【文章內(nèi)容簡介】 出，即可表示為: (236) (237)，為電壓外環(huán)比例調(diào)節(jié)增益和積分調(diào)節(jié)增益。，—，為電流指令值。將（236）（237）代入（234）(235),可得控制變量，的控制方程 （238） （239）圖24 電壓外環(huán)的控制結(jié)構圖第2章 主電路的工作原理及數(shù)學模型 由此，可畫出電壓外環(huán)的控制結(jié)構，如24所示。 本章小結(jié)本章對三相逆變器的拓撲電路進行了分析，采用開關函數(shù)法進行數(shù)學建模，把三相逆變器在坐標下的數(shù)學模型轉(zhuǎn)換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型，電壓前饋解耦，實現(xiàn)軸和軸的獨立控制。采用電壓電流雙閉環(huán)控制三相電壓型逆變器，即利用電壓外環(huán)實現(xiàn)對輸出電壓的穩(wěn)定控制，電流內(nèi)環(huán)實現(xiàn)對輸出電流的控制。 第3章 控制策略的研究 第3章 控制策略的研究逆變器的建模及控制策略分析表明，引入前饋解耦控制后，逆變器輸出側(cè),軸輸出電流分別成為獨立的控制對象，這為控制系統(tǒng)的設計打下了良好的基礎。同時，逆變器的開關管，續(xù)流二極管和集成電路調(diào)節(jié)器都是小慣性的器件，經(jīng)過合理的簡化處理，整個系統(tǒng)可以用低階線性模型近似。由此，采用基于經(jīng)典控制理論的工程設計方法就成為可能。對于少數(shù)的經(jīng)典系統(tǒng)結(jié)構，如果預先深入研究，弄清系統(tǒng)的參數(shù)和系統(tǒng)性能指標的關系，并寫成簡單公式或制成簡明圖表，這樣在設計實際系統(tǒng)時，只要能把它校正成典型系統(tǒng)的形式，就可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來進行參數(shù)計算，使得設計過程簡便易行。這樣一種化一般為典型的方法就稱為工程設計方法。一般來說，分子階次為m，分母階次為n的開環(huán)傳遞函數(shù)可表示為: (31)式中，為開環(huán)增益；和為時間常數(shù)；為開環(huán)系統(tǒng)在平面坐標原點上的極點的重數(shù)。根據(jù)=0,1,2,3......等不同數(shù)值，分別稱為型，Ⅰ型，Ⅱ型，Ⅲ型.....系統(tǒng)。經(jīng)典控制理論證明，型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時是有靜差的，而Ⅲ型和Ⅲ型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定，因此，常用的典型系統(tǒng)為典型Ⅰ型和Ⅱ型。一般來說，在動態(tài)性能中典型Ⅰ型系統(tǒng)可以在跟隨性能上做到超調(diào)量小，但抗擾性能稍差；而典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對較大，抗擾性能卻比較好。這是設計時選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。本次設計考慮到負載突變情況，采用典型Ⅱ型系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)。經(jīng)典Ⅱ型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： （32）其開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖中有二個轉(zhuǎn)折點和。整定時要求開環(huán)伯德曲線以穿越分貝線，由此獲得良好的穩(wěn)定性和動靜態(tài)性能，截止頻率必須位于和之間。引入變量，是開環(huán)傳遞伯德圖中斜率為的中頻段的寬度，稱作“中頻段”。由于中頻段的狀況對控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)起著決定性的作用，因此值是典型Ⅱ型系統(tǒng)設計中的一個很關鍵的參數(shù)。對于一定的值，只有一個確定的參數(shù),其計算公式為： （33）在工程設計中，如果兩個參數(shù)都任意選擇，工作量顯然比較大，如果能夠在兩個參數(shù)之間找到某種對動態(tài)性能有利的關系，有了這個關系，選擇其中一個參數(shù)就可以推算出另一個，那么雙參數(shù)的設計問題就可以退化成單參數(shù)設計問題，自然就方便多了。因此，一旦選定參數(shù)，即可根據(jù)上式算出所對應的值。參數(shù)的選擇需要綜合考慮典型Ⅱ型系統(tǒng)的動態(tài)跟隨性。為此，采用閉環(huán)幅頻特性峰值最小準則，可以找到和兩個參數(shù)之間的一種最佳配合。這一準則表明，對于一定的值，只有一個確定的可以得到最小的閉環(huán)幅頻特性峰值。表31列出了不同中頻寬值時，值和對應的最佳頻比。表31 不同值時的值和對應的最佳頻比3456789102由表31的數(shù)據(jù)可見，加大中頻寬，可以減小，從而降低超調(diào)量，但同時也將減小，使系統(tǒng)的快速性減弱。