基于Matlab/Simulink的三相橋式全控電路的建模與仿真

孟慶波，吉鵬霄

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450052)

1 概述

三相橋式全控電路的基本功能是將一種交流電變換為另一固定或可調(diào)的直流電，或者將一個(gè)直流電變換成工頻交流電并回送電網(wǎng)，與此相對應(yīng)，該電路可實(shí)現(xiàn)整流和有源逆變兩種工況。作為一個(gè)經(jīng)典電路，在不同工況、不同負(fù)載和不同觸發(fā)角時(shí)，三相橋式全控電路的波形變化非常豐富，難于進(jìn)行有效分析。本文利用Matlab/Simulink和Power System，建立三相橋式全控電路在整流和有源逆變兩種工況下的系統(tǒng)仿真模型并進(jìn)行仿真分析。

2 Matlab簡介

Matlab是由美國Mathworks公司開發(fā)的大型工程應(yīng)用軟件，包括數(shù)學(xué)計(jì)算和工程仿真兩大部分。數(shù)學(xué)計(jì)算提供了強(qiáng)大的矩陣處理和繪圖功能;工程仿真則支持和涵蓋電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)字信號處理、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真、圖像處理等多個(gè)工程領(lǐng)域。Simulink是在Matlab環(huán)境下，對動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包。它支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)、離散時(shí)間系統(tǒng)、連續(xù)和離散混合系統(tǒng)的建模、仿真和分析。Power System是在Simulink環(huán)境下使用的工具箱，包括電源、元件、電力電子元件、電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、模塊連接器、測量元件、附加、演示等模塊組。Simulink/Power System功能強(qiáng)大，可用于系統(tǒng)的建模以及電路、電力電子技術(shù)、電機(jī)、電力傳輸?shù)裙こ填I(lǐng)域的仿真。在Simulink環(huán)境下，用戶可以建立電路模型，并進(jìn)行系統(tǒng)仿真。在進(jìn)行仿真時(shí)，用戶可以設(shè)定仿真的起始和終止時(shí)刻，選擇仿真的步長和數(shù)值積分算法，配置向外界輸出的參數(shù)等，得到最佳的仿真結(jié)果。

3 晶閘管的仿真模型

晶閘管的仿真模型由一個(gè)電阻Ron、一個(gè)電感Lon、一個(gè)直流電壓源Vf和一個(gè)開關(guān)串聯(lián)組成。開關(guān)受陽極電壓Vak、陽極電流Lak和門極觸發(fā)信號控制。晶閘管模塊中還包括一個(gè)Rs－Cs緩沖電路，通常與晶閘管并聯(lián)。為了提高仿真速度，可以采用簡化模型，即將擎住電流I1和關(guān)斷時(shí)間Tq分別設(shè)為零。根據(jù)晶閘管的數(shù)學(xué)模型構(gòu)成，綜合各種因素，設(shè)置晶閘管的仿真參數(shù)為:Resistance Ron(Ohm)設(shè)定為“l(fā)e－03”，Inductance Lon(H)設(shè)定為“0”，F(xiàn)orward voltage Vf(V)設(shè)定為“0.8”，Initial current Ic(A)設(shè)定為“0”，Snubber resistance Rs(Ohm)設(shè)定為“10”，Snubber capacitance Cs(F)設(shè)定為“4.7e－6”。

4 整流工況的建模與仿真

4.1 整流工況建模和參數(shù)設(shè)置

在Matlab命令窗口下建立一個(gè)新的模型窗口，命名為psbbridges。打開電源模塊組，分別復(fù)制三個(gè)交流電壓源到psbbridges模型中，重命名為Ua、Ub、Uc。打開參數(shù)設(shè)置對話框，按三相對稱電源要求設(shè)置參數(shù)(Um=220V、f=50Hz、初相位依次為 0°、－120°、120°)。打開測量模塊組，分別復(fù)制三個(gè)電壓測量模塊到 psbbridges模型中，重命名為 Uab、Ubc、Uca，用于測量三相交流線電壓，獲得同步電源。打開電力電子模塊組，復(fù)制一個(gè)通用變流橋模塊，選擇為Thyristor橋，設(shè)置晶閘管通用橋參數(shù)。打開電力電子模塊組中的附加控制(Control Blocks)子模塊組，復(fù)制一個(gè)六脈沖觸發(fā)器模塊到psbbridges模型中。同步六脈沖觸發(fā)器模塊的輸入“alpha_deg”接受“移相角控制信號”，可通過輸入模塊組中的“常數(shù)”模塊設(shè)置輸入，輸入Block接受“開放觸發(fā)控制信號0”。打開元件模塊組，復(fù)制一個(gè)串聯(lián)RLC元件模塊到psbbridges模型中，作為負(fù)載，打開參數(shù)設(shè)置對話框，按要求設(shè)置參數(shù)(R=5Ω)。打開連接模塊組，復(fù)制三個(gè)“接地”模塊到psbbridges模型中，用于系統(tǒng)的連接。打開測量模塊組，復(fù)制一個(gè)多用表測量模塊到psbbridges模型中，用來測量通用橋中六個(gè)晶閘管的電壓和輸出負(fù)載電壓。連接信號線，得到圖1所示的三相全控整流電路的仿真模型。

