单相PWM可逆整流器的动态控制建模方法

单相PWM逆变电路的两种仿真模型建立吴炳娇;赵峰【摘要】在多数逆变电路的仿真中,通常都是直接采用Matlab提供的PWM发生器,建立逆变电路的仿真模型,很少根据PWM产生的机理,建立PWM发生器的数学模型.对单相桥式逆变电路进行仿真时,建立PWM发生器的仿真模型并和Matlab 下提供的PWM发生器的仿真模型进行比较,仿真结果表明,根据PWM产生的原理建立的PWM发生器仿真模型的正确性,为PWM产生模型的建立提供了更广阔的选择空间.【期刊名称】《电气传动自动化》【年(卷),期】2012(034)002【总页数】4页(P40-43)【关键词】PWM发生器;单相桥式逆变电路;PWM控制技术;数学模型;Matlab仿真【作者】吴炳娇;赵峰【作者单位】兰州交通大学自动化与电气工程学院,甘肃兰州730070;兰州交通大学自动化与电气工程学院,甘肃兰州730070【正文语种】中文【中图分类】TM51 引言PWM控制技术在电力电子技术中占有重要的地位，电力电子中各种电能变换电路的实现基本都依赖于PWM技术，尤其在逆变电路中的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM技术。

PWM控制技术就是对脉冲宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获取所需要的波形。

PWM控制技术首先在逆变电路中获得应用，并且它是依赖于在逆变电路中的应用，才发展得比较成熟。

PWM控制技术在电力电子中应用，得益于它能够改善相控技术给电能变换所带来的谐波等不和谐因素，使电能变换能够获得更好的应用。

2 单相桥式逆变电路单相桥式逆变电路是三相桥式逆变电路的基础，二者的基本理论是相同的。

为了说明PWM技术在逆变电路中的应用，以单相桥式逆变电路为例，对逆变电路的工作过程进行分析。

开关器件可以采用各种电力电子器件，这里采用IGBT作为开关器件。

图1所示为单相桥式逆变电路的框图，设负载为阻感负载。

在桥式逆变电路中，桥臂的上下两个开关器件轮流导通，即工作时V1和V2通断状态互补，V3和V4的通断状态互补。

1引言在高功率因数PWM 整流器的设计中，通常需要对控制策略进行仿真。

常用的电力电子仿真工具中，Pspice，Saber 仿真时间长，产生大量的中间数据，占用资源多，会引起不收敛问题，适合于电路级仿真[1]。

而Matlab 以描述功率变换的状态方程为基础，有了状态方程，电路很容易用Matlab 中的Simulink 里的函数模块来表述，而且各种控制算法容易实现，而不必应用实际的元器件模型，减小了仿真运算的难度。

由于PWM 型功率变换器是一类强非线性（电子开关器件在一个周期中既工作在饱和区又工作在截止区）或断续（即按时间分段线性，在几个时间段内电路都是线性的，但拓扑结构不同）或时变（电子开关器件导通时的电阻很小，截止时的电阻很大）的电路[3]。

因此，变换器电路动态特性的解析分析方法较复杂，阻碍了这类变换器系统的动态分析与设计的顺利进行。

而把状态空间平均法应用于功率变换器的建模，是一种简单有效的研究方法。

当变流器运行于连续导电模式，并忽略其开关过程，即认为开关动作是瞬时完成的，这样，一个工作于连续导电模式下的PWM 变流器可以用两个线性非时变电路来表示。

它们与一个周期中的两种开关状态相对应，设其状态空间方程分别为1）在时间间隔DT （0≤t ≤t 0）：=A 1X2）在时间间隔（1－D ）T （t 0≤t ≤T ）：=A 2X式中T 为PWM 开关周期，D 是其占空比，X 为状态向量，A 1，A 2为系统矩阵，将上述两个开关模型综合为一个平均模型为=[DA 1＋(1－D )A 2]X2单相PWM 整流器的数学模型单相PWM 整流器主电路如图1所示。

忽略电感中的等效电阻，在仿真中用理想开关S 来代替实际器件,并把与开关器件并联的快恢复二极管的作用融入到理想开关中，当其中之一导通时，即认为该理想开关导通。

用以下方式来定义开关函数：S m =1（S m ′=0）上桥臂理想开关导通，下桥臂理想开关关断S m =0（S m ′=1）上桥臂理想开关关断，下桥臂理想开关导通。

