1 引言
在高功率因數(shù)PWM整流器的設(shè)計(jì)中,，通常需要對(duì)控制策略進(jìn)行仿真。常用的電力電子仿真工具中,，Pspice，Saber仿真時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)生大量的中間數(shù)據(jù)，占用資源多,，會(huì)引起不收斂問(wèn)題，適合于電路級(jí)仿真[1],。而Matlab以描述功率變換的狀態(tài)方程為基礎(chǔ),，有了狀態(tài)方程，電路很容易用Matlab中的 Simulink里的函數(shù)模塊來(lái)表述,，而且各種控制算法容易實(shí)現(xiàn)，而不必應(yīng)用實(shí)際的元器件模型,，減小了仿真運(yùn)算的難度,。由于PWM型功率變換器是一類強(qiáng)非線性（電子開關(guān)器件在一個(gè)周期中既工作在飽和區(qū)又工作在截止區(qū)）或斷續(xù)（即按時(shí)間分段線性，在幾個(gè)時(shí)間段內(nèi)電路都是線性的,，但拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同）或時(shí)變（電子開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)的電阻很小,，截止時(shí)的電阻很大）的電路[3]。因此，變換器電路動(dòng)態(tài)特性的解析分析方法較復(fù)雜,，阻礙了這類變換器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析與設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行,。而把狀態(tài)空間平均法應(yīng)用于功率變換器的建模，是一種簡(jiǎn)單有效的研究方法,。當(dāng)變流器運(yùn)行于連續(xù)導(dǎo)電模式,，并忽略其開關(guān)過(guò)程，即認(rèn)為開關(guān)動(dòng)作是瞬時(shí)完成的,，這樣,，一個(gè)工作于連續(xù)導(dǎo)電模式下的PWM變流器可以用兩個(gè)線性非時(shí)變電路來(lái)表示。它們與一個(gè)周期中的兩種開關(guān)狀態(tài)相對(duì)應(yīng),，設(shè)其狀態(tài)空間方程分別為
2 單相PWM整流器的數(shù)學(xué)模型
單相PWM整流器主電路如圖1所示,。忽略電感中的等效電阻，在仿真中用理想開關(guān)S來(lái)代替實(shí)際器件,并把與開關(guān)器件并聯(lián)的快恢復(fù)二極管的作用融入到理想開關(guān)中,，當(dāng)其中之一導(dǎo)通時(shí),，即認(rèn)為該理想開關(guān)導(dǎo)通。用以下方式來(lái)定義開關(guān)函數(shù)：
Sm=1（Sm′=0）上橋臂理想開關(guān)導(dǎo)通,，下橋臂理想開關(guān)關(guān)斷
Sm=0（Sm′=1）上橋臂理想開關(guān)關(guān)斷,，下橋臂理想開關(guān)導(dǎo)通。
圖1 PWM整流器主電路圖
考慮到單相電路的對(duì)稱性,，把單相電路看作兩個(gè)雙半橋單元,，相應(yīng)地把單相電源分為兩個(gè)電源，ua=－ub=un/2,，電感也分為L(zhǎng)a=Lb=Ls/2,，這樣就可以得到基于開關(guān)函數(shù)的單相PWM整流器的狀態(tài)方程，
圖1中,，eL=0
利用式(4),，(5)，(6)就得到了單相PWM整流器關(guān)于開關(guān)函數(shù)的狀態(tài)方程,。這就為用Simulink搭建仿真模型提供了相應(yīng)的基礎(chǔ),。
3 PWM整流器的控制方案
該單相PWM整流器的控制框圖如圖2所示。參考電壓Udref與直流側(cè)輸出電壓Ud的差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)后,，與正弦同步信號(hào)相乘,，產(chǎn)生參考電流iref，與相應(yīng)的輸入電流is(t)的差值形成電流誤差信號(hào),，該誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)比例調(diào)節(jié)后,，加上相應(yīng)的輸入電壓的前饋，得到調(diào)制波信號(hào),，用此調(diào)制波與三角載波相比較,，就得到相應(yīng)的開關(guān)脈沖,，經(jīng)輸出去控制理想開關(guān)。
圖2 單相PWM整流器的控制框圖
4 單相PWM整流器的Simulink模型
圖3為用Simulink中的模塊搭建的單相PWM整流器的仿真模型,，其中各個(gè)功能塊用子系統(tǒng)封裝好,。主要有控制功能塊（用來(lái)計(jì)算開關(guān)函數(shù)S1，S2,，從而作為后級(jí)的輸入）,；交流輸入電流計(jì)算功能塊；直流輸出電壓計(jì)算功能塊,；除此外,，就是直流側(cè)電壓指令，正弦同步信號(hào)功能塊,，交流輸入電壓功能塊,，三角載波信號(hào)功能塊，及直流側(cè)反電勢(shì)功能塊（在本系統(tǒng)中為0）,?？紤]到對(duì)稱性，凡是所需用到b相的信號(hào),，給a相信號(hào)乘以－1就可以了,。
圖3 單相PWM整流器仿真模型
圖4是各仿真子模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可見(jiàn)交流輸入電流計(jì)算功能塊和直流輸出電壓計(jì)算功能塊完全是由狀態(tài)方程式（4）,，（5）,，（6）構(gòu)造的，而開關(guān)函數(shù)的產(chǎn)生則是由控制策略決定的,。
（a） 交 流 輸 入 電 流 計(jì) 算 模 塊 （b） 直 流 輸 出 電 壓 計(jì) 算 模 塊
（c） 開 關(guān) 函 數(shù)S1，S2計(jì) 算 功 能 塊
5 波形及結(jié)果分析
圖5是相應(yīng)的仿真波形,?？梢钥吹剑绷鱾?cè)電壓穩(wěn)定在給定值,，交流側(cè)電流與電壓同相位,，并基本保持 正 弦 形 狀 ， 交 流 輸 入 電 流 很 好 地 跟 蹤 了 指 令 電 流 ,。
（a） 直 流 側(cè) 電 壓 仿 真 波 形
（b）交流側(cè)電壓與電流仿真波形
（ c） 指 令 電 流 與 輸 入 電 流 仿 真 波 形
圖5仿真波形
同時(shí),以單相PWM整流器為對(duì)象,建立了一個(gè)以單片機(jī)80C196MC為核心的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),輸入電壓為68V,輸出電壓為120V,開關(guān)頻率為2kHz,圖6給出了實(shí)驗(yàn)波形,。
（a） 交 流 電 壓 與 輸 入 電 流 實(shí) 驗(yàn) 波 形
（b） 直 流 輸 出 電 壓 實(shí) 驗(yàn) 波 形
圖6 實(shí) 驗(yàn) 波 形
6 結(jié)語(yǔ)
該仿真方法具有原理清晰，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,，仿真速度快等優(yōu)點(diǎn),，而且很容易推廣到三相PWM整流器的仿真,不失為仿真電力電子系統(tǒng)的一種捷徑。