单相PWM变流器的设计与仿真

２０１１年４月　枣庄学院学报　Ａｐｒ．２０１１　第２８卷第２期　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＺＡＯＺＨＵＡＮＧ　ＵＮＩＶＥＲＳｒｒＹ　Ｖ０ｌ＿２８　Ｎ０．２　单相ＰＷＭ变流器的设计与仿真　彭伟发　（华东交通大学电气学院，江西南昌３３００１３）　［摘要］：详细分析单相电压型ＰＷＭ整流电路、逆变电路工作原理，设计了单相全桥电压型ＰＷＭ整流器、逆变器的　控制系统，建立了ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型并进行了仿真．仿真结果表明，该控制系统结构合理，能实现有效控制．　［关键词］电压型；ＰＷＭ整流；逆变；仿真　［中图分类号］ＴＰ２７６　［文献标识码］Ａ　［文章编号］１００４—７０７７（２０１１）０２—００１７一ｏ４　本系统需要设计市电２２０ＶＡＣ／５０Ｈｚ输入，１１５ＶＡＣ／４００Ｈｚ输出中频逆变电源．整流　部分采用单相电压型ＰＷＭ整流电路，不但可以减小谐波污染，还可以提高功率因数；逆　变部分采用单相ＳＰＷＭ全桥逆变，输出部分经感容滤波后可以得到理想的正弦波．　１　单相全桥电压型ＰＷＭ整流器工作原理及控制系统设计　图１单相全桥ＰＷＭ变流器主电路　图１为单相全桥ＰＷＭ变流器拓扑结构，图中ｕｓ为电源电压；　为网侧电流；　为网　侧电流基波有效值；　为直流侧输出电压；　为直流侧输出电流；Ｒ　为电源等效内阻，通　常情况下其值较小，可以忽略不计；Ｌ　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，起到传递能量、抑制交流侧电＂０ｇ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；对整流部分来讲，逆变部分可以看做一个获取电流　的电阻负载尺　适当控制开关管　—　的开闭，可以使整流器交流侧输出电压　在Ｕ　、　０、一　之间切换，选择ＳＰＷＭ控制，忽略高次谐波影响，可以使　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　不变的情况下，　的相位和幅值决定于　中　［收稿日期］２０１０—１２—２３　［作者简介］彭伟发（１９７５一），男，湖南茶陵人，讲师，硕士，主要研究方向为电力电子与电气传动　・１７・　枣庄学院学报　２０１１年第２期　基波成分的幅值以及与电源电压的相位差，所以控制　的相位和幅值，就可以使电路功　率因数达到１．　桥路输入输出功率平衡方程式为：Ｕ，Ｌ＝　ｃ。　ｄＵａ＋　ＲＬ　（１）　在工作点稳定时，式（１）可近似为警＝　一　（２）　式中　为直流输出参考电压．　若　不变，对式（２）进行拉普拉斯变换，得到　到　的传递函数　㈨为　，＝等：　㈩　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　到　的传递函数　㈨为　㈤　（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，则截止频率一般选在０．５基波频率以下，即滤波器传递函数为　Ｇ　）　（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　单相全桥ＰＷＭ变流器仿真模型　图２中ＰＩ调节器的传递函数Ｒ　）为Ｒ　）＝Ｋ，　（６）　式中　为ＰＩ调节器比例系数，　为ＰＩ调节器的积分时间常数．显然，由于　＜＜　，　＜＜Ｒ　Ｃ，因而可得整流器控制系统闭环传递函数　，　为　，＝　（７）　２　单相全桥电压型ＰＷＭ逆变器工作原理及控制系统设计　图１中整流器提供恒压为　的电源给逆变电路．其中　为逆变器的输出，Ｌ和ｒ分别　是滤波电感的电感量和等效阻抗，Ｃ为滤波电容的电容量．在分析系统时，往往把逆变桥　和驱动电路当作一个环节来看待．这一环节的输入量是控制电压　，输出量是逆变桥输　出电压　．如果把它们之间的放大系数看成常数，则逆变桥可看成是一个纯滞后的放大　环节（ｋ／（１＋Ｐ。ｓ））．对逆变器而言，为获得良好的正弦波形，必须利用ＬＣ低通滤波器消　除开关频率附近的高次谐波．滤波器的选择标准是保证合理的噪声抑制能力．一般而言，　・１　８・　彭伟发　单相ＰＷＭ变流器的设计与仿真　ＳＰＷＭ逆变器的输出ＬＣ滤波器的截至频率远远低于开关频率，因此，它对高次谐波具有　明显的衰减作用，其截止频率通常选择在开关频率的　～吉左右・　对于ＬＣ滤波器和负载Ｒ可以很容易的写出以［　，，Ｊ］　为状态变量的状态方程：　ｍ　电压只能为　或者一　．　㈩　其中：　为电容电压，　为电感电流．选择单相全桥双极性ＰＷＭ调制，则逆变桥输出　当上管开通，下管关断时，Ｓ‘＝１；当下管开通，上管关断时，Ｓ　＝０　显然，由于开关函数Ｓ　的存在，方程（９）中　是不连续的，因此方程是非线性的．在　频域分析中，分段线性化会使主电路的传递函数复杂化，增加系统分析和设计的难度．因　此，系统建模通常采用状态空间平均法，它是基于电网频率与响应频率远小于开关频率　的情况下，在一个开关周期内，用变量的平均值代替其瞬时值，从而得到的连续状态空间　平均建模．