基于Simplorer晶閘管驅(qū)動(dòng)電路的建模與仿真

桂 樹(shù) 國(guó)

(安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系, 合肥 230011)

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基于Simplorer晶閘管驅(qū)動(dòng)電路的建模與仿真

桂 樹(shù) 國(guó)

(安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系, 合肥 230011)

摘要：為直觀了解晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路特點(diǎn)，采用Simplorer軟件對(duì)晶閘管驅(qū)動(dòng)模擬整流器進(jìn)行建模與仿真。設(shè)計(jì)并構(gòu)建了系統(tǒng)各個(gè)功能模塊，根據(jù)結(jié)構(gòu)化和模塊化的方法進(jìn)行建模及數(shù)字仿真。仿真結(jié)果與理論分析一致，為解決晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路難以一體化建模與仿真的難題提供了方法和思路。

關(guān)鍵詞：晶閘管； 整流器； Simplorer； 建模； 仿真

Ansot Simplorer是一個(gè)功能強(qiáng)大的跨學(xué)科多領(lǐng)域的高性能系統(tǒng)仿真軟件，適用的仿真領(lǐng)域有：電機(jī)、交直流傳動(dòng)；電源、電力系統(tǒng)；電力電子裝置及系統(tǒng)；汽車部件、汽車電子與系統(tǒng)；航空與航天、船舶裝置；控制系統(tǒng)以及軍事裝備等[1-3]。在工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中經(jīng)常使用可控整流器用于反饋控制。目前，建模和仿真晶閘管的目的是物理化晶閘管模型或者是固定相位角。在一些商業(yè)軟件中有全橋整流器模型和觸法驅(qū)動(dòng)模型，在建模中，晶閘管和建模中的觸發(fā)信號(hào)相同，可以經(jīng)?；ビ?。為更接近實(shí)際整流器，本次研究建模組成了晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路，如半波控制整流器，該建模也可用于三相全橋觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路。因此，此系統(tǒng)能夠用于閉環(huán)控制和變量參考的建模。利用Simplorer可以改變晶閘管的參數(shù)，例如上升時(shí)間、擎住電流和反向電流等[4]。一個(gè)晶閘管的故障運(yùn)行能夠模擬觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路模型，而電路模型能解決晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路難以一體化建模與仿真的問(wèn)題[5-7]。

1觸發(fā)驅(qū)動(dòng)建模

觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路在現(xiàn)實(shí)中是用特殊的集成電路完成的，建模時(shí)應(yīng)考慮集成電路的輸入模擬信號(hào)和晶閘管的輸出相位角信號(hào)。建模的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，因此設(shè)計(jì)了晶閘管驅(qū)動(dòng)模型，如圖1所示。

為適用于這種觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路，設(shè)計(jì)了一個(gè)理想的斜坡發(fā)生器，其輸出端口和觸發(fā)脈沖的波形如圖2所示。斜坡發(fā)生器的相位被定義為相應(yīng)的晶閘管相位，它的觸發(fā)脈沖相位角介于0°~180°。改變電容C1能改變脈沖的寬度，斜坡發(fā)生器能夠同步觸發(fā)相位，脈沖相位與斜坡發(fā)生器同步。電壓信號(hào)增加到斜坡發(fā)生器的輸出總和端，然后通過(guò)斜坡發(fā)生器輸入到Com1。Com1輸出到驅(qū)動(dòng)雙極晶體管，端口X1和Y1適用于全橋整流器，端口電壓被控制系統(tǒng)輸出控制。Trig1是晶閘管的觸發(fā)端口，這是一個(gè)晶閘管的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)，它能適用于全橋和半橋整流的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)。

圖1　晶閘管驅(qū)動(dòng)模型

2晶閘管建模

在Simplorer中實(shí)現(xiàn)晶閘管建模是基于執(zhí)行動(dòng)態(tài)的晶閘管建模原理，其模型如圖3所示。靜態(tài)的建模行為定義為靜態(tài)的二極管模型和電流控制電流源，動(dòng)態(tài)行為決定于非線性電容，有7個(gè)靜態(tài)參數(shù)和6個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)都可以正常地改變。

圖2　斜坡發(fā)生器輸出端口及觸發(fā)脈沖波形

3電源供應(yīng)建模系統(tǒng)

轉(zhuǎn)換器的電源系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了直線線圈發(fā)生器，線圈阻抗Lo=3H,電阻Ro=2 Ω。轉(zhuǎn)換器是三

相全橋整流器，輸入的交流電電壓為200 V，電流為40 A。轉(zhuǎn)換器執(zhí)行的運(yùn)算是輸出電流從0到40 A逐漸增加，延遲幾秒鐘，最后從40 A減至0 A。

