Ｍｏｄｅｌ ｉｎ９ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ａｎ ＡＣ／ＤＣ／ＡＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ 朱娟娟 Ｚｈｕ Ｊｕａｎｄｕａｎ （陕西理工学院，陕西汉中７２３００３） （Ｓｈａａｎｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａａｎｘｉ Ｈａｎｚｈｏｎｇ ７２３００３） 摘要：交一直一交变换器有许多优良的性能，本文对传统的交一直一交变换器整流侧进行了改进，在引入开关函数的基 础上，分别建立了交一直一交变换器整流侧和逆变侧的数学模型，在控制系统上，对变换器集中采用ＳＰｗＨ控制，最后通过 ｓａｂｅｒ软件对系统进行了仿真实验。实验结果证明了建模方法的正确性和控制方式的有效性。 关键词：变换器；建模；仿真；ＳＰｗＨ；Ｓａｂｅｒ 中图分类号：ＴＰ３９１．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１－４７９２－（２０１０）５－０２２５－０３ Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡＣ—Ｄｉｒｅｃｔ—ＡＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｈａｓ ｍａｎｙ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＡＣ—Ｓｔｒａｉｇｈｔ—ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｓｉｄｅ ＡＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｓｅｔｓ ｕｐ ｓｔｒａｉｇｈｔ—ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｓｉｄｅ ＡＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｓｉｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｕｓｅｓ ＳＰＷＭ ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｂｙ ｓａｂｅｒ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；Ｍｏｄｅｌｉｎｇ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＳＰＷＭ；Ｓａｂｅ ０引言 交一直一交变换器以其传输特性良好、功率因数高、网 侧电流谐波小、能量双向流动等特点，在机电领域中得到广 泛应用，目前风力、水力双馈发电机多采用这种方式对转子 励磁ｂ－ｚ］。但传统的交一直一交变换器前级整流环节多采用 二极管或相控整流，这种方式存在网侧电流波形畸变严重、 图一交一直一交变换器主电路拓扑结构图 功率因数低、谐波含量大、不能实现能量双向流动、系统动态 一种交。直．交变换器的建模与仿真 整个电路主要由前级接人交流电源的网侧整流部分 响应慢等缺点嘲。为了解决以上问题，可用全控型器件ＩＧＢＴ （ＡＣ／ＤＣ）和后级接人负载的逆变部分（ＤＣ／ＡＣ）组成。由于中间 替代传统的二极管，这种新型变换器拥有结构简单、控制容 直流储能环节使ＡＣ／ＤＣ和ＤＣ／ＡＣ模块可分别独立控制，通常 易、能量可双向流动、网侧功率因数可通过调制方式改变等 情况下，ＡＣ／ＤＣ采用ＳＰＷＭ高频整流矢量控制，实现高功率因 优点。本文研究了建立了该种变换器的数学模型，在控制方 数整流。为了提高中间直流电压的利用率，ＤＣ／ＡＣ逆变侧多 式上，对前级的整流侧和后级的逆变侧统一采用ＳＰＷＭ控制 采用ＳＶＰＷ￣控制方式【４】，本设计在该变换器前级和后级全部 方式，变前级和后级的离散控制为集中控制。通过对系统的 集中采用ｓＰ＇ｌ】ｌ『Ｍ控制。 模型和控制方式的仿真研究，结果表明这种建模方法是正确 ２变换器的数学模型 的，同时也证明了集中ＳＰＷＭ控制方式是可行的，对今后进一 该交一直一交变换器模型可分为前级整流变换器和后 步研究交一直一交变换器的控制方式提供了有益参考。 级逆变变换器两部分，为了便于分析，对两侧分别建模再进 １主电路介绍 行连接【５】。 新型变换器的拓扑结构如图一所示： ２．Ｉ整流侧变换器数学模型 ～ ．