田素娟

(包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

脈沖寬度調(diào)制變換器(簡(jiǎn)稱“PWM變換器”)是直流脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)(P-M系統(tǒng))的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是該系統(tǒng)的主電路部分，它的原理實(shí)際上是利用GTO、GTR、IGBT等全控型電力電子器件構(gòu)成的直流斬波器，將固定的直流信號(hào)轉(zhuǎn)換成大小可調(diào)的直流信號(hào)，為DC-DC電源變換裝置。它有調(diào)制頻率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快以及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)脈動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，所以脈沖寬度調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)在中小功率調(diào)速系統(tǒng)以及伺服系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，并且可以獲得顯著的節(jié)能效果?？赡鍼WM變換器主電路的結(jié)構(gòu)以H型變換器最為常見(jiàn)，它是由4個(gè)全控型電力電子器件和4個(gè)續(xù)流二極管組成的H型橋式電路。H型可逆PWM變換器的控制方式有3種類型，分別為雙極式、單極式和受限單極式。本篇主要講解可逆PWM變換器不同控制方式時(shí)的工作原理，并利用MATLAB仿真軟件進(jìn)行仿真。

1 可逆PWM變換器原理

圖1為H型可逆PWM變換器的電路原理圖。圖1中采用的全控型電力電子器件是電力晶體管GTR，根據(jù)4個(gè)開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)不同，可以有2種控制方式，即單極式和雙極式控制。

1.1 雙極式控制方式下的H型PWM變換器原理

1.1.1 對(duì)控制信號(hào)的要求。VT1和VT4的控制信號(hào)相同，VT2和VT3的控制信號(hào)相同，這樣就可以使得VT1和VT4同時(shí)導(dǎo)通，VT2和VT3同時(shí)導(dǎo)通，4個(gè)控制信號(hào)的波形圖如圖2所示。同時(shí)，VT2、VT3控制信號(hào)的極性與VT1、VT4的控制信號(hào)極性相反，這樣就避免了上下兩個(gè)橋臂上的管子同時(shí)導(dǎo)通的短路現(xiàn)象的發(fā)生，降低短路事故的發(fā)生率。

1.1.2 電路原理分析。在一個(gè)周期內(nèi)，ton之前，VT1、VT4的控制信號(hào)ub1、ub4為正，電力晶體管VT1和VT4飽和導(dǎo)通；VT2和VT3的控制信號(hào)ub2、ub3為負(fù)，電力晶體管VT2和VT3截止，流過(guò)電動(dòng)機(jī)電樞的電流id從Us的正極流出，經(jīng)過(guò)VT1到電動(dòng)機(jī)電樞，再經(jīng)過(guò)VT4到Us的負(fù)極，在這個(gè)電流回路中忽略VT1、VT4，電動(dòng)機(jī)電樞兩端的電壓UAB為正的Us，ton之后到一個(gè)周期結(jié)束時(shí)，VT1、VT4的控制信號(hào)ub1、ub4由正極性變負(fù)，電力晶體管VT1和VT4截止；ub2和ub3由負(fù)極性變正，但是電力晶體管VT2和VT3并不能立即導(dǎo)通，因?yàn)樵陔妱?dòng)機(jī)電樞電感上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使二極管VD2和VD3承受正向電壓而導(dǎo)通形成續(xù)流通路，向電源Us釋放能量，在二極管VD2和VD3上的管壓降使VT2和VT3的集射之間受反壓不能導(dǎo)通，這期間電樞AB兩端電壓UAB=-Us。開(kāi)關(guān)管在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，電動(dòng)機(jī)電樞兩端的電壓為+Us或-Us，正負(fù)相間，所以這種控制方式下的脈寬變換器稱為雙極性PWM變換器。

