变频器电流跟踪PWM控制设计与仿真

变频器电流跟踪PWM控制设计与仿真 摘 要 电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术是一种常用 的电流闭环控制方法，采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM变流电路具有硬件电路简单，电流响应快，并且不需要载波，输出的电压波形中不含特定频率的谐波。本次课程设计利用simulink工具做出了电流滞环控制的仿真，得到了电流跟踪波形，相电压波形，验证了电流滞环跟踪控制原理。 异步电动机变频调速需要电压与频率均可调的电流电源，常用的交流可调电源是由电力电子器件构成的静止式功率变换器，一般称为变频器。变频器按变流方式可分为交-直-交变频器和交-交变频器两种，本设计采用的是前者。早期的变频器由晶闸管(SCR)组成，SCR属于半控型器件，晶闸管的开关速度慢，变频器的开关频率低，输出电压谐波分量大。全控型器件通过门极控制既可使其开通又可使其关断，该类器件的开关速度普遍高于晶闸管，用全控型器件构成的变频器具有主电路结构简单、输出电压质量好等优点。常用的全控型器件有绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)。 现代变频器中用得最多的是控制技术是脉冲宽度调制(PWM)，其基本思想是:控制逆变器中电力电子器件的开通或关断，输出电压为幅值相等、宽度按一定规律变化的脉冲序列，用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压。传统的PWM技术是用正弦波来调制等腰三角波，称为正脉冲宽度调制，随着控制技术的发展，产生了电流跟踪PWM(CFPWM)控制技术。CFPWM的控制方法是:在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值，在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波。 关键词: 电流控制; 脉宽调制; CFPWM. 目 录 摘要 ...................................................................... 错误～未定义书签。I 1 前言 .................................................................. 错误～未定义书签。1 2 设计框图与原理 ................................................................................. 2 2.1 设计框图 ....................................................................................... 2 2.2 电流滞环跟踪控制原理 ............................................................... 3 2.3 滞环宽度分析 ............................................................................... 4 2.4电流滞环跟踪控制的特点 ............................................................ 6 3 电流的滞环跟踪控制的SIMULINK的仿真 ..................................... 7 3.1 单相电流跟踪控制逆变器仿真 .................................................... 7 3.2 三相电流跟踪滞环控制仿真 ........................................................ 9 3.3 仿真结果分析............................................................................. 15 4 ......................................................... 错误～未定义书签。16 参考文献 ............................................................................................... 17 II 1. 前言 SPWM控制技术以输入电压接近正弦波为目的，电流波形则因负载的性质及大小而异。然而对于交流电机来说，应该保证为正弦波的是电流，稳态时在绕组中通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不产生脉动，因此以正弦波电流为控制目标更为合适。