摘  要：本文对一种单相高功率因数可逆电流变换器在理论上进行了介绍，在此基础上运用MATLAB5.3建立了仿真模型并对整个电路进行仿真，最后与500VA的实验样机的实验结果进行了对比。

关键词：可逆变流器  仿真/模型  脉宽调制  电力系统模块库 

Abstract：This paper takes a theoretical analysis of a PWM rectifier circuit.  On this base a converter simulation model based on Matlab is established and computer digital simulation was carried out with Matlab. At last the simulation model is verified by comparing the Matlab simulation result with the experiment result  of the  500VA  PWM rectifier .

key words： Reversible Converter  Simulation/model  PWM  Power System Blockest

1  引  言

近年来，随着全控器件和PWM技术的发展，高功率因数可逆变流器已从理论逐步走向应用。为了验证理论分析和电路设计的正确性，更主要的是深入分析各类参数和控制模块中的各个参数对系统工作状况和输出特性的影响，需对此系统进行计算机仿真。MATLAB是一种面向科学与工程计算的高级语言，它集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络、图象处理等于一体，具有极高的编程效率。MATLAB的推出，为广大科技工作者提供了一个简便、实用的工具。MATLAB提供的SIMULINK       是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。SIMULINK软件包的问世给系统分析者带来了极大的方便。

2  可逆整流电路简介

  可逆整流电路主电路如图1所示。其中es 为电源相电压,Ls是输入电感，VT1~VT4构成可逆变流器的二个桥臂，它的结构和普通变流器相同。

                                     图1  单相可逆整流电路

直流侧接有滤波电容C，其上电压为 , 是负载。所谓双向变流器的控制就是对变流器的4个开关施以某种PWM调制，使变流器输入点的电压基波是一个与外加电压Es成某一电角度的同频率的正弦波Us。

采用电流直接控制技术的可逆整流器的控制电路由电压环和电流环组成（如图2），电流环主要是使输入的电流正弦化，以实现高功率因素，电压环是为了稳定输出电压。

图2  控制电路框图

3  可逆变流器电路的仿真模型的建立

3.1  功率电路的仿真

在MATLAB5.3的Simulink库中，找到电力系统工具箱（Power System Blockest），在其中的electrical sources库中有交流电源，可作为输入激励源，用鼠标双击此图标就会弹出对话框，进行参数设定。电力系统工具箱中的elements库中没有单独的电阻、电感、电容模型，而只有它们的串联（series RLC branch）和并联（parellel RLC branch）支路。因为任何实际电感都会有一定的发热特性即有功损耗。所以我们把升压电感的仿真模型设为电阻与电感的并联，而把series RLC branch中的电容设为inf即无穷大。系统的负载采用纯电阻负载，把电感设为0，电容设为inf。

单相功率整流桥的实现。在electrical elements的元件库中，有多种功率开关模型，这里就有一个选择的问题。若功率电路由MOSFET构成，则可选用其中的MOSFET模型。把MOSFET模型建成如图所示的桥式电路。MOSFET的参数有：［MOSFET的阻抗］［MOSFET的电感］［内部二极管的电阻］［初始电流］［缓冲电阻］［缓冲电容］。由于二极管本身就有一个二极管，所以无须在另加反并的二极管了。然后再在第一个上下桥臂的MOSFET测试端加上功率测量模块。这样MOSFET桥的仿真模块就建成了。如图3示：

图3  功率电路仿真模型

3.2  控制模块的建立

控制模型是功率变换系统的核心部分，因为它涉及电路的工作特性，输出特性，输出参数的技术指标等问题。本系统的总体控制结构是通过输出电压、输入电流的反馈得到正弦误差信号，再与一定频率的三角波交截产生正弦脉宽调制信号，用来控制整流桥的工作。

从Simulink库中找出常数模块（constant）作为电压基准 （，把用电压表模块（voltage measurement）所测得电压经过gain模块衰减后与 通过sum模块作差，把误差信号经过PI调节器和限幅模块在送到电流环。

电压误差信号和给定的正弦信号通过模拟乘法器（product）相乘后得到电流环的参考电流信号 。把用电流表（current measurement）测的输入电流信号衰减一定倍数后与 通过sum模块作差，再把误差信号经过电流调节器与限幅模块得到一误差信号，然后和载波通过比较器(operator模块)得到一控制脉冲，但为了防止桥臂直通，需将所产生的控制脉冲经过一延时模块，得到两个反相同时又有一定延时的控制脉冲用以控制整个电路工作。整个控制系统的模型如图4所示。

图4  控制系统仿真模型

3.3  系统的仿真模型

将功率电路的仿真模型和控制电路的仿真模型连接到一起，如图5所示，就得到了整个系统的仿真模型

4  仿真和实验结果

在理论分析和对原理样机实验的基础上，进行了计算机仿真。实验参数为：输入电压Ui=50V，Uo=100V, f=6kHz,Po=500W,电感为10mH,功率器件采用IR公司的IRF250，额定负载为20Ω。实验结果如下：

图6为高功率因数可逆变流器输入电压和电流及输出电压的仿真波形，图7为原理样机的实验波形。由图可以看出，电压与电流信号基本同相。单相电路输出电压有近±5%的纹波。用谐波分析仪测得功率因数达0.993，电流总谐波畸变为9.36%。电路的效率达到90%。

5  结  论

通过对原理样机的实验和计算机仿真，可得出以下结论：

（1）计算机仿真既对实验参数的选择具有指导作用，又可验证实验结果。

（2）从实验结果看出，本系统可得到接近单位的功率因数和较低THD值。

 （3）利用控制电路，把参考电流反向，可使电路工作在逆变状态，实现能量的双向流动。

图5  整个系统的仿真模型

（a）输入电压和电流波形                 （b）输出电压波形

图6  仿真波形

（a）输入电流和电压波形                  （b）输出电压波形

                                 图7  实验波形

参考文献：

[1] 施 阳等.MATLAB语言精要及动态仿真工具SIMULINK.西安西北工业大学出版社，1996.

[2]  郑艳安. 三相高功率因数可逆整流器的研究. [硕士论文].南京航空航天大学，2000.

*本文受江苏省教育厅立项课题基金资助。

作者介绍：

丁卫红  女  1968年生，讲师，硕士生。研究方向为电力电子技术。