SPWM高频整流器的仿真

1、武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书摘要分析单相电压型 PWM 整流电路 （功率因素校正电路 ）的工作原理和工作模式 , 功率因 数校正（ PFC）技术诞生与 20世纪 80 年代，它采用的是高频开关工作方式，具有体积小， 重量轻，效率高，输入功率因素（ PF）接近的优点，采用 PWM 进行控制 ,其中控制方 法采用的是电流滞环比较法，因硬件电路简单，属于实时控制，电流响应快，对负载的适 应性强， 由于不需要载波， 所以输出电压不含特定频率的谐波分量， 另外，这种控制方式， 有利于提高电压利用率选择适当的工作模式和工作时序 ,可使 PWM 整流电路的输出直流电 压得到有效的稳定值。 同时也

2、调节了交流侧电流的大小和相位 ,实现能量在交流侧和直流侧 的双向流动 ,并使变流装置获得良好的功率因数。最后建立其 Matlab 的仿真模型 ,验证了设 计的正确性。关键词 ：单相电压型， PWM整流，功率因素校正，电流滞环比较法 ， Matlab 仿真武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书目录PWM 控制技术 2. .PWM 简介 2. . TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 o Current Document PWM 控制原理和应用 2. . HYPERLINK l bookmark10 o Current Document PWM 控制的基本原理

3、2. HYPERLINK l bookmark12 o Current Document PWM 计算法和调制法 4. HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 规则采样法 6. . HYPERLINK l bookmark19 o Current Document PWM 跟踪控制技术 7. .功率因素校正技术 8 HYPERLINK l bookmark21 o Current Document 2.1功率因数(PF)的定义 9. .2.2 功率因数校正 9. . HYPERLINK l bookmark25 o Current Document

4、2.3 功率因数校正实现方法 1.0. HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 2.4提高功率因数的几种方法 11 HYPERLINK l bookmark29 o Current Document 2.4.1提高自然因数的方法 11 HYPERLINK l bookmark31 o Current Document 2.4.2人工补偿法 11 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document Matlab 仿真实验 11 HYPERLINK l bookmark35 o Current Document 3.1电路

5、的工作原理 11 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 3.2 实验要求 1.4. HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 3.3Matlab 仿真步骤和波形 1.4. HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 选取器件 1.4. HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 设置各器件的仿真参数 1.5 HYPERLINK l bookmark49 o Current Document 运行和调试 1.5. HYPERLIN

6、K l bookmark51 o Current Document 仿真结论 1.7.总结与体会 1.7. HYPERLINK l bookmark55 o Current Document 参考文献 1 6武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书1PWM 控制技术PWM 简介PWM 的全称是 Pulse Width Modulation (脉冲宽度调制)，它是通过改变输出方 波的占空比来改变等效的输出电压。 广泛地用于电动机调速和阀门控制， 比如我们现 在的电动车电机调速就是使用这种方式。SPWM(Sinusoidal PWM) 法是一种比较成熟的 ,目前使用较广泛的 PWM 法.前面提 到

7、的采样控制理论中的一个重要结论 :冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节 上时 ,其效果基本相同 .SPWM 法就是以该结论为理论基础 ,用脉冲宽度按正弦规律变化而和 正弦波等效的 PWM 波形即 SPWM 波形控制逆变电路中开关器件的通断 ,使其输出的脉冲 电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等 ,通过改变调制波的频率和幅 值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。PWM 控制原理和应用PWM 控制的基本原理图 1-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲在采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的 环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里

8、所说的效果基本相同，是指环 节的输出响应波形基本相同。 如果把各输出波形用傅里叶变换分析， 则其低频段非常接近， 仅在高频段略有差异，例如图 a、b、c 所示的三个窄脉冲形状不同。其中如 1-1a为矩形脉武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书冲，图 1-1b为三角形脉冲，图 1-1c 为正弦半波脉冲，但它们的面积都等于 1,，那么，当 它们分别加在具有惯性的同一个环节上时， 其输出响应基本相同。 当窄脉冲变为图 1-1d 的 单位脉冲函数(t)时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。图 1-1a 的电路是一个具体的例子。 图中 e(t)为电压窄脉冲，其形状和面积分别如图 1-1a、 b、c、

