基于Matlab/Simulink的AC-AC調(diào)壓電路仿真研究

徐 航 尹德昌 萬嘉利 李潤雨 沙炳衡 徐世周

（1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司中衛(wèi)供電公司，寧夏 中衛(wèi) 755000；2.河南師范大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

0 引言

交流-交流（AC-AC）變流電路通過對交流形式的變換達(dá)到切換交流電能的目的［1］。AC-AC 變流電路可以分為交流電力控制電路和變頻電路，其中不改變頻率，僅控制電路的通斷或調(diào)節(jié)電壓、電流大小的電路稱為交流電力控制電路，改變頻率的電路稱為變頻電路。交流電力控制電路中由于控制方式不同又分為相位控制和斬波控制［2-3］。交流調(diào)壓電路作為交流電力控制電路中的一種，廣泛應(yīng)用于燈光控制（如調(diào)光燈和舞臺燈光控制）、異步電動機(jī)的軟起動和調(diào)速、電力系統(tǒng)中對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)中［4-5］。本研究針對交流調(diào)壓電路進(jìn)行不同控制方式下的研究，首先研究了相控方式下的單相交流調(diào)壓電路和三相交流調(diào)壓電路，其次研究了斬波控制方式下的單相交流控制電路，最后對各電路進(jìn)行軟件仿真，通過對各自輸出波形質(zhì)量和諧波畸變率進(jìn)行對比分析，選擇合適的濾波電路，達(dá)到改善波形的目的。

1 單相交流調(diào)壓電路和斬控式交流調(diào)壓電路基本原理

單相交流調(diào)壓電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。該電路［7］是單相調(diào)壓電路，由交流電源、兩個并聯(lián)且方向相反的晶閘管和一個負(fù)載電阻構(gòu)成。輸入交流電源電壓為U1，兩個晶閘管VT1和VT2并聯(lián)且方向相反，輸出負(fù)載電壓為U0，經(jīng)過負(fù)載電阻R構(gòu)成回路。設(shè)用來給晶閘管施加驅(qū)動信號的觸發(fā)延遲角為α，U0和I0分別為負(fù)載輸出電壓的有效值及負(fù)載輸出電流的有效值。設(shè)λ為電路的功率因數(shù)，則U0、I0和λ的表達(dá)見式（1）到式（3）。

圖1 單相交流調(diào)壓電路

式中：ω為角頻率，是交流電壓和電流變化速度的度量值；t為時間，用來表示交流電不同時刻電壓與電流的值；P為有功功率，指在交流電路中電能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量的功率；S為視在功率，指交流電路中電壓和電流的乘積，表示電路所需總電流大小，而不考慮電路消耗電能的效率。

由上式可知，觸發(fā)角α取值為0～π。當(dāng)α為0時，負(fù)載電壓最大，此時U0=U1。隨著延遲角度的提高，相比于電壓，輸入電流相對滯后并且更易發(fā)生畸變，產(chǎn)生的諧波分量更多，導(dǎo)致電路的功率因數(shù)降低。

在電路運(yùn)行的過程中，隨著觸發(fā)延遲角的增大，流過負(fù)載的電壓的諧波程度會越來越劇烈。如果負(fù)載使用的是發(fā)動機(jī)，會使電動機(jī)產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩和附加諧波損耗。同時，相控形式的電路諧波總畸變率也較大，并不適于實(shí)際工程運(yùn)用。因此，需要引入斬控式的交流調(diào)壓電路［8］。斬控式交流調(diào)壓電路如圖2所示。

圖2 斬控式交流調(diào)壓電路

斬控式交流調(diào)壓電路由四個晶體管（D1、D2、D3、D4）和四個MOS 管（S1、S2、S3、S4）、一個負(fù)載電阻R和一個電感L構(gòu)成。其中，D1、D2、S1、S2構(gòu)成一個雙向可控開關(guān)［9］。斬控式調(diào)壓電路與直流式斬波電路有相似地方，二者的區(qū)別在于，斬控式調(diào)壓電路輸入的是正弦交流電，而直流式斬波電路輸入的是直流電壓。通過D1和D2對電路波形進(jìn)行斬波，通過D3和D4對電阻R進(jìn)行續(xù)流。設(shè)開關(guān)周期為T，D1、D2的導(dǎo)通時間為ton，則導(dǎo)通比β=ton/T。通過調(diào)整導(dǎo)通比就能實(shí)現(xiàn)控制的目的。

在斬控式交流調(diào)壓電路仿真中，可采用互補(bǔ)型和非互補(bǔ)型兩種開關(guān)方式?；パa(bǔ)型開關(guān)是先導(dǎo)通S1，隨后S1關(guān)斷、S4導(dǎo)通進(jìn)行續(xù)流，電壓過0 后S4關(guān)斷、S2導(dǎo)通，同樣S2關(guān)斷后、S3導(dǎo)通進(jìn)行續(xù)流。由于開關(guān)器件在導(dǎo)通關(guān)斷時會有一定的響應(yīng)時間，對開關(guān)器件的導(dǎo)通控制時間不夠精確，有可能會出現(xiàn)S1和S4同時導(dǎo)通的情況，從而造成負(fù)載短路，這在實(shí)際應(yīng)用中是十分危險的。因此，可采用非互補(bǔ)型的開關(guān)方式，即在電壓過0前始終保持S4導(dǎo)通持續(xù)續(xù)流，電壓過0 后始終保持S3導(dǎo)通，這種開關(guān)方式就能有效避免因死區(qū)時間而導(dǎo)致負(fù)載短路情況的發(fā)生。

