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SPWM高频整流器的仿真
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1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
目录
1PWM控制技术2
1.1PWM简介2
1.2PWM控制原理和应用2
1.2.1PWM控制的基本原理2
1.2.2PWM计算法和调制法3
1.2.3规则采样法4
1.2.4PWM跟踪控制技术5
2功率因素校正技术.....................................................................................................................8
2.1功率因数(PF)的定义7
2.2功率因数校正7
2.3功率因数校正实现方法8
2.4提高功率因数的几种方法8
2.4.1提高自然因数的方法8
2.4.2人工补偿法8
3Matlab仿真实验9
3.1电路的工作原理9
3.2实验要求11
3.3Matlab仿真步骤和波形11
3.3.1选取器件11
3.3.2设置各器件的仿真参数11
3.3.3运行和调试12
3.4仿真结论14
4总结与体会15
参考文献......................................................................................................................................16
1PWM控制技术
1.1PWM简介
PWM的全称是PulseWidthModulation(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(SinusoidalPWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.前面提到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。
1.2PWM控制原理和应用
1.2.1PWM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δ(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、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,
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1-3PWM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。
1.2.2PWM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——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,使载波频率不致过低为防止fc在切换点附近来回跳动,采用滞后切换的方法同步调制比异步调制复杂,但用微
机控制时容易实现可在低频输出时采用异步调制方式,频输出时切换到同步调制方式,这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
1.2.3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,0≤a<1;wr为信号波角频率。
从图可得:
三角波一周期内,脉冲两边间隙宽度:
图1-5规则采样法
1.2.4PWM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。
(1)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U’d,U’d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(△Ilmin<0),则令Q关断,以减小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。
(2)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。
2功率因素校正技术
2.1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)
式
(1)中:
为输入基波电流有效值;
(2)
为输入电流失真系数;
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。
2.2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,含有大量的谐波分量,使得功率因数很低。
由此带来的问题是:
谐波电流污染电网,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。
2.3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o.7~0.8,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。
2.4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)。
(3).避免电机或设备空载运行。
(4).合理配置变压器,恰当地选择其容量。
(5).调整生产班次,均衡用电负荷,提高用电负荷率。
(6).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感电流,从而使总电流减小,功率因数将提高。
3Matlab仿真实验
3.1电路的工作原理
有源功率因素校正(ActivePowerFactorCorrection,APFC)电路。
是指在传统的不控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,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=
=Um
。
图4-1APFC电路原理图
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:
L
=UL=
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U’d,U’d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导通是电感电流增大,当Q关断时电感电流减小。
令i*L减去iL。
若差值△iL<0,则令Q关断,以减小iL。
通过滞环控制,反之,iL>0,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。
图4-2APFC控制框图
3.2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(1±15%),50HZ;输出直流电压400V(1±15%);较好地完成整流任务。
3.3Matlab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PIDControl(PID调节器)、Relay(滞环比较器)、单相AC电压源、电流和电压测量表、UniversalBridge(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)、SEriesRLCRranch(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(显示器)、DiscreteMeanvalue(离散平均值测量器)、Active&ReactivePower(功率测量器),得到如图所示的仿真电路图。
图4-3Matlab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=160Ω:
在二极管整流桥中,Rs=1e-6F,Cs=1e-6F,Ron=0,Vf=0;开关管Q采用MOSFET,Ron=0.001Ω,Lon=0。
Rd=0.01Ω,Vf=0,Ic=0,Rs=1e5Ω,Cs=inf;Boost电路中二极管参数,Ron=0.001Ω,Lon=0,Vf=0.8V,Ic=0,Rs=500Ω,Cs=250e-9F,。
3.3.3运行和调试
输出电压波形uo如图所示:
图4-4输出电压uo的仿真波形
图4-5ui和ii的仿真波形
图4-6Ud和iL的波形
图4-7功率因素仿真波形
若将滞环比较器的宽度设置[-0.50.5]。
波形的纹度会减小,宽度为[-0.50.5]与宽度为[-11]波形比较,功率因素会提高一些。
3.4仿真结论
根据ud和iL的仿真波形如图所示:
从波形可以看出ud和iL的相位角大致相同,可见控制的效果很好,这满足控制器实现网侧电流正弦化,且功率因素为近似1的要求;而达到了APFC的目的,从功率因素的仿真波形也可以看出,达到了设计效果。
4总结与体会
本文在研究了可控器件的开断同时,提出了电流滞环比较法控制系统Matlab模型,该控制系统应用方便,经济,滞环比较控制方式的硬件电路简单,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,但在响应快的同时,电流脉动也很大,而且滞环的宽度也难控制,若宽度过大,开关频率和开关损耗可降低,但跟踪误差增大,若宽度过小,开关频率和开关损耗增大,跟踪误差可减小,再者,如果宽度固定,电流跟随误差范围也是固定的,但是开关器件的频率是变化的,这就对电力器件的工作频率提出了更高的要求。
随着社会生产和科学技术的发展,整流电路在自动控制系统、测量系统和发电机励磁系统等领域的应用日益广泛。
由于整流电路涉及到交流信号、直流信号以及触发信号,同时包含晶闸管、电容、电感、电阻等多种元件,采用常规电路分析方法显得相当繁琐,高压情况下实验也难顺利进行。
Matlab提供的可视化仿真工具Simtlink可直接建立电路仿真模型,随意改变仿真参数,并且立即可得到任意的仿真结果,直观性强,进一步省去了编程的步骤。
本文利用Simulink对单相桥式全控整流电路进行建模,对不同控制角、桥故障情况下进行了仿真分析,既进一步加深了单相桥式全控整流电路的理论,同时也为现代电力电子实验教学奠定良好的实验基础。
参考文献
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[2]《计算机仿真技术与CAD-基于MATLAB的控制系统》.电子工业出版社.李国勇.第二版
[3]《现代电力电子技术及其应用》.东南大学出版社,王维平.
[4]《电力电子技术计算机仿真实验》.北京:
电子工业出版社.李传琦.
[5]《电力电子技术与MATLAB仿真》. 北京:
中国电力出版社.周渊深.
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