Matlab_Simulink在交流調(diào)壓電路教學(xué)中的應(yīng)用

王 輝，魯春華，向 穎，楊 雪

(1.三峽大學(xué)，電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌443002;2.國(guó)網(wǎng)宜昌供電公司，湖北宜昌443003)

電力電子技術(shù)是本科高校中電氣信息類專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，由于變流電路類型多(整流、逆變、斬波、調(diào)壓變頻、組合變流等)、波形圖較復(fù)雜(不同性質(zhì)負(fù)載、不同控制角等)，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)普遍感覺無(wú)從下手［1］。本文以交流調(diào)壓電路(包括單相和三相)為例進(jìn)行討論，應(yīng)用Matlab中的Simulink仿真工具對(duì)電力電子電路進(jìn)行建模仿真，以解決電力電子變流電路的分析的瓶頸所在［2］。

1 單相交流調(diào)壓電路

1.1 單相交流調(diào)壓電路的工作原理與應(yīng)用

圖1為單相交流調(diào)壓電路原理圖，在交流電源u1的正半周和負(fù)半周，分別對(duì)反并聯(lián)的晶閘管VT1和VT2(或者一只雙向晶閘管)的控制觸發(fā)角α進(jìn)行調(diào)節(jié)就可以改變輸出電壓。交流調(diào)壓電路主要應(yīng)用于燈光控制(如舞臺(tái)燈光控制和家用調(diào)光臺(tái)燈)、異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)及調(diào)速等場(chǎng)合。在電力系統(tǒng)中，還可用于對(duì)無(wú)功功率連續(xù)調(diào)節(jié)［3］。

圖1 單相交流調(diào)壓電路

1.2 單相交流調(diào)壓電路仿真模型的建立及參數(shù)設(shè)置過程［4］

1)在MATLAB7.0及以上版本的命令窗口下，新建一個(gè)模型窗口，命名為jlty;

2)在電力電子(Power Electronics)模塊組中，調(diào)用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)晶閘管(Detaild Thyristor)到模型窗口中，晶閘管參數(shù)設(shè)置為 Ron=0.001 Ω、Lon=0 H、Vf=0 V、RS=20 Ω、CS=4.7e－06F，命名為Thyristor和Thyristor1;

3)在電源(Electrical Sources)模塊組中，調(diào)用一個(gè)交流電壓源到模型窗口中，電壓幅值設(shè)為100 V、頻率為50 Hz、初相位為0;

4)在元件(Elements)模塊組和連接器(Connectors)模塊組中，調(diào)用一個(gè)串聯(lián)RLC元件和接地模塊到模型窗口中，打開參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，根據(jù)電阻性和阻感性負(fù)載分別設(shè)置相應(yīng)的R、L;

5)在測(cè)量元件(Measurements)模塊組中，調(diào)用一個(gè)電壓和電流測(cè)量裝置用來(lái)測(cè)量負(fù)載上的電壓和電流;

6)在輸入源(Sources)模塊組中調(diào)用兩個(gè)脈沖發(fā)生器模型到仿真模型窗口中，命名為Pulse、Pulse1，并將其輸出接到兩個(gè)晶閘管的門極上。其參數(shù)設(shè)置為相位控制角Phase Delay(用時(shí)間表示)，脈沖周期為0.02 s、脈沖寬度設(shè)置為脈寬的10%、脈沖高度為10;

7)在完成前面的元件選取及參數(shù)設(shè)置后，將各元件通過信號(hào)線適當(dāng)連接，得到如圖2所示的單相交流調(diào)壓電路的仿真模型［5］。

圖2 單相交流調(diào)壓電路的仿真模型

1.3 單相交流調(diào)壓電路的仿真過程

仿真參數(shù)設(shè)置如下:仿真算法ode23tb、相對(duì)誤差1e－03、仿真開始時(shí)間0、仿真停止時(shí)間0.06s?？刂朴|發(fā)角α分別為 60°、120°時(shí) Pulse模塊對(duì)應(yīng)的相位延遲時(shí)間為0.003 333 s和0.006 667 s。而觸發(fā)反向晶閘管的脈沖相位延遲時(shí)間需要再增加半個(gè)周期(0.01 s)，即Pulse1模塊對(duì)應(yīng)的相位延遲時(shí)間為0.013 333 s和0.016 667 s。參數(shù)設(shè)置完畢后，啟動(dòng)仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 晶閘管單相交流調(diào)壓電路仿真波形

從圖3可以看出，仿真波形與理論分析一致。

2 三相交流調(diào)壓電路

2.1 三相交流調(diào)壓電路的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

三相交流調(diào)壓電路主要應(yīng)用于三相交流負(fù)載的調(diào)壓及TCR(Thyristor phase controlled reactor，晶閘管控制電抗器)，根據(jù)三相連接的不同，三相交流調(diào)壓電路具有多種形式，本文以調(diào)壓電路中最常見的星形連接無(wú)中線的形式來(lái)分析。