閉環(huán)控制系統(tǒng)適用于比例控制建模，電流波形在計(jì)算機(jī)上形成。反饋信號(hào)是負(fù)載電流，從負(fù)載電阻上獲得。比例系數(shù)P=40，控制系統(tǒng)的輸出發(fā)送到6個(gè)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路的電壓端口。在計(jì)算機(jī)中，電流波形的參考電壓能夠自由改變。

變壓器參數(shù)：漏感為0.1 mH，2次測(cè)得的電阻平均值為1 mΩ。

例如，用6個(gè)整流器可以調(diào)整每個(gè)斜坡發(fā)生器的相位，便能夠獲得三相全橋整流器觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路。6個(gè)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路必須正確連接。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3　Simplorer中的晶閘管建模

圖4　電源系統(tǒng)的6個(gè)觸發(fā)脈沖電路圖

4系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析

運(yùn)用建立的晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路模型進(jìn)行仿真。對(duì)電流波形定義為在1 s內(nèi)從0 A增加到40 A后，保持1 s，然后在1 s內(nèi)從0 A增加到1 A。在Simplorer中有特殊的資料工具對(duì)諧波電壓和勵(lì)磁電流進(jìn)行評(píng)估分析。分析結(jié)果如圖5所示。

圖5　整流器的諧波分析圖

對(duì)脈沖相位進(jìn)行微調(diào)，就會(huì)改變諧波電壓。實(shí)際上，6個(gè)脈沖的相位只要有一些不同就能建立觸發(fā)

驅(qū)動(dòng)。這表明負(fù)載電流跟參考電流相同，如圖6所示。

圖6　控制器的參考波形和負(fù)載的輸出波形

5結(jié)語(yǔ)

(1)利用Simplorer可以準(zhǔn)確、有效地對(duì)晶閘管驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行建模與仿真，為整流器的設(shè)計(jì)提供了便利條件。

(2)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)模型適用于電源反饋控制系統(tǒng)，為其他整流器如半橋整流提供了一種方便快捷的建模和仿真方法。

(3)仿真試驗(yàn)可以直觀觀察系統(tǒng)參數(shù)對(duì)電路輸出特性的影響，不僅加深了對(duì)理論知識(shí)的理解，還可以節(jié)約成本和時(shí)間。

參考文獻(xiàn)

[1] 沈瑞寒，徐一哲.基于Simplorer的三相橋式全控整流電路的仿真分析[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā),2009,28:22.

[2] 李傲梅，傅鵬.基于SIMPLORER的電源電路仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007,19(4)：745-748.

[3] 李文娟,程靜思,黃懷翀,等.Simplorer在電力電子電路仿真實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2014(11):111-113.

[4] Ansoft Corporation. Simplorer V 6.0 User Manual[G]. Ansoft Corporation, 2002.

[5] 謝利軍.基于Simplorer的全橋PWM控制器ISL6752的仿真研究[J].測(cè)控技術(shù),2009(9):22-39.

[6] 徐德鴻,陳治明,李永東,等.現(xiàn)代電力電子學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2013:88-90.

[7] 戴國(guó)駿,曾虹,張翔，等.機(jī)電系統(tǒng)仿真的CC++建模研究[J].杭州電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004(6):25-28.

Modeling and Simulation of the Thyristor Trigger Driving Circuit Based on Simplorer

GUIShuguo

(Department of Mechanical Engineering, Anhui Vocational and Technical College, Hefei 230011, China)

Abstract:In order to intuitively understand the characteristics of the thyristor trigger driving circuit, the Simplorer software has been used to integrate modeling and simulation to the thyristor trigger driving circuit. Each function module of the system has been designed and constructed. With the structured and modular approach, modeling and the digital simulation of the whole system have been carried out. The simulation results are consistent with theoretical analysis. It can provide the methods and ideas to solve the problem that the thyristor trigger driving circuit is difficult to integrate modeling and simulation.

Key words:thyristor; rectifier; simplorer; modeling; emulation

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-1980(2016)01-0092-03

中圖分類號(hào)：TP391

作者簡(jiǎn)介：桂樹(shù)國(guó)(1977 — )，男，安徽鳳臺(tái)人，碩士，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化及機(jī)械加工。

基金項(xiàng)目：安徽省教育廳2015年度省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目“基于‘大眾創(chuàng)業(yè)，萬(wàn)眾創(chuàng)新’導(dǎo)向的職業(yè)崗位人才培養(yǎng)模式的課程體系改革與優(yōu)化 —— 以數(shù)控技術(shù)應(yīng)用專業(yè)為例”(2015JYXM552)

收稿日期：2015-04-24