秦立新

（海軍駐上海江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室 上海 200023）

1 引言

隨著電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，船用晶閘管、IGBT、MOSFET等大功率電力半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，以PWM、SPWM、SAPWM為主的各類功率轉(zhuǎn)換技術(shù)在機(jī)電控制［1］領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文在三相VSR整流模型［2］的基礎(chǔ)之上，對(duì)單相VSR整流原理進(jìn)行系統(tǒng)分析，建立電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制整流模型，在Simulink環(huán)境下進(jìn)行了仿真和性能分析。

2 單相PWM整流控制器整流原理

單相VSR全控整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，控制器通過對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行采樣，輸出可控的PWM波對(duì)T1～T4四只功率管實(shí)現(xiàn)全控整流［3］，將vdc的電壓控制在給定電壓v＊dc附近，下面我們對(duì)單相PWM整流的原理進(jìn)行分析。

圖1 單相VSR全控整流器

假如忽略功率開關(guān)管的功率損耗［4］，交流側(cè)輸入功率與直流側(cè)所消耗的功率平衡：

由式（1）可知，電路中交流側(cè)和直流側(cè)可以相互控制，在直流側(cè)負(fù)載不變的情況下，若控制交流的輸入功率不變，直流側(cè)電壓可保持恒定。PWM整流控制，一般使用電流內(nèi)環(huán)，電壓外環(huán)的控制策略，通過電壓外環(huán)使直流側(cè)的輸出電壓vdc保持在設(shè)定值v＊dc，通過電流內(nèi)環(huán)控制網(wǎng)側(cè)電流is的幅值和相位，保持電流is與電壓us同相位，從而實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)整流。

3 單相PWM整流器電流內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計(jì)［5］

為了提高轉(zhuǎn)換效率、實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)整流和改變虛擬電子負(fù)載的性質(zhì)［3］，電流內(nèi)環(huán)控制的作用就是使網(wǎng)側(cè)電流跟蹤電壓外環(huán)給定的電流指令進(jìn)行隨動(dòng)控制。為了方便分析，我們假設(shè)電壓外環(huán)輸出的網(wǎng)側(cè)電流指令為i＊s，電流內(nèi)環(huán)采用PI調(diào)節(jié)。

針對(duì)圖1所示的單相全橋VSR整流電路，若采用雙極性調(diào)制，可以用雙極性二值開關(guān)邏輯函數(shù)s（t）來(lái)描述開關(guān)管的工作狀態(tài)［1］，即

此時(shí)網(wǎng)側(cè)電壓和網(wǎng)測(cè)電流滿足如下關(guān)系：

若忽略PWM的諧波分量，開關(guān)函數(shù)可寫成如下形式

其中m為PWM的調(diào)制比，φ為s（t）基波的初始相角，根據(jù)式（3）、（4）和式（5）則

根據(jù)式（3）通過對(duì)i＊s－is得到的偏差進(jìn)行PI控制［6］，控制器的輸出調(diào)節(jié)PWM的調(diào)制比m，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓uab的控制。根據(jù)式（7），對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓uab的控制就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)側(cè)電流的控制。根據(jù)上述分析我們可以畫出電流內(nèi)環(huán)的控制框圖如圖2所示。

圖2 電流內(nèi)環(huán)控制框圖

4 單相PWM整流器電壓外環(huán)控制器的設(shè)計(jì)［7］

對(duì)電壓外環(huán)控制，將直流側(cè)電壓vdc與電壓設(shè)定值v＊dc進(jìn)行比較得到偏差v＊dc－vdc，然后進(jìn)行PI控制，輸出電流內(nèi)環(huán)電流is的幅值Ism。電壓外環(huán)實(shí)際上是定值控制，將直流側(cè)的電壓控制在給定值。為方便起見我們把電流內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù)記為wci（s），為了進(jìn)行單位功率因數(shù)整流，需要對(duì)電流內(nèi)環(huán)的輸入電流i＊s進(jìn)行相位控制，要保持網(wǎng)側(cè)電流is與交流電壓源電壓us保持同步，通過鎖相環(huán)模塊檢測(cè)us的相位φ和角頻率ω［8，11］，令

根據(jù)KCL定律列出直流側(cè)電流方程：

進(jìn)行拉氏變換得：

根據(jù)式（6）、（8）、（9）可以得到電壓外環(huán)的控制框圖，如圖3所示。

圖3 電壓外環(huán)控制框圖

5 基于Simulink［8］下PWM 控制器仿真與分析

在Simulink應(yīng)用環(huán)境下，根據(jù)控制邏輯圖搭建整流控制模型［11］，在控制模型中對(duì)設(shè)計(jì)的參數(shù)整定和仿真。仿真過程中設(shè)定電源電壓為AC 220V，網(wǎng)側(cè)電感4.46mH，直流側(cè)電容為4.7mF，搭建的仿真模型如圖4和圖5。

圖4 PWM整流器Simulink模型

圖5 pulse generator子模塊

經(jīng)過仿真運(yùn)算，利用scope輸出電源電壓us和網(wǎng)側(cè)電路is。

如圖6所示us和is的波形，由波形可以看出經(jīng)過一段較短的過渡過程后，可以保證網(wǎng)側(cè)電流is與電源電壓us同相位實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)整流。如圖7所示直流側(cè)電壓udc波形，可以看出直流側(cè)電壓vdc能夠穩(wěn)定在給的整流電壓（圖上為400V）附近，但存在一定的諧波成分。

圖6 電源電壓us與網(wǎng)側(cè)電流is的波形圖

圖7 直流側(cè)電壓vdc的波形圖

6 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)三相VSR整流模型，設(shè)計(jì)了單相VSR型PWM整流控制器控制邏輯框圖，在Simulink環(huán)境中建立了仿真數(shù)學(xué)模型。經(jīng)參數(shù)整定和仿真分析表明，本控制器能夠?qū)崿F(xiàn)單位功率因數(shù)整流，并能夠維持直流側(cè)輸出電壓的基本恒定。

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