单相PWM整流器的一种建模方法
王立明;王久和;王栓庆;王广龙
【期刊名称】《华北科技学院学报》
【年(卷),期】2006(3)3
【摘要】采用广义状态平均建模技术,在单相PWM整流器状态空间(SS)模型的基础上建立了广义状态空间平均(GSSA)模型.该模型可以简化系统控制,同时通过GSSA模型把对于SS模型来说是非标准的控制问题转换为一个标准的控制问题.另外,在GSSA模型基础上,可采用无源控制和鲁棒控制等控制策略对系统实施控制.【总页数】3页(P78-80)
【作者】王立明;王久和;王栓庆;王广龙
【作者单位】北京信息工程学院,信息与通信工程系,北京,100101;北京信息工程学院,信息与通信工程系,北京,100101;北京信息工程学院,信息与通信工程系,北
京,100101;山东枣庄教育局,山东,枣庄,277218
【正文语种】中文
【中图分类】TM461
【相关文献】
1.一种单相级联H桥整流器SVPWM及其电容电压平衡控制方法 [J], 王顺亮;宋文胜;冯晓云
2.一种基于虚拟电路闭环的单相PWM整流器控制新方法 [J], 孙毅超;赵剑锋;季振东;姚晓君
3.一种单相三电平中点钳位整流器的SVPWM控制方法 [J], 宋文胜;冯晓云;蒋威
4.单相PWM可逆整流器的动态控制建模方法 [J], 张加胜;李浩光
5.应用Matlab仿真单相PWM整流器的一种简单方法 [J], 叶齐峰; 金新民
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扬州大学水利与能源动力工程学院本科生课程设计题目单相逆变电路的PWM控制设计与研究课程电力电子技术专业电气工程及其自动化班级学号姓名指导老师刘大年完成日期 2016 年 1 月目录1 绪论 (2)1.1 课程题目 (2)1.2 设计目的及要求 (2)1.5 日程安排 (2)1.6 主要参考书 (2)2 单相桥式逆变电路 (4)2.1 电压型逆变电路 (4)2.2 电流型逆变电路 (6)3 单相桥式PWM逆变主电路设计 (10)3.1 逆变控制电路的设计 (10)3.2 正弦波输出变压变频电源调制方式 (12)4 驱动和保护电路的设计 (14)4.1 过电流保护 (14)4.2驱动电路的设计 (15)5 仿真实验 (16)5.1 单相桥式PWM逆变主电路原理图 (16)5.2 单极性控制电路原理图 (16)5.3 仿真所得波形 (17)7 小结 (23)8 参考文献 (24)1 绪论1.1 课程题目单相逆变电路的PWM控制设计与研究1.2 设计目的及要求1、通过对单相桥式PWM逆变电路的设计，掌握单相桥式PWM逆变电路的工作原理，综合运用所学知识，进行单相桥式全控整流电路和系统设计的能力。

2、了解与熟悉单相桥式PWM逆变电路拓扑，控制方法。

3、理解和掌握单相桥式PWM逆变电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，掌握元器件的选择计算方法。

4、具有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力。

1.5 日程安排本次课程设计时间共一周，进度安排如下：1、设计准备，熟悉课题设计要求及内容。

（1天）2、分析控制要求、电路方案设计。

（1天）3、绘制电路接线图。

（2天）4、电路分析、计算。

（2天）5、整理计算书及图纸、写课程设计报告。

（1天）1.6 主要参考书1、孙树朴等、电力电子技术（第一版）、中国矿业大学出版社、19992、邵丙衡、电力电子技术（第一版）、铁道出版社、19973、王兆安，黄俊、电力电子技术（第四版）、机械工业出版社、20084、叶斌、电力电子技术习题集（第一版）、铁道出版社、19955、赵良炳、现代电力电子技术基础（第一版）、清华大学出版社、19952 单相桥式逆变电路单相全桥逆变电路主要由逆变电路和控制电路组成。

单相PWM整流器定频模型预测功率控制算法宋文胜;邓知先【摘要】For these drawbacks of traditional switching-table direct power control(DPC) in single-phase PWM rectifiers such as large powerripple,variable switching frequency and large harmonic components of the grid-side current,a single-phase model predictive DPC ( MP-DPC) scheme with duty cycle optimiza-tion was proposed,on the basis of three-phase model predictive direct power control scheme.Firstly,the grid-sidevoltage/current rotating vectors were constructed through fictive-axis emulation,and a power cal-culation algorithm for single-phase system was presented on the basis of instantaneous power theory.Then, combining with the effect of different switching-states on instantaneous power, a MP-DPC scheme with switching-state selection and duty cycle optimization was proposed for single-phase PWM rectifier.Final-ly,computer simulations and hardware in loop experiments were adopted to test and compare traditional hysteresis switching-table DPC and MP-DPC,respectively.Simulation and experimental results show that the proposed MP-DPC scheme achieves higher precision,lower harmonics and constant switching frequen-cy compared with hysteresis switch-table DPC.Feasibility and correctness of the proposed MP-DPC scheme are also verified.%针对传统单相PWM整流器开关表直接功率控制算法的系统功率脉动大、开关频率不固定、网侧谐波高等问题,借鉴三相PWM整流器的模型预测直接功率控制(MP-DPC)算法,提出了一种基于占空比优化的单相PWM整流器MP-DPC算法.首先,依据瞬时功率理论,通过虚拟坐标系构造网侧电压与电流的旋转矢量,给出了一种单相系统功率求解算法;然后,研究不同开关状态对系统功率的影响,给出了单相PWM整流器最优开关状态选择与占空比求解的MP-DPC方法;最后,分别对滞环开关表DPC与MP-DPC算法进行了计算机仿真及半实物实验对比研究,结果表明:与滞环开关表DPC算法相比,该MP-DPC算法具有控制精度高、开关频率恒定、网侧电流谐波含量低等优点,也验证了该算法的有效性和优越性.【期刊名称】《电机与控制学报》【年(卷),期】2016(020)004【总页数】8页(P93-100)【关键词】单相PWM整流器;直接功率控制;模型预测控制;占空比优化;半实物实验【作者】宋文胜;邓知先【作者单位】西南交通大学电气工程学院,四川成都610031;西南交通大学电气工程学院,四川成都610031【正文语种】中文【中图分类】TM46近年来，随着电力电子器件制造技术、微电子技术和控制技术的不断发展与革新，电力电子变流器的性能得到了不断提高。

