跟踪型PWM逆变器

电流跟踪PWM（CFPWM）三相桥式逆变器设计

电流跟踪型PWM控制技术室基于反馈控制的思想，其基本思路是将一个正弦波电流给定信号与变频器输出电流的实测信号相比较，若实际电流值大于i，则通过变频器开关器件的动作使之减小；反之，则使之增加。使实际输出电流围绕着给定的正弦波电流作锯齿形变化，即输出电流跟踪给定电流；与此同时，逆变器输出的电压波形成为PWM波。

一般来讲，电流跟踪型PWM控制技术在变频器控制中较多被采用，具体有以下一些优点。

（1）变频器输出的电流波形好，谐波小，因而谐波损耗小，转矩脉动小。 （2）电流响应和转矩响应比较快。

（3）有效地瞬时峰值电流，对变频器运行安全有利，也能使变频器容量和电力半导体器件容量得到充分利用。

（4）可以减小中间直流环节电压波动对系统性能的不良影响。 （5）使用电机的电流模型，简化了控制电路和软件算法的复杂程度。 （6）电流控制时对电动机参数不敏感，电动机参数变化时，电流也能得到很好的控制，电流不会产生振荡。

（7）电动机的各相绕组电流可控制，因而可适用于绕组不对称电动机和单相电动机。

（8）电流跟踪控制直接控制电动机的电流，而转差控制技术和矢量控制技术等通过控制电流更容易实现，因此可以说电流跟踪控制是实现转差控制及矢量控制的基础。

（9）由于电流跟踪控制的变频调试系统有恒流作用，当电源瞬低、瞬停时也不会发生电流冲击。因此特别适用于小吨位的工矿机车等一台变频器供给一台电动机的传动系统。

1 电流跟踪型PWM控制基本原理

电流跟踪控制的原理框图如图1.1所示。图中，i_ref为给定的参考正弦电流，

i为实测的反馈电流，i则为电流偏差。

电流反馈i_refii判断决策执行逆变器

图1.1 电流跟踪控制原理框图

1.1 滞环宽度控制法

具体地实现电流跟踪控制有许多不同的方法，主要有两种：滞环宽度控制法

和定时比较判断法。

滞环宽度控制法中电流控制通常是生成一个正弦波电流信号作为电流给定

信号，将它与实际检测到的逆变器输出电流信号进行比较，再经滞环比较器去触发或关断逆变器的响应开关器件，使实际电流跟踪给定电流的变化。具体地说，如果逆变器输出电流比给定电流大，并且大过滞环宽度的一半，则使逆变器上桥臂开关器件截止，下桥臂开关器件导通，从而使逆变器输出电流减小；反之，如果逆变器输出电流比给定电流小，并且小过滞环宽度的一半，则使逆变器输出电流增大。这样，逆变器输出电流就围绕着给定电流变化，并被在滞环宽度以内。电流跟踪滞环宽度控制法的示意图如图1.2所示。

图1.2 电流跟踪滞环宽度控制法示意图

2 仿真模型

根据设计要求，本文基于Simulink建立了三相桥式逆变器仿真模型，并根据课题要求，选择合适的元件和模块，并设计其参数，最终反复通过调试，得到预期的结果。此逆变器设计主要包括：仿真模型、参数设计、仿真结果，下面将从这几方面做一下具体介绍。

在Matlab/Simulink中，根据课题设计要求，利用Simulink中现有的元件和模块搭建一个仿真模型，此模型主要由逆变器模块（inverter）、滞环控制器子模块（subsystem）、滤波器子模块（Filter）、异步电动机模块（）、三相参考电源模块（）等，如图2.1。

图2.1 仿真模型

2.1 逆变器模块

逆变器选用系统自带的Universal Bridge模块，其主要又由Universal Bridge和Model discrete IGBT组成，其内部结构图如图2.2。