在此基础上，运用小信号分析法，可以非常方便的使用频域分析的各种工具．　ＳＰＷＭ输出脉宽与参考正弦幅值成正比，所以可以将开关函数用Ｓ近似表示为：　Ｓ＝（１一Ｄ）＝÷（１＋　）　其中，Ｄ为占空比，　为三角波峰值，　为参考正弦瞬时值，即：　Ｖ　＝　ｓｉｎ（ｃｏｔ）　（１０）　（１　１）　（１２）　令：　＝　称Ｍ为调制比．将式（１Ｏ）、（１　１）和（１２）代人式（９），则有：　＝一　ｓｉｎ（ｃｏｔ）　（１３）　将式（１３）代人（８），则有：　［二享一拿］［　】＋【０　］ｃ—　ｓｉｎ　ｔ　ｃ　４　那么，式（１４）就是根据状态空间平均法建立的状态空间平均模型．　因此就可以容易的推出逆变器频域传递函数：　Ｇ（ｓ）＝——————　—————一　（１５）　ｓ　ＣＬ＋ｓ（去＋ｒｃ）＋１＋素　３　系统仿真及结果分析　电路仿真参数设置为输入电源电压２２０Ｖ／５０Ｈｚ，中间直流输出电压４００Ｖ，输出交流　电压有效值１１５Ｖ，输出频率４００Ｈｚ，载波频率１０ｋＨｚ，负载４ＫＷ；整流升压电感２ｍｌ，稳压　电容３３００ｕｆ，ｐｉ参数为２、１０００；Ｌｍ＿变滤波电感为２ｍｌ，滤波电容６ｕｆ，ｐｉ参数为１０００、５．交流　输入电压电流、整流电压以及输出交流电压波形见图３、图４、图５．从图中可以看出仿真　电路稳定运行后交流侧输人电流为规则正弦波且与电压同相位，整流输出电压基本稳定　于４００Ｖ，逆变输出电压波形为１　１５Ｖ／４００Ｈｚ正弦波．　４　结论　针对传统不控整流中存在的谐波污染问题，整流部分采用单相全桥ＰＷＭ整流，逆变　・ｌ９・　枣庄学院学报　２０１１年第２期　部分采用单相全桥逆变．设计了单相全桥ＰＷＭ整流器控制系统以及单相全桥ＰＷＭ逆变　器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，　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，逆变输出　交流电压为４０ＯＨｚ，幅值稳定，达到设计要求，对ＰＷＭ整流及其工程实践具有一定的参　考意义．　＾＼　一　：　＼　＾二　’　，、　、，　，　＾　、　ｒ～，　：　…＿　。　：＿　ｉ　ｔ　？　一　’　ｉ　图３　交流输入电压电流波形　图４　整流电压波形　图５　交流输出电压波形　参考文献　［１］张军伟等，单相电压型ＰＷＭ整流电路原理分析与仿真［Ｊ］现代电子技术，２００９，８．　［２］黄群，李方正．单相电压型ＰＷＭ整流器控制系统设计与仿真［Ｊ］装甲兵工程学院学报，２００７，６．　［责任编辑：陈庆朋］　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｉｎｇｌｅ－—ｐｈａｓｅ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ＰＥＮＧ　Ｗｅｉ—ｆａ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＥＣＪＴＵ，Ｎａｎｃｈａｎｇ　３３００１３，ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｂｏｕｔ　ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ＰＷＭ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｉｓ　ｅｌａｂｏｒａｔｅｌｙ　ａｎａｌｙｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ａ　ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅ　ｆｕｌｌ—ｂｒｉｄｇｅ　ｖｏｌｔａｇｅ—ｔｙｐｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａｎｄ　ｔｈｅ　ＳＩＭＵＬＩＮＫ　ｍｏｄｅｌ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｂｕｉｌｔ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｔｈｕｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｏｆ　ｌｏｇｉｃａｌ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒｏｐｅｒ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｏｌｔａｇｅ—ｔｙｐｅ；ＰＷＭ　ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ；ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｓｉｍｕ１ａｔｉｏｎ　・２０・