1、电力电子系统仿真基于PLECS9PWM控制建模与仿真PWMPWM调制器库元件模型调制器库元件模型逆变电路的逆变电路的SPWMSPWM控制控制9.19.29PWM控制建模与仿真9PWM控制建模与仿真电力电子技术的发展与控制技术是紧密联系的。由半控型的晶闸管构成的整流电路和交-交变换电路采用的是相控技术，即通过改变触发延迟角来调节输出。全控型电力电子器件的发展，使脉宽调制（PWM）技术得到了广泛应用，如直流斩波电路、斩控式交流调压电路、矩阵式变频电路等。PWM控制技术在逆变电路中应用最广，绝大部分逆变电路是PWM型。脉冲调制技术通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效获得所需波形。9PWM控制建模与
2、仿真9.1PWM调制器库元件模型PWM调制器调制器库元件模型创建库元件模型创建PWM调制器调制器库元件模型应用库元件模型应用9.1PWM调制器库元件模型9PWM控制建模与仿真在锯齿波或三角波大于或小于Uct时，产生输出脉冲信号，调节Uct大小可以调节脉冲宽度。如图9.16（b）所示，锯齿波或三角波称为载波，脉宽控制信号Uct称为调制波或控制波。直流斩波电路采用PWM控制方式时，PWM的驱动信号一般都采用锯齿波或三角波与脉宽控制信号Uct比较的方法产生，其原理如图9.1（a）所示。图图9.19.1PWMPWM脉冲实现原理与波形脉冲实现原理与波形图9.1中载波（锯齿波）没有出现负值，是单极性的，称
3、为单极性调制。如果锯齿波有正负值，控制信号Uct可以是正负值，这称为双极性调制。9.1PWM调制器库元件模型9.1.1PWM调制器库元件模型创建9PWM控制建模与仿真 新建电路模型新建电路模型图图9.2PWM9.2PWM调制器电路模型调制器电路模型新建电路模型并保存为PWM调制器参数设置与仿真设置常量C为0.6，三角波发生器参数设置如图9.3所示；仿真时间设置为10ms，运行仿真，PWM调制器输出波形如图9.4所示。图图9.39.3三角波发生器参数三角波发生器参数设置设置图图9.4PWM9.4PWM调制器输出波形调制器输出波形9.1PWM调制器库元件模型9.1.1PWM调制器库元件模型创建9P
4、WM控制建模与仿真创建创建子系统子系统从System元件库中拖拽Subsystem模块到电路模型中，如图9.5所示，并将其名称修改为MyPWM；双击打开子系统模型，如图9.6所示，并删除系统默认的输入到输出的信号线；图图9.59.5新新建建子系统子系统图图9.69.6子系统模型电路编辑器窗口子系统模型电路编辑器窗口如图9.7所示，选中三角波和比较器模块，右键出现快捷菜单，选择Cut选项；回到子系统电路编辑器窗口，在空白处右键，在快捷菜单中选择Paste选项；图图9.79.7子系统电路编辑子系统电路编辑9.1PWM调制器库元件模型9.1.1PWM调制器库元件模型创建9PWM控制建模与仿真创建创建
5、子系统子系统调整元件位置并连接信号，如图9.8所示，并将信号标签In1修改为m，Out1修改为s，然后选择子系统电路编辑器【File】菜单中Save选项进行保存；图图9.89.8修改信号标签并保存修改信号标签并保存在PWM调制器模型电路编辑器窗口，重新连接好信号，运行仿真，示波器显示波形如图9.9所示，说明子系统模型创建完成。图图9.99.9完成并验证子系统模块完成并验证子系统模块9.1PWM调制器库元件模型9.1.1PWM调制器库元件模型创建9PWM控制建模与仿真封装子系统封装子系统如图9.10所示，选中MyPWM模块，右键菜单中选择Subsystem中的CreateMask选项，弹出如9.
