基于Simulink的變流技術(shù)仿真實驗研究

云中華，　李勇峰

(西藏大學(xué) 工學(xué)院， 拉薩 850012)

0　引　言

“電力電子變流技術(shù)”在當代應(yīng)用非常廣泛，主要涉及到整流、逆變、斬波、交流變流、交流調(diào)壓/調(diào)頻及其他相關(guān)技術(shù)，是電子學(xué)、電力學(xué)和控制理論的交叉學(xué)科，具有很強的實踐性和應(yīng)用性，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、電器、光伏發(fā)電能源及航天軍工等場合[1-6]。而電力電子變流技術(shù)的傳統(tǒng)的實驗方法是在理論學(xué)習(xí)后通過實驗臺進行接線實驗并觀察實驗結(jié)果等，這種實驗方法很好的把理論應(yīng)用到了實際現(xiàn)象中，但是也顯露出了諸如過程不清晰、器件選擇不豐富、波形觀察不透徹、結(jié)果分析不全面等諸多缺點。令實驗人員無法深入理解電力電子變流技術(shù)的內(nèi)涵。

隨著計算機科學(xué)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了諸多仿真系統(tǒng)，如PSIM、PSpice、saber、PLECS等，而Matlab/Simulink中的SimPowerSystems是一款非常優(yōu)秀的電力電子建模工具，其建模資源豐富，輸出形式多元化，顯示非常直觀，基于Simulink的變流技術(shù)仿真實驗，可以理論結(jié)合實際，使電力電子變流技術(shù)實驗更加容易理解。

本文選擇電力電子變流技術(shù)中的幾類經(jīng)典電路如單相全橋整流、三電平SPWM逆變電路、斬控式交流調(diào)壓、直流升降壓斬波以及ZVS-PWM變換器進行了仿真模型的Simulink建模以及波形分析，針對以往實驗過程中較少涉及到的FFT分析，本文針對上述電路中的三電平SPWM逆變電路和斬控式交流調(diào)壓進行了FFT分析，使參與實驗的學(xué)生更加深刻地理解電力電子變流技術(shù)知識，使學(xué)生從參與教學(xué)驗證型實驗轉(zhuǎn)型到自主研究型實驗。

1　Simulink電路仿真建模

Simulink建模環(huán)境擁有強大的Simpower systems模型庫，它內(nèi)部包含了多種電力電子變流電路元件，如電源、元器件、連接部件、測量儀表及計算模塊等，參與實驗的學(xué)生可利用這些元件進行電力電子變流電路的模型搭建、參數(shù)設(shè)置、仿真運行及結(jié)果分析等全過程主動性實驗。學(xué)生可在實驗過程中去理解電路原理，對實驗結(jié)果利用Simulink提供的各種工具進行分析與研究思考[7-9]。

在Simulink中進行仿真實驗首先需要進行電路模型的搭建，學(xué)生們可在Simpower systems庫中根據(jù)電路原理圖進行模塊選擇并連接電路。在連接好電路模型后，學(xué)生可以根據(jù)自己的需求設(shè)置所需參數(shù)，如電路器件參數(shù)及仿真軟件參數(shù)等。在設(shè)置參數(shù)的時候，實驗人員能夠?qū)ψ兞麟娐返纳顚哟螁栴}和原理有更好的認識學(xué)習(xí)與思考，并結(jié)合自己的需求與實際輸出情況進行參數(shù)修正，以達到最優(yōu)結(jié)果。在完成上兩步后，就可以運行仿真，并觀察輸出結(jié)果[10-12]。

2　變流技術(shù)實驗設(shè)計

鑒于傳統(tǒng)電力電子變流技術(shù)實驗的眾多缺點，根據(jù)課程實驗大綱需要，本文利用Simulink仿真工具選擇了基礎(chǔ)性的單相橋式整流電路、直流升降壓斬波電路、斬控式單相交流調(diào)壓電路以及提高性實驗的三電平SPWM逆變電路ZVS-PWM電路進行仿真，并對上述中的部分電路進行了FFT分析，這在以往的實驗過程中較少涉及到，通過此步驟，實驗人員可更深層次的理解變流技術(shù)[13-15]。

2.1　單相橋式整流電路建模仿真與分析

單相橋式整流電路是最基本的電力電子電路，其Simulink模型搭建如圖1所示，選擇電動勢負載情況進行仿真建模，具體參數(shù)可根據(jù)實驗人員需求設(shè)置，此處設(shè)置交流電壓100 V、負載反電動勢50 V、負載電阻10 Ω，圖2所示為觸發(fā)角45°時的運行仿真波形[1-4]。

圖1單相橋式整流電路Simulink仿真模型

圖2　單相橋式整流電路輸出波形

實驗分析：從圖中可知，當負載為蓄電池等反向電動勢時，只有電源電壓瞬時值的絕對值大于反向負載的時候，才有晶閘管導(dǎo)通的可能性，而隨著觸發(fā)角的不同，其波形也會隨之有變化，然而為了使晶閘管能夠可靠導(dǎo)通，對觸發(fā)脈沖也有一定的要求，也就引入了觸發(fā)延遲的概念。

2.2　直流升降壓斬波電路

直流升降壓斬波電路是經(jīng)典DC-DC的一種，其Simulink仿真模型如圖3所示，選擇脈沖占空比a為60%，經(jīng)過理論計算其輸出電壓Uo=a/[(1-a)E]=75 V，由于晶閘管關(guān)斷后電感L存儲的能量向負載釋放的理論原理，故輸出為反向，其輸出仿真波形如圖4所示[1-3]。