經(jīng)驗表明，系統(tǒng)的動態(tài)性能較好，所以值可以在310之間選擇。更大時，降低的效果就不顯著了。表32 典型Ⅱ系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系345678910%%%%%%%%由表32中的數(shù)據(jù)可見，一般來說，值越小，也越小，和都短，因而抗擾性能越好。這個趨勢與跟隨性能指標中超調(diào)量與值的關系恰好相反，反映了快速性與穩(wěn)定性的矛盾。但是，當時，由于震蕩次數(shù)的增加，越小，恢復時間反而拖長了。由此可見，是較好的選擇，這與跟隨性能中調(diào)節(jié)時間最短的條件是一致的。把典型Ⅱ型系統(tǒng)跟隨性和抗擾的各項性能指標綜合起來看，應該是一個很好的選擇。 電流內(nèi)環(huán)的設計電流內(nèi)環(huán)實現(xiàn)了解耦控制，由于兩電流內(nèi)環(huán)的對稱性，因而下面以控制為例討電流調(diào)節(jié)器的設計,考慮電流內(nèi)環(huán)信號采樣的延遲和PWM控制的小慣性特性，電流內(nèi)環(huán)結(jié)構如下圖所示： 圖31 電流內(nèi)環(huán)結(jié)構圖 圖中為電流內(nèi)環(huán)電流采樣周期，暫不考慮電壓擾動，將PI調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)寫成零極點形式，即，將下時間常數(shù)，合并，得簡化的電流內(nèi)環(huán)結(jié)構，如下圖所示： 圖32 簡化后的電流內(nèi)環(huán)結(jié)構圖電流內(nèi)環(huán)按典型Ⅰ型系統(tǒng)設計時，雖然電流內(nèi)環(huán)控制具有良好的跟隨性能，但系統(tǒng)抗擾能力較差，為了改善電流內(nèi)環(huán)的抗擾性能，可以考慮采用典型Ⅱ型系統(tǒng)設計。從上圖中可得電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)： （34）為盡量提高電流響應的快速性，對典型Ⅱ型系統(tǒng)而言，可設計較寬的中頻寬（），工程上取，按典型Ⅱ型系統(tǒng)參數(shù)設計關系可得到： （35）解得 （36） （37） 電壓外環(huán)的設計圖33 簡化后的電壓外環(huán)結(jié)構圖 電壓外環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)：； （38），工程上一般取ξ=，由此可以算出調(diào)節(jié)器參數(shù)。 。 主電路參數(shù)設計本次畢業(yè)設計中需要設計的參數(shù)主要有直流側(cè)電壓的選擇，交流側(cè)電感電容的選擇，設計參數(shù)的選擇會在以下小節(jié)中詳細介紹。 直流側(cè)電壓的選擇，本文要求輸出單相基波電壓有效值為220，所以，考慮實際電路中的寄生電阻、電容等器件以及電路損耗等。所以要在此電壓基礎上提高一些，本次設計中直流側(cè)輸入電壓取值800。同時，要求輸出頻率為50。 交流側(cè)電感電容的選擇忽略電感電阻及線路阻抗，濾波器輸出電壓相對于逆變器輸出電壓的傳遞函數(shù)為 （39）為自然震蕩角頻率， 為阻尼比，影響濾波效果的參數(shù)主要是轉(zhuǎn)折頻率與阻尼比ξ，選擇逆變器的的輸出LC濾波器的轉(zhuǎn)折頻率，它對開關頻率以及其附近頻帶的諧波具有明顯的抑制作用，在本次設計中，開關頻率，取LC濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為開關頻率的。取L=8，C=1μF，最大諧波電流，工程上要求最大諧波電流不能超過負載電流的，負載電流,在此，取最大諧波電流不能超過負載電流的，通過計算得到參數(shù)大小，此時，,符合要求。 本章小結(jié)本章采用電壓前饋的方法使耦合的軸和軸實現(xiàn)了解耦控制，使參數(shù)的設計比較簡單，電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的設計方案使控制更加精確和穩(wěn)定。根據(jù)設計要求，計算出來輸入電壓和濾波器參數(shù)。第4章 仿真模型的建立與結(jié)果分析 第4章 仿真模型的建立與結(jié)果 MATLAB的應用電力電子器件自身的開關非線性，給電力電子電路和系統(tǒng)的分析帶來了一定的復雜性和困難，一般常用波形分析和分段線性化處理的方法來研究電力電子系統(tǒng)。對于復雜的電力電子電路和系統(tǒng)，現(xiàn)代計算機仿真技術為電力電子電路和系統(tǒng)的分析提供了嶄新的方法，是電力電子技術必不可少的手段之一。本章引入MATLAB作為仿真工具，對上述幾章的理論分析和實際系統(tǒng)設計作了驗證。 MATLAB的簡介MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強大的數(shù)學軟件。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，C++，JAVA的支持。