9、d 所示，为电路的输入。该输入加在可以看出惯性环节的 R-L 电路上，设其电路 i(t) 为电路的输出，图 1-2b 给出了不同的窄脉冲时 i(t)的波形。从波形可以看出，在 i(t)的上升 段，脉冲形状不同时 i(t) 的形状也略有不同，但其下降段则几乎相同。脉冲越窄，个i(t)波形的差异也越小。 如果周期性地加上述脉冲， 则响应 i(t)也是周期性的用傅里叶级数分解后将可看出，b)图 1-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形各 i(t) 在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。上述原理可以称之为面积等 效原理，它是 PWM 控制技术的重要理论基础。下面分析如何用一系列等副不等宽的脉冲来

10、代替一个正弦波。把图 1-3 的正弦波分成 N 等份，就可以把正弦半波看成是有 N 个彼此相连的脉冲序列 所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于 /N,且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各 脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等副而不等宽的矩形脉 冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲相应的正弦波部 分面积相等，就得到图 b 所示的脉冲序列。这就是 PWM 波形。可以看出，个脉冲的幅值武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书相等，而宽度是按正弦波规律变换的。根据面积等效原理， PWM 波形和正弦半波是等效 的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方

11、法得到 PWM 波形。像这种脉冲的宽度按正 弦波规律变化和正弦波等效的 PWM 波形，也称为 SPWM 波形。图 1-3 PWM 波代替正弦波要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。PWM 波形可分为等幅 PWM 波河不等幅 PWM 波两种。由直流电源产生的 PWM 波通常是 等幅 PWM 波。如直流斩波电路。其 PWM 波都是又直流源产生的，由于直流源电源幅值 基本恒定，因此 PWM 波是等幅的。不管什么 PWM 波，都是基于面积等效原理来进行控 制的，因此其本质是形同的。PWM 计算法和调制法(1)计算法根据正弦波频率、 幅值和半周期脉冲数， 准确计算

12、PWM 波各脉冲宽度和间隔， 据此控 制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需 PWM 波形繁琐，当输出正弦波的频率、幅值 或相位变化时，结果都要变化。(2)调制法输出波形作调制信号，进行调制得到期望的 PWM 波。 通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书度成线性关系且左右对称与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得 宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合 PWM 的要求，调制信号波为正弦波时，得到的就是 SPWM 波。调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的 PWM 波。异步 调制和同步调制载波

13、比 载波频率 fc与调制信号频率 fr之比， N= fc / fr。根据载波和信 号波是否同步及载波比的变化情况， PWM 调制方式分为异步调制和同步调制。a. 异步调制异步调制 载波信号和调制信号不同步的调制方式。通常保持 fc固定不变，当 fr变化时，载波比 N是变化的，在信号波的半周期内， PWM 波 的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后 1/4 周期的 脉冲也不对称，当 fr 较低时， N 较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响 都较小，当 fr增高时， N减小，一周期内的脉冲数减少， PWM 脉冲不对称的影响就变大。b. 同步调制 同步调制

14、 N 等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步 基本同步调制方式， fr 变化时 N 不变，信号波一周期内输出脉冲数固定，下面分析，三相 电路中公用一个三角波载波，图 1-4为同步调整三相 PWM 波形，且取 N为 3的整数倍， 使三相输出对称为使一相的 PWM 波正负半周镜对称， N应取奇数 fr 很低时， fc也很低， 由调制带来的谐波不易滤除， r 很高时， fc 会过高，使开关器件难以承受。c.分段同步调制把 fr 范围划分成若干个频段，每个频段内保持 N 恒定，不同频段 N 不同，在 fr 高的频段采用较低的 N，使载波频率不致过高在 fr 低的频段采用较高的 N， 使载波频率不致

