基于双环控制功率逆变桥系统的Multisim仿真与分析

基于双环控制功率逆变桥系统的

Multisim仿真与分析

文亚凤

(华北电力大学信息工程系,北京　102206)

摘要:本文主要介绍了当前最新的EDA软件Multisim2001的强大功能及其特点,该软件为电力电子电路的计算机仿真提供了一种新方法。采用该软件对功率逆变桥双闭环系统进行了仿真与分析,获得了控制参数与系统性能之间的关系,提供了一个通用闭环系统的Multisim模型。

关键词:Multisim仿真;双闭环系统;功率逆变桥

中图分类号:TM464;TP39119　文献标识码:A　文章编号:100327241(2005)0720073203SimulationAnalysisofaDouble-Loop

PowerInverterUsingMultisim

WENYa-feng

(Dept.ofInformationEngineering,NCEPU(BJ),Beijing102206,China)

Abstract:TheEDAsoftwareMultisim2001isintroducedinthispaper.ItisanewtoolforcomputersimulationofPowerElectroniccircuits.Powerin2

verteradoublelooppowerinverterissimulatedbythesoftware,andtheMultisimmodelisalsogiven.

Keywords:Multisimsoftware;Powerinverter;Closed-loopcontrol

1　引言

随着控制技术的发展和对设备性能要求的不断提高,许多行业的用电设备不再直接接入交流电网,而是通过电力电子功率变换得到电能,它们的幅值、频率、稳定度及变化形式因用电设备的不同而不尽相同。如通信电源、电动机变频调速器、汽车电源、绿色照明电源等,它们所使用的电能都是通过对电网电能进行整流和逆变后得到的。因此,高质量的逆变电源已经成为电源技术的重要研究对象。

为了抑制干扰,进一步提高系统的动态和静态性能,采用多反馈技术,在引入电压反馈的同时,引入电流反馈,在反馈环中还要加入补偿网络。然而,随着闭环数目的增加,参数选择的难度也加大,系统测试和调试非常复杂,浪费了大量的人力和财力。于是,以计算机辅助分析和设计为基础的电子设计自动化

EDA应运而生,成为现代电力电子电路设计的关键技术,并得到

2　Multisim简介

Multisim是加拿大IIT公司2001年推出的最新版本的电路

模拟软件,用其分析和设计电力电子电路非常快捷和方便。

Multisim是EWB的升级版,它继承了EWB的许多优点:系统高

度集成,界面直观,操作方便;具有数字、模拟及数字Π模拟混合电路的仿真能力;分析和测试手段完备;提供了多种输入Π输出接口。另外,又进行了较大改进[1]:

(1)极大地扩充了元件数据库,有多种电力器件模型,SCR、TRIAC、IGBT、MOSFET;在电源库中有脉冲源,各种受控源,

便于实现电力电子器件所需的各种触发信号。特别是大量新增了与现实元件对应的实际模型,确保了仿真结果的真实性和实用性。

(2)允许用户自定义元器件的属性。

(3)允许把子电路当作一个元器件使用,从而增大了电路

广泛应用。

收稿日期:2005-01-18

的仿真规模。

(4)提供了多达十余种虚拟仪表,增加了功率表、失真分析

仪等新仪表。此外,还提供了十六种基本分析方法。

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《自动化技术与应用》2005年第24卷第7期

模式识别与仿真技术PatternRecognitionandSimulation　　(5)根据电路图形的大小,程序能自动调整电路窗口尺寸,不再需要人为设置。

(6)改进了元件之间的连接方式,允许连线任意走向。(7)综合模拟SPICE、VHDL和Vevilog功能,后处理功能,OLE功能以及PCB设计功能,都表现了高超的技术和卓越的性

3　双环控制功率逆变桥系统的仿真分

析

3.1　编辑电原理图

在电路窗口内,编辑好如图1所示的电原理图。

能。

图1　仿真电路图

　　从图1中可以看到,主电路是单相全桥逆变电路,L1是输出滤波电感,C2是输出滤波电容,负载任意,R2是输出电感等效电阻等各种阻尼因素的综合[2]。采用压控理想开关来代替桥臂中的主管,这样可以大大节省仿真时间。

采用带有电感电流瞬时值反馈的双环控制,这是因为电感电流等于电容电流与负载电流之和,一方面可对输出电压进行超前控制,以取得比较好的动态特性;另一方面电感电流中包含了负载电流,在输出负载极小的情况下,也能对输出电流进行有效控制。若采用电容电流反馈,要得到良好的扰动抑制效果,必将导致电流环的增益过大,这不仅仅对稳定性不利,而且造成超调增大,电流跟踪的快速性受到影响。检测输出电压不仅用于控制瞬时电压波形,而且实现输出电压解耦,减轻电流环控制器的负担。

电压环是外环,为电压峰值控制,采用比例积分调节器;电流环是内环,采用比例调节器。闭环控制系统的电路基本参数可以通过传递函数和控制理论相关方程推导来确定[3],通过调整电压、电流补偿器参数,确定仿真参数如下:电压环比例为