图2.2 逆变器模块

2.2 滞环控制器子模块内部结构图

图2.3 滞环控制器子模块

滞环控制器子模块是利用Simulink强大的子定义功能搭建的子模块，主要由

滞环控制器relay、sum、demux、mux构成，如图2.3。

2.4 滤波器子模块

本设计中用了2个滤波器：LC Filter、Anti-aliasing Filters，通过两个滤波器

的滤波，逆变器输出的波形基本正常，如图2.4-2.5。

图2.4 LC Filter

图2.5 Anti-aliasing Filters

2.4 异步电动机模块

本设计采用系统自带的异步电动机模块，其主要由ASM、Electrical model

Discrete、Mechanical model Discrete w input、Measurement list构成，如图2.6。

图2.6 异步电动机模块

2.5 三相参考电流源模块

本设计中考虑到电流跟踪控制，所以设计的参考电流源，用于与反馈的电流

进行比较，再经过滞环控制器的调制，进行跟踪控制，如图2.7。

图2.7 三相参考电流源模块

3 器件选型及参数设置

3.1 功率开关器件IGBT选型

IGBT的选择主要是指其额定电流和额定电压值的确定，由经验公式计算出IGBT的额定电流为：

ICN21.51.4

式中：1.5为过载系数(150%时1分钟)； 1.4为ICN温度系数(考虑结温升高因素)； IN为逆变器输出电流；

Ｎ＝S／（3*V０）4.56A

而根据设计要求，鼠笼式异步电动机额定电流IN=6.9A，所以取IN=6.9A。

S为系统的输出功率；

V0为逆变器输出电压。 则有：

CN20.48

IGBT的额定电压可按下式计算：

VCES(Udc1.20150)2145V

其中：Ｕdc为直流母线电压；

1.20为过压保护系数(120%)； 150为尖峰电压；

为安全系数(正常 =1.1)。

实际中我们选取的IGBT模块，额定电流30A，耐压等级2145V 3.2 续流二极管选择

采用三相不可控逆变模块将直流电变成交流电。桥式硅堆的参数选择为： 通过二极管的峰值电流：

ＩＩm2N9.76A

流过二极管电流的有效值：

1120021Ｉ＝Ｉd(wt)Ｉdmm5.63A 03603二极管电流定额：

Ｉn(1.5~2.0)Ｉd5.38~7.18A 1.57考虑滤波电容充电电流的影响，需留有较大的电流余量，选用=15A。 续流二极管电压定额：

Ud(2~3)Um(2~3)23801200V

根据上式确定的电压、电流以及市场供货情况，选用二极管整流模块

6RI30G-120，即(30A，1200V)。

3.3 参数设置

根据设计要求，经过不断调试和理论认证，最终确定了本设计更个元件及模

块的参数，详见图、图3.1-3.2（滤波器参数）、3.3（逆变器参数）、图3.4（异步电动机参数）。

图3.1 Anti-aliasing Filters参数

图3.2 LC Filter参数

图33逆变器参数

图3.4 异步电动机参数

4 调试与仿真

经过不断调试和理论论证，在确定各个元件及模块的参数之后，得到预期的

输出电流波形仿真波形（逆变器输出、参考电流波形和脉冲波形），如图4.1-1.3。

电流I/A10820-2-4-6-8-1000.010.020.030.040.050.06时间t/s图4.1 逆变器输出电流波形

1082电流参考波形电流I/A0-2-4-6-8-1000.010.020.030.040.050.06时间t/s图4.2 参考电流源波形

1.5脉冲波形1脉冲0.50-0.500.010.020.030.040.050.06时间t/s图4.3 pulse输出脉冲波形

5 结论

由于可能系统性能、参数等考虑的不是很全面，输出还是有些误差，另外，

逆变器输出电流波形，开始段不是正弦波，这个问题，我至今还没想明白，不过从整体来看，仿真效果还不错，基本能够达到预期效果，但今后的工作任务还很繁重，需要不断深入研究和学习。