應用Matlab仿單相PWM整流器的一種簡單方法

摘要：基于單相PWM整流器的結構和工作原理,建立了一種基于Matlab的仿真模型,具有原理清晰,仿真時間短,占用資源少的優點。

關鍵詞：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

在高功率因數PWM整流器的設計中，通常需要對控制策略進行仿真。常用的電力電子仿真工具中，Pspice，Saber仿真時間長，產生大量的中間數據，占用資源多，會引起不收斂問題，適合于電路級仿真[1]。而Matlab以描述功率變換的狀態方程為基礎，有了狀態方程，電路很容易用Matlab中的Simulink里的函數模塊來表述，而且各種控制算法容易實現，而不必應用實際的元器件模型，減小了仿真運算的難度。由于PWM型功率變換器是一類強非線性（電子開關器件在一個周期中既工作在飽和區又工作在截止區）或斷續（即按時間分段線性，在幾個時間段內電路都是線性的，但拓撲結構不同）或時變（電子開關器件導通時的電阻很小，截止時的電阻很大）的電路[3]。因此，變換器電路動態特性的解析分析方法較復雜，阻礙了這類變換器系統的動態分析與設計的順利進行。而把狀態空間平均法應用于功率變換器的建模，是一種簡單有效的研究方法。當變流器運行于連續導電模式，并忽略其開關過程，即認為開關動作是瞬時完成的，這樣，一個工作于連續導電模式下的PWM變流器可以用兩個線性非時變電路來表示。它們與一個周期中的兩種開關狀態相對應，設其狀態空間方程分別為

1）在時間間隔DT（0≤t≤t0）：=A1X

2）在時間間隔（1－D）T（t0≤t≤T）：=A2X

式中T為PWM開關周期，D是其占空比，X為狀態向量，A1，A2為系統矩陣，將上述兩個開關模型綜合為一個平均模型為

=[DA1＋(1－D)A2]X

2 單相PWM整流器的數學模型

單相PWM整流器主電路如圖1所示。忽略電感中的等效電阻，在仿真中用理想開關S來代替實際器件,并把與開關器件并聯的快恢復二極管的作用融入到理想開關中，當其中之一導通時，即認為該理想開關導通。用以下方式來定義開關函數：

Sm=1（Sm′=0）上橋臂理想開關導通，下橋臂理想開關關斷

Sm=0（Sm′=1）上橋臂理想開關關斷，下橋臂理想開關導通。

圖1 PWM整 流 器 主 電 路 圖

考慮到單相電路的對稱性，把單相電路看作兩個雙半橋單元，相應地把單相電源分為兩個電源，ua=－ub=un/2，電感也分為La=Lb=Ls/2，這樣就可以得到基于開關函數的單相PWM整流器的狀態方程，

對于a相

L=ua－(uDN＋uNO) (1)

當S1=1,S1′=0,uDN=Ud

當S1=0,S1′=1,uDN=0

因此式(1)可以寫為

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

這樣式(1)變為

L=ua－(S1－S2)Ud（4）

式(2)變為

L=ub－(S2－S1)Ud（5）

而對于直流側則有

C=iaS1＋ibS2－（6）

圖1中，eL=0

利用式(4)，(5)，(6)就得到了單相PWM整流器關于開關函數的狀態方程。這就為用Simulink搭建仿真模型提供了相應的基礎。