斩控式交流变换器的Simulink仿真实验

马骏杰, 孔维文, 郝慎才, 王钦钰, 赵 岩

(哈尔滨理工大学 荣成学院, 山东 荣成 264300)

斩控式交流变换器的Simulink仿真实验

马骏杰, 孔维文, 郝慎才, 王钦钰, 赵 岩

(哈尔滨理工大学 荣成学院, 山东 荣成 264300)

将Matlab/Simulink仿真软件引入电力电子课程实验教学环节,开发了斩控式交流变换器的Simulink仿真实验。以Cuk型AC-AC变换器仿真实验为例,使用Simulink搭建仿真电路模型,分析了占空比改变前后的AC-AC变换器输入输出电压波形以及关键元件处于异常时的输入输出电压仿真波形。实验结果与理论分析一致,说明将Simulink仿真应用在实践教学中可以准确、方便地获取实验结果。

电压变换； AC-AC变换器； 仿真实验教学

在各类电力电子开关变换器中,DC-DC(直流-直流)变换器的理论研究是最为成熟的,其应用遍及很多行业和领域[1-2]。为满足电网中用电设备对不同电压的需求,科研人员已经研制出了AC-DC变换器、DC-AC变换器和AC-AC变换器[3-4]。随着生产和生活中对于交流电的电压和频率要求的细化,AC-AC变换技术的应用前景变得更为广阔,对专业教学的要求也越来越高[5]。

笔者设计了一种Cuk型AC-AC变换器并对其进行仿真研究。分析了稳压下的关键元件以及输入输出电压波形,对Cuk型AC-AC变换器的工作原理进行了理论分析,并且对储能元件发生故障时输入输出的电压波形进行了分析。在实验教学环节,由于学生缺乏对元器件的认识,直接对元器件操作危险性较高。因此,将仿真软件引入实验教学环节,便于学生的理论学习与实际操作的接轨[6-7]。

Matlab/Simulink仿真环境适用于动态系统的建模、仿真与分析,Simulink工具箱中所提供的专门用于电力系统分析的模块中包括大量电力系统元器件模型[8-10]。在Simulink环境下直接调用元器件,并合理设置元器件参数,通过连线建立电路系统仿真模型,完成正弦稳态电路建模[11-12]。

1 单相Cuk型AC-AC 变换器工作原理

图1为单相Cuk型AC-AC变换器主电路图,功率开关管的连接采用双管反串联拓扑结构。在电源电压正半周期,开关管S3、S4始终关断,S1和S2实现互补导通；在电源电压负半周期,S1和S2始终关断；S3和S4实现互补导通。

图1 单相Cuk型AC-AC变换器主电路图

斩控式交流变换器中的开关频率fs通常为几kHz到几十kHz,远大于电源电压基波频率,所以在一个开关周期内,电路中各变量如Vi、Vo、iL1、iL2、VC1、VC2均可视为直流量。电源电压正半周期变换器的两种工作模态为:S1导通、S2关断和S1关断、S2导通。

S1导通、S2关断如图2所示,在此过程中电感L2上产生的电流增量为:

其中,Vi为变换器电路的输入电压,Vo为变换器电路的输出电压,iL1、iL2分别为电感L1和L2的电流,VC1、VC2分别为电容C1和C2的电压,D为占空比,Ts为时间间隔。

图2 S1导通、S2关断结构图

S1关断、S2导通如图3所示,在此过程中电感L2上产生的电流增量为:

图3 S2导通、S1关断结构图

由于在一个开关周期内电感L1和电感L2上的电流代数和为0,则可得:

导出:

因此,当D<0.5时,变换器实现降压功能；当D=0.5时,变换器实现稳压功能；当D>0.5时,变换器实现升压功能。故,通过调节功率开关的占空D,Cuk型AC-AC变换器可以得到理想的输出电压。

2 单相Cuk型AC-AC变换器仿真电路模型

基于RC换流方案的单相Cuk型AC-AC变换器仿真电路模型如图4所示,仿真参数如表1所示[9-10]。Subsystem模块用来控制4个功率开关管S1、S2、S3、S4的导通和关断。功率元件选择IGBT,采用双管反串联型连接[11]。