15、过低机控制时容易实现可在低频输出时采用u UNUd2OUd2u VNOu为防止 fc 在切换点附近来回跳Ou rU u c u rVu rW步调制比异步调制复杂，但用微t，频输出时切换到同步调制方式，这tttu WNO武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。图 1-4 同步调制三相 PWM 波形规则采样法按 SPWM 基本原理，在正弦波和三角波的自然交流电时刻控制功率器件的通断，这 种生成 SPWM 波形的方法称为自然采样法。 自然采样法是最基本的方法， 所得到的 SPWM 波形很接近正弦波。但这种方法要求解复杂的超越方程，在采用微机控制技术时需

16、花费大 量的计算时间，难以在实时控制中在线计算，因而在工程上实际应用不多。工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多，但计算量却比自然采样法小的 多。图 1-.5 为规则采样法说明图。取三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc，在然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点(即负峰点)重合，这样就使计算大为简化。如 图所示，三角波的负峰时刻 tD 对正弦信号波采样得 D 点，过 D 作水平直线和三角波分别 交于 A,B 点，在在 A 点时刻 tA 和 B 点时刻 tB 控制开关器件的通断。脉冲宽度 d 和用自 然采样法得到的脉冲宽度非常接近 。 式中， a称为调制度， 0a1；wr 为信号波角

17、频率。 从图可得：三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度：1T 2 Tc4c (1 asin rtD )武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书图 1-5 规则采样法PWM 跟踪控制技术把希望输出的波形作为指令信号，把实际波形作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来 ,决定逆变电路各开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号变化。 常用的有滞环比较方式和三角波比较方式。滞环比较方式图 1-6 滞环比较法控制的原理框图基本原理是：电压外环的任务是得到可以实现控制目标的电感电流指令值 i*L, 给定输出 电压 u*o 减去测量到的实际输出电压 uo的差值，经 PI 调节器后输出电感电流的幅值指令 I*L ，测

18、量到的整流桥出口电压 ud除以其幅值 Um 后，可以得到表示 ud波形的量 Ud，Ud 为幅值为 1 的正弦波，相位与 ud 相同，I*L 与 u*d 相乘，便可以得到电感电流的指令值 i*L 。武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书i*L 为与 ud 同相位的正弦半波电流，其幅值可控制直流电压 uo 的大小。电流内环的任务 是通过控制开关管 Q 的通断，使实际的电感电流 iL 跟踪其指令值 i*L 。此处采用滞环控制 方法。根据电感电流的公式， 当 Q 导通是电感电流增大， 二当 Q 关断时电感电流减小。 令 i*L 减去 iL 。若差值 ilmin ( Ilmin0 )，则令 Q关断，以

19、减小 iL 。通过滞环控制，可以 保证实际的电感电流 iL 在其指令值 i*L 附近波动， 波动的大小与滞环宽度有个， 即与设定 的 iLmax 和 iLmin 有关。三角波比较方式基本原理是：通常把三角波作为载波 uc，调制信号作为信号波 ur，两种进行比较产生 脉冲波，来作为可控器件的脉冲信号，具体不再详细阐述。武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书功率因素校正技术功率因数 (PF)的定义功率因数 (PF)是指交流输入有功功率 (P)与输入视在功率 (S)的比值。即1)PF P V1I1 cos I1 coscosS V1IrmsIrms式(1) 中： I1为输入基波电流有效值；I1 (

20、2)Irms为输入电流失真系数；I r m s为输入电流有效值；cos 为基波电压与基波电流之间的相移因数。可见 PF 由和 cos 决定。 cos 低，则表示用电电器设备的无功功率大，设备利用率 低，导线、变压器绕组损耗大。 值低，则表示输入电流谐波分量大，对电网造成污染， 严重时，对三相四线制供电还会造成中线电位偏移，致使用电电器设备损坏。由于常规整 流装置使用晶闸管或二极管， 整流器件的导通角远小于 180，从而产生大量谐波电流成分， 而谐波电流不做功，只有基波电流做功，功率因数很低。功率因数校正 交流输入电源经整流和滤波后，非线性负载使得输入电流波形畸变，输入电 流呈脉冲波形，含有大量

