一種新型單相高頻PWM整流器仿真研究

1、收稿日期:1998-10-27基金項(xiàng)目:廣東工業(yè)大學(xué)校自選項(xiàng)目(972004作者簡(jiǎn)介:文元美(1969-,女,講師;主要研究方向:電力電子技術(shù).一種新型單相高頻PWM 整流器仿真研究文元美,戴青云(廣東工業(yè)大學(xué)電子與信息工程系,廣東廣州510643摘要:研究一種新型的單相PWM 高頻整流器,其控制電路不需標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào),可實(shí)現(xiàn)電路輸入電流近似正弦、功率因數(shù)接近為1且輸出電壓可控.文中建立了電路數(shù)學(xué)模型,運(yùn)用功能模塊化仿真結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究,最后給出了仿真結(jié)果.關(guān)鍵詞:高頻整流器;PWM ;計(jì)算機(jī)仿真中圖分類號(hào):TN86文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1007-7162(199903-0061-0

2、6提出一種單相電容輸入型整流電路的改進(jìn)形式,該高頻整流電路由兩個(gè)電抗器將二極管整流橋和兩個(gè)開關(guān)器件組成的斬波器連接而成.通過對(duì)開關(guān)器件進(jìn)行PWM 控制,使其交替通斷,可使電路輸入電流為近似正弦、輸入功率因數(shù)接近為1且輸出電壓可控.1電路基本工作原理及數(shù)學(xué)模型的建立111電路組成圖1主電路原理圖圖1示出該整流電路.回路中T 1、T 2采用普通的場(chǎng)效應(yīng)晶體管,D 5、D 6為場(chǎng)效應(yīng)晶體管T 1、T 2上的反并聯(lián)二極管,兩管交替工作.整流二極管D 1D 4使用快恢復(fù)二極管,負(fù)載R L 采用電阻元件,電容C 1=C 2=C ,電抗器L 1=L 2=L.112電路基本工作原理下面以交流電源Us 正半周為

3、例說明電路工作原理.當(dāng)T 1導(dǎo)通且T 2截止時(shí),電流沿電容C 1、二極管D 1、電抗器L 1、場(chǎng)效應(yīng)晶體管T 1流動(dòng).能量?jī)?chǔ)存于電抗器L 1中,由于開關(guān)器件工作頻率高,認(rèn)為一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)U C 1近似恒定,則電抗器電流i L 1近似線性上升.U C 1=L 1d i L 1d t當(dāng)T 1截止且T 2導(dǎo)通時(shí),一方面儲(chǔ)存于L 1中的能量通過負(fù)載R L 、場(chǎng)效應(yīng)管T 2的反并聯(lián)二極管D 6、C 1、D 1釋放出來,電抗器L 1中的電流i L 1的下降與負(fù)載時(shí)間常數(shù)有關(guān).第16卷第3期1999年9月廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)Journal of G u angdong U niversity of T echn

4、ologyVol.16No.3September 1999U C1=L1d i L1d t+U0另一方面,由于T2導(dǎo)通,電流沿D4、C2、T2、L2流動(dòng),能量?jī)?chǔ)存于電抗器L2中,由于開關(guān)器件工作頻率高,認(rèn)為一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)U C2近似恒定,則電抗器電流i L2近似線性上升.U C2=L2d i L2d tT1導(dǎo)通且T2截止時(shí),L2中的能量通過D4、C2、T1的反并聯(lián)二極管D5、負(fù)載R L的路徑釋放出來,電抗器L2中的電流下降與負(fù)載時(shí)間常數(shù)有關(guān).由于開關(guān)器件工作頻率高,可認(rèn)為一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電源電壓恒定即d u sd t=0,且流過電抗器的電流即流過C1、C2的電流為三角波電流,其包絡(luò)線為與電源電壓

5、成正比的正弦形.本電路是經(jīng)電容使電源電壓分壓、并與兩個(gè)斬波器電路結(jié)合的整流電路方案,通過使正弦波狀的電抗器電流多重化(見式(14,迭加后使之變成功率因數(shù)為1的正弦波輸入電流,輸入電流脈動(dòng)較小. 113數(shù)學(xué)模型的建立在圖1所示正方向下,認(rèn)為場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其反并聯(lián)二極管構(gòu)成一雙向理想開關(guān)1.定義開關(guān)函數(shù):d=1,T1導(dǎo)通且T2載止;d=0,T1截止且T2導(dǎo)通.圖2電路簡(jiǎn)化模型正半周時(shí),T1導(dǎo)通且T2截止(d=1,電路簡(jiǎn)化模型如圖2(a所示.建立電路方程為:i C1=Cd U C1d t(1i C2=Cd U C2d t(2U s=U C1+U C2(3U C1=Ld i L1d t(4U C2=L

