單相PWM整流器的高品質輸入電流實現

摘要： 給出了一種基于Matlab/Simulink來建立雙閉環單相PWM整流器仿真模型的實現方法，提出了一種可以有效改善PWM整流器輸入電流波形的設計方法。仿真結果表明， 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， 通過控制方法的改進及控制算法的優化， 同時利用電壓外環PI控制器的自動調節能力， 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計方法， 同時給出了基于Matlab/Simulink建立的仿真模型。仿真結果表明，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整流器拓撲結構采用具有4個功率開關管的H橋結構。圖1所示是該單相全橋PWM整流器的拓撲結構。由圖1可見， 該結構由主電路開關管S1～S4、交流側電感L、等效電阻Rs、直流側電容Cd和負載Rl組成。

圖1 單相全橋PWM整流器的拓撲結構圖

　　單相電壓型PWM整流器控制系統的結構框圖如圖2所示， 圖中， 電流內環指令is*由電壓外環PI調節器輸出與同步信號合成而得。當負載電流增大時， 直流側電容C放電使其電壓udc下降， PI調節器的輸入出現正偏差， 則使其輸出Im增大， Im的增大又會使輸入電流增大， 也使直流側電壓回升， 從而到控制效果。當負載電流減小時， 調節過程和上述過程相反。

圖2 PWM 整流器的控制系統結構框圖

　　2 仿真實現

　　仿真時， 可以基于Matlab/Simulink來建立仿真模型， 其主電路參數選擇為： 交流側電感L選1.8 mH， 等效電阻Rs=0.06 Ω、直流側電容Cd=2.0μF、負載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， 從而實現了單位功率因數整流。其輸入電流近似為正弦波形， 但是， 諧波畸變率達到了9.29%， 其中主要是三次諧波。

圖3 輸入電流仿真結果波形圖

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?；诠β适睾阍砜梢杂嬎愕玫捷敵鲋绷麟妷簎dc與輸出直流電壓平均值、角頻率ω、直流側電容C以及負載R有如下關系：

　　為了簡化分析， 假設電壓環的PI控制器只含有比例環節kup， 那么， 經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， 因此直接導致指令電流is含有三次諧波。