单相PWM整流器瞬时电流控制策略研究

摘要：本文先给出单相PWM整流器的工作原理和数学模型，在此基础上，详细研究了瞬态直接电流控制的PWM整流器的控制模型。通过数学公式逐步详细的推导，得到瞬态直接电流控制电流内环和电压外环的PI控制器参数设计。最后，通过MATLAB计算机仿真和得到的详细参数，验证了本文提出的瞬态直接电流控制的PWM整流器具备优良的稳态和瞬态工作性能。

关键词：PWM整流器 瞬态直接电流控制 PI控制器

中图分类号：TM461 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）11-0000-00

Abstract：Firstly，In this paper， the working principle and mathematical model of single phase PWM rectifier are given in this paper， based on this， the control model of PWM rectifier with the transient direct current control is studied in detail.The PI controller parameter design for the transient direct current control current inner loop and voltage outer loop is obtained by the derivation of the mathematical formula is derived in detail.Finally， through the MATLAB computer simulation and the detailed parameters are obtained，this paper presents the transient direct current control of the PWM rectifier with excellent steady-state and transient operating performance is verified.

Key words： PWM Rectifier； Transient Direct Current Control； PI Controller

随着科技的进步 ，如何给各种电子产品提供质量高、可靠性强、高效节能的电源，已经成为电力电子领域的一个研究热点。单相PWM整流器控制技术的目的在于使电源交流输入侧功率因数接近为1。即要求输入电流为正弦波，并且和电压同相位，所以对输入电流的有效控制是关键[1]。单相PWM整理器的控制根据有无引入交流侧电流反馈分为间接电流控制和直接电流控制两种。引入交流电流反馈的为直接电流控制，反之为间接电流控制。瞬态直接电流控制在间接电流控制的基础上引入交流侧输入电流反馈，其具有动态响应速度快、网侧输入电流谐波小和直流侧输出电压稳定等优点[2]。鉴此，本文对单相PWM整流器瞬时直接电流控制进行研究，设计了双闭环PI控制器，完成了电压外环、电流内环的动态控制，并通过计算机仿真验证了控制策略的有效性。

1 瞬时直接电流控制原理

瞬时直接电流控制是一种双闭环控制，外环是电压控制环，内环为电流控制环。在各种各样电子器材的整流器中，被广泛的应用。瞬时直接电流控制主电路如图1所示，瞬时直接电流控制原理图如图2所示，电压外环与电流内环均采用PI调节，从而使输出电压保持稳定。

根据图2所示，可得数学模型如下：

（1）

（2）

KP、Ti为电压PI控制的比例、积分系数，Udc*为中间直流侧输出电压指令值，Udc为中间直流输出实际电压值，UN为交流侧输入电压的有效值，ω输入交流电压的角频率，K、T为电流PI控制的比例和积分系数，Id中间直流环节输出实际电流，iN（t）为交流侧输入电流的瞬时值。对于方程组（1）（2），UN（t）-U1（t）这两项表示PWM整流器的矢量关系，U2（t）是来自变压器二次侧绕组由于电流偏差产生的感应电压。利用Id计算Is2*可以提高PI调节器的能力。I*s作为电流内环的指令信号，电流内环PI调节器使IN（t）跟踪1*S，实现网侧输入电压与输入电流同相位[2]。

2瞬时直接电流控制PI参数的设计

2.1电流内环的设计

电压型PWM整流器受控对象的传递函数为：

（3）

电流内环采用PI调节器，PI调节器可以表示为：

（4）

采用PWM调制时，可将其转换为一个惯性环节，可得到电流内环控制框图，如下图3所示：

图3电流内环控制框图

在设计电流内环控制器的过程中，不仅希望稳态电流无静差，还要考虑其动态性能。而实际中，为了防止损坏功率开关管，电流调节的过程不允许有过大的超调。典型的I型系统能够达到此要求，虽然典型的I型系统抗干扰性稍差，但是与功率开关管的安全相比，其缺点显得微不足道，所以电流内环设计成典型的I型系统[3]。

如图3中的PI调节器，可以得到下式：

（） （5）

电流内环的开环传递函数为：

（6）

为了得到典型的I型系统，我们可以使PI调节器的零点与控制对象传递函数的极点相抵消，所以由式（6）可得：

（7）

所得到相消后系统的开环传递函数为：

（8）

由此可得系统的闭环传递函数为：

（9）

根据典型I型系统整定法，可得：

（10）

求解： （11）

将闭环传递函数再次化简，可得：

（12）

忽略高次项，可得闭环传递函数：

（13）

由上式可知，当按照典型I型系统整定法设计时，可近似等效为惯性环节，KP可以影响电流内环的动态响应性能，电感L越小，且KP越大时，电流内环的动态响应性能越好。

2.2电压外环的设计

电压外环的控制主要是稳定输出直流侧电压，所以我们采用典型II型系统整定法加强电压外环抗干扰能力[2]。由前文可知，电流内环可以近似等效成一个惯性环节，电压外环信号的采样延迟环节也是一个惯性环节，所以我们可以将这两个惯性环节合并，就可以得到电压外环的控制框图，如下图4所示[3]：

图4电压外环控制器结构

我们不妨假设整流器输入与输出能量守恒，忽略网侧电阻，稳态下可得开关传递函数为：

（14）

UN和Udc分别表示输入电压的有效值和输出电压的有效值。

电压外环的PI调节器：

（） （15）

则系统开环传递函数为：

（） （16）

则电压外环的闭环传递函数为：

（17）

按三阶最佳整定法可得：

； （18）

由此可以计算得到：

（19）

带入TP1和K可得[4]：

； （20）

3 仿真分析

为更加清晰的了解瞬时直接电流控制，用MATLAB/SIMULINK仿真环境对瞬时直接电流控制电路进行建模仿真，其仿真电路如图4所示。

图中有6个子系统，Subsystem1是外环电压仿真结构，Subsystem2代表内环电流仿真结构，Subsystem3是PWM波发生仿真结构，Subsystem4是输入电流仿真结构，Subsystem5是输入电压仿真结构，Subsystem6是输出电压仿真结构[5]。

模型内部参数设计如下：网侧交流电压Us=220v，频率f=50Hz，电阻R=1ω，线路电感L=4mh；输出电压Ud=86v，电容C=570uf，电流内环PI参数为：Kip=1，Kii=0电压外环PI参数为：Kwp=1，Kwi=0.1。

由图6和图7可以明确的看到，运用瞬时直接电流控制，电流波动小，动态响应较快。图中输出电压为86V，是由于采集电路的设计，给定与输出成比例关系，其比例约为2.55：1。

4 结语

本文先介绍了单相PWM整流器的工作原理，进而建立瞬时直接电流控制的数学模型，通过MATLAB对瞬时直接电流控制进行了计算机仿真，仿真结果表明，瞬时直接电流控制可以使单相PWM整流器具有更加良好的稳态特性。

参考文献

[1]王兆安，黄俊.电力电子技术（第4版）.机械工业出版社，2009.

[2]刘娟.基于DSP的单相整流器的研究.2011.

[3]杨顺风，冯晓云，韩坤，黄金.基于DSP单相PWM整流器的控制器研究.电力电子技术，2009，43（3）：63～64，75.

[4]曹立威.SPWM 谐波分析的一般方法.电力电子技术，2002，62～65.

[5]裘迅，方宇，王儒，邢岩.三相高功率因数电压PWM整流器控制策略.电工技术学报，2008，96～102.

[6]Lai RS， Ngo KDT.A PWM method for reduction of switching loss in anfull-bridge Inverter.IEEE Trans.on PE，1995，10（3）：326～332.