应用Matlab仿真单相PWM整流器的一种简单方法

应用Matlab仿真单相PWM一种简单的单方法

金新民，叶齐峰

(北京交通大学电气工程学院10004)

摘要：基于单相PWM基于整流器的结构和工作原理Matlab仿真模型具有原理清晰、仿真时间短、资源占用少的优点。

关键词：PWM整流器；Matlab；仿真

A Simplified Method for Simulating Single Phase PWM Rectifier by Using Matlab

YE Qi- feng, JIN Xin- min

Abstract:A simulation model for a single phase PWM rectifier using Matlab is introduced, which has the advantage of distinct principle, short simulation time and consuming relative little resource.

Keywords:PWM rectifier； Matlab； Simulation

1 引言

高功率因数PWM在整流器的设计中，通常需要模拟控制策略。在常用的电力电子仿真工具中，Pspice，Saber仿真时间长，产生大量中间数据，占用资源多，会造成不收敛问题，适用于电路级仿真[1]。而Matlab在描述功率变换状态方程的基础上，电路易于使用Matlab中的Simulink内部函数模块表示，各种控制算法易于实现，无需应用实际元件模型，降低了模拟操作的难度。由于PWM类型功率变换器是一种强非线性电路[3](电子开关设备在一个周期内在饱和区域工作，在截止区域工作)或间歇性(即根据时间分段线性，电路在几个时间段内是线性的，但拓扑结构不同)或时间变化(电子开关设备导通时电阻小，截止时电阻大)。因此，对变换器电路动态特性的分析方法比较复杂，阻碍了变换器系统动态分析和设计的顺利进行。将状态空间平均法应用于功率变换器的建模是一种简单有效的研究方法。当变流器在连续导电模式下运行，忽略其开关过程时，即开关动作在连续导电模式下工作PWM两个线性非时变电路可以表示变流器。它们对应于一个周期中的两个开关状态，设置其状态空间方程

1)时间间隔DT(0≤t≤t0)：

=A1X

2)时间间隔(1-D)T(t0≤t≤T)：

=A2X

式中T为PWM开关周期，D占空比，X状态向量，A1，A2.系统矩阵将上述两个开关模型集成为平均模型

=[DA1＋(1－D)A2]X

2 单相PWM数学模型的整流器

单相PWM整流器主电路如图1所示。忽略电感中的等效电阻，用理想的开关S代替模拟中的实际设备，并将与开关设备并联的快速恢复二极管的功能集成到理想的开关中。当其中一个被引导时，理想的开关被引导。开关函数定义如下：

Sm=1(Sm′=0)上桥臂理想开关导通，下桥臂理想开关断开

Sm=0(Sm′=1)上桥臂理想开关断裂，下桥臂理想开关导通。

图1 PWM整 流 器 主 电 路 图

考虑到单相电路的对称性，把单相电路看作两个双半桥单元，相应地把单相电源分为两个电源，ua=－ub=un电感也分为La=Lb=Ls/2，这样就可以得到基于开关函数的单相PWM整流器的状态方程，

对于a相

L

=ua－(uDN＋uNO) (1)

当S1=1,S1′=0,uDN=Ud

当S1=0,S1′=1,uDN=0

所以公式(1)可以写成

L

=ua－(S1Ud＋UNO) (2)

同可以得到

L

=ub－(S2Ud＋UNO) (3)

加入式(2)式(3)并注意ia＋ib=0，ua＋ub=0可以得到

uNO=－

(S1＋S2)Ud

变成这种风格(1)

L

=ua－

(S1－S2)Ud(4)

式(2)变为

L

=ub－

(S2－S1)Ud(5)

还有直流侧

C

=iaS1＋ibS2－

(6)

图1中，eL=0

(4)，(5)，(6)得到单相PWM关于开关函数状态方程的整流器。这是为了使用Simulink模拟模型的构建提供了相应的基础。

3 PWM控制整流器

该单相PWM如图2所示。参考电压Udref与直流侧输出电压Ud的差值经PI调整后，乘以正弦同步信号，产生参考电流iref，相应的输入电流is(t)差值形成电流误差信号。比例调整后，加上相应的输入电压前馈，得到调制波信号。与三角载波相比，得到相应的开关脉冲，输出控制理想的开关。

图2

4 单相PWM整流器的Simulink模型

图3为用Simulink单相由模块构建PWM用子系统包装整流器的模拟模型。主要有控制功能块(用于计算开关函数S1，S2.作为后输入)；交流输入电流计算功能块；DC输出电压计算功能块；此外，DC侧电压指令、正弦同步信号功能块、交流输入电压功能块、三角载波信号功能块、DC侧反电势功能块(系统为0)。考虑到对称性，所有需要使用b相的信号都可以乘以a相信号-1。

图 3 单 相 PWM整 流 器 仿 真 模 型

图4是各模拟子模型的内部结构。可以看出，交流输入电流计算功能块和直流输出电压计算功能块完全由状态方程式（4）、（5）和（6）构建，开关函数的产生由控制策略决定。

(a) 交 流 输 入 电 流 计 算 模 块 (b) 直 流 输 出 电 压 计 算 模 块

(c) 开 关 函 数S1，S2计 算 功 能 块

图4各 仿 真 子 模 型 的 内 部 结 构

5 波形及结果分析

图5是相应的模拟波形。可以看出，直流侧电压稳定在给定值，交流侧电流与电压相同，基本保持 正 弦 形 状 ， 交 流 输 入 电 流 很 好 地 跟 踪 了 指 令 电 流 。

(a) 直 流 侧 电 压 仿 真 波 形

(b)交流侧电压和电流模拟波形

( c) 指 令 电 流 与 输 入 电 流 仿 真 波 形

图5仿真波形

同时，单相PWM以单片机80为对象，建立了整流器C196MC输入电压为68V,输出电压为120V,开关频率为2kHz,图6给出了实验波形。

(a) 交 流 电 压 与 输 入 电 流 实 验 波 形

(b) 直 流 输 出 电 压 实 验 波 形

图6 实 验 波 形

6 结语

该模拟方法具有原理清晰、实现简单、模拟速度快等优点，易于推广到三相PWM模拟整流器是模拟电力电子系统的捷径。

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