6、11所示封装编辑器窗口；图图9.109.10子系统模型封装菜单子系统模型封装菜单图图9.119.11子系统模型封装编辑器窗口子系统模型封装编辑器窗口子系统封装编辑器窗口有四张选项卡，分别为Icon（图标）、Parameters（参数）、Probes（探针）和Documentation（文档说明）；Icon选项卡采用系统默认设置，选择Parameters选项卡，如图9.12所示；9.1PWM调制器库元件模型9.1.1PWM调制器库元件模型创建9PWM控制建模与仿真封装子系统封装子系统按照图9.12所示，对封装参数进行设置。封装参数由一个提示符，一个变量和一个类型来区分。提示符提供用户识别参数用途
7、的帮助信息。变量名指定将被分配参数值的变量。图图9.129.12子系统模型参数编辑子系统模型参数编辑图图9.139.13子系统模型电路编辑器窗口子系统模型电路编辑器窗口在模型电路编辑器窗口双击MyPWM模块，出现图9.13所示子系统模型编辑器窗口；9.1PWM调制器库元件模型9.1.1PWM调制器库元件模型创建9PWM控制建模与仿真封装子系统封装子系统在图9.13中双击三角波模块，出现三角波参数设置窗口，按照图9.14所示内容进行设置。图9.14中的变量应与图9.12中的参数相对应。图图9.159.15子系统模型帮助文档编辑子系统模型帮助文档编辑图图9.149.14子系统模型中三角波模块参数设
8、置子系统模型中三角波模块参数设置子系统封装编辑器窗口的Probes选项卡保持默认值。在Documentation选项卡中输入该模块的简要说明，如图9.15所示；删除输入常量模块和示波器，如图9.16所示。这样一个PWM调制器模块就封装好了。图图9.169.16封装完成的封装完成的PWMPWM调制器调制器9.1PWM调制器库元件模型9.1.1PWM调制器库元件模型创建9PWM控制建模与仿真添至元件添至元件库库在安装PLECS程序的文件夹中新建一文件夹，并命名为Mylib，将MyPWM电路模型拷贝到Mylib文件夹中，如图9.17所示；图图9.179.17元件库文件夹创建和元件模型保存元件库文件夹
9、创建和元件模型保存如图9.18所示，在元件库浏览器【FileFile】菜单中选择PLECSPLECSPreferencesPreferences选项，弹出PLECSPreferences对话框，选中LibrariesLibraries选项卡，通过处的号添加元件库搜索路径，通过处的号添加元件，完成后点击。图图9.189.18添加元件库搜索路径和元件模型添加元件库搜索路径和元件模型9.1PWM调制器库元件模型9.1.1PWM调制器库元件模型创建9PWM控制建模与仿真添至元件添至元件库库如图9.19所示，在元件库浏览器元件库列表栏下方出现UserLiberty1，点开后出现PWM调制器模块，同时在元
10、件预览处显示该模块的简单描述。图图9.19PWM9.19PWM调制器库元件模型的显示调制器库元件模型的显示9.1PWM调制器库元件模型9.1.2PWM调制器库元件模型应用9PWM控制建模与仿真实际应用中除电源电压会发生波动外，负载也会发生变化，负载的变化也会对输出电压产生影响。因而需要引入具有负反馈作用的控制器来实现对输出电压的控制。仿真模型仿真模型模型电路中通过Step1和可控电压源来模拟输入电源电压的变化；图图9.209.20模拟模拟PIPI控制的降压斩波电路仿真模型控制的降压斩波电路仿真模型图9.20所示为基于模拟PI控制的降压斩波电路仿真模型。Step2和可控理想开关用于接通负载电阻R
11、2，反映负载的变化。探针用于检测电感电流。MyPWM为创建的PWM调制器；模拟PI控制器子系统模型如图9.21所示。图图9.219.21模拟模拟PIPI控制器子系统模型控制器子系统模型9.1PWM调制器库元件模型9.1.2PWM调制器库元件模型应用9PWM控制建模与仿真仿真模型仿真模型PWM调制器的频率为10kHz，占空比由PI控制器的输出v_c控制。图图9.229.22模拟模拟PIPI控制的降压斩波电路输出电压电流仿真波形控制的降压斩波电路输出电压电流仿真波形输入直流电源E电压在0.02s前为10V，0.02s时刻跃变为20V；负载电阻R1=2.5，0.04s时将R2=1接入电路，电感L=0
