单相PWM整流电路的建模及应用仿真.docx

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单相PWM整流电路的建模及应用仿真

单相PWM整流电路的建模及应用仿真

第一章单相ＰＷＭ整流器工作原理

图1-1全桥型单相PWM整流器拓扑结构

全桥型单相PWM整流器，它有两个关键性能指标：

一是取得稳固的输出直流母线电压，二是使得输入功率因数为1。

要达到这两个目标，需要对输入电流和直流母线电压进行操纵，其中输入电流的操纵是输出电压操纵的基础，而输入电流操纵能够通过操纵整流桥交流侧的基波电压幅值和相位来实现。

电压型单相PWM整流桥的交流侧基波电压操纵有两种PWM调制方式——单极性PWM调制和双极性PWM调制。

采纳单极性PWM调制策略，PWM整流桥交流侧电压Uab（t）将显现三个值，即Udc、0、-Udc。

其中，在输入交流电压基波正半周，Uab（t）在Udc和0间切换，当网侧电压处于负半周时，Uab（t）在-Udc和0间切换。

故采纳单极性PWM调制时，VSSR电路存在四种工作模式，如表1-1所示。

表1-1单极性PWM调制的工作模式

其中，模式3和模式4将使单相整流桥交流侧电压Uab（t）=0。

值得注意的是，当输入电流方向不同时，每一个工作模式有不同的电流回路。

故单极性PWM调制总共存在六种电流路，如图1-2所示，图中的电压和电流方向表示参考方向。

图1-2a）所示电路中VSSR工作在模式2，同时输入电流is>0。

现在电流流经L−R−S2−C−S3−us，si继续增加，电感电压大于零，其储能增大，电容给负载供电，并与电源一起向电感充电。

图1-2b）所示电路中，VSSR工作在模式4，同时输入电流si>0。

现在电流流经L−R−S2−D4−us，si继续增加，电感电压大于零，其储能增大，电容给负载供电，电源向电感充电。

图1-2c）所示电路中，VSSR工作在模式1，同时输入电流si>0。

现在电流流经L−R−D1−C−D4−us，si减小，电感电压小于零，其储能减小，电源和电感一起向电容充电，并给负载供电。

图1-2d）所示电路中，VSSR工作在模式1，同时输入电流si<0。

现在电流流经us−S4−C−S1−R−L，si增加，电感电压小于零，其储能增大，电容给负载供电，并与电源一起向电感充电。

图1-2e）所示电路中，VSSR工作在模式3，同时输入电流si<0。

现在电流流经us−D3−S1−R−L，si增加，电感电压小于零，其储能增大，电容给负载供电，电源向电感充电.

图1-2f）所示电路中，VSSR工作在模式2，同时输入电流si<0。

现在电流流经us−D3−C−D2−R−L，si继续减小，电感电压大于零，其储能减小，电源和电感一起向电容充电，并给负载供电。

依照以上分析，单相PWM整流器进行单极性PWM调制时等效于一个Boost型电路，通过其交流侧电感储能和直流侧电容稳压取得比网侧电压幅值更高的输出母线电压。

图1-2单极性PWM调制等效电路

与单极性PWM调制策略不同，进行双极性PWM调制时，单相整流桥交流侧Uab（t）将显现两个不同的值：

udc和−udc。

现在，VSSR电路只有两种工作模式，如表2-2所示。

单极性PWM调制的等效开关频率是双极性PWM调制的两倍，采纳单极性PWM调制策略能够在降低开关损耗的同时，使单相整流桥交流侧电压的THD更小，从而使输入电流的波动更小。

第二章单相PWM整流操纵器整流原理

假设忽略功率开关管的功率损耗，交流侧输入功率与直流侧所消耗的功率平稳：

UabIs＝VdcIdc（１）

由式（１）可知，电路中交流侧和直流侧能够彼此操纵，在直流侧负载不变的情形下，假设操纵交流的输入功率不变，直流侧电压可维持恒定。

ＰＷＭ整流操纵，一样利用电流内环，电压外环的操纵策略，通过电压外环使直流侧的输出电压vdc维持在设定值ｖ*dc，通过电流内环操纵网侧电流iｓ的幅值和相位，维持电流is与电压us同相位，从而实现单位功率因数整流。

单相ＰＷＭ整流器电流内环操纵器

为了提高转换效率、实现单位功率因数整流和改变虚拟电子负载的性质，电流内环操纵的作用确实是使网侧电流跟踪电压外环给定的电流指令进行随动操纵。

为了方便分析，咱们假设电压外输出的网侧电流指令为I*s，电流内环采纳PI调剂。

依照式Uab=UdcS（t）通过对I＊ｓ－Iｓ取得的误差进行PI操纵，操纵器的输出调剂PWM的调制比m，能够实现对网侧电压Uab的操纵。

依照式

，对网侧电压Uab的操纵就能够够实现对网侧电流的操纵。

电流内环的操纵框图如下图：

单相ＰＷＭ整流器电压外环操纵器

对电压外环操纵，将直流侧电压Vｄｃ与电压设定值V*ｄｃ进行比较得误差V*ｃ－Vdc，然后进行PI操纵，输出电流内环电流Is的幅值Ism。

电压外环事实上是定值操纵，将直流侧的电压操纵在给定值。

为方便起见咱们把电流内环的传递函数记为Wｃｉ（ｓ），为了进行单位功率因数整流，需要对电流内环的输入电流I*ｓ进行相位操纵，要维持网侧电流Iｓ与交流电压源电压Uｓ维持同步，通过锁相环模块检测Uｓ的相位φ和角频率ω令

i*ｓ＝Iｓｍsin（wt＋φ）

依照ＫＣＬ定律列出直流侧电流方程：

进行拉氏变换得：

能够取得电压外环的操纵框图，如图３所示。

第三章基于Simulink下ＰＷＭ操纵器

仿真与分析

在Simulink应用环境下，依照操纵逻辑图搭建整流操纵模型，在操纵模型中对设计的参数整定和仿真。

仿真进程中设定电源电压为AC220v，网侧电感，直流侧电容为，搭建的仿真模型如图

PWM整流器simulink模型

PWM波形

当网侧电压与电流同相是仿真结果如下：

网侧电压与电流波形

直流侧电压

直流侧电流

当电压与电流不同相时仿真结果如下：

网侧电压与电流波形

直流电压

直流电流

结论：

本文以单相PWM整流电路作为研究对象，对它的工作原理进行了透彻的分析。

对整流电路的跟从网侧电流操纵策略进行了理论分析和仿真研究，而且依照PLL模块，对仿真电路进行网侧电压与电流是不是同相进行了比较。