主控回路共用电源的三相桥式整流逆变电路研究

梁 梅， 任智君， 易启淋， 王智东， 邓丰强

(华南理工大学 电力学院, 广东 广州 510641)

主控回路共用电源的三相桥式整流逆变电路研究

梁 梅， 任智君， 易启淋， 王智东， 邓丰强

(华南理工大学 电力学院, 广东 广州 510641)

针对NMCL系列实验电路与教科书存在较大差异，实验数据、波形与理想值存在较大偏差，学生难以理解其中内涵等问题,参考实验教学电路，深入分析电路结构，考虑到主控回路共用电源特征，使用Matlab/Simulink搭建仿真电路，给出了三相桥式整流逆变的输出波形、输出测量值和晶闸管电压变化波形。通过理论与仿真的比较分析，引导学生探索电源内阻变化、电压波动、同步电压偏差等对测量结果的影响。

三相桥式全控整流； 逆变； Simulink； 主控回路共用电源

电力电子实验是电力电子教学的关键环节之一,其理论性和实践性较强,电路和波形图多且复杂,较难通过实验波形掌握其电路结构内涵。整流逆变电路[1]将交流电与直流电互相转换,电路形式多种多样,应用十分广泛。其中,应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路,常用于直流电机调速、发电机励磁调节电解、电镀、新能源发电并网等领域。

我校本科电力电子实验教学[2]采用的是浙江求是公司NMCL系列实验台,在三相整流逆变电路实验教学中,主要进行三相整流电路和三相逆变电路的波形观察和电压测试,并根据结果进行三相整流逆变电路性能的研究。在该电路实验过程中,存在以下问题:(1)实验台的主回路电源和控制回路电源采用同一个电源,当出现电源电压波动、单相断路故障时,会导致主回路和控制回路的一连串不合理的波形特征；(2)在逆变电路实验中,没有采用教科书上的电机模型实现逆变,而是在整流电路的基础上增加二极管桥,将能量返送回主回路电源端，整流、逆变过程共存于同一电路中,原理较难理解；(3)对实验数据的测量,台表计、手持式万用表、示波器显示结果差异较大；(4)三相桥式整流电路的资料大都限于整流情况下各种工况的分析,关于逆变工作状态的分析数据寥寥可数,给实验诊断带来较大困难。

经典的仿真分析电路[3-6]均采用三相电源模块、晶闸管管桥、6脉冲控制器、二极管桥等集成模块搭建电路,只能分析正常工作的电路特征,不能反映实验的真实情况[7]。本研究参考本科实验用电路,深入分析电路结构,考虑到主控回路共用电源特征,使用Matlab/simulink搭建仿真电路。通过该仿真电路,学生可以便利地预习实验,认识到实验电路与理论电路的差异、观察到实验理想波形的形态,并进行故障分析。

1 三相桥式全控整流逆变电路原理

1.1 三相桥式全控整流电路原理

三相桥式全控整流电路是应用广泛的整流电路。完整的三相桥式全控整流电路由三相交流电源、整流变压器、6个晶闸管构成的桥式模块、负载、触发器和同步环节组成,其电路原理图见图1。

图1 三相桥式全控整流电路原理图

6个晶闸管依次相隔60°触发,将电源交流电整流为直流电。控制电路采用双脉冲触发或者宽脉冲触发

方式,以保证在每一个瞬间都有2个晶闸管同时导通(上桥臂和下桥臂各一个)。通过该电路,将三相交流电转换成单相直流电[8]。该电路在带阻感负载情况下,触发角α为0°、30°、90°时的理想波形见文献[1]中的图2-22、2-23、2-90。

当0<α≤60°时,

Ud=2.34U2cosα

(1)

当α>60°时,

(2)

其中，Ud为负载电压平均值,U2为变压器二次侧线电压值,α为晶闸管管触发角。

1.2 三相桥式整流电路的有源逆变工作状态

将直流电逆变成交流电的电路称为逆变电路。当交流侧和电网连接时,这种逆变电路称为有源逆变电路。对于可控整流电路来说,只要满足一定条件,就可以工作在有源逆变状态。这时,逆变和整流的区别仅在于控制角(包括触发角和逆变角)不同,当0<α<π/2时,电路工作在整流状态；π/2<α<π时,电路工作在逆变状态。

三相桥式电路工作在有源逆变时有

(3)

