三相三重?cái)夭娐贩抡媾c分析

樊戰(zhàn)亭FAN Zhan-ting；杜阿美DU A-mei

（咸陽(yáng)師范學(xué)院，咸陽(yáng) 712000）

0 引言

斬波電路是把直流電變換為另一固定電壓或者可調(diào)電壓的直流電[1]，斬波電路廣泛應(yīng)用在開(kāi)關(guān)電源、直流電動(dòng)機(jī)控制等領(lǐng)域中[2]。與變阻器分壓電路相比，直流斬波器能夠節(jié)約20%～30%的電能[3]。斬波電路的性能直接影響相關(guān)設(shè)備的質(zhì)量，是電力電子技術(shù)研究重要研究方向之一。多相多重?cái)夭娐肥窃陔娫春拓?fù)載之間接入多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的基本斬波電路而構(gòu)成的，一個(gè)控制周期中電源側(cè)的電流脈波數(shù)稱為斬波電路的相數(shù)，負(fù)載電流脈波數(shù)稱為斬波電路的重?cái)?shù)[4]。三相三重?cái)夭娐肥禽^為簡(jiǎn)單的多相多重?cái)夭娐?，本文主要討論三相三重?cái)夭娐饭ぷ髟恚赟imulink軟件中進(jìn)行建模、仿真，主要分析基本斬波電路和三相三重?cái)夭娐吩诓煌伎毡认螺敵鲭妷?、諧波大小等情況，期望能夠?yàn)閿夭娐吩趯?shí)踐中應(yīng)用提供一些參考依據(jù)，提高相關(guān)設(shè)備的應(yīng)用效益。

1 三相三重?cái)夭娐返墓ぷ髟?/h2>

圖1為三相三重?cái)夭娐冯娐穲D，由IGBT管V1、電感L1、二極管VD1構(gòu)成第一個(gè)基本降壓斬波電路、IGBT管V2主要構(gòu)成第二個(gè)和IGBT管V3主要構(gòu)成的第三個(gè)降壓斬波電路并聯(lián)后組成的復(fù)合斬波電路。控制三相三重?cái)夭娐愤\(yùn)行通過(guò)控制V1、V2和V3等三個(gè)IGBT管柵極G的控制電壓的周期T、導(dǎo)通時(shí)間ton來(lái)實(shí)現(xiàn)，三相三重?cái)夭娐愤\(yùn)行時(shí)首先控制V1管先導(dǎo)通ton，T/3時(shí)間后V2導(dǎo)通ton，2T/3時(shí)間后V3導(dǎo)通ton，就完成了一個(gè)周期T控制，不斷重復(fù)上述過(guò)程就能夠完成對(duì)三相三重?cái)夭娐返目刂?。三相三重?cái)夭娐房偟妮敵鲭娏鱥0是三個(gè)基本降壓斬波電路輸出電流i1、i2和i3之和，脈動(dòng)頻率為基本電路的三倍。如果每個(gè)IGBT管導(dǎo)通時(shí)間ton小于等于T/3，輸出電流是三個(gè)基本電路輸出電流依次簡(jiǎn)單疊加；當(dāng)ton大于T/3小于T時(shí)，輸出電流就存在兩個(gè)或三個(gè)基本斬波電路同時(shí)的疊加，從理論上更難分析與計(jì)算，采用Simulink軟件對(duì)三相三重?cái)夭娐愤M(jìn)行建模，還利用Simulink軟件中的諧波分析工具實(shí)現(xiàn)對(duì)三相三重?cái)夭娐份敵鲭妷焊蛹?xì)致的分析，為在實(shí)踐中更好地應(yīng)用多相多重?cái)夭娐诽峁┮恍├碚搮⒖家罁?jù)。

圖1 三相三重?cái)夭娐穲D

2 三相三重?cái)夭娐贩抡嫜芯坎襟E

三相三重?cái)夭娐肥侨齻€(gè)基本降壓斬波電路的復(fù)合體，為了更細(xì)致分析三相三重?cái)夭娐返妮敵鎏匦?，?yīng)該與基本降壓斬波電路建模、仿真后的輸出進(jìn)行比較、分析，最后得出結(jié)論。

主要研究步驟：

①建立三相三重?cái)夭娐纺Ｐ?，控制輸出分別基本降壓斬波電路、三相三重?cái)夭娐贰?/p>

②設(shè)定占空比從10%-90%以間隔10%依次增加，利用Simulink軟件中諧波分析工具，分別求出基本降壓斬波電路、三相三重?cái)夭娐份敵鲭娏鳎妷海┑钠骄?、諧波量，并匯總列表。

③依據(jù)列表數(shù)據(jù)對(duì)兩種斬波電路輸出進(jìn)行比較分析，得出結(jié)論。

3 三相三重?cái)夭娐贩抡媾c分析

3.1 三相三重?cái)夭娐返哪Ｐ?/h3>

三相三重?cái)夭娐吩赟imulink軟件中的仿真模型圖分別如圖2所示，圖2中的模型主要由直流電源E（100V）、三個(gè)全控器件IGBT、二極管VD、濾波電感L（0.005H）、脈沖發(fā)生器、負(fù)載R（2Ω）以及測(cè)量模塊等構(gòu)成。三相三重?cái)夭娐分腥齻€(gè)脈沖發(fā)生器（Pulse Generator）的周期均設(shè)為0.001秒、幅值設(shè)為1、開(kāi)始時(shí)間分別設(shè)為0秒、0.00033秒、0.00066秒，占空比根據(jù)要求均設(shè)定區(qū)間為10%-90%。如果進(jìn)行基本降壓斬波電路仿真時(shí)，只要把Pulse Generator2和Pulse Generator3幅值設(shè)定為0，就可以封鎖IGBT2、IGBT3兩個(gè)并聯(lián)支路的輸出，整個(gè)電路只有IGBT1控制的單個(gè)基本降壓斬波電路輸出。

