單相PWM整流器的建模與仿真分析＊

2011-06-06 10:07:00秦立新

艦船電子工程 2011年12期

秦立新

（海軍駐上海江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室上海 200023）

1 引言

隨著電力電子技術、自動控制技術的發展，船用晶閘管、IGBT、MOSFET等大功率電力半導體器件的出現，以PWM、SPWM、SAPWM為主的各類功率轉換技術在機電控制［1］領域得到了廣泛的應用。本文在三相VSR整流模型［2］的基礎之上，對單相VSR整流原理進行系統分析，建立電流內環、電壓外環的雙閉環控制整流模型，在Simulink環境下進行了仿真和性能分析。

2 單相PWM整流控制器整流原理

單相VSR全控整流器拓撲結構如圖1所示，控制器通過對電路參數進行采樣，輸出可控的PWM波對T1～T4四只功率管實現全控整流［3］，將vdc的電壓控制在給定電壓v＊dc附近，下面我們對單相PWM整流的原理進行分析。

圖1 單相VSR全控整流器

假如忽略功率開關管的功率損耗［4］，交流側輸入功率與直流側所消耗的功率平衡：

由式（1）可知，電路中交流側和直流側可以相互控制，在直流側負載不變的情況下，若控制交流的輸入功率不變，直流側電壓可保持恒定。PWM整流控制，一般使用電流內環，電壓外環的控制策略，通過電壓外環使直流側的輸出電壓vdc保持在設定值v＊dc，通過電流內環控制網側電流is的幅值和相位，保持電流is與電壓us同相位，從而實現單位功率因數整流。

3 單相PWM整流器電流內環控制器的設計［5］

為了提高轉換效率、實現單位功率因數整流和改變虛擬電子負載的性質［3］，電流內環控制的作用就是使網側電流跟蹤電壓外環給定的電流指令進行隨動控制。為了方便分析，我們假設電壓外環輸出的網側電流指令為i＊s，電流內環采用PI調節。

針對圖1所示的單相全橋VSR整流電路，若采用雙極性調制，可以用雙極性二值開關邏輯函數s（t）來描述開關管的工作狀態［1］，即

此時網側電壓和網測電流滿足如下關系：

若忽略PWM的諧波分量，開關函數可寫成如下形式

其中m為PWM的調制比，φ為s（t）基波的初始相角，根據式（3）、（4）和式（5）則

根據式（3）通過對i＊s－is得到的偏差進行PI控制［6］，控制器的輸出調節PWM的調制比m，可以實現對網側電壓uab的控制。根據式（7），對網側電壓uab的控制就可以實現對網側電流的控制。根據上述分析我們可以畫出電流內環的控制框圖如圖2所示。

圖2 電流內環控制框圖

4 單相PWM整流器電壓外環控制器的設計［7］

對電壓外環控制，將直流側電壓vdc與電壓設定值v＊dc進行比較得到偏差v＊dc－vdc，然后進行PI控制，輸出電流內環電流is的幅值Ism。電壓外環實際上是定值控制，將直流側的電壓控制在給定值。為方便起見我們把電流內環的傳遞函數記為wci（s），為了進行單位功率因數整流，需要對電流內環的輸入電流i＊s進行相位控制，要保持網側電流is與交流電壓源電壓us保持同步，通過鎖相環模塊檢測us的相位φ和角頻率ω［8，11］，令