21、的谐波分量，使得功率因数很低。由此带来的问题是：谐波武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书电流污染电网，干扰其他用电设备；在输入功率一定的条件下，输入电流较大，必须 增大输入断路器和电源线的量； 三相四线制供电时中线中的电流较大， 由于中线中无 过流防护装置，有可能过热甚至着火。为此，没有功率因数校正电路的开关电源被逐 渐限制应用。因此，开关电源必须减小谐波分量，提高功率因数。提高功率因数对于 降低能源消耗，减小电源设备的体积和重量，缩小导线截面积，减弱电源设备对外辐 射和传导干扰都具有重大意义。所以，设有功率因数校正电路使功率因数近于 1 的 开关电源得到迅速的发展。功率因数校正，就是将畸

22、变电流校正为正弦电流，并使之与电压同相位，从而使 功率因数接近于 1 。功率因数校正实现方法由式(1)可知，要提高功率因数有两个途径，即使输入电压、输入电流同相位；使 输入电流正弦化。利用功率因数校正技术可以使交流输入电流波形完全跟踪交流输入电压波形，使 输入电流波形呈纯正弦波，并且和输入电压同相位，此时整流器的负载可等效为纯电阻。功率因数校正电路分为有源和无源两类。无源校正电路通常由大容量的电感、电 容组成。虽然无源功率因数校正电路得到的功率因数不如有源功率因数校正电路高，但仍 然可以使功率因数提高到 o70 8，因而在中小功率电源中被广泛采用。有源功率因数 校正电路自上世纪 90 年代以来

23、得到了迅速推广。它是在桥式整流器与输出电容滤波器之 间加入一个功率变换电路，使功率因数接近 1 。有源功率因数校正电路工作于高频开关状 态，体积小、重量轻，比无源功率因数校正电路效率高。本文主要讨论有源功率因数校正 方法。10武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书提高功率因数的几种方法2.4.1提高自然因数的方法：(1). 恰当选择电动机容量，减少电动机无功消耗，防止 “大马拉小车 ”。(2). 对平均负荷小于其额定容量 40%左右的轻载电动机，可将线圈改为三角形接法 (或 自动转换)。. 避免电机或设备空载运行。. 合理配置变压器，恰当地选择其容量。. 调整生产班次，均衡用电负荷，提高用电

24、负荷率。. 改善配电线路布局，避免曲折迂回等。2.4.2人工补偿法：实际中可使用电路电容器或调相机，一般多采用电力电容器补尝无功，即：在感性负 载上并联电容器，在感性负载上并联电容器的方法可用电容器的无功功率来补偿感性负载 的无功功率，从而减少甚至消除感性负载于电源之间原有的能量交换。在交流电路中，纯 电阻电路，负载中的电流与电压同相位，纯电感负载中的电流滞后于电压90o，而纯电容的电流则超前于电压 90o，电容中的电流与电感中的电流相差 180o，能相互抵消。电力系 统中的负载大部分是感性的，因此总电流将滞后电压一个角度，如图 1 所示，将并联电容 器与负载并联，则电容器的电流将抵消一部分电

25、感电流，从而使总电流减小，功率因数将Matlab 仿真实验3.1 电路的工作原理有源功率因素校正( Active Power Factor Correction ，APFC)电路。是指在传统的不控11武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书整流中融入有源器件，使得交流侧电流在一定程度上正弦化，从而减小装置的非线性，改 变功率因数的一种高频整流电路。基本的单相 APFC电路在单相桥式不可控整流器和负载电阻之间增加一个 DC-DC 功率 变换电路，通常采用 Boost 电路。通过适当的控制 Boost 电路中开关管的通断，将整流器 的输入电流校正成为与电网电压相同相位的正弦波，消除谐波和无功电流，

26、将电网功率因 素提高到近似 1，其电路图如图 4-1 所示：假定开关频率足够高，保证电感 L 的电流连续：输入电容 C足够大。输入电压 uo 可以 为是恒定直流电压，电网电压 ui 为理想正弦，即 ui=Umsin t，则不可控整流桥的输入电 压 ud 为正弦半波。 ud= ui =Um sin t 。当开关管 Q 导通时， ud对电感充电，电感电流增加，电容 C 向负载放电，当 Q 关断， 二极管 D 导通时，电感两端电压 UL 反向， ud和 UL对电容充电，电感电流 iL减小。电感 电流满足：12武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书di LUmsin t ,tk t t tonL d