2 实验台电路结构分析

这样的电路结构与理论教学模型存在差异,使得实验波形、测量数据与理论值存在较大误差。首先,理想模型能量返送电网,是假设电网是一个无穷大系统,其电压不受返送能量的影响；而实验电路返送回实验台电源的方式,一方面改变了主电路的电压大小,另一方面逆变电压注入电源,主回路和控制回路电压谐波含量[9]也随之改变,实验波形受其影响动态改变。

根据以上分析,实验参考经典理论进行分析存在较大困难,因此,通过深入研究实验台电路结构,利用Matlab/Simulink搭建模型,仿真反映实验的真实状态,为教与学提供数据参考。

3 仿真电路设计与分析3.1 仿真电路设计

设计的三相桥式整流仿真电路见图3,逆变电路见图4。三相交流电源经变压器T1降压后供电给主电路,经变压器T2供电给控制回路,通过T1、T2内部参数的控制,真实反映实验过程中存在的异常情况。控制回路模块利用6路脉冲触发器模拟TCA785芯片性能,输出6路脉冲作为晶闸管控制信号,能够模拟单个晶闸管故障的特征[10]。仿真参数设置如下:交流电压Va=Vb=Vc=220*sqrt(2)/sqrt(3)V，Va、Vb、Vc分别是ua、ub、uc的幅值),三相依次滞后120°,T1、T2变压器均采用Yg接法,变压器变比KT1=220∶110,KT2=380∶30,R=450 Ω,L=0.7 H；电源、变压器、6脉冲触发器频率f=50 Hz,采用双脉冲触发方式,脉宽2°,仿真时间0.2 s。

3.2 仿真步骤与相关波形

(1) 按照实验台说明书推荐的参数设置三相电源内阻0 Ω,R=1 800 Ω,L分别设置为0.05、0.1、0.2、0.7 H时,整流、逆变电路输出波形差异不大,因此,后面的仿真中,默认取值R=1 800 Ω、L=0.7 H。

(2) 在(1)的基础上,设置三相电源内阻为指定值,重复以上步骤,当内阻大于0.028 8 Ω时,波形和输出电压均值u0测量值均出现较大变化,下降70%左右,如图5(图中u0为负载电压)所示；三相电源内阻小于0.028 8 Ω时,波形差异不大,如图5所示,仅u0测量值出现微小变化,内阻每增加10%输出电压均值下降10%。

(3) 假设同步电压与脉冲校正准确,整流触发角在0°、30°、60°、90°时,利用电路不接变压器T2时仿真这一工况,得到的仿真波形与理论波形一致(图略)。

(4) 能量返送回T1高压侧,逆变电路不接变压器T2,等价于同步电压与脉冲校正准确,在理想情况下,触发角在90°、120°、150°时波形如图6所示,三相桥式逆变电路输出理论波形差异较大。

(5) 整流电路接变压器T2,模拟同步电压与脉冲校正有一定偏差[11],图形与理论波形相比较相似,仅产生一定的畸变(图略)。

(6) 能量返送回T1低压侧,逆变电路不接变压器T2,等价于同步电压与脉冲校正准确,在理想情况下,触发角在90°、120°、150°时波形如图7所示,三相桥式逆变电路输出与理论波形差异较大。

(7) 能量返送回T1低压侧,逆变电路接变压器T2,等价于同步电压与脉冲校正存在一定偏差,触发角在90°、120°、150°时三相桥式逆变电路输出与理论波形差异较大,与图7相比形状变化不大,数据有小幅变化(图略)。

4 仿真结果分析

(1) 输出电压对电源内阻的变化比较敏感,因此,环境温度的变化和电源的老化程度都对输出结果产生较大的影响[12]。

(2) 逆变能量返送回主电源高压侧时,输出电压波形与理想波形差异较大,晶闸管波形畸变较小；逆变

图3 三相桥式整流电路仿真图

图4 三相桥式逆变电路仿真图

图5 内阻变化对输出电压波形影响

能量返送回主电源低压侧时,输出电压波形与理想波形差异较小,晶闸管波形畸变较大。

(3) 同步电压与脉冲校正存在较小偏差的时候,输出电压小幅变化,但是晶闸管波形畸变较大；当偏差较大时,晶闸管电压波形失去观察意义。

(4) 利用式(1)、(2)计算电压平均值偏差率在1%～30%；利用式(3)计算电压平均值偏差率在30%以上。

(5) 该主控共用电源电路在进行波形观察时效果较好,但是在进行定量分析时,应针对波形的情况设置采样时间窗，并计算[13]输出电压值。采用电压表或者万用表等都将带来较大的偏差。为了取得更好的实验效果,在该回路中接入一直流电源，可使得逆变回路不将能源返送回交流电源侧。

