优点，不断在寻求改进其缺点的方法，通过不断 的努力，提出了多种改进方案2. 线性电流控制CC-PWM电流控制器需要完成的两大任务是电流误差补偿和PAM调制，电流误 差补偿就是要尽可能减小三相电流的误差，而PAM调制就是要决定逆变器的开关状 态和CC-PWM的其它电流控制方法相比，线性电流控制的最大优点就是可以将上 述的两大任务分开进行处理、分开调试常见的线性电流控制器结构中，通常采用的 是用PI控制器进行电流误差的补偿，得到参考的输出电压，然后再进行PWM调制3. 智能电流控制随着智能自动化技术的发展，专家系统、模糊逻辑、神经网络、模式识别、遗传 算法和小波分析等人工智能技术得到了前所未有的巨大发展，它们也应用到CC-PWM 的控制技术中了，设计了许多控制器结构。

二电流跟踪控制方式原理分析在感应电动机变频调速过程中，按照所控制的物理量不同，可有三种控制方式： 1、恒磁通控制方式，这种方法一般在基频以下调速时采用；2、恒电压控制方式，这 种方法一般在基频以上调速时采用；3、恒电流控制方式，这种方法在调速中保持定 子电流恒定当电流设定值给定后，通过电流闭环控制，可以保持感应电动机定子电 流不变而电流滞环跟踪控制就是恒流控制中应用比较广泛的一种一）电流跟踪控制的基本原理电流滞环跟踪控制在交流调速系统中得到越来越多的应用，它的控制原理如图1所示 通常是由微机或模拟电路产生给定正弦波信号，将它与实际检测到的电动机电流信号 进行比较，再经滞环比较器输出PWM信号控制相应开关器件的导通或关断，则实际 电流以锯齿状跟踪给定电流，同时电压波形成为宽度被调制的PWM波具体地说， 当电动机电流比给定电流大，并且大于环宽的一半时，则上桥臂T1截止，下桥臂丁4 导通，从而使电动机电流减小；当电动机电流比给定电流小，并且小于环宽的一半时， 则T1导通，T4截止，使电动机电流增大滞环宽度决定了在某一开关动作之前，实际 电流离开给定电流的偏差值上下桥臂要有一个互锁延迟电路，以便形成足够的死区 时间。

Ud +图1电流跟踪控制原理图显然，滞环宽度越窄，开关频率越高但对给定的环宽，开关频率并不是常数 它受电动机定子漏感和反电动势制约当频率降低，电动机转速下降、反电动势降低 时，由于电流上升率增大，因此开关频率提高；反之则开关频率下降以上是将三相逆变器中的一相隔离开来讨论，对于三相逆变器的滞环控制，由于 各相电流的平衡关系，某一相的电流变化率还受其他两相的影响在一个开关周期内， 由于其他两相开关的不定性，电流的变化率也就不是唯一的一般来说，其电流变化 率较一相时平坦，因而开关频率略微低一些电流滞环跟踪控制的逆变器实际上已构成了砰一砰（继电器）控制的电流闭环 若忽略逆变器延迟时间，当偏差较小时，相电流可以被认为是随时间可控的这种电 流闭环使对象的动态响应加快，环内扰动可被克服，还可以防止逆变器过流，对功率 开关器件十分有利二）其他电流追踪控制方法上面已提过，对于电流跟踪型PWM逆变器，给定滞环宽度时，开关频率不是常 数在给定电流的一个周期内，开关频率差别很大，在频率低的那一段，电流跟踪性 能比频率高的那一段差，影响了跟踪精度而且，过高的开关频率使功率开关器件难 以承受针对这个问题，提出了定时比较判断法，使逆变器开关频率基本保持一定， 减小了跟踪误差，降低了电流谐波值。

这种方法也是对实际电流和给定电流的偏差进行比较来决定逆变器的开关模式 的，因此其控制策略和滞环宽度控制策略基本上是一样的，但是这种方法采用固定的 采样频率来采样电流，只在每个采样点对采样到的瞬时电流信号和给定参考电流信号 进行比较，以决定逆变器的开关状态每个开关器件导通或关断的时间是一个或若干 个电流采样的周期，开关器件的最大开关频率等于电流的采样频率，其平均开关频率 小于电流采样频率这样电流的比较不需要滞环，电流的采样间隔就相当于滞环比较 控制中滞环的作用显然，定时比较判断法控制的精度是和电流的采样频率有关的这种方法中，最大电流误差和电流的采样周期是成正比的，因此，定时比较判断 法中电流追踪控制的电流采样周期就相当于滞环宽度控制法中滞环的作用，提高采样 频率就能提高电流追踪的精度但是采样频率的提高受开关期间的最大开关频率限制 的定时比较判断法电流追踪型PWM控制非常适合于数字控制，电流的采样可以由 微机控制器定时来控制，实际电流采样经A/D转换读入微机，给定参考电流信号由软 件查表或实时计算得出这样，数字化的实际电流和参考电流就可以由微机进行比较， 然后可确定逆变器的开关状态，这里不需要复杂的算法，实现简单。

滞环宽度控制则 要求电流的比较要实时完成，为此要采用定时比较判断法等数字控制时，A/D转换以 及数字比较的速度都非常高，因此实现比较困难一般，电流滞环宽度控制法通常由 模拟电路实现三系统的仿真模型设计由于实验条件的条件的限制，在本次设计中，无法搭建实际的电路去对电流跟踪 逆变器进行设计和验证在目前的研究工作中，在条件无法达到或者研究工作的前期， 多采用仿真验证的方法因此，在本设计中采用Matlab/Simulink动态仿真的方法对系 统进行仿真实现一） Matlab/Simulink工具简介MATLAB是一种科学计算软件MATLAB。