圖1 H型PWM變換器原理

圖2 雙極式PWM變換器電壓電流波形

1.1.3 流過(guò)電動(dòng)機(jī)電樞的電流波形。流過(guò)電動(dòng)機(jī)電樞的電流波形隨負(fù)載輕重分為2種情況：①重載時(shí)，流過(guò)負(fù)載的電流較大，波形如圖2中的id1，后半周期為續(xù)流階段，電流流動(dòng)方向不變，電動(dòng)機(jī)工作在正向電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)；②輕載時(shí)，電流較小時(shí)，電流id的波形如圖2中的id2，續(xù)流時(shí)間較短，在下一個(gè)周期到來(lái)之前，電流就已經(jīng)衰減到零，電力晶體管VT2和VT3的集射之間不再承受反向電壓，而是承受電源給的正向電壓變成導(dǎo)通狀態(tài)，流過(guò)電動(dòng)機(jī)電樞的電流反向，id從電源Us正極→VT3→電動(dòng)機(jī)電樞→VT2→電源Us負(fù)極，電動(dòng)機(jī)工作在制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。同理，在0≤t

1.2 單極式控制方式下的H型PWM變換器原理

對(duì)控制信號(hào)的要求：VT1和VT4的控制信號(hào)相同，VT2的控制信號(hào)一直為正，VT3的控制信號(hào)一直為負(fù)，使VT1和VT4交替導(dǎo)通，VT2和VT3的管子一個(gè)一直導(dǎo)通，一個(gè)一直關(guān)斷(根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向而定)。4個(gè)控制信號(hào)以及輸出波形如圖3所示。這樣，在性能要求不是太高的系統(tǒng)中應(yīng)用單極式控制方式，可以減少開(kāi)關(guān)損耗和降低上下兩管同時(shí)導(dǎo)通的短路事故的發(fā)生，系統(tǒng)的可靠性得到提高，但是系統(tǒng)的低速性能相對(duì)較差。

(a)正轉(zhuǎn)時(shí) (b)反轉(zhuǎn)時(shí)

2 可逆PWM變換器的建模及MATLAB仿真

在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境中建立可逆PWM變換器的數(shù)學(xué)模型，如圖4所示。通過(guò)對(duì)脈沖發(fā)生器的控制，使電路工作在雙極式工作方式下，其中H橋變流器調(diào)用了多功能橋，其參數(shù)設(shè)為兩相橋臂，橋中的開(kāi)關(guān)器件采用的是全控型器件IGBT，為了防止同一側(cè)橋臂上的上下兩管出現(xiàn)同時(shí)導(dǎo)通的“直通”現(xiàn)象，在控制電路中設(shè)置了反向器模塊。

圖4 可逆PWM變換器的數(shù)學(xué)模型

從觀測(cè)器中觀察到輸出電壓及電流的仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 電壓仿真波形

圖6 電流仿真波形

3 單相雙極性控制的SPWM變換器建模及仿真

通過(guò)上述理論分析及仿真可以得出，輸出電壓的PWM波形幅值相等、寬度可以根據(jù)全控型器件的通斷控制實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，其諧波成分較大。如果采用SPWM技術(shù)進(jìn)行控制，輸出的脈沖序列不僅幅值相等、寬度可調(diào)，也可以實(shí)現(xiàn)寬度按照正弦規(guī)律變化，這樣得到的脈沖序列就可以和正弦波相等效，作用效果相當(dāng)，大大減少了諧波成分。圖7建立采用IGBT全控型器件的雙極性控制SPWM單相變換器模型，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮?shù)配置，進(jìn)行仿真。

圖7 單相變換器模型

從觀測(cè)器中觀察到輸出電壓的仿真結(jié)果如圖8所示。該波形是幅值相等、寬度按正弦規(guī)律變化的雙極性脈沖序列。

圖8 輸出電壓波形

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析與仿真，可逆PWM變換器不管在單極式控制方式下工作還是在雙極式控制方式下工作都可以很好地實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的四象限運(yùn)行。并且，當(dāng)采用SPWM控制時(shí)，可以大大減少諧波成分。