12、.8mH，滤波电容C=330F。给定电压为5V，即控制电路的输出电压的目标值为5V。分别选取0到5ms、20ms到25ms和40ms到45ms的波形如图9.23、9.24和9.25所示。图图9.239.23启动启动阶段仿真阶段仿真波形波形图图9.249.24电源波动时的仿真波形电源波动时的仿真波形图图9.259.25负载变化时的仿真波形负载变化时的仿真波形9.1PWM调制器库元件模型9.1.2PWM调制器库元件模型应用9PWM控制建模与仿真波形分析波形分析由图9.22所示的仿真波形可知，输出电压和电流在电路刚启动时，上升很快，均出现超调，约在8ms达到稳定；随后在20ms时刻，电源电压出现跃升
13、时刻，输出电压电流也随之出现上升变化，但经过10ms左右的调整，又重新回到稳定状态；在40ms时刻，负载电阻R2接入，负载变大，输出电流出现急速上升，但很快就回落，电压也随之下降，而后电压电流又重新上升，经过几ms的调整又回到稳定状态。由此可知PI控制器发挥了快速的调节作用。由图9.23可知，电路启动阶段，占空比较大，每个开关周期中电感充电时间比放电时间长，电感电流不断上升，同时输出电压电流也随之上升；当输出电压达到目标值5V时电感电流达到最大值；随后占空比开始减小，电感电流开始下降，但输出电压依然在上升，从而出现超调，但输出电压上升的速度变慢，达到最大值后开始减小。当输出电压回落到5V时，电
14、感电流下降到最小值，之后占空比又开始增大，电感电流上升，输出电压依然在下降，下降的幅度比最大超调量小很多，达到低点后又重新上升。之后的过程与上述相似，经过几次调节后，输出电压稳定在5V，占空比也基本保持不变。9.1PWM调制器库元件模型9.1.2PWM调制器库元件模型应用9PWM控制建模与仿真波形分析波形分析由图9.24可知，由于电源电压的升高，电感电流开始增大，一个周期中输出到负载的能量增多，负载不变的情况下，输出电压开始上升，PI控制器检测到输出电压的变化，输出控制信号使占空比减小，输出电压上升的速度变慢，达到最大超调量后开始回落。这期间占空比在不断的变化，当电压稳定时占空比才为固定值。由
15、图9.25可知，在4s时，负载增加，输出电流立即增大，之后随输出电压一起下降，其原因是负载电流的增加，使电容中存储的电荷量快速减少，电容电压下降而导致负载电压的下降，负载电流也随之下降。PI控制器检测到负载电压下降，输出控制信号使占空比增大，电感电流增加，输出给电容和负载的能量增加，当电压回升到5V时，电感电流达到最大值，之后便开始下降，但输出电压已超过5V，PI控制器又使占空比开始减小，如此规律进行几次调节，使输出电压又稳定在5V。通过负反馈控制可以使被控量稳定，实际应用电路中占空比应根据控制要求进行不断的调节。9PWM控制建模与仿真9.2逆变电路的SPWM控制单相相桥式逆式逆变电路路的的S
16、PWM控制控制三三相相桥式逆式逆变电路路的的SPWM控制控制9PWM控制建模与仿真9.2逆变电路的SPWM控制根据采样控制理论，冲量相等而形状不同的窄脉冲作用于惯性环节时，其输出的响应基本相同，且脉冲越窄，输出响应的差异越小。这个重要结论表明惯性环节的输出响应主要取决于激励脉冲的面积，而与窄脉冲的形状无关，称为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。如果将一个正弦半波分成N等份，并把正弦曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，且矩形脉冲的中点与相应正弦等份的中点重合，得到脉冲宽度按正弦规律变化的PWM波形，称为SPWM波形。把希望输出的正弦波作为调制信号，把接
17、收调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的SPWM波形称为调制法。通常采用等腰三角波作为载波，根据载波的极性，可分为单极性调制和双极性调制两种。9.2逆变电路的SPWM控制9.2.1单相桥式逆变电路的SPWM控制9PWM控制建模与仿真单极性单极性SPWMSPWM控制控制电路电路模型模型图图9.269.26单极性单极性SPWMSPWM控制仿真模型控制仿真模型单相桥式逆变电路采用单极性控制方式中，以两只开关管工作于低频，两只开关管采用SPWM控制为主。目前中小功率的逆变电路几乎都采用SPWM技术，其电路与方波逆变电路相同，但在控制方法上采用SPWM控制。参数设置参数设置输入直流电源E电压为
18、311V，滤波电感L1=47mH，L2=10mH，电容C=33F，负载电阻R=50。正弦波发生器工作频率为50Hz，幅值为0.8；三角波发生器工作频率为1000Hz，幅值为1；脉冲发生器工作频率为50Hz，占空比为0.48，PG1延迟0.2ms，PG2延迟10.2ms；9.2逆变电路的SPWM控制9.2.1单相桥式逆变电路的SPWM控制9PWM控制建模与仿真仿真时间设为40ms，单极性仿真波形如图9.27所示。图图9.279.27单极性单极性SPWMSPWM控制控制仿真仿真波形波形波形波形分析分析由仿真波形可知：单极性调制输出的SPWM信号仅有一种极性。三角波的频率与调制波的频率之比为载波比N
