2022年电流跟踪型逆变器的设计与仿真定稿.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 浙江高校远程训练学院本 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 指导老师陈友荣2007 年12 月8 日名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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进展和快速换代促进了沟通电动机变流 频 供电技术的迅速进展和变流 频 装置的现代化,其中逆变技术的进展是其中具有代表性的一个分支,具有很重要的争论价值；电流掌握

2、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掌握方法,即：通过电流的闭环掌握实现逆变器负载电流的精确、准时跟踪；在 是应用得最常常、最广泛的一种掌握方法；CC-PWM电流掌握方案中,滞环电流掌握本 文对 滞环 电流 掌握 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,证明白滞环电流掌握具有输出电流正弦,具有鲁棒性好和动态性能好的突出优点；关键词：逆变器电流掌握滞环电流仿真名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,

3、共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 目 录一概述 1（一）逆变器的争论现状 1 （二）电流跟踪掌握方式争论现状 1 1滞环电流掌握 2 2线性电流掌握 2 二电流跟踪掌握方式原理分析22 （一）电流跟踪掌握的基本原理（二）其他电流追踪掌握方法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 5 1单相电流跟踪型逆变器 5 2三相电流跟踪型逆变器 6 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名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页

4、,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 电流跟踪型逆变器的设计与仿真 一 概述（一）逆变器的争论现状 直流调速在上世纪 80岁月以前始终占据主要位置；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沟通电动机上；沟通电动机,特殊是鼠笼型异步电动机,具有结构简洁、制造简洁、价格便 宜、牢固耐用、惯量小、运行牢靠、很少修理、使用环境及结构进展不受限制等优 点；与直流电动机相比,单机功率比直流机高的多,电压简洁做成 6000-10000V,仍 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

5、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进展和快速换代促进了沟通电动机变 流频供电技术的快速进展和变流 频装置的现代化；PWM 技术第一 其中逆变技术的进展是其中具有代表性的一个分支；脉宽调制 是通信系统调制技术,后来应用到逆变技术中的；其进展过程是：1963年,F.GTurnbull提出了排除特定谐波法；1964年, A.Schnoung和H.Stemmler把通讯系统的调制技术应用到沟通传动逆变器中,产生了正弦脉宽调制技术 SPWM,后由英国Bristol 高校的 S.R.Bowes于1975年进

6、行了推广和应用,使SPWM调制技术成为广泛留意的热点；后来, Bowes又相继提出了全数字化 SPWM方案,规章采样数字化方 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动身,直接采纳以 电动机磁链圆形轨迹为目的的掌握方法,因而使用起来更直观,更便利；此外,1980年A.B.Plunket提出的电流滞环比较 PWM技术,以及在此基础上进展起来的全数 字化无差拍控 Dead-beat ControlPWM技术,都具有实现简洁的特点；为排除噪声,1993-1994年, A.M.T

7、rzynadlowsky 和V G.Agelidis 等提出了随机 PWM法,它是从转变 谐波的频谱分布入手,使谐波频谱匀称分布在较宽的频带范畴内,以达到抑制噪声 和机械共振的目的 PWM的进展和应用优化了变频装置的性能,可以使用于各类沟通 调速系统,在当今逆变领域中占据了肯定的主导位置；PWM掌握技术种类很多,并且正在不断进展之中；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全部弊端,使沟通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）电流跟踪掌握方式争

8、论现状 三相电压型 PWM变换器结构 VS-PWM 被广泛地应用于沟通调速系统、高功率 因数的 AC/DC 、有源滤波、不间断电源 UPS、沟通敏捷输电系统 FACTS等工业实际 之中；通常,电压型变换器系统的电流掌握是特别重要的,它将直接影响设计系统的各项性能指标；电流掌握电压型逆变器Current-controlled PWM ,简称 CC-PWM,是一种电压型逆变器的直接电流掌握方法,即：通过电流的闭环掌握实现逆变器负名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 载电流的精确、准时跟踪；因而,与开环PWM掌握系统不同,整

9、个 PWM逆变器控制系统构成了一个闭环掌握系统；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掌握 能对负载进行峰值电流爱护 具有过负载抑制才能 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沟通环节电压变化而产生的影响 1滞环电流掌握 在CC-PWM电流掌握方案中,滞环电流掌握是应用得最常常、最广泛的一种控 制方法；这是一种非线性、闭环电流掌握方法；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