實驗分析：從輸出波形中可觀察觸發(fā)脈沖占空比、負載電流和負載電壓波形，且清楚地看出輸出電壓反向，且輸出平均電壓為75 V左右，另外實驗人員還可在晶閘管側(cè)兩端和二極管側(cè)兩端連接示波器來觀測其電壓電流波形，由此可以深入了解升降壓斬波電路的能量傳輸過程，提升認識。

圖3直流升降壓斬波電路仿真模型

圖4　直流升降壓斬波電路輸出波形

2.3　斬控式交流調(diào)壓電路

斬控式交流調(diào)壓電路仿真模型如圖5所示，電路常采用GTO、IGBT等全控器件構(gòu)成，本電路模型選擇IGBT來組成。從理論中可知斬波調(diào)壓電路中電源電流的基波分量相位和電源電壓相位基本一致，功率因數(shù)很高[6]。在模型中設(shè)置脈沖寬度后，進行仿真運行，并將輸出電壓uo輸入scope示波器，將輸出數(shù)據(jù)格式設(shè)置為structure with time，即可在powergui中進行FFT分析，觀察電路輸出電壓的諧波。仿真輸出如圖6所示，輸出電壓FFT分析如圖7所示。

圖5斬控調(diào)壓仿真模型

實驗分析：從輸出波形可以看到斬波調(diào)壓的輸出 效果達到了預(yù)期目的，另外從FFT analysis Tool可看出，輸出諧波頻率分別為50、450、550、950 Hz等，不包含直流分量，且諧波次數(shù)增大的同時輸出幅值隨之下降，另外，設(shè)置不同的脈沖寬度進行多次仿真實驗，其基波分量和諧波分量也將發(fā)生變化。實驗結(jié)果與理論分析一致。

圖6　斬控調(diào)壓電路輸出波形

2.4　三電平Spwm逆變電路

此處三電平SPWM逆變電路采用三角載波層疊發(fā)輸出PWM信號來控制[6]。限于篇幅，此處只給出其輸出線電壓uAC的仿真波形，未給出負載輸出電壓波形。在FFT analysis Tool中將輸出線電壓波形和諧波分析即可同時顯示出來。仿真模型如圖8所示，輸出波形和FFT分析圖如圖9所示。

圖8三電平SPWN逆變電路

實驗分析:本模型中將輸出基頻頻率設(shè)置為50 Hz，0初相，載波頻率為2 kHz，圖9中上部為選擇的輸出線電壓波形，下部為諧波分析圖，從圖中可以看出輸出諧波分量主要分布在2 kHz附近，如果增加電平數(shù)量，線電壓和負載輸出電壓則更加和正弦波接近。

圖9　三電平SPWM逆變電路輸出仿真分析圖

2.5　ZVS-PWM變換器

零電壓開關(guān)PWM變換器(Zero-Vlotage-Switching PWM Converter)或稱軟開關(guān)，相比準諧振電路，其電壓接近于方波，其波形邊沿較為平緩，故開關(guān)承受電壓就可大幅降低。由于開關(guān)動作的時候開關(guān)的電壓為零，故其損耗大幅降低，穩(wěn)定性即可提高[2]。ZVS-PWM變換器的電路模型仿真如圖10所示，其輸出電壓和電流波形如圖11所示。圖中Scope輸出負載電流和電壓，Scope1輸出了開關(guān)Switch兩端電容吸收的電壓波形，為了實驗觀察效果明顯，本模型中吸收電容值設(shè)置較小。

圖10ZVS-PWM變換器仿真模型圖

實驗分析：從圖中可以看出，ZVS電路的基本特性，如果增大吸收電容值，就可以使得吸收電容波動程度降低。根據(jù)仿真過程和結(jié)果，學(xué)生可以更為深刻的理解ZVS開關(guān)過程中諧振問題以及開關(guān)前后電壓電流變化率降低的方法和消除開關(guān)損耗的方法，另外學(xué)生可以自主不斷調(diào)整電路參數(shù)，使得軟開關(guān)效果更好。

3　結(jié)　語

鑒于傳統(tǒng)電力電子變流技術(shù)實驗的諸多缺點，本文選擇了電力電子變流技術(shù)的幾個難度遞增的電路為例，將Simulink仿真引入實驗教學(xué)與研究中，對重要的整流、逆變、斬波、調(diào)壓和軟開關(guān)電路進行了電路的建模及仿真，并對三電平SPWM逆變電路和ZVS-PWM電路利用FFT Analysis Tool進行了傅里葉分析。通過這幾個典型的、難度不同的實驗過程，不僅能使學(xué)生在視覺上直觀地看到電路輸出結(jié)果和需要觀測的元件部分工作狀況，還能讓學(xué)生從電路原理分析理解，到電路搭建、參數(shù)設(shè)定、輸出結(jié)果觀察分析進行全方位深層次理解與研究，彌補了傳統(tǒng)實驗的只能觀測固定參量的缺點。另外學(xué)生可將電路傅里葉展開求解后的結(jié)果對照Simulink的FFT分析工具進行研究分析，極大改進了傳統(tǒng)電力電子變流電路實驗的效果。

利用Simulink工具結(jié)合理論課程，學(xué)生們通過進行電力電子變流電路自主設(shè)性計，能極大地促進從傳統(tǒng)的驗證性實驗到設(shè)計性、研究性、綜合性實驗的轉(zhuǎn)變，有利于主動參與實驗，深度學(xué)習(xí)電力電子變流技術(shù)。經(jīng)過幾年來我校信息技術(shù)國家級實驗教學(xué)示范中心教學(xué)實踐，學(xué)生們的學(xué)習(xí)效果有了明顯的改善與提高。

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