基于MATLAB的電力電子變換電路的建模分析

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?？臁⒂脩舳x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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)載參數(shù)設(shè)置

負(fù)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(fù)載，則在Branch type中選擇R，并設(shè)為1歐。如圖5所示。

圖5 負(fù)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(rèn)，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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)載，負(fù)載電壓和負(fù)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(fù)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(dá)到優(yōu)化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)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。