三相橋式全控整流電路仿真

莊吉運(yùn)， 賈文超

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

在電力電子中,整流電路是出現(xiàn)最早的一種，直流用電設(shè)備所需的直流電就是通過整流電路將交流電整流得到的。整流電路在直流電動(dòng)機(jī)、通信系統(tǒng)電源、同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁等多方面都有十分廣泛的應(yīng)用。整流電路可從交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路等多種角度進(jìn)行分類。目前整流電路的應(yīng)用還是最為廣泛的,對(duì)三相橋式全控整流電路的研究變得非常重要，文中分別對(duì)開環(huán)條件下的電路模型和帶有閉環(huán)反饋控制的電路模型進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)控制環(huán)節(jié)中應(yīng)用到的三相靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換,以及PID控制算法進(jìn)行介紹分析[1]。

1 三相全控整流電路工作原理

三相橋式全控整流電路原理如圖1所示。

圖1 三相橋式全控整流電路原理

該電路是由變壓器、共陰極組、共陽極組以及負(fù)載構(gòu)成，共陰極組有VT1、VT3、VT5，共陽極組有VT4、VT6、VT2，為了避免3次諧波流入電網(wǎng)，變壓器一次側(cè)的連接方式選擇三角形連接，二次側(cè)選擇星形連接方式得到零線。因?yàn)楸倦娐凡捎昧?個(gè)半控型器件晶閘管，所以要使電路導(dǎo)通需要設(shè)計(jì)觸發(fā)電路。當(dāng)電路正常工作時(shí)，每個(gè)時(shí)刻需要一個(gè)共陰極組和一個(gè)共陽極組兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通。為確保晶閘管導(dǎo)通順序從1到6導(dǎo)通，電路的觸發(fā)方式采用雙脈沖觸發(fā)，VT1、VT2脈沖相位相差，VT1、VT3脈沖相位相差，每一周期輸出的電壓脈動(dòng)為6次，所以該整流電路也稱為6脈波整流電路[2]。

2 開環(huán)條件下的仿真分析

開環(huán)條件下的電路仿真模型如圖2所示。

圖2 三相橋式全控整流電路仿真模型

MATLAB算法選擇ode23t，該仿真模型輸入的三相交流電相電壓峰值設(shè)為100 V，頻率設(shè)為50 Hz，相位分別為0°、-120°、120°。觸發(fā)信號(hào)由同步脈沖觸發(fā)器模塊產(chǎn)生，負(fù)載電阻阻值設(shè)為55 Ω[3]。

對(duì)模型進(jìn)行仿真，示波器Scope1中的波形如圖3所示。

從圖中可以看出,輸入電流含有大量的諧波。

示波器Scope2中的波形如圖4所示。

圖3 三相全控整流電路輸入電壓、輸入電流仿真波形

圖4 三相全控整流電路輸出電壓、輸出電流仿真波形

從該仿真模型中可以看到一個(gè)周期中有6次脈動(dòng)，該結(jié)果與理論相一致。

3 三相橋式全控整流電路仿真模型的改進(jìn)與仿真

上述仿真模型為最簡(jiǎn)單的三相橋式全控整流電路模型，對(duì)輸出的控制還很局限，因此，為了對(duì)輸出電壓、電流進(jìn)行有效控制，對(duì)上述模型進(jìn)行改進(jìn)，加入閉環(huán)反饋控制環(huán)節(jié)，控制模塊中應(yīng)用到了坐標(biāo)變換和PID控制。

3.1 三相靜止坐標(biāo)到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換

三相靜止繞組A、B、C變換到兩相靜止繞組α、β，簡(jiǎn)稱3/2變換。設(shè)N3為三相繞組中每相的有效匝數(shù)，N2為兩相繞組中每相的有效匝數(shù)，各相有效匝數(shù)與電流的乘積為該相磁動(dòng)勢(shì)。設(shè)磁動(dòng)勢(shì)波形為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，當(dāng)三相與兩相上總磁動(dòng)勢(shì)相等時(shí)，兩繞組的瞬時(shí)磁動(dòng)勢(shì)在α、β軸上的投影大小應(yīng)該相等[4]，因此可得：

N2iα=N2iA-N3iBcos60°-N3iCcos60°=

(1)

N2iβ=N2iBsin60°-N3iCsin60°=

(2)

整理得

(3)

將零軸電流也增廣到變換式中，即得

(4)

我們知道，合成矢量在兩相靜止坐標(biāo)系中是旋轉(zhuǎn)的，令旋轉(zhuǎn)矢量與兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的d軸重合，則可得到其在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中坐標(biāo)，也得到兩相靜止坐標(biāo)系與兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換公式，其中θ的取值一般為相的相角[5-6]。

(5)

由以上得到的abc/αβ變換關(guān)系和αβ/dq之間的變換關(guān)系，可以得到abc/dq之間的變換為

(6)

式中，三相靜止坐標(biāo)系到兩相任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣為

(7)

iα、iβ和id、iq之間存在關(guān)系，矩陣關(guān)系為

(8)

3.2 PID控制

常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理如圖5所示。

圖5 PID控制系統(tǒng)原理

這是一個(gè)典型的單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)，由兩部分組成，PID控制器和被控對(duì)象。

PID控制器是一種線性控制器，通過采樣實(shí)際值與給定值作差

e(t)=r(t)-y(t),

將計(jì)算的偏差通過數(shù)學(xué)計(jì)算得到控制變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制目標(biāo)的跟蹤[7]。其控制規(guī)律

(9)

傳遞函數(shù)為

(10)

式中Kp——比例系數(shù)；

Ti——積分時(shí)間常數(shù)；

Td——微分時(shí)間常數(shù)；

Ki——積分系數(shù),Ki=Kp/T1；

Kd——微分系數(shù),Kd=KpTd。

3.3 改進(jìn)后的三相橋式全控整流電路仿真

經(jīng)過改進(jìn)后的控制仿真模型如圖6所示。

圖6 加入反饋控制的三相橋式全控整流電路仿真模型

輸入三相交流電相電壓峰值為100 V，頻率50 Hz，相位差120°，為提高控制效果，三相電源后串入1 mH濾波電感、0.02 Ω等效電阻，純阻性負(fù)荷55 Ω。三相橋式全控整流電路仿真模型PI控制模塊如圖7所示[8-9]。

圖7 三相橋式全控整流電路仿真模型PI控制模塊

圖8 三相全控整流電路輸入電壓、輸入電流仿真波形

圖9 三相全控整流電路輸入電壓220 V的輸出電壓、輸出電流仿真波形

圖10 三相全控整流電路輸入電壓300 V的輸出電壓、輸出電流仿真波形

圖11 三相全控整流電路輸入電壓500 V的輸出電壓、輸出電流仿真波形

4 結(jié) 語

構(gòu)建了兩種整流電路的仿真模型，并對(duì)其進(jìn)行了比較分析，簡(jiǎn)單的三相橋式全控整流電路可以實(shí)現(xiàn)整流，但無法有效地控制輸出值，通過對(duì)模型改進(jìn)，不但可以得到良好的仿真波形，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出值的有效控制。文中研究的整流控制電路通過仿真可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，同時(shí)對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用具有很好的借鑒意義。