Matlab_Simulink在交流调压电路教学中的应用

王 辉，鲁春华，向 颖，杨 雪

(1.三峡大学，电气与新能源学院，湖北 宜昌443002;2.国网宜昌供电公司，湖北宜昌443003)

电力电子技术是本科高校中电气信息类专业学生必修的一门专业基础课程，由于变流电路类型多(整流、逆变、斩波、调压变频、组合变流等)、波形图较复杂(不同性质负载、不同控制角等)，学生学习起来普遍感觉无从下手［1］。本文以交流调压电路(包括单相和三相)为例进行讨论，应用Matlab中的Simulink仿真工具对电力电子电路进行建模仿真，以解决电力电子变流电路的分析的瓶颈所在［2］。

1 单相交流调压电路

1.1 单相交流调压电路的工作原理与应用

图1为单相交流调压电路原理图，在交流电源u1的正半周和负半周，分别对反并联的晶闸管VT1和VT2(或者一只双向晶闸管)的控制触发角α进行调节就可以改变输出电压。交流调压电路主要应用于灯光控制(如舞台灯光控制和家用调光台灯)、异步电动机软起动及调速等场合。在电力系统中，还可用于对无功功率连续调节［3］。

图1 单相交流调压电路

1.2 单相交流调压电路仿真模型的建立及参数设置过程［4］

1)在MATLAB7.0及以上版本的命令窗口下，新建一个模型窗口，命名为jlty;

2)在电力电子(Power Electronics)模块组中，调用两个标准晶闸管(Detaild Thyristor)到模型窗口中，晶闸管参数设置为 Ron=0.001 Ω、Lon=0 H、Vf=0 V、RS=20 Ω、CS=4.7e－06F，命名为Thyristor和Thyristor1;

3)在电源(Electrical Sources)模块组中，调用一个交流电压源到模型窗口中，电压幅值设为100 V、频率为50 Hz、初相位为0;

4)在元件(Elements)模块组和连接器(Connectors)模块组中，调用一个串联RLC元件和接地模块到模型窗口中，打开参数设置对话框，根据电阻性和阻感性负载分别设置相应的R、L;

5)在测量元件(Measurements)模块组中，调用一个电压和电流测量装置用来测量负载上的电压和电流;

6)在输入源(Sources)模块组中调用两个脉冲发生器模型到仿真模型窗口中，命名为Pulse、Pulse1，并将其输出接到两个晶闸管的门极上。其参数设置为相位控制角Phase Delay(用时间表示)，脉冲周期为0.02 s、脉冲宽度设置为脉宽的10%、脉冲高度为10;

7)在完成前面的元件选取及参数设置后，将各元件通过信号线适当连接，得到如图2所示的单相交流调压电路的仿真模型［5］。

图2 单相交流调压电路的仿真模型

1.3 单相交流调压电路的仿真过程

仿真参数设置如下:仿真算法ode23tb、相对误差1e－03、仿真开始时间0、仿真停止时间0.06s。控制触发角α分别为 60°、120°时 Pulse模块对应的相位延迟时间为0.003 333 s和0.006 667 s。而触发反向晶闸管的脉冲相位延迟时间需要再增加半个周期(0.01 s)，即Pulse1模块对应的相位延迟时间为0.013 333 s和0.016 667 s。参数设置完毕后，启动仿真，仿真结果如图3所示。

图3 晶闸管单相交流调压电路仿真波形

从图3可以看出，仿真波形与理论分析一致。

2 三相交流调压电路

2.1 三相交流调压电路的结构及应用

三相交流调压电路主要应用于三相交流负载的调压及TCR(Thyristor phase controlled reactor，晶闸管控制电抗器)，根据三相连接的不同，三相交流调压电路具有多种形式，本文以调压电路中最常见的星形连接无中线的形式来分析。

2.2 三相交流调压电路仿真模型的建立及参数设置过程

由于三相交流调压电路可看成三个单相交流调压电路的组合，模型的建立及元件参数的选择与前述基本相同，仅在电源和触发角设置上需要做以下调整:

1)选择三个单相电源，电压幅值设为100 V、频率为50 Hz、初相位为 0、－120°、120°;

2)选择六个脉冲发生器模型，分别命名为 Pulse1—Pulse6，并将其输出接到六个晶闸管的门极上。其参数设置为相位控制角Phase Delay(用时间表示)，脉冲周期为0.02 s、由于三相调压电路最少要有两个管子导通，需设置成宽脉冲或双脉冲触发，此处脉冲宽度设置为脉宽的20%、脉冲高度为10;

3)通过信号线的适当连接后，得到图4所示的三相交流调压电路模型。

图4 三相交流调压电路仿真模型

2.3 三相交流调压电路的仿真过程

仿真参数设置如下:仿真算法ode23tb、相对误差1e－03、仿真开始时间0、仿真停止时间0.06 s。控制触发角α分别为 30°、60°、120°时 Pulse1 模块对应的相位延迟时间为0.001 666 7 s、0.003 333 s 和 0.006 667 s。而 Pusle2 ～ 6 晶闸管的脉冲相位延迟时间需要依次增加60°(0.01/3 s)。参数设置完毕后，启动仿真，仿真结果如图5～7所示。

图5 R=10 Ω、α=30°纯电阻负载a相负载电压波形

图6 R=10 Ω、α=60°纯电阻负载a相负载电压波形

图7 R=10 Ω、α=120°纯电阻负载a相负载负载电压波形

从图5至7仿真波形可以看出:

1)α=0°～60°这个范围内，电路处于三只晶闸管和两只晶闸管交替导通的状态，因而输出的a相负载电压波形由uab/2、ua、uac/2交替构成，每只晶闸管导通角度为θ=180°－α。

2)α=60°～90°这个范围内，电路处于两只晶闸管一直导通的状态，a相负载电压波形由uab/2、uac/2交替构成，每只晶闸管导通角度为θ=120°。

3)α=90°～150°这个范围内，电路处于两只晶闸管导通和没有晶闸管导通的状态，a相负载电压波形仍由uab/2、uac/2交替构成，每只晶闸管导通角度为θ=150°－α。

3 结论

通过对单相和三相交流调压电路建模及仿真分析，可以得到如下结论［6］:

1)电力电子变流电路类型多、波形复杂，学生学习起来有一定难度。本文利用Simulink对电力电子技术中的交流调压进行了分析，与采用常规分析方法所得到的输出电压波形及结果进行比较，具有一致性，从而验证了仿真结果的正确性。

2)采用Matlab/Simulink对变流电路仿真分析，避免了传统课堂教学中复杂的画图和分析过程，仿真结果清晰、明了，学生易于接受。

3)应用Matlab/Simulink对电力电子电路进行建模仿真，通过在仿真过程中灵活改变控制角和负载参数，实时得到仿真波形和结果，给电力电子技术的教学和研究工作提供了有力的帮助。

［1］王兆安，刘进军.电力电子技术［M］.第5版.北京:机械工业出版社，2009.

［2］王辉，武成慧.Matlab_Simulink在有源逆变电路教学中的应用［J］.山西电子技术，2014(6):34－35.

［3］叶予光，王辉.电力电子技术［M］.北京:中国电力出版社，2012.

［4］黄忠霖，黄京.电力电子技术的MATLAB实践［M］北京:国防工业出版社，2009.

［5］程琼，丁志林.单相斩控式交流调压电路的MATLAB仿真［J］.实验科学与技术，2012，10(5):45 －47.

［6］张宝生，王念春.MATLAB在电力电子教学中的应用［J］.电气电子教学学报，2004，26(3):102 －104.