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        基于MATLAB的電力電子變換電路的建模分析

        2022-04-12 04:04:10曹海紅
        電子制作 2022年7期
        關(guān)鍵詞:半波晶閘管導(dǎo)通

        曹海紅

        (西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西西安,710089)

        0 引言

        MATLAB是一種基于矩陣的數(shù)學(xué)工具與工程計算系統(tǒng),可以作為動態(tài)系統(tǒng)的建模與仿真。silmulink是MATLAB環(huán)境下對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的一個軟件包。silmulink功能模塊非常豐富,包含連續(xù)模塊庫、非連續(xù)模塊庫、離散模塊庫、查表模塊庫、數(shù)學(xué)運算庫、端口及子系統(tǒng)庫、信號路由、接受模塊、信號???、用戶定義函數(shù)模塊等。在電力電子變流電路中可以方便的調(diào)用庫中的圖形模塊,設(shè)計電路的動態(tài)系統(tǒng)模型,然后對其進行仿真,并隨時觀察仿真結(jié)果、優(yōu)化參數(shù)、排除故障,有利于加深理解電力電子變流電路運行原理,化解教學(xué)難點,提高教學(xué)效果,改善實驗條件,也可以作為學(xué)生課后自學(xué)的輔助工具。

        1 建模方法

        1.1 結(jié)構(gòu)原理

        以三相半波可控整流電路為例。三相半波可控整流電路由三相交流電源、晶閘管、負載等組成。如圖1(a)所示的三相半波可控整流電路結(jié)構(gòu)。為了得到零線,變壓器二次側(cè)結(jié)成星型,為了避免3次諧波流入電網(wǎng),變壓器一次側(cè)接成三角形。電路中共有3個晶閘管VT1、VT2、VT3分別接入U相、V相、W相三相電源,它們的陰極連接在一起,稱為“共陰極接法”。在三相可控整流電路中晶閘管“共陰極接法”的導(dǎo)通原則是哪相電壓最高與該相連接的晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通。ωt1、ωt2和ωt3時刻距相電壓波形過零點30°電角度,它是各相晶閘管能被正常觸發(fā)導(dǎo)通的最早時刻,在該點以前,對應(yīng)的晶閘管因承受反壓,不能觸發(fā)導(dǎo)通,所以把它叫做自然換流點。在三相相控整流電路中,把自然換流點作為計算控制角α的起點,這與單相可控整流電路是不同的。要改變α的大小只能在以自然換向點為起始點向后移動對應(yīng)的角度。當(dāng) α=0°在ωt1~ωt2期間,A相電壓比B、C相都高,如果在ωt1時刻VT1管子的觸發(fā)脈沖過來,晶閘管VT1導(dǎo)通,負載上得到A相電壓ua;在ωt2~ωt3期間,B相電壓比A、C 相都高,若在ωt2時刻VT2管子的觸發(fā)脈沖過來,VT2導(dǎo)通,VT1關(guān)斷負載上得到V相電壓ub;在ωt3~ωt4時期間,C相電壓比A、B 相都高,若在ωt3刻T3管子的觸發(fā)脈沖過來,VT3導(dǎo)通VT2關(guān)斷,負載上得到C相電壓uc,這是一個電路工作情況,下個周期依次重復(fù)??梢姡我鈺r刻,只有承受電子與最高的那只管子才能被觸發(fā)導(dǎo)通,輸出電壓波形為為三相電源相電壓正半周包絡(luò)線,且每周期脈動三次。如圖1(b)所示, 同理,可以分析出當(dāng)α=30°時,ud、id波形臨界連續(xù),如圖1(c)所示。當(dāng)α=150°時,整流輸出電壓為零。

        圖1 三相半波可控整流電路及波形

        1.2 創(chuàng)建模型

        利用 MATLAB軟件中simulink模塊完成元件的調(diào)用電路的建模及仿真運行。首先在 MATLAB的菜單欄上點擊File,選擇New,再在彈出菜單中選擇Model,這時出現(xiàn)一個空白的仿真平臺,命名為三相半波橋式整流電路。在剛建好的仿真窗口完成電路模型的搭建。在仿真模型窗口的菜單上點擊圖標(biāo)調(diào)出模型庫瀏覽器,在模型庫中提取所需的模塊拖放到仿真窗口。見表1元器件調(diào)用路徑。

        表1 元器件調(diào)用路徑

        圖2 電源參數(shù)的設(shè)置

        圖3 晶閘管模型及設(shè)置窗口

        2 設(shè)置參數(shù)

        2.1 電源與晶閘管參數(shù)

        電源為三相對稱交流電,其電源電壓有效值取141V,相位角0°,頻率50Hz,則輸入電壓最大值為141*sqrt(2),也可以根據(jù)實際需要設(shè)置參數(shù)大小。

        2.2 設(shè)置脈沖參數(shù)

        選用脈沖發(fā)生器Synchronized 6-pulse Generator的參數(shù),同步頻率為50Hz,故周期period設(shè)置為0.02秒,觸發(fā)脈沖寬度 pulsewidth設(shè)置為5,設(shè)置相位滯后角phasedelay時通過換算公式完成,U相、V相、W相三相之間的的角度對應(yīng)關(guān)系如表2所示,觸發(fā)脈沖參數(shù)見圖4所示。