19、，计算可得本例的载波比为20，即半个调制波周期中有10个宽度按正弦规律变化的脉冲；实际应用中的载波频率比本例高很多，以利于减小滤波元件参数和体积，同时使输出波形更接近正弦波。开关管V1和V2工作于低频，频率为调制波频率；开关管V3和V4工作于高频，频率为载波频率。这种控制方式可有效降低开关损耗。为防止开关管V1和V2同时导通，控制脉冲间留有死区；死区会使交流输出正负半周交界处产生波形畸变。9.2逆变电路的SPWM控制9.2.1单相桥式逆变电路的SPWM控制9PWM控制建模与仿真开关管V1和V2工作于低频，频率为调制波频率；开关管V3和V4工作于高频，频率为载波频率。这种控制方式可有效降低开关损
20、耗。为防止开关管V1和V2同时导通，控制脉冲间留有死区；死区会使交流输出正负半周交界处产生波形畸变。双双极性极性SPWMSPWM控制控制电路电路模型模型图图9.289.28双极性双极性SPWMSPWM控制仿真模型控制仿真模型双极性控制方式的单相桥式逆变电路中的4只开关管均工作于高频状态。参数设置参数设置输入直流电源E电压为311V，滤波电感L1=47mH，L2=10mH，电容C=33F，负载电阻R=50。正弦波发生器工作频率为50Hz，幅值为0.8；三角波发生器工作频率为1000Hz，幅值为-11；死区时间为0.02ms。9.2逆变电路的SPWM控制9.2.1单相桥式逆变电路的SPWM控制9P
21、WM控制建模与仿真仿真时间设为40ms，仿真波形如图9.29所示。图图9.299.29 双极性双极性SPWMSPWM控制控制仿真仿真波形波形波形波形分析分析由仿真波形可知：双极性调制输出的SPWM信号有两种极性；输出电压波形为双极性的SPWM波形，经滤波后近似为正弦波，因滤波电路存在相移而导致输出电压相位滞后于调制波。四只开关管均工作于高频状态，频率为载波频率；互为对角的两只开关管的驱动信号波形相同；为防止上下桥臂开关管同时导通，驱动脉冲间应留有足够死区时间，但正负半周交界处产生波形畸变有所改善；9.2逆变电路的SPWM控制9.2.2三相桥式逆变电路的SPWM控制9PWM控制建模与仿真三相桥式
22、SPWM逆变电路可以看成是由三个单相半桥逆变电路组合而成的。采用双极性控制方式，U、V、W三相的SPWM控制共用一个三角波载波信号uc，三相调制信号urU、urV、urW分别为三相正弦信号，其幅值和频率均相等，相位依次相差120。U、V、W三相SPWM控制规律相同。仿真模型仿真模型图9.30所示为三相桥式SPWM逆变电路仿真模型，双极性SPWM调制器子系统模型与图9.28中相同参数设置参数设置输入直流电源E1和E2电压为150V，滤波电感LU、LV和LW均为47mH，电感L1，L2和L3均为10mH，每相上的滤波电容均为33F，负载电阻均为50。图图9.309.30三相桥式三相桥式SPWMSP
23、WM逆变电路仿真模型逆变电路仿真模型9.2逆变电路的SPWM控制9.2.2三相桥式逆变电路的SPWM控制9PWM控制建模与仿真三相正弦波发生器工作频率为50Hz，幅值为0.8，相位依次相差120；三角波发生器工作频率为1000Hz，幅值为-11；死区时间为0.02ms。仿真时间设为40ms，三相电压型SPWM逆变电路仿真波形如图9.31所示。图图9.319.31三相桥式三相桥式SPWMSPWM逆变逆变电路仿真波形电路仿真波形9.2逆变电路的SPWM控制9.2.2三相桥式逆变电路的SPWM控制9PWM控制建模与仿真波形分析波形分析以U相为例，其控制规律如下：uUN、uVN和uWN的PWM波形只有Ud/2两种电平；由仿真波形可知：当urUuc时，给V1驱动信号，给V2关断信号，uUN=Ud/2；当urUuc时，给V2驱动信号，给V1关断信号，uUN=-Ud/2。当给V1（V2）加驱动信号时，可能是V1（V2）导通，也可能是D1（D2）导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定。uUV波形可由uUN-uVN得出，当V1和V4导通时，uUV=Ud，当V2和V3导通时，uUV=-Ud，当V1和V3或V2和V4导通时，uUV=0。输出线电压PWM波由Ud和0三种电平构成。负载相电压PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5种电平组成。