27、i L =UL =dtUmsin t uo,tk ton t tk Ts通过控制 Q 的通断，即调节占空比 D,可以控制电感电流 iL 。若能控制 iL 近似为正 弦半波电流，且与 ud 同相位，则整流桥交流侧电流 ii 也近似为正弦电流，且与电网电压 ui 同相位，即可达到功率因素校正的目的，维持需要引入闭环控制。控制器必须实现以下两个要求：一是实现输入直流电压 uo 的调节，使其达到给定值： 二是保证网侧电路正弦化，且功率因素为 1。即在稳定输出电压 uo 的情况下。使电感电流 iL 与 ud波形相同。采用电压外环、电流内环的单相 APFC 双闭环控制原理如图 4-2。电压外环的任务是得到

28、可以实现控制目标的电感电流指令值 i*L, 给定输出电压 u*o 减 去测量到的实际输出电压 uo 的差值，经 PI 调节器后输出电感电流的幅值指令 I*L ，测量 到的整流桥出口电压 ud 除以其幅值 Um 后，可以得到表示 ud 波形的量 Ud，Ud为幅值 为 1的正弦波，相位与 ud相同， I*L 与 u*d 相乘，便可以得到电感电流的指令值 i*L 。i*L 为与 ud 同相位的正弦半波电流，其幅值可控制直流电压 uo 的大小。电流内环的任务是通 过控制开关管 Q 的通断，使实际的电感电流 iL 跟踪其指令值 i*L 。此处采用滞环控制方法。 根据电感电流的公式， 当 Q 导通是电感电

29、流增大， 当 Q 关断时电感电流减小。 令 i*L 减去 iL。若差值 iL0，令Q导通，以 增大 iL ，可以保证实际的电感电流 iL 在其指令值 i*L 附近波动，波动的大小与滞环宽度有 个，即与设定的 iLmax 和 iLmin 有关。13武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书LiiUiuLuoUd电 压外 环图 4-2 APFC 控制框图电流内环iL3.2 实验要求理解 Boost 电路工作原理 ，完成功率因素校正的仿真任务，使电源功率因素达到 0. 95以上；电源主要指标：输入电压：单相 220V（115%），50HZ；输出直流电压 400V（115%）; 较好地完成整流任务。3.

30、3Matlab 仿真步骤和波形3.3.1选取器件在 simulik 中的 SimPowerSystems中选取以下仿真器件 PID Control （ PID 调节器）、 Relay（滞环比较器）、单相 AC电压源、电流和电压测量表、 Universal Bridge （通用桥 电路）、Mosfet（金属氧化物半导体场效应晶体管） 、Diode（电力二极管）、Gain（滤波器）、 SEries RLCR ranch（RLC器件）、Product （乘法器）、Constant （常数）、Scope（示波器）、 Divide（ 除法器 ） 、Powergui（仿真的工作环境） 、Display （

31、显示器）、Discrete Meanv alue （离散平均值测量器） 、Active & Reactive Power （功率测量器） ，得到如图所示的仿真 电路图14武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书图 4-3 Matlab 整流电路仿真电路图3.3.2设置各器件的仿真参数输入电压（网侧电压）有效值为 220V, 频率为 50HZ；输出电压指令 u*o 为 400V ：电 感 L=6mH, 电 容 C=320uF ： 负 载 电 阻 R=160 ： 在 二 极 管 整 流 桥 中 ， Rs=1e-6F,Cs=1e-6F,Ron=，0Vf=0 ；开关管 Q采用 MOSFET,Ron=0.001，Lon=0。Rd=0.01， Vf=0 ， Ic=0 ， Rs=1e5 ， Cs=inf ； Boost 电 路 中 二 极 管 参 数 ， Ron=0.001,Lon=0,Vf=0.8V ,Ic=0,Rs=500,Cs=250e-9F。,运行和调试输出电压波形 uo 如图所示：15武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书图 4-4 输出电压 uo 的仿真波形图 4-5 ui 和 ii 的仿真波形图 4-6 Ud 和 iL 的波形16武汉理工大学电力装置