應(yīng)用Matlab仿單相PWM整流器的一種簡(jiǎn)單方法

摘要：基于單相PWM整流器的結(jié)構(gòu)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(shí)間短,占用資源少的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)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(shù)PWM整流器的設(shè)計(jì)中，通常需要對(duì)控制策略進(jìn)行仿真。常用的電力電子仿真工具中，Pspice，Saber仿真時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)生大量的中間數(shù)據(jù)，占用資源多，會(huì)引起不收斂問題，適合于電路級(jí)仿真[1]。而Matlab以描述功率變換的狀態(tài)方程為基礎(chǔ)，有了狀態(tài)方程，電路很容易用Matlab中的Simulink里的函數(shù)模塊來表述，而且各種控制算法容易實(shí)現(xiàn)，而不必應(yīng)用實(shí)際的元器件模型，減小了仿真運(yùn)算的難度。由于PWM型功率變換器是一類強(qiáng)非線性（電子開關(guān)器件在一個(gè)周期中既工作在飽和區(qū)又工作在截止區(qū)）或斷續(xù)（即按時(shí)間分段線性，在幾個(gè)時(shí)間段內(nèi)電路都是線性的，但拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同）或時(shí)變（電子開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)的電阻很小，截止時(shí)的電阻很大）的電路[3]。因此，變換器電路動(dòng)態(tài)特性的解析分析方法較復(fù)雜，阻礙了這類變換器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析與設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行。而把狀態(tài)空間平均法應(yīng)用于功率變換器的建模，是一種簡(jiǎn)單有效的研究方法。當(dāng)變流器運(yùn)行于連續(xù)導(dǎo)電模式，并忽略其開關(guān)過程，即認(rèn)為開關(guān)動(dòng)作是瞬時(shí)完成的，這樣，一個(gè)工作于連續(xù)導(dǎo)電模式下的PWM變流器可以用兩個(gè)線性非時(shí)變電路來表示。它們與一個(gè)周期中的兩種開關(guān)狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，設(shè)其狀態(tài)空間方程分別為

1）在時(shí)間間隔DT（0≤t≤t0）：=A1X

2）在時(shí)間間隔（1－D）T（t0≤t≤T）：=A2X

式中T為PWM開關(guān)周期，D是其占空比，X為狀態(tài)向量，A1，A2為系統(tǒng)矩陣，將上述兩個(gè)開關(guān)模型綜合為一個(gè)平均模型為

=[DA1＋(1－D)A2]X

2 單相PWM整流器的數(shù)學(xué)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(guān)S來代替實(shí)際器件,并把與開關(guān)器件并聯(lián)的快恢復(fù)二極管的作用融入到理想開關(guān)中，當(dāng)其中之一導(dǎo)通時(shí)，即認(rèn)為該理想開關(guān)導(dǎo)通。用以下方式來定義開關(guān)函數(shù)：

Sm=1（Sm′=0）上橋臂理想開關(guān)導(dǎo)通，下橋臂理想開關(guān)關(guān)斷

Sm=0（Sm′=1）上橋臂理想開關(guān)關(guān)斷，下橋臂理想開關(guān)導(dǎo)通。

圖1 PWM整 流 器 主 電 路 圖

考慮到單相電路的對(duì)稱性，把單相電路看作兩個(gè)雙半橋單元，相應(yīng)地把單相電源分為兩個(gè)電源，ua=－ub=un/2，電感也分為L(zhǎng)a=Lb=Ls/2，這樣就可以得到基于開關(guān)函數(shù)的單相PWM整流器的狀態(tài)方程，

對(duì)于a相

L=ua－(uDN＋uNO) (1)

當(dāng)S1=1,S1′=0,uDN=Ud

當(dāng)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?yōu)?/p>

L=ua－(S1－S2)Ud（4）

式(2)變?yōu)?/p>

L=ub－(S2－S1)Ud（5）

而對(duì)于直流側(cè)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(guān)于開關(guān)函數(shù)的狀態(tài)方程。這就為用Simulink搭建仿真模型提供了相應(yīng)的基礎(chǔ)。