斬波器控制電壓調(diào)節(jié)是在一個時間周期里重復(fù)進(jìn)行開關(guān)，調(diào)整小段寬度或開關(guān)周期，改變負(fù)載電壓，輸入電壓被近似切割成很多小段。斬波調(diào)壓電路得到的波形質(zhì)量優(yōu)秀，對電源影響較小。交流電壓調(diào)節(jié)器的輸出電壓可通過控制接通時間與斷開時間的比值來進(jìn)行調(diào)整。斬波頻率是指晶體管S1和S2的開關(guān)頻率。斬波頻率越高，輸出電壓中的諧波電壓頻率就越高，濾波就越容易。當(dāng)斬波器頻率不是輸入功率頻率的整數(shù)倍時，輸出電壓中將出現(xiàn)分?jǐn)?shù)諧波。當(dāng)斬波頻率不夠高時，分?jǐn)?shù)諧波較大，這對負(fù)載有不良影響。

2 仿真模型

單相調(diào)壓電路的仿真參數(shù)設(shè)置如下，交流電源U1為220、頻率f為50 Hz、負(fù)載電阻R為8 Ω、脈沖周期為0.02 s、脈寬為5%、觸發(fā)延遲角α為30°。單相調(diào)壓電路仿真模型如圖3所示。

圖3 單相交流調(diào)壓電路仿真模型

斬控式交流調(diào)壓電路的參數(shù)設(shè)置如下，交流電源U1為220、頻率f為50 Hz、負(fù)載電阻R為8 Ω、脈沖周期為0.000 05 s、脈寬為50%。斬控式交流調(diào)壓電路仿真模型如圖4所示。

3 波形分析

單相交流調(diào)壓電路波形如圖5 所示。在輸入電源周期的正半部分和負(fù)半部分，通過改變VT1和VT2 的觸發(fā)延遲角，就可對電路的輸出負(fù)載電壓U進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖5 單相交流調(diào)壓電路波形

由圖5 可知，負(fù)載輸出的電壓波形是正弦交流電壓的一部分，輸出負(fù)載電流與輸出負(fù)載電壓的波形一致，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)延遲角度來改變相位，就能對負(fù)載輸出電壓進(jìn)行控制。

使用FTT 分析和奈奎斯特穩(wěn)定性分析對電路的總諧波畸變率進(jìn)行計算分析，結(jié)果如圖6 所示。通過觀察圖中的THD 數(shù)值，可明顯看出，單相交流調(diào)壓電路的諧波分量還比較大，無法達(dá)到實(shí)際并網(wǎng)低于5%的要求。

圖6 單相交流調(diào)壓電路的FFT分析

對斬波式調(diào)壓電路的波形進(jìn)行分析，并對比單相交流調(diào)壓電路。斬波調(diào)壓電路的仿真波形如圖7所示，負(fù)載輸出電壓U和負(fù)載輸出電流I均呈現(xiàn)出鋸齒狀。

圖7 斬波調(diào)壓電路波形

使用FTT對電路波形的THD進(jìn)行計算，結(jié)果如圖8 所示。由圖8 可以看出，普通斬波調(diào)壓電路的THD諧波分量是非常大的，明顯不符合實(shí)際工程的需求，無法應(yīng)用于實(shí)際電路中?？紤]到斬波調(diào)壓電路的波形相比于交流調(diào)壓電路更加平滑柔和，所以斬波電路更適合在實(shí)際中應(yīng)用。為減少諧波分量，提升電路波形質(zhì)量，可以使用LC 濾波對電路波形進(jìn)行改進(jìn)。

圖8 斬波調(diào)壓電路的FFT分析

加裝濾波LC 電路后的電路仿真拓?fù)淠Ｐ腿鐖D9 所示。其中，選取的電感參數(shù)為1.2 mH、電容參數(shù)為1 μF，需要計算電路負(fù)載輸出的有效值。由于設(shè)置的觸發(fā)脈沖的脈寬為50%，使用Matlab 中的有效值對負(fù)載電壓進(jìn)行計算，其實(shí)際有效值為107.4 V，接近理想負(fù)載電壓（110 V）。濾波后的斬波調(diào)壓電路波形如圖10 所示，與改進(jìn)前的波形進(jìn)行對比，濾波后的波形更加平緩柔順，且消除了明顯的鋸齒波，更加接近標(biāo)準(zhǔn)正弦交流電的波形。

圖9 加裝濾波器件后的斬波電路仿真模型

圖10 濾波后的斬波調(diào)壓電路波形

在對電路進(jìn)行改進(jìn)后，對電路進(jìn)行FFT 分析計算，結(jié)果如圖11 所示，THD=3.55%，濾波后電路的THD要明顯少于濾波前，改進(jìn)后的電路可達(dá)到實(shí)際應(yīng)用低于5%的要求。

圖11 濾波后的斬波調(diào)壓電路的FFT分析

4 結(jié)語

通過整個仿真試驗，對AC-AC 兩種典型電路拓?fù)溥M(jìn)行研究，并通過波形對兩種不同調(diào)壓方式進(jìn)行對比。結(jié)合Powergui 模塊中的FFT 波形分析功能計算出電路的總諧波畸變率（THD）百分比數(shù)值，通過THD數(shù)值對斬波電路進(jìn)行LC濾波改進(jìn)。在實(shí)際仿真操作中，濾波電感和電容參數(shù)都要經(jīng)過計算和調(diào)試才能達(dá)到最接近理想的效果。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，得到確定參數(shù)的一般性的方法，即電感參數(shù)的選取根據(jù)基波壓降為整體壓降的5%左右，電容參數(shù)的選取根據(jù)諧振頻率設(shè)置在開關(guān)的1/3或1/4處。改進(jìn)后電路的THD明顯小于改進(jìn)前，即改進(jìn)后的電路能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求。