单相电压型PWM整流器控制系统设计与仿真

　2007年 6月第 21卷 第 3期 装 甲 兵 工 程 学 院 学 报 Journal of Academy of A rmored Force Engineering Jun. 2007 Vol. 21 No. 3 　 　　文章编号 : 167221497 (2007) 0320065204 单相电压型 PWM 整流器控制系统设计与仿真 黄　群　李方正 (装甲兵 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院 控制工程系 ,北京 100072) 摘　要 :针对传统的不控整流和相控整流中存在的谐波污染问题 ,采用直接电流控制中的滞环电流控制策略 ,设计 了单相全桥电压型 PWM整流器的控制系统 ,建立了系统的 SIMUL INK模型并进行了仿真。仿真结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 :该控制 系统结构设计合理 ,参数选取适当 ,能实现有效控制。 关键词 :谐波污染 ;电压型 ; PWM整流 ;仿真 ;滞环 中图分类号 : TM461　　　文献标志码 : A D esign and S im ula tion for Con trol System of S ingle2pha se Voltage Type PWM Rectif ier HUANG Qun　L I Fang2zheng (Department of Control Engineering, Academy of A rmored Force Engineering, Beijing 100072, China) Abstract: In order to elim inate the harmonic pollution caused by the traditional phase2controlled or un2 controlled rectifiers, a single - phase full2bridge voltage2type rectifier has been designed in which the hys2 teresis2band instantaneous current control PWM technique of directly current2controlled strategies is a2 dop ted. And the SIMUL INK model has been built to simulate this system. The result thus indicates that the control system is of logical configuration and p roper parameter. Key words: harmonic pollution; voltage2type; PWM rectifier; simulation; hysteresis 收稿日期 : 2007203210 作者简介 :黄　群 (19842) ,男 ,江苏铜山人 ,硕士研究生.　　近年来 ,随着电力电子装置的应用日益广泛 ,电网中谐波电流和无功功率对电力系统的污染也日益严重。消除谐波污染并提高功率因数 ,己经成为电力电子技术中的一个重大课题。作为解决这一问题途径之一的 PWM 整流器 ,因其能够实现任意功率因数运行 ,直流输出稳定 ,动态响应好 ,且几乎不产生谐波 ,而得到众多学者的研究 。针对传统的不控整流和相控整流存在的谐波污染问题 ,笔者采用直接电流控制中的滞环电流控制策略 ,设计了电压型单相全桥 PWM 整流电路的控制系统 ,建立了系统的 SIMUL INK模型并进行仿真 ,结果表明 ,该系统可有效减少对电网的谐波污染。 1　单相全桥电压型 PWM整流器工作原理　　图 1 ( a)为单相全桥 PWM 整流器拓扑结构 ,图 1 ( b)为等效电路 ,图 1 ( c)为系统电压基波向量图 , 图 1 ( d)为系统运行于整流状态时的电压基波向量图 ,图 1 ( e) 为系统运行于逆变状态时的电压基波向量图。图中 U s 为电源电压 ; Is 为网侧电流 ; Is1为网侧电流基波有效值 ; RL 为电阻负载 ; U d 为直流侧输出电压 ; Id 为直流侧输出电流 ;R s 为电源等效内阻 ,通常情况下其值较小 ,可以忽略不计 ; L s 为交流侧储能电感 ,隔离和平衡交流侧电压与整流器桥臂终端电压 ,起到传递能 装 甲 兵 工 程 学 院 学 报 第 21卷 　 量、抑制交流侧电流高次谐波的作用 ; C 为直流 侧滤波电容 ,用于缓冲交流侧与直流负载间的能 量交换 ,为直流侧高次谐波电流提供低阻抗通 路 ,减少直流电压纹波 ,稳定直流侧电压。 图 1　单相全桥 PWM整流电路 　　适当控制开关管 T1 - T4 的开闭 ,可以使整流器 工作在 3种开关模式下 ,使交流侧输出电压 在 UAN 在 Ud、O、- Ud 之间切换 ,所以如果选择合适的控制 方式 ,如 SPWM控制 ,忽略高次谐波的影响 ,可以使 UAN的基波为与调制波同相位、幅值成比例的正弦 波。