6、d i L2d t+U0(526廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第16卷i s=i C1+i L1(6i s=i C2+i L2(7C0d U0d t+U0R=i L2(8由式(1(8可得對(duì)應(yīng)于圖2(a的狀態(tài)方程為:C d U C1d t=12(Cd U sd t+i L2-i L1C d U C2d t=12(Cd U sd t+i L1-i L2L d i L1d t=U C1L d i L2d t=U C2-U0C0d U0d t=i L2-U0R.(9正半周時(shí),T1截止且T2導(dǎo)通(d=0,電路簡(jiǎn)化模型如圖2(b示.建立電路方程(略,可得對(duì)應(yīng)于圖2(b的狀態(tài)方程為:C d U C1d t=12(Cd U

7、 sd t+i L2-i L1C d U C2d t=12(Cd U sd t+i L1-i L2L d i L1d t=U C1-U0L d i L2d t=U C2C0d U0d t=i L1-U0R.(10綜合狀態(tài)方程式(9、(10可得正半周時(shí)電路狀態(tài)方程為:C d U C1d t=12(Cd U sd t+i L2-i L1C d U C2d t=12(Cd U sd t+i L1-i L2L d i L1d t=U C1-(1-d×U0L d i L2d t=U C2-d×U0C0d U0d t=(1-d×i L1+d×i L2-U0R,(11

8、且i s=12(Cd U sd t+i L1+i L2(1236第3期文元美等:一種新型單相高頻PWM整流器仿真研究負(fù)半周時(shí),T 1導(dǎo)通且T 2截止(d =1,電路簡(jiǎn)化模型如圖2(c 示;負(fù)半周時(shí),T 1截止且T 2導(dǎo)通(d =0,電路簡(jiǎn)化模型如圖2(d 示.依照以上方法針對(duì)負(fù)半周d =0,d =1分別建立方程,推導(dǎo)出負(fù)半周狀態(tài)方程,并綜合正、負(fù)半周時(shí)電路狀態(tài)方程,即可得出電路數(shù)學(xué)模型2為:C d U C 1d t =12(C d U s d t +i L 2-i L 1,C d U C 2d t =12(C d U s d t+i L 1-i L 2,L d i L 1d t =U (t &

9、#215;U C 1-(1-U (t ×U C 2-(1-d ×U 0,L d i L 2d t=U (t ×U C 2-(1-U (t ×U C 1-d ×U 0,C 0d U 0d t =(1-d ×i L 1+d ×i L 2-U 0R,(13其中u (t 函數(shù)定義為U (t =1,U s >0,0,U s <0.由于整流二極管的單向?qū)щ娦?電抗器電流只能單方向流動(dòng),故式(13具有約束條件:i L 1=0,(當(dāng)i L 1<0時(shí)i L 2=0,(當(dāng)i L 2<0時(shí)另可導(dǎo)出輸入電流i s =12(C

10、 d U s d t+(i L 1+i L 2×g (t .(14其中g(shù) (t 定義為:g (t =1,U s >0,-1,U s <0.依據(jù)式(13、(14可對(duì)圖1.2仿真結(jié)構(gòu)211控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介圖3示出了控制系統(tǒng)框圖.控制系統(tǒng)的核心部件是TL494,由TL494產(chǎn)生PWM 波,同時(shí)圖3控制系統(tǒng)框圖對(duì)輸出電壓進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié).212仿真程序的構(gòu)成圖4示出了仿真程序結(jié)構(gòu)框圖.仿真程序采用模塊化結(jié)構(gòu),各功能模塊單獨(dú)編制成具有統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口的子程序.本高頻開關(guān)方式整流囂主電路仿真子程序依據(jù)式(13的數(shù)學(xué)模型運(yùn)用四階Runge Kutta 法解此五階微分方程組,開關(guān)函數(shù)d 是控制系統(tǒng)子

11、程序與主電路子程序需交換的數(shù)據(jù).控制系統(tǒng)子程序依據(jù)控制系統(tǒng)的組成46廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第16卷(見圖3的控制系統(tǒng)框圖包含有濾波模塊、TL494模塊等.圖4仿真程序結(jié)構(gòu)框圖3仿真結(jié)果及討論電路工作條件及基本參數(shù):電源電壓交流220V ;電壓頻率50Hz ;開關(guān)頻率5KHz ;輸出電容C 0=1100F ;負(fù)載R L =470;輸出電壓DC350V ;電抗器L 1=L 2=L =2mH ;輸入電容C 1=C 2=C =5f 。圖5示出了基本仿真波形.輸入電流仿真波形,見圖5(a .輸入電流波形具有較好的正弦性.電抗器中流過電流波形,見圖5(b .電抗器中的電流為具有高開關(guān)頻率、包絡(luò)線為近似正弦半波的高頻波,與電源電壓的絕對(duì)值成正比變化.改變電感值L 時(shí)的輸入電流波形,見圖5(c .從圖中可見輸入電感L 的大小對(duì)輸