基于MATLAB的電力電子變換電路的建模分析

曹海紅

（西安航空職業技術學院，陜西西安，710089）

0 引言

MATLAB是一種基于矩陣的數學工具與工程計算系統，可以作為動態系統的建模與仿真。silmulink是MATLAB環境下對動態系統進行建模、仿真和分析的一個軟件包。silmulink功能模塊非常豐富，包含連續模塊庫、非連續模塊庫、離散模塊庫、查表模塊庫、數學運算庫、端口及子系統庫、信號路由、接受模塊、信號模快、用戶定義函數模塊等。在電力電子變流電路中可以方便的調用庫中的圖形模塊，設計電路的動態系統模型，然后對其進行仿真，并隨時觀察仿真結果、優化參數、排除故障，有利于加深理解電力電子變流電路運行原理，化解教學難點，提高教學效果，改善實驗條件，也可以作為學生課后自學的輔助工具。

1 建模方法

1.1 結構原理

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構。為了得到零線，變壓器二次側結成星型，為了避免3次諧波流入電網，變壓器一次側接成三角形。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”的導通原則是哪相電壓最高與該相連接的晶閘管觸發導通。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導通的最早時刻，在該點以前，對應的晶閘管因承受反壓，不能觸發導通，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的角度。當 α=0°在ωt1~ωt2期間，A相電壓比B、C相都高，如果在ωt1時刻VT1管子的觸發脈沖過來，晶閘管VT1導通，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管子的觸發脈沖過來，VT2導通，VT1關斷負載上得到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管子的觸發脈沖過來，VT3導通VT2關斷，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。可見，任意時刻，只有承受電子與最高的那只管子才能被觸發導通，輸出電壓波形為為三相電源相電壓正半周包絡線,且每周期脈動三次。如圖1(b)所示， 同理，可以分析出當α=30°時，ud、id波形臨界連續，如圖1(c)所示。當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 創建模型

利用 MATLAB軟件中simulink模塊完成元件的調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調出模型庫瀏覽器，在模型庫中提取所需的模塊拖放到仿真窗口。見表1元器件調用路徑。

表1 元器件調用路徑

圖2 電源參數的設置

圖3 晶閘管模型及設置窗口

2 設置參數

2.1 電源與晶閘管參數

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),也可以根據實際需要設置參數大小。

2.2 設置脈沖參數

選用脈沖發生器Synchronized 6-pulse Generator的參數，同步頻率為50Hz，故周期period設置為0.02秒，觸發脈沖寬度 pulsewidth設置為5，設置相位滯后角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關系如表2所示，觸發脈沖參數見圖4所示。

圖4 觸發脈沖參數

表2 觸發脈沖參數

2.3 負載參數設置

負載RLC可以根據具體情況設置。本次仿真采用1歐電阻性負載，則在Branch type中選擇R，并設為1歐。如圖5所示。

圖5 負載參數設置

2.4 示波器及總線選擇器的設置

示波器采集通道數目可以根據輸入測量端的個數來設置，見圖6設置。為了便于觀察三相交流電源波形的相位關系，也可使用總線生成器，將其輸入個數修改為3即可，見圖7所示。

圖6 修改示波器輸入測量端的個數

圖7 添加總線選擇器的輸出信號

2.5 算法設置

在仿真前首先設置仿真參數。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，時間設為0.05秒，仿真算法solver設為ode15，可變步長，其他參數設為默認，設置好后的參數如圖8所示。

圖8 算法設置

3 調試運行

根據原理圖完成電路連接，見圖9，本電路采用三個脈沖發生器產生晶閘管的三路觸發脈沖，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α=0°時三相半波橋式電阻性負載整流電路結果

當α=0°時，三路觸發脈沖依次在各自自然換相點處分別觸發導通對應的三只晶閘管。三路脈沖依次相位相差120°，根據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線，且波形連續，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α=30°時三相半波橋式電阻性負載整流電路結果

當α=30°時，三路觸發脈沖依次在自然換相點處向后推移30°處分別觸發對應的三只晶閘管。當電壓電流波形過零變負時VT1關斷的同時VT2恰好觸發導通，當VT2關斷的同時VT3恰好觸發導通，因此負載輸出電壓電流波形出現連續的臨界狀態，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α=60°時三相半波橋式電阻性負載整流電路結果

當α=60°時，三路觸發脈沖依次在自然換相點處向后推移60°處分別觸發對應的三只晶閘管，輸出電壓電路波形出現斷續情況，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，隨著觸發角的增大，輸出電壓波形逐漸減小。當控制角大于30°時輸出電壓電流波形不在連續。通過分析發現，仿真波形與理論波形結果完全吻合，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，節省耗材。例如，當晶閘管出現斷開、短路等故障時候，對應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

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，得出結果與理論結果完全一致。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果隨參數變化而變化，輕松判斷出波形圖是否正確、參數設計是否合理，方便進行相關參數修改以達到優化設計標準運行。為教師教學科研、學生課外學習提供了提供了便利，是一種非常實用有效的分析方法。