2.2 三相交流調(diào)壓電路仿真模型的建立及參數(shù)設(shè)置過程

由于三相交流調(diào)壓電路可看成三個(gè)單相交流調(diào)壓電路的組合，模型的建立及元件參數(shù)的選擇與前述基本相同，僅在電源和觸發(fā)角設(shè)置上需要做以下調(diào)整:

1)選擇三個(gè)單相電源，電壓幅值設(shè)為100 V、頻率為50 Hz、初相位為 0、－120°、120°;

2)選擇六個(gè)脈沖發(fā)生器模型，分別命名為 Pulse1—Pulse6，并將其輸出接到六個(gè)晶閘管的門極上。其參數(shù)設(shè)置為相位控制角Phase Delay(用時(shí)間表示)，脈沖周期為0.02 s、由于三相調(diào)壓電路最少要有兩個(gè)管子導(dǎo)通，需設(shè)置成寬脈沖或雙脈沖觸發(fā)，此處脈沖寬度設(shè)置為脈寬的20%、脈沖高度為10;

3)通過信號(hào)線的適當(dāng)連接后，得到圖4所示的三相交流調(diào)壓電路模型。

圖4 三相交流調(diào)壓電路仿真模型

2.3 三相交流調(diào)壓電路的仿真過程

仿真參數(shù)設(shè)置如下:仿真算法ode23tb、相對(duì)誤差1e－03、仿真開始時(shí)間0、仿真停止時(shí)間0.06 s?？刂朴|發(fā)角α分別為 30°、60°、120°時(shí) Pulse1 模塊對(duì)應(yīng)的相位延遲時(shí)間為0.001 666 7 s、0.003 333 s 和 0.006 667 s。而 Pusle2 ～ 6 晶閘管的脈沖相位延遲時(shí)間需要依次增加60°(0.01/3 s)。參數(shù)設(shè)置完畢后，啟動(dòng)仿真，仿真結(jié)果如圖5～7所示。

圖5 R=10 Ω、α=30°純電阻負(fù)載a相負(fù)載電壓波形

圖6 R=10 Ω、α=60°純電阻負(fù)載a相負(fù)載電壓波形

圖7 R=10 Ω、α=120°純電阻負(fù)載a相負(fù)載負(fù)載電壓波形

從圖5至7仿真波形可以看出:

1)α=0°～60°這個(gè)范圍內(nèi)，電路處于三只晶閘管和兩只晶閘管交替導(dǎo)通的狀態(tài)，因而輸出的a相負(fù)載電壓波形由uab/2、ua、uac/2交替構(gòu)成，每只晶閘管導(dǎo)通角度為θ=180°－α。

2)α=60°～90°這個(gè)范圍內(nèi)，電路處于兩只晶閘管一直導(dǎo)通的狀態(tài)，a相負(fù)載電壓波形由uab/2、uac/2交替構(gòu)成，每只晶閘管導(dǎo)通角度為θ=120°。

3)α=90°～150°這個(gè)范圍內(nèi)，電路處于兩只晶閘管導(dǎo)通和沒有晶閘管導(dǎo)通的狀態(tài)，a相負(fù)載電壓波形仍由uab/2、uac/2交替構(gòu)成，每只晶閘管導(dǎo)通角度為θ=150°－α。

3 結(jié)論

通過對(duì)單相和三相交流調(diào)壓電路建模及仿真分析，可以得到如下結(jié)論［6］:

1)電力電子變流電路類型多、波形復(fù)雜，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)有一定難度。本文利用Simulink對(duì)電力電子技術(shù)中的交流調(diào)壓進(jìn)行了分析，與采用常規(guī)分析方法所得到的輸出電壓波形及結(jié)果進(jìn)行比較，具有一致性，從而驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。

2)采用Matlab/Simulink對(duì)變流電路仿真分析，避免了傳統(tǒng)課堂教學(xué)中復(fù)雜的畫圖和分析過程，仿真結(jié)果清晰、明了，學(xué)生易于接受。

3)應(yīng)用Matlab/Simulink對(duì)電力電子電路進(jìn)行建模仿真，通過在仿真過程中靈活改變控制角和負(fù)載參數(shù)，實(shí)時(shí)得到仿真波形和結(jié)果，給電力電子技術(shù)的教學(xué)和研究工作提供了有力的幫助。

［1］王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)［M］.第5版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［2］王輝，武成慧.Matlab_Simulink在有源逆變電路教學(xué)中的應(yīng)用［J］.山西電子技術(shù)，2014(6):34－35.

［3］葉予光，王輝.電力電子技術(shù)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2012.

［4］黃忠霖，黃京.電力電子技術(shù)的MATLAB實(shí)踐［M］北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

［5］程瓊，丁志林.單相斬控式交流調(diào)壓電路的MATLAB仿真［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2012，10(5):45 －47.

［6］張寶生，王念春.MATLAB在電力電子教學(xué)中的應(yīng)用［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26(3):102 －104.