5 结语

本文针对浙江求是公司NMCL系列实验台,对三相整流逆变电路实验教学中出现的输出测量结果差异较大、逆变工作状态的理想分析波形缺失、实验故障诊断较困难等问题进行深入研究。参考实验电路结构,搭建仿真模型,学生可以辨别实验数据和波形与理论值的差距,并进行故障分析。该仿真给出了能量返送回供电方的三相桥式逆变电路的参考波形图,并比较了能量返送回主电源高、低压侧时输出电压和晶闸管电压的畸变情况。通过该模型,可引导学生研究主控共用电源电路中,电源内阻变化、触发脉冲的校正对输出结果的影响。

仿真结果表明,该实验电路在进行波形观察时效果较好,但是在进行定量分析时采用电压表或者万用表等都将带来较大的偏差。如果需要对该电路进行更深入的量化研究,应设置合适的时间窗计算输出电压的大小。

References)

[1] 王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2000.

[2] 梁梅,胡少强,王智东.电力电子技术综合实验平台的研究与建设[J].中国现代教育装备,2012(13):16-17.

[3] 谢水英,韩承江.基于仿真技术的电类专业基础课教学改革研究与实践[J].实验技术与管理,2015,32(12):166-169.

[4] 牛天林,樊波,张强，等. Matlab/Simulink仿真在电力电子技术教学中应用[J].实验室研究与探索,2013，32(2):84-87.

[5] 余有灵,徐志宇,胡明忠.基于Matlab/SimPowerSystems的电力电子研究型实验[J].实验技术与管理,2015,32(11):118-121.

[6] 王慧,王毅,付超.Matlab和LabVIEW在电力电子虚拟实验中的应用[J].电气电子教学学报,2014,36(2):112-114.

[7] 蒲永红,张婷,赵春锋，等.电工技术实验中常见故障分析与探讨[J].实验室研究与探索,2015，34(9):269-272.

[8] 栗书贤.电力电子技术实验[M].北京:机械工业出版社,2009.

[9] 宋鹏先,李耀华,王平，等.三相电力电子负载谐波分析与抑制[J].电工电能新术,2015,34(2):25-33.

[10] 王鲁杨,王禾兴,汤波，等.电力电子实验装置缺陷分析[J].上海电力学院学报,2010,26(4):319-321.

[11] 李浩光,张加胜.DKSZ-1型电力电子实验装置脉冲触发电路研究[J].实验科学与技术,2010,8(2):12-14.

[12] 李欣茂,黄家敏,姚敏.电力电子技术实验装置常见故障维修[J].实验室科学,2012,15(3):178-180.

[13] GWInstek CO LTD.GDS-2000系列数字储存示波器使用手册[Z].

Research on three-phase bridge rectification inversion circuit of main-control loop common power supply

Liang Mei, Ren Zhijun, Yi Qilin, Wang Zhidong, Deng Fengqiang

(College of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)

Aiming at the problems such as the great difference between the NMCL series experimental circuit and the textbook,the large deviation between the experimental data, waveform and the ideal value, and the difficulty for the students to understand the inside meaning, and referring to the undergraduate experimental teaching circuit, the deep analysis is carried out on the circuit structure.In consideration of the characteristics of the common power supply of main-control loop, and by using Matlab/Simulink to set up the simulation circuit, the output waveform, the output measurement value and thyristor voltage variation waveform of the three-phase bridge rectification inversion are presented. Through the comparative analysis of the theory and simulation waveform, the students are guided to explore the effect of the measurement results from internal resistance change of the power supply, voltage fluctuation, synchronous voltage deviation and other factors.

three-phase bridge full controlled rectification; inversion; Simulink; common power supply of main-control loop

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.012

2016-07-26

广东教育教学成果奖(高等教育)培育项目；广东省高等教育教学改革项目(GDJG20142042)；华南理工大学校级教改项目(Y1150900)、华南理工大学探索性实验项目(Y1150240)

梁梅(1981—),女，广西梧州，硕士，实验师，从事电气工程及其自动化的实验教学与研究

E-mail:eplm@scut.edu.cn

王智东(1980—)，男，广东海丰，博士，实验师，从事智能电网的教学与研究.

E-mail:zdwang@scut.edu.cn

TM464;G642.423

A

1002-4956(2017)1-0048-05