单相PWM整流器的建模与仿真分析＊

秦立新

（海军驻上海江南造船（集团）有限责任公司军事代表室 上海 200023）

1 引言

随着电力电子技术、自动控制技术的发展，船用晶闸管、IGBT、MOSFET等大功率电力半导体器件的出现，以PWM、SPWM、SAPWM为主的各类功率转换技术在机电控制［1］领域得到了广泛的应用。本文在三相VSR整流模型［2］的基础之上，对单相VSR整流原理进行系统分析，建立电流内环、电压外环的双闭环控制整流模型，在Simulink环境下进行了仿真和性能分析。

2 单相PWM整流控制器整流原理

单相VSR全控整流器拓扑结构如图1所示，控制器通过对电路参数进行采样，输出可控的PWM波对T1～T4四只功率管实现全控整流［3］，将vdc的电压控制在给定电压v＊dc附近，下面我们对单相PWM整流的原理进行分析。

图1 单相VSR全控整流器

假如忽略功率开关管的功率损耗［4］，交流侧输入功率与直流侧所消耗的功率平衡：

由式（1）可知，电路中交流侧和直流侧可以相互控制，在直流侧负载不变的情况下，若控制交流的输入功率不变，直流侧电压可保持恒定。PWM整流控制，一般使用电流内环，电压外环的控制策略，通过电压外环使直流侧的输出电压vdc保持在设定值v＊dc，通过电流内环控制网侧电流is的幅值和相位，保持电流is与电压us同相位，从而实现单位功率因数整流。

3 单相PWM整流器电流内环控制器的设计［5］

为了提高转换效率、实现单位功率因数整流和改变虚拟电子负载的性质［3］，电流内环控制的作用就是使网侧电流跟踪电压外环给定的电流指令进行随动控制。为了方便分析，我们假设电压外环输出的网侧电流指令为i＊s，电流内环采用PI调节。

针对图1所示的单相全桥VSR整流电路，若采用双极性调制，可以用双极性二值开关逻辑函数s（t）来描述开关管的工作状态［1］，即

此时网侧电压和网测电流满足如下关系：

若忽略PWM的谐波分量，开关函数可写成如下形式

其中m为PWM的调制比，φ为s（t）基波的初始相角，根据式（3）、（4）和式（5）则

根据式（3）通过对i＊s－is得到的偏差进行PI控制［6］，控制器的输出调节PWM的调制比m，可以实现对网侧电压uab的控制。根据式（7），对网侧电压uab的控制就可以实现对网侧电流的控制。根据上述分析我们可以画出电流内环的控制框图如图2所示。

图2 电流内环控制框图

4 单相PWM整流器电压外环控制器的设计［7］

对电压外环控制，将直流侧电压vdc与电压设定值v＊dc进行比较得到偏差v＊dc－vdc，然后进行PI控制，输出电流内环电流is的幅值Ism。电压外环实际上是定值控制，将直流侧的电压控制在给定值。为方便起见我们把电流内环的传递函数记为wci（s），为了进行单位功率因数整流，需要对电流内环的输入电流i＊s进行相位控制，要保持网侧电流is与交流电压源电压us保持同步，通过锁相环模块检测us的相位φ和角频率ω［8，11］，令

根据KCL定律列出直流侧电流方程：

进行拉氏变换得：

根据式（6）、（8）、（9）可以得到电压外环的控制框图，如图3所示。

图3 电压外环控制框图

5 基于Simulink［8］下PWM 控制器仿真与分析

在Simulink应用环境下，根据控制逻辑图搭建整流控制模型［11］，在控制模型中对设计的参数整定和仿真。仿真过程中设定电源电压为AC 220V，网侧电感4.46mH，直流侧电容为4.7mF，搭建的仿真模型如图4和图5。

图4 PWM整流器Simulink模型

图5 pulse generator子模块

经过仿真运算，利用scope输出电源电压us和网侧电路is。

如图6所示us和is的波形，由波形可以看出经过一段较短的过渡过程后，可以保证网侧电流is与电源电压us同相位实现单位功率因数整流。如图7所示直流侧电压udc波形，可以看出直流侧电压vdc能够稳定在给的整流电压（图上为400V）附近，但存在一定的谐波成分。

图6 电源电压us与网侧电流is的波形图

图7 直流侧电压vdc的波形图

6 结语

本文根据三相VSR整流模型，设计了单相VSR型PWM整流控制器控制逻辑框图，在Simulink环境中建立了仿真数学模型。经参数整定和仿真分析表明，本控制器能够实现单位功率因数整流，并能够维持直流侧输出电压的基本恒定。

［1］张悦.基于FPGA的单相PWM整流器的设计［D］.天津理工大学，2008

［2］张崇巍，张兴.PWM整流及其控制［M］.北京：机械工业出版社，2003

［3］王立明，王久和，王栓庆，等.单相PWM整流器的一种建模方法［J］.华北科学院学报，2006，3（3）：78～80

［4］李鑫，姚勇涛，张逸成，等.采用电容电流内环的逆变器双闭环控制研究［J］.电气传动，2008，38（2）：22～26

［5］齐乐.电力系统模拟中的可控负载的研究［D］.天津大学，2006

［6］舒为亮，张昌盛，段善旭，等.逆变电源PI双环数字控制技术研究［J］.电工电能新技术，2003，24（2）：52～54

［7］张军伟.单相电压源PWM整流电路原理分析与仿真［J］.现代电子技术，2008

［8］朱霞清.给予Matlab的三相电压型PWM整流器的仿真研究［J］.齐齐哈尔大学学报，2011，27（5）：6～10

［9］朱浩锋，邱飞岳.基于PWM的弱视治疗仪光源设计与实现［J］.计算机与数字工程，2009，37（5）

［10］曾喜良，赵欢.基于C8051F020的PWM调速控制［J］.计算机与数字工程，2008，36（8）

［11］王正林，郭阳宽.过程控制与Simulink应用［M］.北京：电子工业出版社，2006