电流跟踪PWM(Current Follow PWM, CHPWM)的控制方法是:在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值，在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的SPWM获得更好的性能。 电流跟踪控制的精度与滞环的宽度有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约。在实际使用中，应在器件开关频率允许的前提下，尽可能选择小的宽度。电流滞环跟踪控制方法的精度高、响应快，且易于实现，但功率开关器件的开关频率不定。为了克服这个缺点，可以采用具有恒定开关频率到的电流控制器，或者局部范围内限制开关频率，但这样对电流波形都会产生影响。 1 2 设计框图与原理 2.1 设计框图 三相异步电机调速系统结构图如下图2-1: 图2-1 三相异步电机调速系统框 主电路采用交直交结构如下图2-2: 图2-2 交直交结构主电路 2 图2-3 三相电流跟踪型PWM逆变电路 控制电路采用单片机控制EXB841驱动芯片驱动IGBT，如图2-4所示: 图2-4 单片机控制的EXB841驱动电路 上图所示芯片EXB841是日本富士公司提供的300A/1200V快速型IGBT驱动模块，整个电路延迟时间不超过I，最高工作频率达40~50kHz，它只需p 外部提供一个+20V单电源，内部产生一个-5V反偏压，模块采用高速光藕隔离且有短路保护和慢速关断功能，利用单片机控制来控制它产生触发脉冲来驱动IGBT。 2.2 电流滞环跟踪控制原理 现在以A相电流滞环跟踪控制为例，其控制结构图如下图 2-5 所示: 3 图2-5 电流跟踪控制A相原理图 *其中电流控制器是带滞环的比较器，环宽为h，将给定电流i与输出电流iaa进行比较，电流偏差?i 超过?0.5h 时，经滞环控制器(HBC)控制逆变器 A a 相上、下桥臂的功率开关器件动作。 *设比较器的滞环宽度为h，当输出电流i比给定电流i大时，且误差大于0.5haa 时，滞环比较器输出负电平，驱动开关器件VT关断，VT导通，使实际电流减12 小。当减小到与给定电流相等时，滞环比较器仍保持负电平输出，VT保持关断，1实际电流继续减小，直到误差大于0.5h时，滞环控制器翻转，输出正电平信号，开关器件VT导通，VT关断，使实际电流增大，一直增大到带宽的上限。以上12 过程重复进行，这样交替工作，实际电流与给定电流的偏差保持在-0.5h-+0.5h 之间，并在给定电流上下作锯齿状变化，达到跟踪电流的目的。 2.3 滞环宽度分析 采用电流滞环跟踪控制的PWM波形，如下图 2-6所示: : 图2-6 电流滞环跟踪控制时的电流波形 4 图2-6给出了在给定正弦波电流半个周期内的输出电流波形和相应的相电压波形。可以看出，在半个周期内围绕正弦波作脉动变化，不论在的上升段还是下降段，它都是指数曲线中的一小部分，其变化率与电路和电机的反电动势有关。 电流滞环跟踪控制波形的几何关系如图2-7所示: 图2-7 电流滞环跟踪控制波形的几何关系 由上图可知逆变器的开关频率与电流波动幅值成反比，即与环宽成反比， 环宽越小，开关频率f 越高，实际电流值越接近给定电流，此时电流追踪性能越好。 图2-8 三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形 因此，输出相电压波形呈PWM状，但与两侧窄中间宽的SPWM波相反，两侧增宽而中间变窄，这为了使电流波形跟踪正弦波，应该调整一下电压波形。 电流跟踪控制的精度与滞环的环宽有关，同时还受到功率开关器件允许开关 5 频率的制约。当环宽选得较大时，可降低开关频率，但电流波形失真较多，谐波分量高;如果环宽太小，电流波形虽然较好，却使开关频率增大了。这是一对矛盾的因素，实用中，应在充分利用器件开关频率的前提下，正确地选择尽可能小的环宽。 2.4电流滞环跟踪控制的特点 电流滞环跟踪控制方法的精度高，响应快，且易于实现。但受功率开关器件允许开关频率的限制，仅在电机堵转且在给定电流峰值处才发挥出最高开关频率，在其他情况下，器件的允许开关频率都未得到充分利用。为了克服这个缺点，可以采用具有恒定开关频率的电流控制器，或者在局部范围内限制开关频率，但这样对电流波形都会产生影响。 采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM交流电路有以下特点: (1)硬件电路简单; (2)属于实时控制方式，电流反应快; (3)不需要载波，输出电压波形中不含有特定频率的谐波分量; (4)和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含量较多; (5)属于闭环控制，这是各种跟踪型PWM交流电路的共同特点。 6 3 电流的滞环跟踪控制的simulink的仿真 3.1 单相电流跟踪控制逆变器仿真 为验证上述原理，先做单相。 