        圖4 觸發(fā)脈沖參數(shù)

        表2 觸發(fā)脈沖參數(shù)

        2.3 負載參數(shù)設(shè)置

        負載RLC可以根據(jù)具體情況設(shè)置。本次仿真采用1歐電阻性負載,則在Branch type中選擇R,并設(shè)為1歐。如圖5所示。

        圖5 負載參數(shù)設(shè)置

        2.4 示波器及總線選擇器的設(shè)置

        示波器采集通道數(shù)目可以根據(jù)輸入測量端的個數(shù)來設(shè)置,見圖6設(shè)置。為了便于觀察三相交流電源波形的相位關(guān)系,也可使用總線生成器,將其輸入個數(shù)修改為3即可,見圖7所示。

        圖6 修改示波器輸入測量端的個數(shù)

        圖7 添加總線選擇器的輸出信號

        2.5 算法設(shè)置

        在仿真前首先設(shè)置仿真參數(shù)。在菜單中選擇Simulation,在下拉菜單中選擇Simulation parameters,在彈出的對話框中設(shè)置的項目很多。主要有開始時間、終止時間、仿真類型等。本實驗仿真開始時間選0.0,時間設(shè)為0.05秒,仿真算法solver設(shè)為ode15,可變步長,其他參數(shù)設(shè)為默認,設(shè)置好后的參數(shù)如圖8所示。

        圖8 算法設(shè)置

        3 調(diào)試運行

        根據(jù)原理圖完成電路連接,見圖9,本電路采用三個脈沖發(fā)生器產(chǎn)生晶閘管的三路觸發(fā)脈沖,分別送給三只晶閘管的門極。

        圖9 電路模型

        在菜單Simulation下選擇Start,或點擊工具欄圖標(biāo)立即開始仿真,若要中途停止仿真可以選擇Stop。為三相電源電壓波形、脈沖的波形、晶閘管上的電流與電壓的波形。

        (1)當(dāng)α=0°時三相半波橋式電阻性負載整流電路結(jié)果

        當(dāng)α=0°時,三路觸發(fā)脈沖依次在各自自然換相點處分別觸發(fā)導(dǎo)通對應(yīng)的三只晶閘管。三路脈沖依次相位相差120°,根據(jù)三段分析法可知晶閘管上電壓依次為零和uABuAC兩個線電壓。輸出電壓電路波形從圖上可以看出是電源相電壓正半周包絡(luò)線,且波形連續(xù),見圖10所示。

        圖10 三相交流電壓、三路脈沖、晶閘管上電壓波形、負載輸出電壓電流波形

        (2)當(dāng)α=30°時三相半波橋式電阻性負載整流電路結(jié)果

        當(dāng)α=30°時,三路觸發(fā)脈沖依次在自然換相點處向后推移30°處分別觸發(fā)對應(yīng)的三只晶閘管。當(dāng)電壓電流波形過零變負時VT1關(guān)斷的同時VT2恰好觸發(fā)導(dǎo)通,當(dāng)VT2關(guān)斷的同時VT3恰好觸發(fā)導(dǎo)通,因此負載輸出電壓電流波形出現(xiàn)連續(xù)的臨界狀態(tài),見圖11所示。

        圖11 三相交流電壓、三路脈沖、晶閘管上電壓波形、輸出電壓電流波形

        (3)當(dāng)α=60°時三相半波橋式電阻性負載整流電路結(jié)果

        當(dāng)α=60°時,三路觸發(fā)脈沖依次在自然換相點處向后推移60°處分別觸發(fā)對應(yīng)的三只晶閘管,輸出電壓電路波形出現(xiàn)斷續(xù)情況,見圖12所示 。

        圖12 三相交流電壓、三路脈沖、晶閘管電流、晶閘管電壓、負載電壓電流波形

        以上各圖分別為觸發(fā)角α為0°、30°,60°時所得的仿真波形。由于是電阻性負載,負載電壓和負載電流波形同相位,隨著觸發(fā)角的增大,輸出電壓波形逐漸減小。當(dāng)控制角大于30°時輸出電壓電流波形不在連續(xù)。通過分析發(fā)現(xiàn),仿真波形與理論波形結(jié)果完全吻合,驗證了仿真建模的有效性和正確性。避免了繁瑣的計算過程和實驗條件受限的影響。

        4 故障分析

        在建模仿真中,利用軟件可以直觀的判斷電路的故障,提高效率,節(jié)省耗材。例如,當(dāng)晶閘管出現(xiàn)斷開、短路等故障時候,對應(yīng)不同控制角下晶閘管電壓電流及負載波形,如圖13所示。

        圖13 晶閘管故障時波形

        5 總結(jié)

        本文通過運用MATLAB軟件三相半波可控整流電路的進行建模與仿真,得出結(jié)果與理論結(jié)果完全一致。其它的電力電子變流電路仿真亦是如此。 可見,通過該軟件建模仿真,利用示波器的追蹤能清晰直觀的觀察仿真結(jié)果隨參數(shù)變化而變化,輕松判斷出波形圖是否正確、參數(shù)設(shè)計是否合理,方便進行相關(guān)參數(shù)修改以達到優(yōu)化設(shè)計標(biāo)準運行。為教師教學(xué)科研、學(xué)生課外學(xué)習(xí)提供了提供了便利,是一種非常實用有效的分析方法。

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