10、流的实时、精确跟踪；而同步开关法就能保证开关频率固 定,但电流误差不能被严格地掌握在滞环环宽内,有时甚至达到两倍环宽宽度处；在CC-PWM逆变器的众多电流掌握策略中,和其它电流掌握方法相比,滞环电流控 制具有以下的一些突出优点,如：实现简洁、对负载参数变化不敏锐,电流跟踪误 差小等,同时,滞环电流掌握也存在着开关频率过高、频率不稳固的问题；由于人 们普遍看中了滞环电流掌握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线性电流掌握 CC-PWM 电流掌握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

11、,而PAM调制就是要打算逆变器的开关状态；和 CC-PWM 的其它电流掌握方法相比,线性电流掌握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；常见的线性电流掌握器结构中,通常采纳 的是用 PI掌握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智能电流掌握 随着智能自动化技术的进展,专家系统、模糊规律、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庞大进展,它们也应用到 CC-PWM的掌握技术中了,设计了很多掌握器结构；二电流跟踪掌握方式原理分析 在感应电动机变频调速过程中,依据所掌握的物理量不同,可有三种掌握方 2、恒电压掌握方 式

12、：1、恒磁通掌握方式,这种方法一般在基频以下调速时采纳；式,这种方法一般在基频以上调速时采纳；3、恒电流掌握方式,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,通过电流闭环掌握,可以保持感应电动 机定子电流不变；而电流滞环跟踪掌握就是恒流掌握中应用比较广泛的一种；（一）电流跟踪掌握的基本原理名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 电流滞环跟踪掌握在沟通调速系统中得到越来越多的应用,它的掌握原理如图 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

13、信号掌握相应开关器件的导通或关断,就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,就上桥臂 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,就 T1导通, T4截止,使电动机电流增大；滞环宽度打算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推迟电路,以便形成 足够的死区时间；ia*-iaaiHBC-1Ud+LEaiaVT1VD1VT4AVD4-图1 电流跟踪掌握原理图 明显,滞环宽度越窄,开关频率越高；但对给定的环宽,开关频率

14、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；反之就开关频率下降；以上是将三相逆变器中的一相隔离开来争论,对于三相逆变器的滞环掌握,由 于各相电流的平稳关系,某一相的电流变化率仍受其他两相的影响；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独的；一般来说,其 电流变化率较一相时平整,因而开关频率略微低一些；电流滞环跟踪掌握的逆变器实际上已构成了砰一砰（继电器）掌握的电流闭 环；如忽视逆变器推迟时间,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

15、可被克服,仍可以防止逆变器过 流,对功率开关器件特别有利；（二）其他电流追踪掌握方法上面已提过,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 件难以承担；针对这个问题,提出了定时比较判定法,使逆变器开关频率基本保持 肯定,减小了跟踪误差,降低了电流谐波值；名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 这种方法也是对实际电流和给定电流的偏差进行比较来打算逆变器的开关模式

16、 的,因此其掌握策略和滞环宽度掌握策略基本上是一样的,但是这种方法采纳固定 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,以打算逆变器的开关状态；每个开关器件导通或关断的时间是一个 或如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 于滞环比较掌握中滞环的作用；明显,定时比较判定法掌握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 断法中电流追踪掌握的电流采样周期就相当于滞环宽度掌握法中滞环的作用,提高

17、 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；定时比较判定法电流追踪型PWM掌握特别适合于数字掌握,电流的采样可以由微机掌握器定时来掌握,实际电流采样经 A/D 转换读入微机,给定参考电流信号由 软件查表或实时运算得出；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,实现简洁；滞环宽 度掌握就要求电流的比较要实时完成,为此要采纳定时比较判定法等数字掌握时,A/D 转换以及数字比较的速度都特别高,因此实现比较困难；一般,电流滞环宽度 掌握法通常由模拟电路实现；三 系统的仿真模型设计 由于试验条件的条

18、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；在目前的争论工作中,在条件无法达到或者争论工作的前期,多采纳仿真验证的方法；因此,在本设计中采纳 法对系统进行仿真实现；（一） Matlab/Simulink 工具简介Matlab/Simulink 动态仿真的方MATLAB 是一种科学运算软件； 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运算问题；由于它使用便利、输入便利、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,因此特殊受到用户的欢迎,成为科技界广为使用的软件；1993

19、年显现了 SIMULINK ,这是基于框图的仿真平台,SIMULINK 挂接在MATLAB 环境上,以 MATLAB 强大的运算功能为基础,以直观的模块框图进行仿真 和运算； SIMULINK 供应了各种仿真工具,特殊是它不断扩展的、内容丰富的模块库,为系统的仿真供应了极大的便利；在SIMULINK 平台上,仿真模型的可读性很强,这就防止了在 MATLAB 窗口使用 MATLAB 命令和函数仿真时,需要熟识记忆大 量M函数的麻烦；从SIMULINK4.1 版开头,有了电力系统模块库（Power System Blockset）,利用该模块库的模块,可以便利的进行 RLC电路、电力电子电路、电机

