基于MATLAB的电力电子变换电路的建模分析

曹海红

（西安航空职业技术学院，陕西西安，710089）

0 引言

MATLAB是一种基于矩阵的数学工具与工程计算系统，可以作为动态系统的建模与仿真。silmulink是MATLAB环境下对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软件包。silmulink功能模块非常丰富，包含连续模块库、非连续模块库、离散模块库、查表模块库、数学运算库、端口及子系统库、信号路由、接受模块、信号模快、用户定义函数模块等。在电力电子变流电路中可以方便的调用库中的图形模块，设计电路的动态系统模型，然后对其进行仿真，并随时观察仿真结果、优化参数、排除故障，有利于加深理解电力电子变流电路运行原理，化解教学难点，提高教学效果，改善实验条件，也可以作为学生课后自学的辅助工具。

1 建模方法

1.1 结构原理

以三相半波可控整流电路为例。三相半波可控整流电路由三相交流电源、晶闸管、负载等组成。如图1(a)所示的三相半波可控整流电路结构。为了得到零线，变压器二次侧结成星型，为了避免3次谐波流入电网，变压器一次侧接成三角形。电路中共有3个晶闸管VT1、VT2、VT3分别接入U相、V相、W相三相电源，它们的阴极连接在一起，称为“共阴极接法”。在三相可控整流电路中晶闸管“共阴极接法”的导通原则是哪相电压最高与该相连接的晶闸管触发导通。ωt1、ωt2和ωt3时刻距相电压波形过零点30°电角度，它是各相晶闸管能被正常触发导通的最早时刻，在该点以前，对应的晶闸管因承受反压，不能触发导通，所以把它叫做自然换流点。在三相相控整流电路中，把自然换流点作为计算控制角α的起点，这与单相可控整流电路是不同的。要改变α的大小只能在以自然换向点为起始点向后移动对应的角度。当 α=0°在ωt1~ωt2期间，A相电压比B、C相都高，如果在ωt1时刻VT1管子的触发脉冲过来，晶闸管VT1导通，负载上得到A相电压ua；在ωt2~ωt3期间，B相电压比A、C 相都高，若在ωt2时刻VT2管子的触发脉冲过来，VT2导通，VT1关断负载上得到V相电压ub；在ωt3~ωt4时期间，C相电压比A、B 相都高，若在ωt3刻T3管子的触发脉冲过来，VT3导通VT2关断，负载上得到C相电压uc，这是一个电路工作情况，下个周期依次重复。可见，任意时刻，只有承受电子与最高的那只管子才能被触发导通，输出电压波形为为三相电源相电压正半周包络线,且每周期脉动三次。如图1(b)所示， 同理，可以分析出当α=30°时，ud、id波形临界连续，如图1(c)所示。当α=150°时，整流输出电压为零。

图1 三相半波可控整流电路及波形

1.2 创建模型

利用 MATLAB软件中simulink模块完成元件的调用电路的建模及仿真运行。首先在 MATLAB的菜单栏上点击File，选择New，再在弹出菜单中选择Model，这时出现一个空白的仿真平台，命名为三相半波桥式整流电路。在刚建好的仿真窗口完成电路模型的搭建。在仿真模型窗口的菜单上点击图标调出模型库浏览器，在模型库中提取所需的模块拖放到仿真窗口。见表1元器件调用路径。

表1 元器件调用路径

图2 电源参数的设置

图3 晶闸管模型及设置窗口

2 设置参数

2.1 电源与晶闸管参数

电源为三相对称交流电，其电源电压有效值取141V，相位角0°，频率50Hz,则输入电压最大值为141＊sqrt(2),也可以根据实际需要设置参数大小。

2.2 设置脉冲参数

选用脉冲发生器Synchronized 6-pulse Generator的参数，同步频率为50Hz，故周期period设置为0.02秒，触发脉冲宽度 pulsewidth设置为5，设置相位滞后角phasedelay时通过换算公式完成，U相、V相、W相三相之间的的角度对应关系如表2所示，触发脉冲参数见图4所示。