圖2 三相三重?cái)夭娐纺Ｐ?/p>

3.2 斬波電路輸出結(jié)果及分析

圖3是占空比為20%三相三重?cái)夭娐吩赟imulink軟件中輸出結(jié)果，最上面一組是三個(gè)脈沖發(fā)生器輸出，脈沖發(fā)生器的周期T設(shè)為0.001秒，0.01秒時(shí)脈沖發(fā)生器1輸出為1持續(xù)到0.0102秒；T/3秒后，在0.01033秒脈沖發(fā)生器2輸出為1持續(xù)到0.01053秒；再T/3秒后，在0.01066秒脈沖發(fā)生器3輸出為1持續(xù)到0.01086秒，1個(gè)周期T結(jié)束，從0.011秒又開(kāi)始新的一個(gè)周期。中間三條曲線是三個(gè)IGBT輸出電流，在0.01秒IGBT1支路電流從最小值一直上升到0.0102秒，其上升時(shí)間與脈沖發(fā)生器1導(dǎo)通時(shí)間一致，同時(shí)IGBT2、IGBT3兩個(gè)通道電流下降；在0.0102秒到脈沖發(fā)生器2開(kāi)始導(dǎo)通前，三個(gè)通路的電流均下降，直到脈沖發(fā)生器2導(dǎo)通后IGBT2通路電流開(kāi)始上升。三個(gè)IGBT并聯(lián)支路輸出電流疊加就形成電阻R上電流，乘以電阻值2Ω就是電阻R上的電壓值，就是仿真輸出結(jié)果最下端的輸出圖形。

圖3 占空比為20%三相三重?cái)夭娐份敵鼋Y(jié)果

為了能夠細(xì)致分析輸出電壓、諧波的大小，要對(duì)輸出電壓進(jìn)行相應(yīng)的諧波分析。應(yīng)用Simulink軟件中Powergui中的FFT Analysis Tool對(duì)輸出電壓進(jìn)行分析，如圖4所示?？梢詮膱D4中看出穩(wěn)態(tài)輸出電壓的平均值（DC component）為19.84V，諧波（THD）百分比為6.53%。

圖4 占空比為20%三相三重?cái)夭娐份敵鲋C波分析

根據(jù)上述步驟設(shè)定3個(gè)脈沖發(fā)生器脈沖觸發(fā)占空比分別為10%-90%，間隔為10%，可以得出三相三重?cái)夭娐凡煌伎毡葧r(shí)的輸出平均電壓、諧波分量的百分比。如果只設(shè)定一個(gè)脈沖發(fā)生器的輸出幅值為1，其余兩個(gè)脈沖觸發(fā)去的輸出幅值為0，就可以方便得出基本降壓斬波電路的輸出平均電壓及相應(yīng)的諧波分量的百分比。把上述結(jié)果進(jìn)行列表，可以得出表1基本降壓和三相三重?cái)夭娐份敵銎骄妷杭爸C波分量百分比。

從表1數(shù)據(jù)可以分析：

表1 基本降壓和三相三重?cái)夭娐菲骄妷杭爸C波分量百分比

①基本降壓斬波電路、三相三重?cái)夭娐吩谙嗤伎毡葧r(shí)兩者的輸出電壓基本相同，三相三重?cái)夭娐返妮敵鲭妷焊螅悸孕∮陔娫碋乘以占空比，占空比越小兩者差異越小；占空比越大，兩者之間的差異稍微變大。

②占空比為10%、20%時(shí)，基本降壓斬波電路諧波分量與三相三重?cái)夭娐返闹C波分量之比小于2；在占空比為30%-60%區(qū)間時(shí)，兩者之比基本都大于4；占空比80%、90%時(shí)，兩者都較小，同時(shí)比值小于2倍。

③占空比大于70%以上，特別是高于80%，基本降壓斬波電路諧波分量百分比會(huì)明顯下降，應(yīng)用三相三重?cái)夭娐废啾扔诨緮夭娐方档椭C波分量輸出效果不明顯，三相三重?cái)夭娐犯啾憩F(xiàn)為備份電路的形式。

4 結(jié)論

基本降壓斬波電路、三相三重?cái)夭娐吩谙嗤伎毡瓤刂魄闆r下兩者的輸出電壓基本相同，都接近于電源電影乘以IGBT的控制端的占空比，三相三重?cái)夭娐返淖饔弥饕墙档洼敵鲭妷旱闹C波分量。在占空比為30%-70%區(qū)間三相三重?cái)夭娐分C波分量為基本斬波電路的20%左右，部分占空比情況下輸出電壓諧波分量甚至更小。在占空比大于70%后，三相三重?cái)夭娐返闹C波分量相比于基本斬波電路在數(shù)值上相差較小，更多起一種備份電路的作用。在實(shí)踐應(yīng)用中，在應(yīng)用斬波電路時(shí)，可以根據(jù)輸出電壓要求及諧波分量參照上述數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和選用，以提高相應(yīng)設(shè)備的應(yīng)用效益和價(jià)值。