1、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
2、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
3、 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
4、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 t 0） ： =A1X2） 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)A2X2 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
5、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 ：S m=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
6、 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 S 1=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
7、 （ 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 =u a (S1 S2)Ud（ 4）式 (2)变 为L =ub (S2 S1)Ud（ 5）而 对 于 直 流 侧 则 有C =i aS1 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 。3 PWM 整 流 器 的 控 制 方 案该 单 相 PWM 整
8、 流 器 的 控 制 框 图 如 图 2所 示 。 参 考 电 压 U dref与 直 流 侧 输 出 电 压 Ud的 差 值 经 PI调 节 后 ， 与正 弦 同 步 信 号 相 乘 ， 产 生 参 考 电 流 iref， 与 相 应 的 输 入 电 流 is(t)的 差 值 形 成 电 流 误 差 信 号 ， 该 误 差 信 号 经过 比 例 调 节 后 ， 加 上 相 应 的 输 入 电 压 的 前 馈 ， 得 到 调 制 波 信 号 ， 用 此 调 制 波 与 三 角 载 波 相 比 较 ， 就 得 到 相应 的 开 关 脉 冲 ， 经 输 出 去 控 制 理 想 开 关 。 图 24
9、 单 相 PWM整 流 器 的 Simulink模 型图 3为 用 Simulink中 的 模 块 搭 建 的 单 相 PWM 整 流 器 的 仿 真 模 型 ， 其 中 各 个 功 能 块 用 子 系 统 封 装 好 。 主要 有 控 制 功 能 块 （ 用 来 计 算 开 关 函 数 S1， S2， 从 而 作 为 后 级 的 输 入 ） ； 交 流 输 入 电 流 计 算 功 能 块 ； 直 流 输 出电 压 计 算 功 能 块 ； 除 此 外 ， 就 是 直 流 侧 电 压 指 令 ， 正 弦 同 步 信 号 功 能 块 ， 交 流 输 入 电 压 功 能 块 ， 三 角 载 波信 号
10、 功 能 块 ， 及 直 流 侧 反 电 势 功 能 块 （ 在 本 系 统 中 为 0） 。 考 虑 到 对 称 性 ， 凡 是 所 需 用 到 b相 的 信 号 ， 给 a相 信 号 乘 以 1就 可 以 了 。 图 3 单 相 PWM整 流 器 仿 真 模 型图 4是 各 仿 真 子 模 型 的 内 部 结 构 ， 可 见 交 流 输 入 电 流 计 算 功 能 块 和 直 流 输 出 电 压 计 算 功 能 块 完 全 是 由 状态 方 程 式 （ 4） ， （ 5） ， （ 6） 构 造 的 ， 而 开 关 函 数 的 产 生 则 是 由 控 制 策 略 决 定 的 。（ a） 交
11、流 输 入 电 流 计 算 模 块 （ b） 直 流 输 出 电 压 计 算 模 块 （ c） 开 关 函 数 S1， S2计 算 功 能 块图 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
12、 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
13、 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 。参 考 文 献1 Byoung-KukLee， Mehrdad Ehsani.A simplified functional simulation model for three-phase voltage-source inverter using switching function conceptJ.IEEE Trans.on IE,2001,48(2):309 321.2 董 晓 鹏 ， 王 兆 安 .基 于 改 进 周 期 平 均 模 型 的 PWM整 流 器 控 制 J.电 力 电 子 技 术 ,1999,(2):11 14.3 张 加 胜 .四 象 限 变 流 器 系 统 的 研 究 (博 士 学 位 论 文 )D.北 京 :北 方 交 通 大 学 ， 1997.4 陈 桂 明 .应 用 MATLAB建 模 与 仿 真 M.北 京 ： 科 学 出 版 社 ,2001