单相跟踪控制逆变器仿真模型如图3-1: Continuous Universal BridgepowerguiDC Voltage Source1+g -ASeries RLC BranchDC Voltage Source Sine WaveScope2RelayFunction2 MultimeterRelay1 Scope3Scope1Gain1 图3-1 单相跟踪控制逆变器仿真模型 图3-2 电流给定值 7 图3-3 电流输出值 图3-4 给定值与输出值比较 8 图3-5 输出电压 3.2 三相电流跟踪滞环控制仿真 仿真模型如下图3-6: Continuouspowerguiia Ia*Sine WaveFunctionIb*pulseibSine WaveIc* Function1ifabcSine WaveSubsystemicia ib icFunction2 3 Multimeter1 IUa Scope43Ub1UbMultimeter2Universal Bridge g+ADC 100V RLAUcB- CRLB DC 100V1 RLC R=0.5 L=0.5mH 图3-6 三相电流滞环控制仿真模型 9 由图3-6，在电流滞环跟踪 PWM 逆变器仿真模型中，给定电流i与输出电a *流 i经滞环比较后产生开关变量sinWave1、sinWave2、sinWave3，以控制a 桥臂上下开关器件的导通和关断。给定的正弦信号，其幅值为20A，频率为 50Hz，相位互差 2π/3，如图所示Relay为滞环比较器，当比较器的输入大于正的阀值时，比较器输出为 1;小于负的阀值时，输出为0。 图3-8是电流滞环跟踪PWM逆变器仿真模型中的子模块，被封装Subsystem 模 块 中 。 1 Ia* Relay1 Relay2 2 Ib* Relay3 1 pulse Relay34 3 Ic* Relay5 Relay6 4 ifabc 图3-7 逆变器子模块 逆变器模型各参数如下3-1所示: 表3-1 跟踪控制逆变器模型参数 模块 参数名 参数值 直流电源DC Amplitude/V 100 阻感模块RL Resistance/Ω 0.5 Inductance/H 0.005 正弦波模块sine wave Amplitude 20 Frequence/(red/s) 2*pi*50 10 图3-8给定正弦波参数 图3-9 滞环控制H参数设置 11 图3-10 时间参数设置 仿真之后得到下列波形，如下图3-11到3-16: 图3-11 三相电流给定值 12 图3-12 A相给定电流与输出电流比较 图3-13 三相电流跟踪逆变器电流波形 13 图3-15 A相电压输出 图3-16 三相输出电压 14 3.3 仿真结果分析 通过 Matlab/Simulink 进行了仿真，由仿真结果可见,电流滞环跟踪 PWM 控制电流响应快，动态性能好，不用载波，方法简单，可以取代传统的 SPWM电压型逆变器，用于逆变器的控制系统中。另外，电流跟踪控制的精度与滞环的环宽有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约。当环宽选得较大时，可降低开关频率，但电流波形失真较多，谐波分量高;如果环宽太小，电流波形虽然较好，却使开关频率增大了。这是一对矛盾的因素，实用中，应在充分利用器件开关频率的前提下，正确地选择尽可能小的环宽。 15 4. 心得体会 这次的课程设计让我了解到了MATLAB这个软件强大的科学计算能力，让我掌握了MATLAB简单易用的编程语言，让我体验到了MATLAB友好的工作平台和编程环境。这个的课程设计让我了解了MATLAB的一般操作步骤，能比较熟练地运用MATLAB对电路原理中的一些问进行仿真，并能够用一些简单的画图函数生成仿真的图像。 通过了本次课程设计，我学会了使用simulink来解决一些电力电子仿真，一道很基础简单的电力电子题目，让我对一款很软件有了一个比较系统的认识，这对我以后的学习和研究会产生很好的影响。本来一个复杂的系统，通过simulink仿真可以很快的知道结果，同时可以对系统的一些参数进行调节可以得到跟好的仿真结果，这对研究复杂系统起到了很好的辅助作用，对复杂系统参数的选定也起到了很大的作用。这一切都让我对这款软件产生了极高的好感。 总而言之，使我对matlab有了更加深入的理解，它在自动化等电子专业中的应用是如此广泛，而对于本专业来说更是一个不可或缺的工具。我相信，通过对matlab的加强学习对以后专业知识的学习一定有更加大的帮助。 16 参考文献 [1] 黄忠霖 黄京《 控制系统MATLAB计算机及仿真》(第3版)北京:国防工业出版社，2009 [2] 王兆安 黄俊 主编 《电力电子技术》(第4版)北京:机械工业出版社，2002 [3] 刘卫国 主编 《MATLAB程序设计与应用》(第2 版)北京:高等教育出版社，2006 [4] 洪乃刚 主编 《电力电子，电机控制系统的建模和仿真》北京:机械工业出版社，2002 17 致 谢 在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。 18