(chchy)电流跟踪型逆变器的设计与仿真_定稿.doc

浙江大学远程教育毕业论文 1 浙浙江江大大学学远远程程教教育育学学院院 本本科科生生毕毕业业论论文文 设设计计 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 浙江大学远程教育毕业论文 I 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 浙江大学远程教育毕业论文 II 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 1 1 滞环电流控制 2 2 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 4 1 单相电流跟踪型逆变器 5 2 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 浙江大学远程教育毕业论文 1 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 Stemmler把通讯系统 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 Plunket提出的电流滞环比较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 G Agelidis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 即 通过电流的闭环控制实现逆 浙江大学远程教育毕业论文 2 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 浙江大学远程教育毕业论文 3 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T4 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 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 1 ia ia HBC VT4 VT1 VD1 VD4 L A Ea ia Ud a i 浙江大学远程教育毕业论文 4 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是一种以矩阵为基础的交互式程序计 算语言 早期MATLAB主要用于解决科学和工程的复杂数学计算问题 由于它使用 方便 输入便捷 运算高效 适应科技人员的思维方式 并且有绘图功能 有用户 自行扩展的空间 因此特别受到用户的欢迎 成为科技界广为使用的软件 1993年出现了SIMULINK 这是基于框图的仿真平台 SIMULINK挂接在 MATLAB环境上 以MATLAB强大的计算功能为基础 以直观的模块框图进行仿真 和计算 SIMULINK提供了各种仿真工具 尤其是它不断扩展的 内容丰富的模块 库 为系统的仿真提供了极大的便利 在SIMULINK平台上 仿真模型的可读性很 强 这就避免了在MATLAB窗口使用MATLAB命令和函数仿真时 需要熟悉记忆大 量M函数的麻烦 从SIMULINK4 1版开始 有了电力系统模块库 Power System Blockset 利用 该模块库的模块 可以方便的进行RLC电路 电力电子电路 电机控制系统和电力 浙江大学远程教育毕业论文 5 系统的仿真 本设计中就是要利用Power System Blockset和基本的SIMULINK库对电 流跟踪逆变器系统进行模型搭建和仿真 从而得到一定结论 二 系统模型的搭建 本次设计 我采用的是滞环控制法进行系统的仿真 分别对单相电流跟踪型逆 变器和三相电流跟踪型逆变器进行设计 1 单相电流跟踪型逆变器 逆变器通过检测负载电流 并与给定电流比较 偏差信号经滞环控制器ii H1 H2 当偏差超过滞环控制器的环宽时 则改变逆变器的开关状态 且当I VT1导通时 负载电流增加 VT2导通时电流下降 跟踪控制的电流 在 时刻 1 t VT1导通 负载电流 增加 到时刻 VT1关断 VT2导通 电流 下i 2 tiiI i 降 到时刻 VT2关断 VT1导通 如此周而复始 逆变器输出电流 3 tiiI 将随给定电流的波形做锯齿变化 而滞环控制器的环宽则决定了锯齿形状变ii I 化的范围 较小 逆变器输出电流跟踪给定的效果更好 但是逆变器的开关频率I 将提高 开关损耗也更大 根据以上原则 建立单相电流跟踪逆变器的仿真模型如下 图2 单相电流跟踪控制仿真模型 首先要设置逆变器模块 Universal Bridge 的参数 由于是单相逆变器 所以 桥臂数量选1 Rs设为1e5 Cs设为无穷大 power electronic device设为IGBT Tf和 Ts分别设为1e 6和2e 6 然后设计滞环控制器 relay 的参数 模块中滞环宽度取值左右不等 是为上 下桥臂留有死区 避免换流时发生直通现象 最后设置Multimeter的参数 Multimete的参数要和其他模块的参数配合使用 在这里由于我们要观察输出的电流和电压波形 所以要和Series RLC Branch的参数 配合使用 将Series RLC Branch中的Measurement参数设为Branch voltage and 浙江大学远程教育毕业论文 6 current 然后在Multimete中选择Ub Series RLC Branch Ib Series RLC Branch即可 2 三相电流跟踪型逆变器 三相电流跟踪逆变器由三组单相电流跟踪逆变器组成 其仿真模型如图3所示 其中滞环控制器由三个单相电流滞环控制器打包组成一个子系统 Subsystem 三 相负载电流由多路测量器 Multimeter 观测 图3 三相电流跟踪仿真模型 四 仿真结果的分析 一 单相逆变器仿真结果 图4 电流给设定 图5 实际负载电流 浙江大学远程教育毕业论文 7 图6 输出电压 图7 输出与给定电流的比较 图8 下桥臂驱动脉冲 图9 上桥臂驱动脉冲 单相电流跟踪逆变器仿真结果如图4 9所示 由图5和图7可清楚的看到输出电流 很好的跟踪了电流给定值 实际电流在给定电流的附近上下波动 而且波动的幅度 和滞环的大小有关 随着滞环的减小 实际电流的畸变越小 但是系统中的开关器 件的开关频率增大 这是滞环电流法本身固有的矛盾 仿真的结果验证了滞环电流 法的正确性 为实际系统的搭建奠定了基础 二 三相逆变器仿真结果 图10三相输出电流 图11 三相电流给定 图12 输出电流与给定电流比较 三相电流跟踪逆变器仿真结果如图10 12所示 由图10可清楚的看到输出电流很 好的跟踪了电流给定值 其特点和规律和单相电流跟踪逆变器的基本相似 仿真结 浙江大学远程教育毕业论文 8 果验证了三相电流跟踪逆变器的正确性 并且为实际系统的搭建提供了参考 五 毕业设计小结 通过本次毕业设计 我深入分析了两种电流跟踪逆变器的