可以直接調(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進行下載使用。 MATLAB的發(fā)展MATLAB名字由MATrix和 LABoratory 兩詞的前三個字母組合而成。那是20世紀七十年代后期的事：時任美國新墨西哥大學計算機科學系主任的Cleve Mole教授出于減輕學生編程負擔的動機，為學生設計了一組調(diào)用LINPACK和EISPACK庫程序的“通俗易用”的接口，此即用FORTRAN編寫的萌芽狀態(tài)的MATLAB。 經(jīng)幾年的校際流傳，在Little的推動下，由Little、Moler、Steve Bangert合作，于1984年成立了MathWorks公司，并把MATLAB正式推向市場。從這時起，MATLAB的內(nèi)核采用C語言編寫，而且除原有的數(shù)值計算能力外，還新增了數(shù)據(jù)圖視功能。 MATLAB以商品形式出現(xiàn)后，僅短短幾年，就以其良好的開放性和運行的可靠性，使原先控制領域里的封閉式軟件包（如英國的UMIST，瑞典的LUND和SIMNON，德國的KEDDC）紛紛淘汰，而改以MATLAB為平臺加以重建。在時間進入20世紀九十年代的時候，MATLAB已經(jīng)成為國際控制界公認的標準計算軟件。 到九十年代初期，在國際上30幾個數(shù)學類科技應用軟件中，MATLAB在數(shù)值計算方面獨占鰲頭，而Mathematica和Maple則分居符號計算軟件的前兩名。Mathcad因其提供計算、圖形、文字處理的統(tǒng)一環(huán)境而深受中學生歡迎。，從此告別DOS版。，出現(xiàn)了以下幾個重要變化：（1）推出了SIMULINK。這是一個交互式操作的動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境。它的出現(xiàn)使人們有可能考慮許多以前不得不做簡化假設的非線性因素、隨機因素，從而大大提高了人們對非線性、隨機動態(tài)系統(tǒng)的認知能力。（2）開發(fā)了與外部進行直接數(shù)據(jù)交換的組件，打通了MATLAB進行實時數(shù)據(jù)分析、處理和硬件開發(fā)的道路。（3）推出了符號計算工具包。1993年MathWorks公司從加拿大滑鐵盧大學購得Maple的使用權，以Maple為“引擎”開發(fā)了Symbolic Math Toolbox 。MathWorks公司此舉加快結(jié)束了國際上數(shù)值計算、符號計算孰優(yōu)孰劣的長期爭論，促成了兩種計算的互補發(fā)展新時代。（4）構作了Notebook 。MathWorks公司瞄準應用范圍最廣的Word ，運用DDE和OLE，實現(xiàn)了MATLAB與Word的無縫連接，從而為專業(yè)科技工作者創(chuàng)造了融科學計算、圖形可視、文字處理于一體的高水準環(huán)境。1997年春，、。與 ，現(xiàn)今的MATLAB擁有更豐富的數(shù)據(jù)類型和結(jié)構、更友善的面向?qū)ο?、更加快速精良的圖形可視、更廣博的數(shù)學和數(shù)據(jù)分析資源、更多的應用開發(fā)工具。MATLAB提供了系統(tǒng)模型圖形輸入工具——simulink工具箱。在MATLAB中的電力系統(tǒng)模塊庫PSB以simulink為運算環(huán)境，涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動和電力系統(tǒng)等電工學科中常用的基本原件和系統(tǒng)仿真模型。它由以下6個子模塊組成：電源模塊庫、連接模塊庫、測量模塊庫、電力電子模塊庫、電機模塊庫、基本件模塊庫。在這6個基本模塊庫的基礎上，根據(jù)需要還可以組合出常用的、復雜的其他模塊添加到所需的模塊庫中，為電力系統(tǒng)的研究和仿真帶來更多的方便。按額定容量10kW設計三相逆變系統(tǒng)，三相交流側(cè)單相電壓有效值為220V，頻率50Hz。輸出功率為10KW。靜態(tài)仿真過程中。 開環(huán)仿真開環(huán)仿真是主電路仿真，仿真圖如圖41所示。圖41 開環(huán)仿真圖圖42是額定負載下的仿真圖，經(jīng)過一段時間后，電壓輸出波形穩(wěn)定。圖42開環(huán)仿真波形圖 圖43是額定阻性負載下的仿真圖，A相仿真波形圖，電壓電流同相位。圖43A相電壓電流阻性負載條件下仿真波形圖 閉環(huán)仿真圖44是三相逆變器雙閉環(huán)仿真圖。圖44 系統(tǒng)雙閉環(huán)仿真圖圖45是雙閉環(huán)靜態(tài)仿真圖，輸出比較穩(wěn)定，起始波形圖波動很小。在一定程度上減少了諧波輸出。圖45 閉環(huán)電壓仿真波形圖圖46 負載突變輸出側(cè)三相電壓波形，定時開關打開，負載變小，輸出電壓變小，經(jīng)過一段時間調(diào)整恢復正常。圖47突加負載后三相電流波形圖 ，負載變小，電流值增大。 本章小結(jié) 本章介紹了MATLAB的應用，并介紹了其的發(fā)展過程，分別對系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)進行了仿真，通過波形對比，突