單相PWM整流器的高品質(zhì)輸入電流實(shí)現(xiàn)

摘要： 給出了一種基于Matlab/Simulink來建立雙閉環(huán)單相PWM整流器仿真模型的實(shí)現(xiàn)方法，提出了一種可以有效改善PWM整流器輸入電流波形的設(shè)計方法。仿真結(jié)果表明， 該方法對輸入電流中的三次諧波分量能夠起到明顯的抑制作用， 可以得到高質(zhì)量的輸入電流波形。

　　0 引言

　　單相PWM整流器相對于三相PWM整流器來說， 所需要的功率開關(guān)器件少， 造價低廉， 適合在中小功率場合使用。為此， 本文從單相PWM整流電路出發(fā)， 通過控制方法的改進(jìn)及控制算法的優(yōu)化， 同時利用電壓外環(huán)PI控制器的自動調(diào)節(jié)能力， 提出了一種簡單有效的改善輸入電流波形，以濾除三次諧波的設(shè)計方法， 同時給出了基于Matlab/Simulink建立的仿真模型。仿真結(jié)果表明，該方法能夠有效抑制輸入電流中的三次諧波。

　　1 PWM整流電路的控制方法

　　單相全橋PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用具有4個功率開關(guān)管的H橋結(jié)構(gòu)。圖1所示是該單相全橋PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由圖1可見， 該結(jié)構(gòu)由主電路開關(guān)管S1～S4、交流側(cè)電感L、等效電阻Rs、直流側(cè)電容Cd和負(fù)載Rl組成。

圖1 單相全橋PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

　　單相電壓型PWM整流器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示， 圖中， 電流內(nèi)環(huán)指令is*由電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出與同步信號合成而得。當(dāng)負(fù)載電流增大時， 直流側(cè)電容C放電使其電壓udc下降， PI調(diào)節(jié)器的輸入出現(xiàn)正偏差， 則使其輸出Im增大， Im的增大又會使輸入電流增大， 也使直流側(cè)電壓回升， 從而到控制效果。當(dāng)負(fù)載電流減小時， 調(diào)節(jié)過程和上述過程相反。

圖2 PWM 整流器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　2 仿真實(shí)現(xiàn)

　　仿真時， 可以基于Matlab/Simulink來建立仿真模型， 其主電路參數(shù)選擇為： 交流側(cè)電感L選1.8 mH， 等效電阻Rs=0.06 Ω、直流側(cè)電容Cd=2.0μF、負(fù)載Rl=25 。輸入電壓取幅值為100 V的正弦交流信號， 輸出直流參考為200 V。輸入電流的仿真結(jié)果如圖3所示， 圖4所示是其輸入電流快速傅里葉分析圖(FFT)。

　　上述仿真結(jié)果表明， 單相PWM整流器的輸入電壓和輸入電流基本同相位， 從而實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)整流。其輸入電流近似為正弦波形， 但是， 諧波畸變率達(dá)到了9.29%， 其中主要是三次諧波。

圖3 輸入電流仿真結(jié)果波形圖

圖4 輸入電流的FFT分析圖

　　3 輸入電流波形的改善

　　從圖3所示的輸入電流波形仿真曲線可以看出， 輸入電流畸變比較嚴(yán)重， 而從圖4中的快速傅里葉分析(FFT) 可知， 而輸入電流中除了基波成分外， 還含有大量三次諧波。基于功率守恒原理可以計算得到輸出直流電壓udc與輸出直流電壓平均值、角頻率ω、直流側(cè)電容C以及負(fù)載R有如下關(guān)系：

　　為了簡化分析， 假設(shè)電壓環(huán)的PI控制器只含有比例環(huán)節(jié)kup， 那么， 經(jīng)過電壓控制器得到的指令電流的幅值為：

　　指令電流為：

　　由式(1) ～ (3) 可得， 輸出直流電壓udc中的二次諧波使得指令電流is的幅值Im含有一定量的二次諧波， 因此直接導(dǎo)致指令電流is含有三次諧波。