百先定义二相桥臂开关函数Ｓｋ（ｋ＝１－－６）： 厂１上桥臂导通、下桥臂截止（ｋ＝１ ，、 Ｌｏ上桥臂截止、下桥臂导通（七＝４－－６） Ｌ ‘ｌ Ｊ 由于同一时刻一个桥臂上只能有一个开关管导通，因此 Ｓ 上ｌ十Ｓ＿Ｆ＝１ （２） 根据图一，对ａ、ｂ、Ｃ三相有： 孚＋咒『ｄ＝ 一【 ＋ 】 厶争＋ ｆ＾＝ 一【 ＋ ｌ （３） 芋＋足 ＝ｅ 一【 ＋ｖｏ］ 式（３）中：ｖ０为直流侧负载到三相中点０的电压，对于三 相对称系统满足： ｉ ＋｛ｈ＋ｉｃ：ｏ ｅａ＋ ＋ ＝０ （４） 则结合式（３）和（４）得： ｖｏ：一 （ ＋ ＋ ）（５） 因此，式（３）以ａ相为例变为： 厶李＋Ｒ‘： 一 一 －， （ ＋ ＋ ）］ 整理得出三相桥臂电流．以ａ相为例．得出： 一 【 一 （ ＋ ＋ ）】］ Ｊ 一 三＋Ｒ （６） ｌｅｏ－ 【 一 （ ＋ ＋ ）】】 一一——— ■一 式中：Ｐ：导微分算子。 ： ｆ（‘ ＋ｆｃ 一‘）＋ （７） ［差］＝ ［三 ÷］［ ］ ８ 刚引 式（８）中：０点是三相负载中点，又因为 ＋ｖ ＿ｏ， 由上式联合推导得： 一 （ ｓ ｈ＋ｓｃ ｆｌ ］ｌ ＝ ｊ （９） 一 （ ｓｂ＋ｓｃ ｊ ｊ 一 （ ｓｂ＋Ｓｃ ｊ 负载电流为 ｉ厂ｉａｓａ十ｉ ｓｂ＋ｉ Ｓｃ．０ｏ） ３变换器的控制策略 为了使整个交一直一交变换器控制容易，本设计在变换 器的前级和后级均采用ＳＰＷＭ控制，ＳＰ＇ＣＣＭ是利用三角载波与 正弦调制波进行比较得到相应的开关控制脉冲信号。在具体 控制上，整流侧ＳＰＷＭ的调制频率应高些，载波比应为３的倍 数，以减小３次谐波成份，同时调制比应大一点，这样就能保 证直流环节的电压谐波成份减小嘲；在逆变侧采用ＳＰＶ￣Ｉ控 制，虽然它对直流环节的直流电压利用率不高，但它减小了 整个控制系统的复杂性，可以满足精度要求不高的工业场 合。整流侧变换器和逆变侧变换器的控制方式类似，以逆变 侧为例其控制方式如图二所示。 图二逆变侧变换器ｓＰｗＭ控制 逆变侧变换器输入端为直流环节的直流电压，经逆变转 换为三相交流电压，控制系统对输出端进行采样调制后，发 出调制信号送人脉宽调制环节，最后经过驱动放大加在六个 ＩＧＢＴ开关管上，从而达到变换器的电压闭环控制。 ４仿真结果分析 按照图一的主电路及控制方式对系统进行了仿真，参数 如下：电源输入线电压３８０Ｖ、频率５０ＨＺ，进线电感８ｍＨ、进线 等效电阻０．ｏ２Ｑ，中间直流环节储能电容２２００ｕＦ，整流侧变 换器调制频率４００ＨＺ、载波比２７、调制深度０．８，逆变侧调制 频率ＩＯＯＨＺ、载波比２７、调制深度ｏ．８。观测相应点的波形如 图四所示： 通过仿真波形可知，中间母线电压在１．５ ｍｓ时达到稳 定值３０９Ｖ，输出相电压幅值达到稳定值３ｌ１Ｖ，基本满足了设 计要求。 … ｌｖ）｜ｃ岫 —— ３ｏｏＯ｛ ￡ Ｉ踟．０． 。。 。ｍ ，Ｏｍ ￣．ＯＯｍ Ｏ¨．ｌ： ．（ａ）中间母线电压波形 ．啪 ｝ｕｕ Ｖ 二Ｊ＿… ￡ 。。 删 －５００ Ｏ ‘ａ．】 ’。（ｂ）输出相电压波形 图四仿真波形图 ５结束语 通过对传统的交一直一交变换器进行相应改进，建立了 新的交一直一交变换器的数学模型，采用集中统一的ＳＰＷＭ 控制策略对其控制，分别在整流侧和逆变侧采用不同的ｓＰ－ １】ｌｆＭ调制频率，以达到直流环节电压和变换器输出交流电压 质量较高的目的，最后通过ｓａｂｅｒ软件对系统进行了仿真研 ●种 —－ 究。仿真结果证明了该变换器模型的正确性和控制方式的有 交 效性。 ｌ 交 变 参考文献 换 【Ｉ］张绍，周波等．永磁同步电机一矩阵变换器新型电流 器 …’……’’ 一…一 ’’……的 调制策略研究［Ｊ】．中国电机工程学报，２００８，（７）：９０－９４．一…… 一 建 模 ［２］宋耀东，刘宪林．交一交变频交流励磁发电机的建模 与 仿 与仿真［Ｊ】．系统仿真学报，２００７，（１２）：５８３７－５８４０． 真 ［３】ＭＡＲＩＵＳＺ｝４ＡＬＩＮＯＷＳＫＩ，ＭＡＲＩＡＮＰ．ＫＡＺＭＩＥＲＫＯＷＳＫＩ Ａ ｃＲＴｏｅｒｍｃａｎｐｔａｉｓ【ｆ ｒ４］宫金林．感应电机矢量控制系统仿真研究［ａｉｅｐｔｉｒｏｗｖｓ ｅｒｉ ｓｎｅｔ ｌｕｅＡｄｃＣｙｔ ｒｏＡｎｄｆｉｊ ｃｕｓｃ ｔｏ２ｎａ０ｔｂ０ｒｌ３ｅｏ ｌ， １８ｓＴｅ（ｅ６ｐ）ｃｈ ：ｎ１Ｄ３ｉｒ９ｑｉｕＯｖ－ｅｓ１ ３９ｆ【６Ｊ］．中国 Ｊｏ．】 ｒ ，ＩＰＥＷＭＥ 删时枯隶９ｎｎＲ ｒ１Ｉ、・１１Ｒ－¨Ｑ 丹】肖邑，日’仞｛八＿ｌ一・一１．ｒ芒 ＪＩ Ｉ’瓜日 ：Ｋ一且一二一直一交型变 ｘ．生＿叉频器系统筒ｆ匕模型［Ｊ］．系统仿真学报，２００８，（８）：２１８５－２１８９． ［６］马永翔，闰群民．基于ｓａｂｅｒ的三相静止变流器谐波 抑制分析及仿真［Ｊ】．电测与仪表，２００８，（８）：７－１０． 作者简介 朱娟娟（１９７９一），女，实验师，主要从事电气控制技术研 究。 ２２７