單相PWM整流器的高品質(zhì)輸入電流實(shí)現(xiàn)

 摘要： 給出了一種基于Matlab/Simulink來建立雙閉環(huán)單相PWM整流器仿真模型的實(shí)現(xiàn)方法，提出了一種可以有效改善PWM整流器輸入電流波形的設(shè)計(jì)方法。仿真結(jié)果表明， 該方法對輸入電流中的三次諧波分量能夠起到明顯的抑制作用， 可以得到高質(zhì)量的輸入電流波形。

　　0 引言

　　單相PWM整流器相對于三相PWM整流器來說， 所需要的功率開關(guān)器件少， 造價(jià)低廉， 適合在中小功率場合使用。為此， 本文從單相PWM整流電路出發(fā)， 通過控制方法的改進(jìn)及控制算法的優(yōu)化， 同時利用電壓外環(huán)PI控制器的自動調(diào)節(jié)能力， 提出了一種簡單有效的改善輸入電流波形，以濾除三次諧波的設(shè)計(jì)方法， 同時給出了基于Matlab/Simulink建立的仿真模型。仿真結(jié)果表明，該方法能夠有效抑制輸入電流中的三次諧波。

　　1 PWM整流電路的控制方法

　　單相全橋PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用具有4個功率開關(guān)管的H橋結(jié)構(gòu)。圖1所示是該單相全橋PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由圖1可見， 該結(jié)構(gòu)由主電路開關(guān)管S1～S4、交流側(cè)電感L、等效電阻Rs、直流側(cè)電容Cd和負(fù)載Rl組成。

圖1 單相全橋PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

　　單相電壓型PWM整流器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示， 圖中， 電流內(nèi)環(huán)指令is*由電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出與同步信號合成而得。當(dāng)負(fù)載電流增大時， 直流側(cè)電容C放電使其電壓udc下降， PI調(diào)節(jié)器的輸入出現(xiàn)正偏差， 則使其輸出Im增大， Im的增大又會使輸入電流增大， 也使直流側(cè)電壓回升， 從而到控制效果。當(dāng)負(fù)載電流減小時， 調(diào)節(jié)過程和上述過程相反。

圖2 PWM 整流器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　2 仿真實(shí)現(xiàn)

　　仿真時， 可以基于Matlab/Simulink來建立仿真模型， 其主電路參數(shù)選擇為： 交流側(cè)電感L選1.8 mH， 等效電阻Rs=0.06 Ω、直流側(cè)電容Cd=2.0μF、負(fù)載Rl=25 。輸入電壓取幅值為100 V的正弦交流信號， 輸出直流參考為200 V。輸入電流的仿真結(jié)果如圖3所示， 圖4所示是其輸入電流快速傅里葉分析圖(FFT)。

　　上述仿真結(jié)果表明， 單相PWM整流器的輸入電壓和輸入電流基本同相位， 從而實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)整流。其輸入電流近似為正弦波形， 但是， 諧波畸變率達(dá)到了9.29%， 其中主要是三次諧波。

圖3 輸入電流仿真結(jié)果波形圖

圖4 輸入電流的FFT分析圖

　　3 輸入電流波形的改善

　　從圖3所示的輸入電流波形仿真曲線可以看出， 輸入電流畸變比較嚴(yán)重， 而從圖4中的快速傅里葉分析(FFT) 可知， 而輸入電流中除了基波成分外， 還含有大量三次諧波。基于功率守恒原理可以計(jì)算得到輸出直流電壓udc與輸出直流電壓平均值、角頻率ω、直流側(cè)電容C以及負(fù)載R有如下關(guān)系：

　　為了簡化分析， 假設(shè)電壓環(huán)的PI控制器只含有比例環(huán)節(jié)kup， 那么， 經(jīng)過電壓控制器得到的指令電流的幅值為：

　　指令電流為：

　　由式(1) ～ (3) 可得， 輸出直流電壓udc中的二次諧波使得指令電流is的幅值Im含有一定量的二次諧波， 因此直接導(dǎo)致指令電流is含有三次諧波。[!--empirenews.page--]

　　假如式(2) 中的指令電流幅值Im不含二次諧波，那么， 指令電流is中的三次諧波就可以完全消除。

　　本文利用電壓外環(huán)PI控制器的自動調(diào)節(jié)能力， 提出了一種簡單有效的方法， 以期對Im每隔Ts/2周期進(jìn)行一次采樣保持， 其仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性。

　　輸入電流的濾波原理如圖5所示。若對指令電流is的幅值Im進(jìn)行采樣， 在TA時刻， 采樣點(diǎn)為圖中的A點(diǎn)， 二次諧波相位為φ， 那么有：

　圖5 輸入電流濾波原理.

　　若用零階保持器使Im=IA保持半個周期再進(jìn)行采樣， 那么， 在下一個采樣點(diǎn)B點(diǎn)， 有：

　　再依此規(guī)律進(jìn)行采樣保持， 可得出指令電流幅值為：

　　這樣， 指令電流is的幅值Im就優(yōu)化為一個固定值。

　　同理， 假如在TD時刻進(jìn)行采樣， 采樣點(diǎn)為圖中的D點(diǎn)， 二次諧波相位為φ， 那么， 指令電流幅值就會在直線DE上下波動。此時有：

　　對于一個特定的系統(tǒng)， 指令電流幅值Im是一定的， 即ImA=ImD。利用電壓外環(huán)PI控制器的自動調(diào)節(jié)功能抬升或拉低PI控制器的輸出， 就可實(shí)現(xiàn)指令電流幅值Im的自動調(diào)節(jié)。假定指令電流幅值Im是沿著直線ABC的， 則有Im=IA。若采樣的時刻點(diǎn)是TD+TsN/2， 則采樣點(diǎn)勢必會在直線DE上。而由于PI控制器具有自動調(diào)節(jié)能力， 其輸出自然就會被抬升， 這將使得直線DE與直線ABC重合。

　　將該方法應(yīng)用于仿真模型，所得到改善后的輸入電流波形如圖6所示。

　　圖7所示是改善后的輸入電流的FFT分析圖。

圖6 改善后的輸入電流波形

圖7 改善后的輸入電流FFT分析

　　由圖可見， 改善后的輸入電流諧波畸變率只有3.31%， 相對改善前有大幅度的減小。三次諧波得到了理想的抑制， 輸入電流波形更加接近正弦。從而驗(yàn)證了本文提出的改善電流波形方法的有效性。

　　4 結(jié)束語

　　本文在Matlab/Simulink環(huán)境下對單相PWM整流器進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果證明， 本文提出的改善輸入電流的方法可以有效濾除輸入電流中的三次諧波， 從而得到高質(zhì)量的輸入電流。