20、掌握系统和电力系统的仿真；本设计中就是要利用Power System Blockset和基本的 SIMULINK 库对名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 电流跟踪逆变器系统进行模型搭建和仿真,从而得到肯定结论；（二）系统模型的搭建 本次设计,我采纳的是滞环掌握法进行系统的仿真,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i ,并与给定电流 i 比较,偏差信号经滞环掌握器H1、H2,当偏差超过滞环掌握器的环宽 I 时,就转变逆变器的开关状态,且当VT1导通时,

21、负载电流增加,VT2导通时电流下降；跟踪掌握的电流,在 1t 时刻,VT1导通,负载电流 i 增加；到 2t 时刻, i i I ,VT1 关断、 VT2导通,电流 i 下降；到 3t 时刻, i i I ,VT2 关断、 VT1导通；如此周而复始,逆变器输出电流 i将随给定电流 i 的波形做锯齿变化,而滞环掌握器的环宽I 就打算了锯齿外形变化的范畴,I 较小,逆变器输出电流跟踪给定的成效更好,但是逆变器的开关频率将 提高,开关损耗也更大；依据以上原就,建立单相电流跟踪逆变器的仿真模型如下：图2 单相电流跟踪掌握仿真模型第一要设置逆变器模块（Universal Bridge）的参数,由于是单相

22、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；然后设计滞环掌握器（ 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,防止换流时发生直通现象；最终设置 Multimeter 的参数, Multimete的参数要和其他模块的参数协作使用,在这里由于我们要观看输出的电流和电压波形,所以要和Series RLC Branch的参数协作使用,将 Series RLC Branch中的Measurement参数设为 Branch voltage and curr

23、ent,然后在 Multimete中挑选 Ub:Series RLC Branch；Ib:Series RLC Branch 即名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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,其中滞环掌握器由三个单相电流滞环掌握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 实际负载电流图6 输出电压图

24、7 输出名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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49所示；由图 5和图 7可清晰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邻近上下波动,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冲突；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

25、给定电流比较三相电流跟踪逆变器仿真结果如图1012所示；由图 10可清晰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像；仿真结名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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供应了参考；五 毕业设计小结 通过本次毕业设计,我深化分析了两种电流跟踪逆变器的原理和特点,并且对两者进行了简洁比较；随后利用MATLAB/SIMULINK仿真工具对滞环电流法进行了动态仿真,通过对仿真输入、输出波形的观看比较,验证了滞环电流法理论的正 确性,对今后进

26、一步的争论起到了基础性的作用；六 致谢 这次毕业设计能够如期完成,第一要感谢我的指导老师陈友荣老师,感谢陈老 师的细心指导和热心帮忙,为我的毕业设计花费了不少心血；感谢远程训练学院的老师们,是他们的耐心解答和尽心的指导,让我能够顺当 完成毕业论文的写作；最终仍要感谢我的家人,是他们的勉励和悄悄的支持让我可以在工作的间隙安 心完成我的毕业论文；名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 参考文献1 胡崇岳,现代沟通调速技术,北京 : 机械工业出版社, 2001 2 薛定宇,科学运算语言 MATLAB5.3程序设计与应用,北京

27、 : 清华高校出版社, 2000 3 陈光东,电压源电流型 PWM 逆变器,电力电子技术, 19964:3941 4 吴守法、减英杰,电气传动的脉宽调制掌握技术,北京: 机械工业出版社 ,1995 5 马立华、陈伯时,电流滞环跟踪掌握分析,电气自动化,19951 6 谢鸿鸣、陈光东、王离九,电压源电流型变器中滞环宽度的挑选,电气自动 化, 19955 7 卢红等,一种新型的电流跟踪型SPWM 逆变器,电气传动, 19935 19895 8 隋洪学等异步机变频调速系统的电流跟踪掌握及软件实现,电气传动,9 谢红明等,一种变滞宽的电流跟踪型SPWM 逆变器,电气传动 ,19952 10 赵尉斌、李华德,一种固定开关频率型电流跟踪SPWM 变频调速系统,河北工程技术高等专科学校学报,2004年 01 期11 童杰、冯培梯,电流掌握电压源逆变器滞环掌握的一种改进,电气传动,19975 名师归纳总结 12 陈伯时,电力拖动自动掌握系统,机械工业出版社,2003.7 第 12 页,共 12 页- - - - - - -