在电源电压 U s 不变的情况下 , Is 的相位和幅值 决定于 UAN中基波成分的幅值以及与电源电压的相 位差 ,所以控制 UAN的相位和幅值 ,就可以控制系统 中的功率流向和功率因数角 ,即可以使电路工作在 整流 (θ= 0)和逆变 (θ=π) 2种状态 ,而且在这 2种 状态下 ,功率因数都可以达到 1。 2　控制系统设计 桥路输入输出功率平衡方程式为 U s Is = Ud C dUd d t + U2d RL . (1) 　　在工作点稳定运行时 ,式 (1)可近似为 dUd d t = U s Is CU3d - UdRL C, (2) 式中 　U3d 为直流输出参考电压。 若 U s 不变 ,对式 (2)进行拉普拉斯变换 ,得到 Is 到 Ud 的传递函数 W o ( s)为 W o ( s) = Ud ( s) Is( s) = U s RL U3d (1 + RL Cs) . (3) 　　若电流内环滞环 PWM 开关频率足够高 ,则电 流内环可由一个小惯性环节代替 ,即网侧参考电流 I3s 到 Is 的传递函数 W i( s)为 W i( s) = 1 1 + Ti s , (4) 式中 　Ti 为电流内环等效时间常数。 为了滤除直流电压偏差中的二次纹波 ,可设计 一个低通滤波器 ,若采用简单的一阶低通滤波器 ,则 截止频率 ( fc = 1 / Tc )一般选在 1 /2基波频率以下 , 即滤波器传递函数为 66 　第 3期 黄 　群等 :单相电压型 PWM整流器控制系统设计与仿真 GFL ( s) = 1 1 + Tc s . (5) 　　由此可得滞环电流控制的全桥 PWM整流系统 结构如图 2所示。 图 2　控制系统结构图 图 2中 P I调节器的传递函数 Rv( s)为 Rv( s) = K1 · τ1 s + 1 τ1 s , (6) 式中 　K1 为 P I调节器比例系数 ,τ1 为 P I调节器的 积分时间常数。 显然 ,由于 Ti ν Tc , Ti ν RL C ,因而电流内环等效 小惯性环节可以忽略不计。由此可得控制系统闭环 传递函数 W ( s)为 W ( s) = K1Us RL (1 +τ1 s) τ1U3d s(1 + Tc s) (1 +RL Cs) + K1UsRL (1 +τ1 s). (7) 3　仿真及结果分析 系统仿真参数如下。 交流侧 : U s = 15 V , f = 50 Hz;直流侧 : Ud = 24 V, RL = 1Ω。 主电路储能元件参数为 : L s = 015 mH, C = 3 000 μF[ 3 ]。 利用三阶对称最佳整定 [ 4 ] ,确定 P I调节器的参 数为 : K1 = 217,τ1 = 300。 取一阶低通滤波器的截止频率 fω = 24 Hz,滞环 宽度 d = 2 A。 根据以上分析和设计 ,利用 MATLAB电力电子 工具箱对系统进行仿真实验。单相全桥 PWM整流 器整个控制系统的仿真模型如图 3所示。 图 3　控制系统 SIMUL INK模型 　　图 3中包含电流环、电压环、滞环比较、全桥整 流、滤波、P I调节以及输出接口模块等部分 ,并对整 流器部分进行了封装 ,整流器子系统的内部结构仿 真模型如图 4所示。 　　该子系统包括 6个输入和 3个输出端口 ,输入 为交流侧电压 2个端口和 4个 PWM 信号 PWM1、 PWM2、PWM3、PWM4,输出为直流侧电容电压输出 端和 2个接负载的端口。 仿真结果如图 5 - 7所示。从图 5中可看出交 流侧电流为一规则正弦波且与交流侧电压同相位。 从图 6中可看出直流侧电压响应较快 ,超调量小 ,最 终稳定在参考电压值。从图 7中可以看出交流侧电 流总谐波畸变 THD = 0. 013。 76 装 甲 兵 工 程 学 院 学 报 第 21卷 　 图 4　单相全桥 PWM整流器 SIMUL INK模型 图 5　交流侧电流电压波形 图 6　直流侧电压波形 图 7　交流侧电流总谐波畸变波形 4　结论 针对传统整流器中存在的谐波污染问题 ,笔者 设计了单相全桥 PWM整流器的控制系统并进行了 仿真。仿真结果表明 ,所设计的控制系统具有直流 电压响应速度快 ,系统超调量小 ,直流输出电压稳 定 ,交流侧电流波形为正弦波 ,畸变小且与交流电压 相位相同的特点 ,说明该系统结构设计合理 ,参数选 取适当 ,可实现有效控制 ,并可减少对电网的谐波污 染 ,对工程实际有一定的参考价值。 参考文献 : [ 1 ]　张崇巍 ,张兴. PWM整流器及其控制 [M ]. 北京 :机械工业出 版社. 2003. [ 2 ]　王晴. 单相高功率因数可逆整流器的研究 [ D ]. 福州 :福州大 学. 2004. [ 3 ]　唐丽丽 ,郑琼林. 单相 PWM整流器主电路参数选择探讨 [ J ]. 北方交通大学学报. 2000, 24 (4) : 100 - 102. [ 4 ]　王孝武.现代控制理论基础 [M ].北京 :机械工业出版社 , 1998. (责任编辑 :牛燕平 ) 86