图4 触发脉冲参数

表2 触发脉冲参数

2.3 负载参数设置

负载RLC可以根据具体情况设置。本次仿真采用1欧电阻性负载，则在Branch type中选择R，并设为1欧。如图5所示。

图5 负载参数设置

2.4 示波器及总线选择器的设置

示波器采集通道数目可以根据输入测量端的个数来设置，见图6设置。为了便于观察三相交流电源波形的相位关系，也可使用总线生成器，将其输入个数修改为3即可，见图7所示。

图6 修改示波器输入测量端的个数

图7 添加总线选择器的输出信号

2.5 算法设置

在仿真前首先设置仿真参数。在菜单中选择Simulation，在下拉菜单中选择Simulation parameters，在弹出的对话框中设置的项目很多。主要有开始时间、终止时间、仿真类型等。本实验仿真开始时间选0.0，时间设为0.05秒，仿真算法solver设为ode15，可变步长，其他参数设为默认，设置好后的参数如图8所示。

图8 算法设置

3 调试运行

根据原理图完成电路连接，见图9，本电路采用三个脉冲发生器产生晶闸管的三路触发脉冲，分别送给三只晶闸管的门极。

图9 电路模型

在菜单Simulation下选择Start，或点击工具栏图标立即开始仿真,若要中途停止仿真可以选择Stop。为三相电源电压波形、脉冲的波形、晶闸管上的电流与电压的波形。

(1)当α=0°时三相半波桥式电阻性负载整流电路结果

当α=0°时，三路触发脉冲依次在各自自然换相点处分别触发导通对应的三只晶闸管。三路脉冲依次相位相差120°，根据三段分析法可知晶闸管上电压依次为零和uABuAC两个线电压。输出电压电路波形从图上可以看出是电源相电压正半周包络线，且波形连续，见图10所示。

图10 三相交流电压、三路脉冲、晶闸管上电压波形、负载输出电压电流波形

(2)当α=30°时三相半波桥式电阻性负载整流电路结果

当α=30°时，三路触发脉冲依次在自然换相点处向后推移30°处分别触发对应的三只晶闸管。当电压电流波形过零变负时VT1关断的同时VT2恰好触发导通，当VT2关断的同时VT3恰好触发导通，因此负载输出电压电流波形出现连续的临界状态，见图11所示。

图11 三相交流电压、三路脉冲、晶闸管上电压波形、输出电压电流波形

(3)当α=60°时三相半波桥式电阻性负载整流电路结果

当α=60°时，三路触发脉冲依次在自然换相点处向后推移60°处分别触发对应的三只晶闸管，输出电压电路波形出现断续情况，见图12所示 。

图12 三相交流电压、三路脉冲、晶闸管电流、晶闸管电压、负载电压电流波形

以上各图分别为触发角α为0°、30°,60°时所得的仿真波形。由于是电阻性负载，负载电压和负载电流波形同相位，随着触发角的增大，输出电压波形逐渐减小。当控制角大于30°时输出电压电流波形不在连续。通过分析发现，仿真波形与理论波形结果完全吻合，验证了仿真建模的有效性和正确性。避免了繁琐的计算过程和实验条件受限的影响。

4 故障分析

在建模仿真中，利用软件可以直观的判断电路的故障，提高效率，节省耗材。例如，当晶闸管出现断开、短路等故障时候，对应不同控制角下晶闸管电压电流及负载波形,如图13所示。

图13 晶闸管故障时波形

5 总结

本文通过运用MATLAB软件三相半波可控整流电路的进行建模与仿真，得出结果与理论结果完全一致。其它的电力电子变流电路仿真亦是如此。 可见，通过该软件建模仿真，利用示波器的追踪能清晰直观的观察仿真结果随参数变化而变化，轻松判断出波形图是否正确、参数设计是否合理，方便进行相关参数修改以达到优化设计标准运行。为教师教学科研、学生课外学习提供了提供了便利，是一种非常实用有效的分析方法。