基于Simplorer晶闸管驱动电路的建模与仿真

桂 树 国

(安徽职业技术学院机械工程系, 合肥 230011)



基于Simplorer晶闸管驱动电路的建模与仿真

桂 树 国

(安徽职业技术学院机械工程系, 合肥 230011)

摘要：为直观了解晶闸管触发驱动电路特点，采用Simplorer软件对晶闸管驱动模拟整流器进行建模与仿真。设计并构建了系统各个功能模块，根据结构化和模块化的方法进行建模及数字仿真。仿真结果与理论分析一致，为解决晶闸管触发驱动电路难以一体化建模与仿真的难题提供了方法和思路。

关键词：晶闸管； 整流器； Simplorer； 建模； 仿真

Ansot Simplorer是一个功能强大的跨学科多领域的高性能系统仿真软件，适用的仿真领域有：电机、交直流传动；电源、电力系统；电力电子装置及系统；汽车部件、汽车电子与系统；航空与航天、船舶装置；控制系统以及军事装备等[1-3]。在工业生产活动中经常使用可控整流器用于反馈控制。目前，建模和仿真晶闸管的目的是物理化晶闸管模型或者是固定相位角。在一些商业软件中有全桥整流器模型和触法驱动模型，在建模中，晶闸管和建模中的触发信号相同，可以经常互用。为更接近实际整流器，本次研究建模组成了晶闸管触发驱动电路，如半波控制整流器，该建模也可用于三相全桥触发驱动电路。因此，此系统能够用于闭环控制和变量参考的建模。利用Simplorer可以改变晶闸管的参数，例如上升时间、擎住电流和反向电流等[4]。一个晶闸管的故障运行能够模拟触发驱动电路模型，而电路模型能解决晶闸管触发驱动电路难以一体化建模与仿真的问题[5-7]。

1触发驱动建模

触发驱动电路在现实中是用特殊的集成电路完成的，建模时应考虑集成电路的输入模拟信号和晶闸管的输出相位角信号。建模的触发驱动电路应尽可能简单，因此设计了晶闸管驱动模型，如图1所示。

为适用于这种触发驱动电路，设计了一个理想的斜坡发生器，其输出端口和触发脉冲的波形如图2所示。斜坡发生器的相位被定义为相应的晶闸管相位，它的触发脉冲相位角介于0°~180°。改变电容C1能改变脉冲的宽度，斜坡发生器能够同步触发相位，脉冲相位与斜坡发生器同步。电压信号增加到斜坡发生器的输出总和端，然后通过斜坡发生器输入到Com1。Com1输出到驱动双极晶体管，端口X1和Y1适用于全桥整流器，端口电压被控制系统输出控制。Trig1是晶闸管的触发端口，这是一个晶闸管的触发驱动，它能适用于全桥和半桥整流的触发驱动。

图1　晶闸管驱动模型

2晶闸管建模

在Simplorer中实现晶闸管建模是基于执行动态的晶闸管建模原理，其模型如图3所示。静态的建模行为定义为静态的二极管模型和电流控制电流源，动态行为决定于非线性电容，有7个静态参数和6个动态参数都可以正常地改变。

图2　斜坡发生器输出端口及触发脉冲波形

3电源供应建模系统

转换器的电源系统已经实现了直线线圈发生器，线圈阻抗Lo=3H,电阻Ro=2 Ω。转换器是三

相全桥整流器，输入的交流电电压为200 V，电流为40 A。转换器执行的运算是输出电流从0到40 A逐渐增加，延迟几秒钟，最后从40 A减至0 A。

闭环控制系统适用于比例控制建模，电流波形在计算机上形成。反馈信号是负载电流，从负载电阻上获得。比例系数P=40，控制系统的输出发送到6个触发驱动电路的电压端口。在计算机中，电流波形的参考电压能够自由改变。

变压器参数：漏感为0.1 mH，2次测得的电阻平均值为1 mΩ。

例如，用6个整流器可以调整每个斜坡发生器的相位，便能够获得三相全桥整流器触发驱动电路。6个触发驱动电路必须正确连接。整个系统的结构如图4所示。

图3　Simplorer中的晶闸管建模

图4　电源系统的6个触发脉冲电路图

4系统仿真结果与分析

运用建立的晶闸管触发驱动电路模型进行仿真。对电流波形定义为在1 s内从0 A增加到40 A后，保持1 s，然后在1 s内从0 A增加到1 A。在Simplorer中有特殊的资料工具对谐波电压和励磁电流进行评估分析。分析结果如图5所示。

图5　整流器的谐波分析图

对脉冲相位进行微调，就会改变谐波电压。实际上，6个脉冲的相位只要有一些不同就能建立触发

驱动。这表明负载电流跟参考电流相同，如图6所示。

图6　控制器的参考波形和负载的输出波形

5结语

(1)利用Simplorer可以准确、有效地对晶闸管驱动电路进行建模与仿真，为整流器的设计提供了便利条件。

(2)触发驱动模型适用于电源反馈控制系统，为其他整流器如半桥整流提供了一种方便快捷的建模和仿真方法。

(3)仿真试验可以直观观察系统参数对电路输出特性的影响，不仅加深了对理论知识的理解，还可以节约成本和时间。

参考文献

[1] 沈瑞寒，徐一哲.基于Simplorer的三相桥式全控整流电路的仿真分析[J].企业技术开发,2009,28:22.

[2] 李傲梅，傅鹏.基于SIMPLORER的电源电路仿真[J].系统仿真学报，2007,19(4)：745-748.

[3] 李文娟,程静思,黄怀翀,等.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(11):111-113.

[4] Ansoft Corporation. Simplorer V 6.0 User Manual[G]. Ansoft Corporation, 2002.

[5] 谢利军.基于Simplorer的全桥PWM控制器ISL6752的仿真研究[J].测控技术,2009(9):22-39.

[6] 徐德鸿,陈治明,李永东,等.现代电力电子学[M].北京：机械工业出版社,2013:88-90.

[7] 戴国骏,曾虹,张翔，等.机电系统仿真的CC++建模研究[J].杭州电子工业学院学报，2004(6):25-28.

Modeling and Simulation of the Thyristor Trigger Driving Circuit Based on Simplorer

GUIShuguo

(Department of Mechanical Engineering, Anhui Vocational and Technical College, Hefei 230011, China)

Abstract:In order to intuitively understand the characteristics of the thyristor trigger driving circuit, the Simplorer software has been used to integrate modeling and simulation to the thyristor trigger driving circuit. Each function module of the system has been designed and constructed. With the structured and modular approach, modeling and the digital simulation of the whole system have been carried out. The simulation results are consistent with theoretical analysis. It can provide the methods and ideas to solve the problem that the thyristor trigger driving circuit is difficult to integrate modeling and simulation.

Key words:thyristor; rectifier; simplorer; modeling; emulation

文献标识码：A

文章编号：1673-1980(2016)01-0092-03

中图分类号：TP391

作者简介：桂树国(1977 — )，男，安徽凤台人，硕士，副教授，研究方向为机电一体化及机械加工。

基金项目：安徽省教育厅2015年度省级质量工程项目“基于‘大众创业，万众创新’导向的职业岗位人才培养模式的课程体系改革与优化 —— 以数控技术应用专业为例”(2015JYXM552)

收稿日期：2015-04-24