三相三重斩波电路的建模和仿真研究

谭倩倩，贺志兵，文 豪，王 帆，荣 军,2



三相三重斩波电路的建模和仿真研究

谭倩倩1，贺志兵1，文 豪1，王 帆1，荣 军1,2

（1. 湖南理工学院信息与通信工程学院，湖南岳阳414006；2.复杂工业物流系统智能控制与优化湖南省重点实验室，湖南岳阳414006）

阐述了三相三重斩波电路的工作原理，并且给出其在MATLAB/Simulink中的仿真模型和仿真结果，仿真结果表明其输出电流为单个斩波电路平均电流的三倍，而且其电流脉动频率为单个斩波电路的三倍。

多相多重 斩波电路 电流脉动 建模与仿真

0 引言

目前，斩波电路不仅应用于直流传动等传统领域，也应用于开关电源等新领域，是电力电子领域的一大热点。而多相多重斩波电路是另外一种复合概念的斩波器，它是在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路构成，而在一个控制周期中电源侧的电流脉波数成为斩波电路的相数，负载电流脉波数称为斩波电路的重数。在多相多重斩波电路中最简单当属三相三重斩波电路它是在一个电源和一个负载之间接入三个结构相同的基本斩波电路。三相指在一个控制周期内从电源侧看脉动三次，三重指从负载看有三次电流脉波[1]。本文对三相三重斩波电路的工作原理进行了详细阐述，并在MATLAB/Simulink中对其进行了建模和仿真，最后通过仿真结果验证了理论分析的正确性。

1 三相三重斩波电路的工作原理介绍

图1为三相三重斩波电路及其工作波形如图1所示[2]，在分析研究电路时，可将该电路看成由三个降压斩波电路并联后再和一个负载串联而成的电路，V1、V2、V3依次导通，相位相差三分之一周期，波形相同，总输出电流为三个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单位输出电流平均值的三倍，脉动频率也为三倍。而由三个单元电流的脉动幅值相互抵消，使总的输出电流脉动幅值变得很小。此时电源电流为各可控开关的电流之和，其脉动频率为单个斩波电路时的三倍，谐波分量比单个脉动率与单个斩波器时显著减小，并且电源电流的最大脉动率与单个斩波器时相比，也是与相数的二次方成反比地减少。这使得由电源电流引起的干扰大大减小，若需要滤波，只需要接上简单的LC滤波器就可以起到良好的滤波效果。

(a) 工作电路图

(b) 工作波形图

图1 三相三重斩波电路电路图及工作波形图

三相三重斩波电路的工作过程如下：三极管V1的控制脉冲U1为高电平时，V1导通，电源E向负载供电，并向电感L1储能，电流i呈指数曲线上升，如图1（b）所示，当U1为低电平时，V1关断，使得L1产生左负右正的电动势经二极管VD1续流，i呈指数曲线下降，由图可见i脉动幅度大，不平缓。同样地，当三极管VT2加有控制脉冲U2时，流经L2的电流i如图1（b）所示；当三极管VT3加有控制脉冲U3时，流经L3的电流i如图1（b）所示。当整个电路工作时，输出电流i为各相电流i，i和i之和，其平均值为单元相的三倍，脉动频率也为三倍，由于三相的脉动幅度互相抵消，使得输出脉冲幅度变小。因此三相三重斩波电路电流波动小，感应干扰小，有利于发动机稳定工作；降低了输出侧平波电抗器要求，减小了装置的体积和重量。此电路由三个斩波电路并联而成，工作中若有任一相斩波发生故障仍可继续工作，可靠性高。

2 三相三重斩波电路的MATLAB建模与仿真

2.1三相三重斩波电路的仿真模型

三相三重斩波电路在MATLAB/Simulink中的仿真模型图分别如图2所示[3,5]，图2中的模型主要由直流电源E、全控器件IGBT、二极管VD、滤波电感L、信号发生器、负载以及测量模块等构成。

图2 三相三重斩波电路的仿真模型

2.2仿真结果及其分析

三相三重斩波电路的仿真结果如图3所示。

图3 三相三重斩波电路的仿真波形图

图3中的仿真波形从上而下依次为功率开关管IGBT的驱动脉冲、滤波电感L的电流、负载输出电压以及输出电流。从图3仿真波形可以清晰地看出开关管V1、V2和V3驱动电平相位相差120°，三个开关管V1、V2和V3依次导通。从输出负载上的电流值可以看出输出电流平均值为单个斩波电路单元输出电流平均值的三倍，而且输出负载电流脉动频率也为单个斩波电路脉动频率的三倍。在MATLAB/Simulink中通过建立仿真模型以及对仿真结果的详细分析，说明三相三重斩波电路的理论分析完全正确。

3 结束语

本文利用MATLAB/Simulink仿真软件对三相三重斩波电路的工作原理进行了理论验证，通过对仿真结果的分析，三相三重斩波电路的输出电流为单个斩波电路平均输出电路的三倍，而且其电流脉动只有单个斩波电流的三分之一，因此其适合应用于对功率要求比较大，而且对电流脉动要求比较高的电力拖动场合。

[1] 赵良炳. 现代电力电子技术基础[M]. 北京: 清华大学出版社, 1995.

[2] 王兆安, 刘进军. 电力电子技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2000.

[3] 李真贵, 胡杨昊, 佘海湘, 等. 三电平逆变器改进型SVPWM研究与实现[J]. 计算技术与自动化, 2014, 33(4): 49-54.

[4] 谢涛, 荣军, 何凯等. 单相桥式整流电路在MATLAB中的建模与仿真. 电子技术, 2014, (3): 19-22.

[5] 肖松松, 荣军, 李翔等. 三相桥式全控整流电路的建模与仿真[J]. 电子技术, 2014, (21): 17-19.

Modeling and Simulation of Three-phase and Three-triple Chopping Circuit

Tan Qianqian1, He Zhibing1, Wen Hao1, Wan Fan1, Rong Jun1,2

（1.Department of Information and Communication Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, Hunan, China；2. Key Laboratory of Hunan Province on Intelligent Control and Optimization of Complex Industrial Logistics System, Yueyang 414006, Hunan, China)

TM46

A

1003-4862（2017）08-0015-02

2017-03-15

湖南省科技计划项目经费资助（2016TP1021）和2016年岳阳市科技计划项目

谭倩倩（1996-），女，本科。研究方向：电子技术。

荣军（1978-），男，硕士，讲师。研究方向：开关电源及电机控制技术。