单相PWM整流器的高品质输入电流实现

  摘要： 给出了一种基于Matlab/Simulink来建立双闭环单相PWM整流器仿真模型的实现方法，提出了一种可以有效改善PWM整流器输入电流波形的设计方法。仿真结果表明， 该方法对输入电流中的三次谐波分量能够起到明显的抑制作用， 可以得到高质量的输入电流波形。

　　0 引言

　　单相PWM整流器相对于三相PWM整流器来说， 所需要的功率开关器件少， 造价低廉， 适合在中小功率场合使用。为此， 本文从单相PWM整流电路出发， 通过控制方法的改进及控制算法的优化， 同时利用电压外环PI控制器的自动调节能力， 提出了一种简单有效的改善输入电流波形，以滤除三次谐波的设计方法， 同时给出了基于Matlab/Simulink建立的仿真模型。仿真结果表明，该方法能够有效抑制输入电流中的三次谐波。

　　1 PWM整流电路的控制方法

　　单相全桥PWM整流器拓扑结构采用具有4个功率开关管的H桥结构。图1所示是该单相全桥PWM整流器的拓扑结构。由图1可见， 该结构由主电路开关管S1～S4、交流侧电感L、等效电阻Rs、直流侧电容Cd和负载Rl组成。

图1 单相全桥PWM整流器的拓扑结构图

　　单相电压型PWM整流器控制系统的结构框图如图2所示， 图中， 电流内环指令is*由电压外环PI调节器输出与同步信号合成而得。当负载电流增大时， 直流侧电容C放电使其电压udc下降， PI调节器的输入出现正偏差， 则使其输出Im增大， Im的增大又会使输入电流增大， 也使直流侧电压回升， 从而到控制效果。当负载电流减小时， 调节过程和上述过程相反。

图2 PWM 整流器的控制系统结构框图

　　2 仿真实现

　　仿真时， 可以基于Matlab/Simulink来建立仿真模型， 其主电路参数选择为： 交流侧电感L选1.8 mH， 等效电阻Rs=0.06 Ω、直流侧电容Cd=2.0μF、负载Rl=25 。输入电压取幅值为100 V的正弦交流信号， 输出直流参考为200 V。输入电流的仿真结果如图3所示， 图4所示是其输入电流快速傅里叶分析图(FFT)。

　　上述仿真结果表明， 单相PWM整流器的输入电压和输入电流基本同相位， 从而实现了单位功率因数整流。其输入电流近似为正弦波形， 但是， 谐波畸变率达到了9.29%， 其中主要是三次谐波。

图3 输入电流仿真结果波形图

图4 输入电流的FFT分析图

　　3 输入电流波形的改善

　　从图3所示的输入电流波形仿真曲线可以看出， 输入电流畸变比较严重， 而从图4中的快速傅里叶分析(FFT) 可知， 而输入电流中除了基波成分外， 还含有大量三次谐波。基于功率守恒原理可以计算得到输出直流电压udc与输出直流电压平均值、角频率ω、直流侧电容C以及负载R有如下关系：

　　为了简化分析， 假设电压环的PI控制器只含有比例环节kup， 那么， 经过电压控制器得到的指令电流的幅值为：

　　指令电流为：

　　由式(1) ～ (3) 可得， 输出直流电压udc中的二次谐波使得指令电流is的幅值Im含有一定量的二次谐波， 因此直接导致指令电流is含有三次谐波。 [p]

　　假如式(2) 中的指令电流幅值Im不含二次谐波，那么， 指令电流is中的三次谐波就可以完全消除。

　　本文利用电压外环PI控制器的自动调节能力， 提出了一种简单有效的方法， 以期对Im每隔Ts/2周期进行一次采样保持， 其仿真结果验证了该方法的可行性。

　　输入电流的滤波原理如图5所示。若对指令电流is的幅值Im进行采样， 在TA时刻， 采样点为图中的A点， 二次谐波相位为φ， 那么有：

　图5 输入电流滤波原理.

　　若用零阶保持器使Im=IA保持半个周期再进行采样， 那么， 在下一个采样点B点， 有：

　　再依此规律进行采样保持， 可得出指令电流幅值为：

　　这样， 指令电流is的幅值Im就优化为一个固定值。

　　同理， 假如在TD时刻进行采样， 采样点为图中的D点， 二次谐波相位为φ， 那么， 指令电流幅值就会在直线DE上下波动。此时有：

　　对于一个特定的系统， 指令电流幅值Im是一定的， 即ImA=ImD。利用电压外环PI控制器的自动调节功能抬升或拉低PI控制器的输出， 就可实现指令电流幅值Im的自动调节。假定指令电流幅值Im是沿着直线ABC的， 则有Im=IA。若采样的时刻点是TD+TsN/2， 则采样点势必会在直线DE上。而由于PI控制器具有自动调节能力， 其输出自然就会被抬升， 这将使得直线DE与直线ABC重合。

　　将该方法应用于仿真模型，所得到改善后的输入电流波形如图6所示。

　　图7所示是改善后的输入电流的FFT分析图。

图6 改善后的输入电流波形

图7 改善后的输入电流FFT分析

　　由图可见， 改善后的输入电流谐波畸变率只有3.31%， 相对改善前有大幅度的减小。三次谐波得到了理想的抑制， 输入电流波形更加接近正弦。从而验证了本文提出的改善电流波形方法的有效性。

　　4 结束语

　　本文在Matlab/Simulink环境下对单相PWM整流器进行了仿真研究。仿真结果证明， 本文提出的改善输入电流的方法可以有效滤除输入电流中的三次谐波， 从而得到高质量的输入电流。