单相逆变电路的PWM控制设计与研究
一、什么是PWM控制
PWM（Pulse Width Modulation，即脉宽调制）控制是一种电路控制
方式，它可以通过改变脉冲宽度来调节电压或电流，从而控制电动机的转速、输出功率、驱动器输出功率等等。

二、PWM控制原理
基于PWM控制的单相逆变电路，经过变换后，将电压转换为交流电压
输出，由于它只需要一个单相输入电压，所以它称为单相逆变电路。

PWM
控制的单相逆变电路，由母线电压，振荡电路，反相电路和控制电路四部
分组成。

其中母线电压负责驱动整个逆变电路，振荡电路用于生成PWM信号，而反相电路则可以调整PWM信号的频率，从而影响输出电压的大小；
而控制电路则是控制整个电路的核心，它负责处理PWM信号，控制单相逆
变电路的输出功率。

三、PWM控制的设计
（1）PWM控制电路的设计
PWM控制电路的设计包括三大步骤：
（1）设计PWM信号的编码和产生部分，编码器可以通过改变脉宽来
改变输出电压，从而实现电压的控制；
（2）设计控制电路，控制电路的作用是将控制信号转换为PWM信号，从而控制电路的输出；
（3）设计反馈电路，反馈电路的目的是检测电路的输出，以便根据
实际需要调整PWM的频率，从而实现电机的控制。

3 PWM逆变器的动态建模逆变器作为一种开关电源，具有效率高、体积小及重量轻等显著优势，近几年获得了迅速的发展。

由于逆变器电路工作在开通和关断两种状态，整个逆变器电路系统为以非线性时变系统，因而一般的线性系统理论不能直接应用。

随着电力电子技术及现代工业、尤其是航空航天事业的发展，对诸如逆变器等电力电子器件的要求越来越高。

依赖传统的方法，仅通过反复调节控制系统的结构和参数来满足动态特性的要求已经远远不够，这就促使人们深入的了解逆变器系统内部的电磁过程，寻求其数学描述，即建立逆变器电路系统的数学模型。

状态空间平均法是一种对非线性电源系统进行线性化和小信号处理的建模方法，从而得到电源系统的小信号状态方程，并给出了系统的小信号等效电路，结合控制系统的传递函数，便可使用频域法和时域来分析开关电源电路，该方法的前提是系统的响应频率远远低于开关电源电路，因而对系统的高频特性描述的不太精确。

但是该方法比较简单、直观、参数变化对系统的影响也比较明了。

因此本章将应用状态空间平均法建立PWM逆变器数学控制模型，通过介绍该模型构建过程，总结出其特点、适用范围与使用方法，以阐明状态空间平均法对逆变器建模的实质、方法、步骤和意义。

3.1状态空间平均法3.1.1基本思想当考察一段远比单个开关周期长的时间里的状态行为时，可以忽略单个开关周期内的状态变化细节，状态的总体变化趋势可用连续序列的单个开关周期里状态均值的改变来等效。

这样等效的前提是系统的带宽远小于开关频率，以至于系统状态的改变对开关频率而言足够缓慢。

这样，就能从原有的不连续的统一状态方程得出满足所需精度的、描述系统状态变化趋势的、连续的状态方程，从而可以运用控制工程的一些手法和手段对逆变器系统进行分析设计。

3.1.2基本方法状态空间平均法是针对开关电路的开关器件工作在开通和关断两种工作状态，分别列写状态方程。

在导通期间（on t t ∈）为 ⎩⎨⎧=+=x C y u B x A x on on on （3.1）在关断期间（off t t ∈）为 ⎪⎩⎪⎨⎧=+=x C y u B x A xo f f o f f o f f （3.2）式中，x 表示状态变量，u 表示独立电源，y 表示输出变量。