R12/R11=3,积分常数为R12C3=330μs,电流环比例系数为R15/

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R8=018,滤波环节参数及电压、电流采样环节的参数如图1所

示,开关频率选为10KHz,输入直流电压V2为300V。

3.2　仿真分析

断开电流环,对电压闭环电路进行瞬态分析,得到输出电压波形如图2所示。接通电压、电流环,对双闭环电路进行瞬态分析,得到输出电压波形如图3所示。当负载电流从3A突增到

7A时,输出电压波形如图4所示。可以看出双闭环情况下输出

电压波形有了极大的改善,具有良好的正弦波形和较小的脉动。

图2　电压闭环输出电压波形

为了对电路的性能指标进行优化,研究控制器参数对动静态特性的影响,可运用参数扫描分析。现在对电压环调节器中

|TechniquesofAutomation&Applications　模式识别与仿真技术PatternRecognitionandSimulation《自动化技术与应用》2005年第24卷第7期

图3　电压、电流双闭环输出电压波形图5　电容C不同参数时输出电压波形

4　结论

通过Multisim对功率逆变桥双闭环系统作了深入仿真与分析,确定了双闭环控制器的参数,提供了一个通用闭环系统的

Multisim模型。可以看出,用Multisim软件进行电力电子电路仿

真,非常方便安全,现象直观,结果精确。这将有助于技术人员从事大的、复杂的电力电子开、闭环的设计和开发。

图4　负载电流从3A突增到7A时,输出电压波形的电容C3进行参数扫描,启动Simulate菜单中Analyses下的ParameterSweep命令,得到C3在取111e-008、111e-007、111e-006三个不同参数时的输出电压波形如图5。可见C3在取111e-007参数时效果最好。

5　参考文献:

[1]　郑步生,吴渭.Multisim2001电路设计及仿真入门与应用[M].

北京:电子工业出版社,2002,2-3

[2]　王兆安,黄俊.电力电子技术(第四版)[M].北京:机械工业出版社,2004,50-51

[3]　丁强.功率逆变桥闭环控制系统的Saber仿真与分析[J].电力电子技术.2000,(1):46-48

作者简介:文亚凤(1968-),女,副教授,主要从事电力电子器件及应用方面的研究。

(上接第72页)

(e)=f′

大小来调节鼓风机的转速,以达到使SBR池中的DO保持稳定的目的。对于这样的闭环系统,用常规PID调节器来实现是困难的。通过分析,我们把系统状态分解为9种情况,采用模糊控制的策略进行处理。

表1是这9种情况以及相应的处理措施,其中

e=工艺要求值DO3-仪表测量值DO编号

12345

de=D(do3-do)Πdtdt

FOUT表示PLC要求变频器输出的频率;Fbig、Fmid、Fsmal分别表示在某条件下对FOUT进行适当修正,即频率输

出在原来的基础上增大或者减小一个较大(Fbig)、中等(Fmid)、较小(Fsmal)的值。Fbig、Fmid、Fsmal的具体大小根据经验及现场调试确定。通过表中所述的方法,系统能够较快地实现了对溶解氧DO的稳定控制。

编号6789

情况类别

|e|在容许的范围内

(e)≤f′0,e≤0,|e|超出稳定范围较大(e)Φ0,eΦ0,|e|超出稳定范围较小f′

(e)≤f′0,e≤0,|e|超出稳定范围较大(e)≤f′0,e≤0,|e|超出稳定范围较小

对应处理措施空操作,静观其变

FOUT=FOUT-FbigFOUT=FOUT-FmidFOUT=FOUT+FmidFOUT=FOUT+Fsmal

情况类别

(e)>0,e≤f′0,|e|超出稳定范围较大

对应处理措施

FOUT=FOUT-Fmid

smal

(e)>0,e≤f′0,|e|超出稳定范围较小FOUT=FOUT-F(e)>0,e>0,|e|超出稳定范围较大f′

(e)>0,e>0,|e|超出稳定范围较小f′

FOUT=FOUT+FbigFOUT=FOUT+Fmid

表1　PLC对变频器的输出控制分类

6　结束语

截止笔者发稿时,本文介绍的控制系统已经在台州某污水厂稳定运行约10个月,性能稳定,完全满足工艺要求,大大减轻了运行人员的劳动强度,得到了投资方和运行人员的好评。

本系统以业内具有良好声誉的软硬件为基础开发而成,功能强大,操作简单,界面友好,可供同行开发设计同类或者类似系统时参考借鉴。

7　参考文献:

[1]　王淑莹,彭永臻.SBR法计算机自动控制系统的研究[J].给水排水,2000,26(3):76-78

[2]　赵卫民.ASP.NET中实时图表的实现.http:ΠΠwww.ccw.com.cnΠcioΠresearchΠprogramΠhtm2003Π20030124-098AX-3.asp

[3]　郑晟,巩建平,张学.现代可编程序控制器原理与应用[M].北京:科学出版社,1999

作者简介:严求真(1972-),男,浙江衢州人,硕士研究生,主要研究方向为计算机智能系统。

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