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1、三相逆变电源的在Matlab中的仿真设计摘要:本文采用 MATLAB 搭建仿真系统对变频电源进行系统分析。基于 Simulink 做了系统仿真，并做了原理性的论证，调节器件参数比较仿真结果。1. 引言 由于计算机技术的迅速发展和广泛应用，数学模型的应用和仿真越来越普 遍。本文研究背景及意义于在 MATLAB 中提供了 Simulink 和 Power Systerm Blockset 工具箱，拥有一种很方便的建模环境，用户不用直接编写程序，而是通 过交互命令方式建立、修改和调试模型，给电力电子技术中的各种电路的仿真提 供了有利的条件，简化了仿真建模。电力系统工具箱(Power System B
2、lockset), 如图 1-1 Block Library。2. MATLAB在变频器中应用及仿真框图2.1仿真框图的设计 变频电源主要结构分为以下几个部分。1. 整流器，它与单相或三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压。2. 中间电路，有以下三种作用：a.使脉动的直流电压变得稳定或平滑，供逆 变器使用。b.通过开关电源为各个控制线路供电。c.可以配置滤波或保护装置以 提高变频电源性能。3. 逆变器，将固定的直流电压变换成可变电压和频率的交流电压。4. 控制电路，它将信号传送给整流器、中间电路和逆变器，同时它也接收 来自这些部分的信号。图 2-1 为三相变频电源的仿真电路。在仿真电路图中，双
3、击元件，可得到各 元件的属性设置。改变各项的值，运行并通过示波器来显示各个量的变化，以便 比较和研究。在仿真环境中，用户通过简单的鼠标操作就可建立起直观的系统模型并进行仿真，能有机地将理论研究和工程实践结合在一起。图 2-1 三相变频电源的仿真电路整个仿真图由电气系统模块库中的元件搭建组成，元件的直观连接与实际的 主电路相似，其中主要包括：整流环节，直流环节，逆变环节， PI 调节器、坐 标变换模块、SPWM产生环节。这些元件都设置有对话框，用户可以方便的选 择元件类型和设置参数。2.2 系统子模块的介绍 要得到稳定的输出，系统必须带有反馈控制。本系统采用 PI 反馈控制。测量模块(measu
4、re)如图 2-2 所示，左图为 Block Library 中的 measure 模块图。其作用是测量三 相电路中的电压和电流。如同时选择电压和电流测量，则输出单相对地电压 Vabc 和线电流Iabc(如右图)。该模块输出可选择以标幺值输出，也可输出实际的电压 量和电流量。若以标幺值作为输出，则需事先选定基准值。本文采用标幺值作为 输出，且只输出电压量，基准值选定为 36V。(2)电压调整器(Voltage Regulator)图 2-3 为 Voltage Regulator 模块，其为电压调整器。主要作用是用 abc/dq 变 换把三相电压变换成dq两相，变换后d轴分量是电压有效值。将d
5、轴分量与给 定值进行比较，送PI调节器，再经dq/abc反变换，作为PWM Generator的调制 信号。图 2-3 电压调整器(Voltage Regulator)以下分别介绍 Voltage Regulator 的原理及组成部分。(1) abc/dq 转换器从负载得到的只是三相电压，为了模型计算，需将其转化成d/q坐标下的值, 转化器设计如图 2-4。图 2-4 abc/dq 转换器派克变换是人们熟悉也是最广泛运用的坐标变换之一。它的基础是“任何一 组三相平衡定子电流产生的合成磁场，总可由两个轴线相互垂直的磁场所替代” 的双反应原理。根据这原理，将这两根轴线的方向选择得与转子正、交轴方向
6、一 致，使三相定子绕组电流产生得电枢反应磁场，由两个位于这两轴方向的等值定 子绕组电流产生的电枢反应磁场所替代，就称为派克变换。因此，简言之，派克 变换相当于观察点位置的变换将观察点从空间不动的定子上，转移到空间旋 转的转子上，并且将两个位于转子正、交轴向的等值定子绕组，替代实际的三相 定子绕组。经abc/dq变换，输出结果即为d/q坐标下的dq两相电压。d轴分量是电压 有效值，由于是三相对称电压，故 0 相可忽略不计。(2) PID 调节器PI 调节是工业控制中最常用的一种控制器。调节器的目的是消除输出与输 入的偏差。在工业过程进行控制采用 PID 控制，基本都能得到满意的效果。比 例控制能
7、迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，比例系 数的加大，会引起系统的不稳定；积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分 控制作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，但积分作用太强会使系统超调 加大，使系统出现振荡；微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统地稳定性 提高，同时加快系统地动态相应速度，减小调整时间，从而改善系统地动态性能。 基于现实中一旦加入微分环节，参数调整难度加大，因此，本设计只采用 PI 控制器。其数字实现离散化后算法为：(k ) K ( k ) + KT工()，式中KP为比u (k ) = K e (k ) + K T 乙 e (i)pi例增益，KI为积分增
8、益，T为采样时间。框图如图4-6。图 2-5 PI 调节器经反复比较，选定Kp为0.5, Ki为200.图2-6为其仿真波形。其中AC_60 为变压器副边的输出电压，DC_Bridge为直流母线电压，V_inveter为IGBT的输 出波形，V_load为负载电压即输出电压，输出电压频率设定为100HZ，如图4-7.ijuaj.ii.rtiCOa：Ui.rt-Z pl.J ：l31 nfiArt+Zp !.：!va= vdsinvvt + vcfcosCAti + vovb= vd*sinw-2lpi.i：j：i + vi：ri：osi：vvl-2lpi.i：j：i + /ovc= vd*si
9、n(wt+2pi/3) + vq*cos(wt+2pi/3) + vo端的图 2-9 dq /abc 转换器图 2-9 为 dq /abc 转换器。 dq /abc 转换器是 abc/dq 转换器的逆变换，目的是 将经 PI 调节器处理后的信号转变成三相正弦波。通过dq/abc变换器得到三相调制信号后，与载波进行调制得到IGBT的开关 控制信号。PWM发生器框图如图2-10。Triangle图2-10 PWM发生器3.仿真结果及分析在 MATLAB/SIMULINK7.1 环境下对所建立的变频电源系统进行仿真，系统 各参数如下：电网电压220V + 10%50HZKp0.5变压器参数220V/
10、60VL8mh滤波电容4700ufLoadMin 9q改变电网电压，观察输出波形如图，可以看出稳压情况良好，输出不随电网 输入改变而改变。当电网电压为220V，242V时，波形如图分别如图4-12, 4-13。五t;u 一呂PU8 uo。w ms yss7AC_60V_invei：已50 k-0WWWIIIIIV_load-50 b-参考文献1. 林飞杜欣 电力电子应用技术的MATLAB仿真 北京中国电力出版社20092. 黄俊 王兆安 电力电子变流技术 西安：机械工业出版社 20073. 谢会玲，吴成明，孙志宏，胡翔勇基于MATLAB的电力电子技术CAI软件设计 与实现 三峡大学电气信息学院