4.2 整流工況仿真

在仿真參數(shù)窗口中，選擇ode23tb算法，相對誤差設(shè)置為1e－03，開始仿真時(shí)間設(shè)置為0，停止仿真時(shí)間設(shè)置為0.04s，啟動(dòng)仿真。負(fù)載分別選擇純電阻負(fù)載、阻感性負(fù)載，觸發(fā)角分別選擇30°、60°。圖2所示為6個(gè)晶閘管的電壓波形和負(fù)載上的電壓、電流波形。

圖1 三相橋式全控電路整流工況仿真模型

5 有源逆變工況的建模與仿真

5.1 有源逆變工況建模和參數(shù)設(shè)置

在整流工況仿真模型的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)直流電壓源模塊到新建模型中，命名為DC，將電壓設(shè)置為120V。另增加一個(gè)電壓測量模塊到新建模型中，用來測量負(fù)載電壓。增加一個(gè)示波器，顯示逆變電壓和A相晶閘管VT1兩端的電壓。增加串聯(lián)RLC元件模塊到新建模型中，作為負(fù)載。打開參數(shù)設(shè)置對話框，設(shè)置參數(shù)為:R=5Ω、L=0.08H、C=inf。適當(dāng)連接，得到圖3所示的三相橋式全控電路有源逆變工況的仿真模型。

圖3 三相橋式全控電路有源逆變工況仿真模型

5.2 有源逆變工況仿真

在仿真參數(shù)窗口中，選擇ode23tb算法，相對誤差設(shè)置為1e－03，開始仿真時(shí)間設(shè)置為0，停止仿真時(shí)間設(shè)置為0.06s。這里由于采用的是六脈沖觸發(fā)器和通用變流橋，無需考慮觸發(fā)角零位在三相交流電壓的自然換相點(diǎn)的問題，直接選擇a為60°、90°、120°進(jìn)行仿真。圖4所示為不同觸發(fā)角時(shí)的負(fù)載電壓波形和晶閘管電壓波形。

根據(jù)三相橋式全控電路帶阻感性負(fù)載時(shí)輸出電壓表達(dá)式 Ud=2.34U2cosa 可知:當(dāng) a≤90°時(shí)，Ud≥0;當(dāng) a＞90°時(shí)，Ud＜0。圖4(a)是三相橋式全控電路的負(fù)載電壓波形。當(dāng)a=60°，直流平均電壓Ud大于零，電路工作在整流狀態(tài);當(dāng)a=90°，直流平均電壓Ud等于零，電路工作在臨界狀態(tài);當(dāng)a=120°，直流平均電壓Ud小于零，電路工作在有源逆變狀態(tài)。因此，在0°～180°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)觸發(fā)角a，能夠改變輸出直流平均電壓Ud的大小和極性，實(shí)現(xiàn)整流狀態(tài)和有源逆變狀態(tài)的平滑轉(zhuǎn)換以及電能的雙向流動(dòng)。仿真結(jié)果與理論分析吻合。

6 綜述

運(yùn)用Matlab/Simulink和Power System工具對三相橋式全控電路進(jìn)行建模、參數(shù)選擇和仿真分析，可以避免常規(guī)分析方法中繁瑣的繪圖和計(jì)算過程，得到一種較為直觀、快捷的電路分析新方法。該方法可以實(shí)時(shí)觀測各元件上的靜、動(dòng)態(tài)波形和響應(yīng)過程，得到和比較多個(gè)測量數(shù)據(jù)或仿真波形，提高計(jì)算精度。在仿真過程中可以靈活改變仿真參數(shù)，直觀地觀察仿真結(jié)果隨參數(shù)的變化情況，方便學(xué)習(xí)與研究，培養(yǎng)綜合能力和創(chuàng)新能力。因此，基于Matlab/Simulink的三相橋式全控電路的建模與仿真，與采用常規(guī)電路分析方法相比，具有很大的優(yōu)越性。

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