应用Matlab仿单相PWM整流器的一种简单方法

摘要：基于单相PWM整流器的结构和工作原理,建立了一种基于Matlab的仿真模型,具有原理清晰,仿真时间短,占用资源少的优点。

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

在高功率因数PWM整流器的设计中，通常需要对控制策略进行仿真。常用的电力电子仿真工具中，Pspice，Saber仿真时间长，产生大量的中间数据，占用资源多，会引起不收敛问题，适合于电路级仿真[1]。而Matlab以描述功率变换的状态方程为基础，有了状态方程，电路很容易用Matlab中的Simulink里的函数模块来表述，而且各种控制算法容易实现，而不必应用实际的元器件模型，减小了仿真运算的难度。由于PWM型功率变换器是一类强非线性（电子开关器件在一个周期中既工作在饱和区又工作在截止区）或断续（即按时间分段线性，在几个时间段内电路都是线性的，但拓扑结构不同）或时变（电子开关器件导通时的电阻很小，截止时的电阻很大）的电路[3]。因此，变换器电路动态特性的解析分析方法较复杂，阻碍了这类变换器系统的动态分析与设计的顺利进行。而把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。当变流器运行于连续导电模式，并忽略其开关过程，即认为开关动作是瞬时完成的，这样，一个工作于连续导电模式下的PWM变流器可以用两个线性非时变电路来表示。它们与一个周期中的两种开关状态相对应，设其状态空间方程分别为

1）在时间间隔DT（0≤t≤t0）：=A1X

2）在时间间隔（1－D）T（t0≤t≤T）：=A2X

式中T为PWM开关周期，D是其占空比，X为状态向量，A1，A2为系统矩阵，将上述两个开关模型综合为一个平均模型为

=[DA1＋(1－D)A2]X

2 单相PWM整流器的数学模型

单相PWM整流器主电路如图1所示。忽略电感中的等效电阻，在仿真中用理想开关S来代替实际器件,并把与开关器件并联的快恢复二极管的作用融入到理想开关中，当其中之一导通时，即认为该理想开关导通。用以下方式来定义开关函数：

Sm=1（Sm′=0）上桥臂理想开关导通，下桥臂理想开关关断

Sm=0（Sm′=1）上桥臂理想开关关断，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/2，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

因此式(1)可以写为

L=ua－(S1Ud＋UNO) （2）

同理可以得到

L=ub－(S2Ud＋UNO) （3）

式（2）式（3）相加,并注意到ia＋ib=0，ua＋ub=0可以得到

uNO=－(S1＋S2)Ud

这样式(1)变为

L=ua－(S1－S2)Ud（4）

式(2)变为

L=ub－(S2－S1)Ud（5）

而对于直流侧则有

C=iaS1＋ibS2－（6）

图1中，eL=0

利用式(4)，(5)，(6)就得到了单相PWM整流器关于开关函数的状态方程。这就为用Simulink搭建仿真模型提供了相应的基础。 [p] [p]

图4各 仿 真 子 模 型 的 内 部 结 构

5 波形及结果分析

图5是相应的仿真波形。可以看到，直流侧电压稳定在给定值，交流侧电流与电压同相位，并基本保持 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）交流侧电压与电流仿真波形

（ c） 指 令 电 流 与 输 入 电 流 仿 真 波 形

图5仿真波形

同时,以单相PWM整流器为对象,建立了一个以单片机80C196MC为核心的实验系统,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

该仿真方法具有原理清晰，实现简单，仿真速度快等优点，而且很容易推广到三相PWM整流器的仿真,不失为仿真电力电子系统的一种捷径。