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 Blockset)，如图1-1  Block Library。

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。

(1)测量模块(measure)

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2-2  测量模块(measure)

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：，式中KP为比例增益，KI为积分增益， 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.

图2-6当Kp为0.5，Ki为200的波形

为方便比较，本文此处给出选定Kp为0.5，Ki为3000的波形。如图4-8

图2-7  当Kp为0.5，Ki为3000的波形

显然输出波形已明显失真。另外选定一比较极端的情况，即当Kp为0.5，Ki为1时的波形，如图4-9。当Ki比较小时，即放大倍数不够大，会引起输出端的幅度不足。

图2-8 当Kp为0.5，Ki为1时的波形

(3)dq /abc转换器

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。

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：

图2-11 电网电压为220V仿真波形

图2-12电网电压为242V仿真波形

当电网电压为185V时，波形如下图4-14.

图2-13 当电网电压为185V时波形

图2-11，2-12，2-13为相同负载不同电网电压时电压仿真波形。通过仿真波形的比较，大大提高了理论分析的可视性。下面给出负载不同时变频电源的输出波形。

图2-14，2-15分别为负载为4，100时的波形。波形充分说明，该变频电源的带负载能力强。当然，受实际器件所限，负载电流不可能达到9A，此处仅为原理性的仿真。

图2-14负载为4时的波形

图2-15 负载为100时的波形

4.结语

本文基于MATLAB的 Simulink仿真工具，实现了变频电源的仿真，针对电力电子技术中基本的逆变电路进行了动态仿真，并对仿真结果进行了比较，给电力电子技术试验带来了方便。仿真结果表明，仿真结果较为理想，能达到预期目的。 

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 2009

2.黄俊 王兆安 电力电子变流技术 西安：机械工业出版社 2007 

3.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