莊吉運， 賈文超

(長春工業(yè)大學 電氣與電子工程學院， 吉林 長春 130012)

0 引 言

在電力電子中,整流電路是出現(xiàn)最早的一種，直流用電設備所需的直流電就是通過整流電路將交流電整流得到的。整流電路在直流電動機、通信系統(tǒng)電源、同步發(fā)電機勵磁等多方面都有十分廣泛的應用。整流電路可從交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路等多種角度進行分類。目前整流電路的應用還是最為廣泛的,對三相橋式全控整流電路的研究變得非常重要，文中分別對開環(huán)條件下的電路模型和帶有閉環(huán)反饋控制的電路模型進行了仿真分析，并對控制環(huán)節(jié)中應用到的三相靜止坐標系和兩相旋轉坐標系之間的變換,以及PID控制算法進行介紹分析[1]。

1 三相全控整流電路工作原理

三相橋式全控整流電路原理如圖1所示。

圖1 三相橋式全控整流電路原理

該電路是由變壓器、共陰極組、共陽極組以及負載構成，共陰極組有VT1、VT3、VT5，共陽極組有VT4、VT6、VT2，為了避免3次諧波流入電網，變壓器一次側的連接方式選擇三角形連接，二次側選擇星形連接方式得到零線。因為本電路采用了6個半控型器件晶閘管，所以要使電路導通需要設計觸發(fā)電路。當電路正常工作時，每個時刻需要一個共陰極組和一個共陽極組兩個晶閘管同時導通。為確保晶閘管導通順序從1到6導通，電路的觸發(fā)方式采用雙脈沖觸發(fā)，VT1、VT2脈沖相位相差，VT1、VT3脈沖相位相差，每一周期輸出的電壓脈動為6次，所以該整流電路也稱為6脈波整流電路[2]。

2 開環(huán)條件下的仿真分析

開環(huán)條件下的電路仿真模型如圖2所示。

圖2 三相橋式全控整流電路仿真模型

MATLAB算法選擇ode23t，該仿真模型輸入的三相交流電相電壓峰值設為100 V，頻率設為50 Hz，相位分別為0°、-120°、120°。觸發(fā)信號由同步脈沖觸發(fā)器模塊產生，負載電阻阻值設為55 Ω[3]。

對模型進行仿真，示波器Scope1中的波形如圖3所示。

從圖中可以看出,輸入電流含有大量的諧波。

示波器Scope2中的波形如圖4所示。

圖3 三相全控整流電路輸入電壓、輸入電流仿真波形

圖4 三相全控整流電路輸出電壓、輸出電流仿真波形

從該仿真模型中可以看到一個周期中有6次脈動，該結果與理論相一致。

3 三相橋式全控整流電路仿真模型的改進與仿真

上述仿真模型為最簡單的三相橋式全控整流電路模型，對輸出的控制還很局限，因此，為了對輸出電壓、電流進行有效控制，對上述模型進行改進，加入閉環(huán)反饋控制環(huán)節(jié)，控制模塊中應用到了坐標變換和PID控制。

3.1 三相靜止坐標到兩相旋轉坐標變換

三相靜止繞組A、B、C變換到兩相靜止繞組α、β，簡稱3/2變換。設N3為三相繞組中每相的有效匝數(shù)，N2為兩相繞組中每相的有效匝數(shù)，各相有效匝數(shù)與電流的乘積為該相磁動勢。設磁動勢波形為標準正弦波，當三相與兩相上總磁動勢相等時，兩繞組的瞬時磁動勢在α、β軸上的投影大小應該相等[4]，因此可得：

N2iα=N2iA-N3iBcos60°-N3iCcos60°=

(1)

N2iβ=N2iBsin60°-N3iCsin60°=

(2)

整理得

(3)

將零軸電流也增廣到變換式中，即得

(4)

我們知道，合成矢量在兩相靜止坐標系中是旋轉的，令旋轉矢量與兩相旋轉坐標系中的d軸重合，則可得到其在旋轉坐標系中坐標，也得到兩相靜止坐標系與兩相旋轉坐標系之間轉換公式，其中θ的取值一般為相的相角[5-6]。

(5)

由以上得到的abc/αβ變換關系和αβ/dq之間的變換關系，可以得到abc/dq之間的變換為

(6)

式中，三相靜止坐標系到兩相任意旋轉坐標系的變換矩陣為

(7)

iα、iβ和id、iq之間存在關系，矩陣關系為

(8)

3.2 PID控制

常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理如圖5所示。

圖5 PID控制系統(tǒng)原理

這是一個典型的單位負反饋控制系統(tǒng)，由兩部分組成，PID控制器和被控對象。

PID控制器是一種線性控制器，通過采樣實際值與給定值作差

e(t)=r(t)-y(t),

將計算的偏差通過數(shù)學計算得到控制變量，實現(xiàn)對控制目標的跟蹤[7]。其控制規(guī)律

(9)

傳遞函數(shù)為

(10)

式中Kp——比例系數(shù)；

Ti——積分時間常數(shù)；

Td——微分時間常數(shù)；

Ki——積分系數(shù),Ki=Kp/T1；

Kd——微分系數(shù),Kd=KpTd。

3.3 改進后的三相橋式全控整流電路仿真

經過改進后的控制仿真模型如圖6所示。

圖6 加入反饋控制的三相橋式全控整流電路仿真模型

輸入三相交流電相電壓峰值為100 V，頻率50 Hz，相位差120°，為提高控制效果，三相電源后串入1 mH濾波電感、0.02 Ω等效電阻，純阻性負荷55 Ω。三相橋式全控整流電路仿真模型PI控制模塊如圖7所示[8-9]。

圖7 三相橋式全控整流電路仿真模型PI控制模塊

圖8 三相全控整流電路輸入電壓、輸入電流仿真波形

圖9 三相全控整流電路輸入電壓220 V的輸出電壓、輸出電流仿真波形

圖10 三相全控整流電路輸入電壓300 V的輸出電壓、輸出電流仿真波形

圖11 三相全控整流電路輸入電壓500 V的輸出電壓、輸出電流仿真波形

4 結 語

構建了兩種整流電路的仿真模型，并對其進行了比較分析，簡單的三相橋式全控整流電路可以實現(xiàn)整流，但無法有效地控制輸出值，通過對模型改進，不但可以得到良好的仿真波形，還實現(xiàn)了對輸出值的有效控制。文中研究的整流控制電路通過仿真可以實現(xiàn)預期目標，同時對實際工程應用具有很好的借鑒意義。