一種新型單相脈沖整流器的MATLAB仿真研究

關(guān)鍵詞：脈沖整流器；升壓斬波器；功率因數(shù)校正；

圖1主電路拓?fù)鋱D

1前言

隨著電力電子裝置日益廣泛的應(yīng)用，諧波對(duì)電網(wǎng)的污染也日益嚴(yán)重。另外，許多電力電子裝置的功率因數(shù)很低，也給電網(wǎng)帶來了額外負(fù)擔(dān)并影響供電質(zhì)量。因此，各種功率因數(shù)校正技術(shù)得到了迅速發(fā)展。其中，四象限變流器技術(shù)是中、大容量的單位功率因數(shù)變流器采用的主要技術(shù)。它是把在逆變電路中使用的PWM技術(shù)移植到整流電路中而形成的。其基本原理是，檢測(cè)交流側(cè)的電壓波形和電流波形，通過控制功率開關(guān)管的通斷狀態(tài)，使輸入電流接近正弦波，并且使交流輸入側(cè)電流和電壓同相位，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)接近于1的目標(biāo)。

本文所提出的脈沖整流器電路與傳統(tǒng)的四象限變流器稍有不同，它適用于無需能量反饋的場(chǎng)合,可用于交流側(cè)功率因數(shù)校正。文中采用了一種新型的控制方法，并用MATLAB進(jìn)行了系統(tǒng)仿真。

2主電路拓?fù)?/P>

如圖1所示，該單相整流器每個(gè)橋臂的上功率開關(guān)采用了不可控器件，降低了成本和控制的復(fù)雜性，簡(jiǎn)化了控制脈沖產(chǎn)生電路，提高了系統(tǒng)的可靠性。

在電源電壓正半波，通過控制開關(guān)管S1的導(dǎo)通與關(guān)斷，使電感電流跟蹤電源電壓。由于半導(dǎo)體器件的特性，即使同時(shí)給S1、S2發(fā)控制脈沖，在電源電壓正半波，S2也不會(huì)導(dǎo)通。當(dāng)S1開通時(shí)，電源給電感充電,電感電流經(jīng)S1、D2方向流動(dòng)，電感儲(chǔ)能,電感電流上升；S1關(guān)斷時(shí)，電感電流經(jīng)D1、D2方向流動(dòng)，電感與電源同時(shí)向負(fù)載供電,電感釋放能量,電感電流下降。只要及時(shí)控制S1的開通與關(guān)斷，就能使電感電流即電源電流跟蹤電源電壓的變化。在電源電壓的負(fù)半周，與上面的分析相同，只要控制S2的導(dǎo)通與關(guān)斷，就能達(dá)到相同的效果。這樣就能夠使輸入電流跟蹤輸入電壓，從而使功率因數(shù)接近于1。

圖3系統(tǒng)的MATLAB仿真模型

圖2平均電流模式控制原理框圖

圖4PWM子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從上面的分析可知，該主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于設(shè)計(jì)了兩套Boost升壓斬波電路，只是在輸入交流電壓的正負(fù)半周通過對(duì)應(yīng)的Boost電路工作，來實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正的目的。

3控制電路原理及建模

如上所述，該電路本質(zhì)上為Boost電路，因此可以采用Boost電路的控制模式。常用的控制模式包括電壓控制方式，峰值電流控制方式，平均電流控制方式等。平均電流控制方式[2]，[4]具有開關(guān)頻率固定，無需諧波補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用最為廣泛。通過這種控制方式，不僅能夠使交流側(cè)功率因數(shù)接近于1，而且能保證直流側(cè)輸出電壓穩(wěn)定。基于此，本文也采用這一控制方式。其具體控制原理簡(jiǎn)述如下：輸出電壓經(jīng)電壓誤差放大器放大后，與輸入電壓的采樣值在乘法器相乘后送到電流運(yùn)算放大器作為基準(zhǔn)電流。電壓環(huán)的作用是使輸出電壓穩(wěn)定，從輸入電壓采樣的目的是使基準(zhǔn)電流與輸入電壓的波形同相位。從電感電路獲得電感電流采樣，送到電流誤差放大器的負(fù)端。電流誤差放大器的輸出直接加在PWM比較器的正端，比較器的負(fù)端接鋸齒波發(fā)生器的輸出。這樣，電流誤差放大器的輸出直接控制了PWM調(diào)制器的占空比，強(qiáng)迫實(shí)際電感電流逼近電感電流的平均值。其控制框圖如圖2所示。

4系統(tǒng)的MATLAB仿真研究

本文采用MATLAB來完成系統(tǒng)工作原理的仿真和分析。所建立的MATLAB仿真原理如圖3所示。

圖3的有關(guān)說明如下：

1）為避免在仿真中形成代數(shù)環(huán)，造成逐步迭代，從而降低求解速度，增加仿真時(shí)間，故在電路中使用了記憶模塊，以切斷代數(shù)電路。

2）在控制電路中使用了傳遞函數(shù)模塊來構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器，并在電流電壓采樣中使用了濾波器模塊。這些模塊的運(yùn)用簡(jiǎn)化了仿真電路的實(shí)現(xiàn)。

3）圖中的PWM子系統(tǒng)是運(yùn)用SIMULINK中的基本模塊構(gòu)造的。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

5仿真波形及結(jié)果分析

電路有關(guān)參數(shù)：?jiǎn)蜗嘟涣鬏斎?40V；直流輸出600V；開關(guān)頻率2kHz；交流側(cè)電感2mH。圖5，圖6，圖7分別顯示的是輸出電壓波形，輸入交流電壓與電流波形，開關(guān)脈沖信號(hào)波形。

從圖5可以看到輸出電壓經(jīng)過啟動(dòng)過程后基本穩(wěn)定在600V左右。從圖6（b）可以看到輸入側(cè)電流近似為一與輸入電壓同相位的正弦波。

6結(jié)語

本文提出了一種新型的脈沖整流器實(shí)現(xiàn)方案，分析了其工作原理，采用了一種新的控制方案，并給出了采用MATLAB建立的仿真模型和仿真分析結(jié)果。通過仿真驗(yàn)證了該方案是實(shí)現(xiàn)中、大功率因數(shù)校正的一種較好的方法。
圖7開關(guān)信號(hào)

圖5輸出電壓波形

(a)輸入交流電壓

(b)輸入交流電流

圖6輸入電壓與電流波形

參考文獻(xiàn)

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