表1 仿真参数设置

其中：U为输入电压幅值,fi为输入频率,fo为输出功率。

3 仿真结果及分析

稳压状态(占空比D=0.5)波形如图5所示,输出电压Vo与输入电压Vi幅值相同,相位相反,并且不需要配置额外的滤波器便可得到优良的输出电压波形。

增大占空比D,进行仿真升压控制,D=0.6时系统的输入输出波形如图6所示；减小占空比D,进行仿真降压控制,D=0.4时系统输入输出波形如图7所示。

Cuk型AC-AC变换器在升/降压变换时,输出电压波形未发生畸变,输入输出电压方向相反,大小符合理论推导结果,波形的正弦度满足要求。

4 故障仿真及分析

当元件异常或故障时,元件的参数值会过大或过小。以电感L2为例,对元件参数过大或过小,且稳压时(占空比D=0.5)进行波形分析。

图4 单相Cuk型AC-AC变换器仿真电路模型

图5 D=0.5变换器输入电压Vi和输出电压Vo波形

图6 D=0.6的输入电压Vi和输出电压Vo波形

图7 D=0.4的输入电压Vi和输出电压Vo波形

电感L2过大时,输入电压Vi和输出电压Vo波形如图8所示。其中Vo波形的正弦度发生改变,幅值大幅度降低,已无法完成稳压目的,系统不能正常工作。

图8 电感L2过大时输入电压Vi和输出电压Vo波形

电感L2过小时,输入电压Vi和输出电压Vo波形如图9所示。

图9 电感L2过小输入电压Vi和输出电压Vo波形

由图9知,当电感L2过小时输出电压Vo波形已经完全失真。将Vo的波形局部放大后如图10所示。

图10 L2过小输入电压Vi和输出电压Vo放大波形

当L2过小时,输出电压Vo的波形不再连续,呈现周期性断续。原因是当L2过小时,其储存的能量过少,输出波形无法连续,而开关频率远高于电源电压频率,导致断续的周期远小于电源周期。

此外,还可对L1、C1、C2储能元件的异常情况进行仿真,从而验证理论分析[12]。

5 结语

将Simulink仿真实验引入实践教学中,提高了教学质量,极大地方便了AC-AC变换器的学习和研究,也促进了学生对理论知识的理解,扩展了学生的发散性思维,能够激发学生的学习兴趣,为进一步学习电力电子开关变换器的理论奠定了坚实的基础。

References)

[1] 张超华,汤雨,谢少军.基于Buck-Boost的AC/AC变换器设计[J].电工技术学报,2007,22(8):52-56.

[2] 洪峰,孙刚,王慧贞,等.Buck型AC/AC直接变换器[J].电工技术学报,2007,22(8):73-76.

[3] 刘周成,洪峰.Boost型AC-AC直接变换器[J].电气传动,2008,38(5):28-30.

[4] 李文娟.Simplorer在电力电子电路仿真实验中的应用[J].实验技术与管理,2014,31(11):28-30.

[5] 李文娟.CDIO模式下电力电子实践教学快速原型法研究[J].实验技术与管理,2013,30(11):59-62.

[6] 毛洪生,毛行奎,裴昌盛.基于Simulink的单相光伏并网逆变器仿真研究[J].低压电器,2011(6):28-33.

[7] 姚李孝,姚金雄,安源.基于Matlab/Simulink的高压输电线路故障定位的仿真研究[J].电网技术,2005,29(10):53-56.

[8] 王晓蔚,张承学,胡志坚.基于MATLAB的复杂电力系统动态仿真[J].继电器,2002,30(10):21-24.

[9] 希望·阿不都瓦依提,晁勤.基于Cuk变换器风光联合发电分时MPPT系统研究[J].可再生能源,2014,32(2):163-167.

[10] 胡经纬,王久和,唐骐.基于EL模型的Cuk变换器无源控制器[J].北京信息科技大学学报(自然科学版),2013,28(5):67-71.

[11] 陈溪,刘韬,谭光慧,等.一种简单新型拓扑CukAC/AC变换器及其仿真研究[J].电气应用,2006,25(9):111-114,142.

[12] 李磊,陈道炼.两种高频交流环节AC/AC变换器比较研究[J].中国电机工程学报,2006,26(20):74-78.

Simulink simulation experiment of chopping control AC converter

Ma Junjie, Kong Weiwen, Hao Shencai, Wang Qinyu, Zhao Yan

(Harbin University of Science and Technology (Rongcheng Campus), Rongcheng 264300, China)

The Matlab/Simulink simulation software is introduced into teaching and experiment of Power Electronics course, and a Simulink simulation experiment of the chopping control AC converter is developed. By taking the simulation experiment of Cuk type of the AC-AC converter as an example, the simulation circuit model is built by using the simulation software Simulink. The input and output voltage waveforms of the AC-AC converter before and after the duty cycle change and the simulation waveforms of the key components in abnormal condition are analyzed. The experimental results are in good agreement with the theoretical analysis, which shows that the Simulink simulation can be used for the practical teaching to obtain the experimental results accurately and conveniently.

voltage conversion; AC-AC converter; simulation experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.08.031

2017-02-04

国家自然科学基金项目(51177031)；全军军事类研究生资助课题(2015JY030)；哈尔滨理工大学教育教学研究项目(220160012)；山东省高等学校科技计划项目(J17KB136)；广东省重大科技专项项目(2015B010118003)

马骏杰(1982—),男,山东烟台,硕士,讲师,主要研究方向为电力电子数字化控制.E-mail：m92275@126.com

TM46；TP391.9

A

1002-4956(2017)08-0125-04