基于PSCAD的直流斬波電路的仿真

摘 要:現(xiàn)代電力電子技術(shù)其理論性和實(shí)踐性較強(qiáng)，電路和波形圖多且復(fù)雜。在電磁暫態(tài)分析軟件PSCAD中建立Buck-chopper電路的仿真模型，在此基礎(chǔ)上對直流斬波電路進(jìn)行了較詳細(xì)的仿真分析。仿真波形與常規(guī)分析方法得到的結(jié)果一致，證實(shí)了PSCAD軟件能夠在電力電子技術(shù)仿真和研究中具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞:PSCAD; 直流斬波電路; 建模; 仿真

中圖分類號(hào):TM13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)13-0209-02

Simulation of DC Chopping Circiut Based on PSCAD

TANG Ren-biao

(Jingyin Polytechnic College， Jiangyin 214405， China)

Abstract: A simulation model of Buck-chopper circuit was established in electromagnetic transient analysis software PSCAD. The simulation analysis of DC chopping circiut is performed attentively on the basis of the model. The simulation waveform is consistent with the results gotten by the method of conventional analysis. The result confirms that the PSCAD software can be applied to the power electronics technology simulation and research.

Keywords: PSCAD; DC chopping circiut; modeling; simulation

在電力電子技術(shù)中，將直流電的一種電壓值通過電力電子變換裝置變換為另一種固定或可調(diào)電壓值的變換，稱為直流-直流變換。由于其基本原理是利用開關(guān)器件對輸入電壓波形周期性地“斬切”，因此也常稱為斬波器。開關(guān)型直-直換流器廣泛用于直流開關(guān)穩(wěn)壓電源和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域中。有許多的文獻(xiàn)與雜志用不同的電力電子仿真軟件對其進(jìn)行了仿真[1-5] ，這里主要討論了PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制方式的降壓電路(Buck Chopper)，并應(yīng)用可視化電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD，對該電路及降壓電路進(jìn)行了建模，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，得到了一種直觀、快捷分析直流變換電路的新方法。

1 直流斬波電路工作原理

直流降壓斬波電路原理圖如圖1(a)所示[6-7] 。圖中用理想開關(guān)S代表實(shí)際的電力電子開關(guān)器件;R為純阻性負(fù)載。當(dāng)開關(guān)S在ton時(shí)間接通時(shí)，加到負(fù)載電阻上的電壓Uo等于直流電源Ud。當(dāng)開關(guān)S在toff時(shí)間斷開時(shí)，輸出電壓為零，直流變換波形如圖1(b)所示。

輸出電壓平均值為:

UR=uR=1Ts∫Ts0uRdt=1Ts∫ton0Uddt

=Udtonton+toff=tonTsUd=DUd

(1)

式中:ton為斬波開關(guān)S在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間;toff為斬波開關(guān)S在一個(gè)周期內(nèi)的關(guān)斷時(shí)間;Ts為斬波周期;D為占空比，D=ton/Ts。

圖1 帶純電阻負(fù)載的降壓斬波器工作原理

由此可見，改變導(dǎo)通占空比D，就能夠控制斬波電路輸出電壓Uo的大小。由于D是在0～1之間變化的系數(shù)，因此輸出電壓Uo總小于輸入電壓Ud，即為降壓輸出。

2 PSCAD簡介

電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計(jì)算程序PSCAD是目前世界上廣泛使用的一種電力系統(tǒng)分析軟件。其大規(guī)模的計(jì)算容量、完整而準(zhǔn)確的元件模型庫、穩(wěn)定高效的計(jì)算內(nèi)核、友好的界面和良好的開放性等特點(diǎn)，已經(jīng)被世界各國的科研機(jī)構(gòu)、學(xué)校和電氣工程師廣泛使用[8-10] 。PSCAD/EMTDC有以下元件模型庫:

(1) 集中參數(shù)電阻R、電感L、電容C;隨時(shí)間變化的電阻R、電感L、電容C;電壓源、電流源、多相諧波源;

(2) 測量元件庫，包括單相電壓表、電流表、三相電壓表(RMS)、瞬時(shí)有功功率/無功功率表、頻率表及相位(差)表;

(3) 高壓直流輸電(HVDC)及靈活交流輸電(FAcTs)模型庫，包括二極管、晶閘管、GTO、IGBT及避雷器模型庫，可以進(jìn)行電力電子仿真。

(4) 控制系統(tǒng)模型庫，包含91種交/直流控制、數(shù)字/模擬控制模型;邏輯電路庫等。

3 直流斬波電路的建模與仿真

3.1 由IGBT構(gòu)成直流降壓斬波電路的建模和參數(shù)設(shè)置

圖2為由IGBT組成的Buck直流變換器仿真模型，在前面工作原理中分析得到輸出電壓在0~Ud之間跳變，這在許多應(yīng)用中是不允許的，解決的方法就是在圖中通過續(xù)流二極管釋放存儲(chǔ)在電感中的能量，即在IGBT導(dǎo)通區(qū)間，由于二極管呈反偏狀態(tài)，由輸入端向負(fù)載和電感提供能量，而當(dāng)IGBT斷開時(shí)，電感電流經(jīng)續(xù)流二極管將存儲(chǔ)能量釋放給負(fù)載;利用電感和電容元件組成的低通濾波器可削弱輸出電壓的跳變。IGBT按默認(rèn)參數(shù)設(shè)置，電壓源參數(shù)取Us=100 V，L=100 mH，C=0001 μF;負(fù)載參數(shù)取R=2 Ω。

圖2 IGBT構(gòu)成直流降壓斬波電路

3.2 直流降壓斬波電路的仿真

打開仿真參數(shù)窗口，選擇standard算法，solution time step為100 μs，停止仿真時(shí)間設(shè)置為0.5 s，控制脈沖周期設(shè)置為0001 s(頻率為1 000 Hz)，控制脈沖占空比分別為40%，50%，80%。參數(shù)設(shè)置完畢后，啟動(dòng)仿真，得到圖3的仿真結(jié)果。

由圖3可以看出，負(fù)載上電壓分別為40 V，50 V，80 V，滿足公式:

Uo=tonTsUd=DUd

4 結(jié) 語

通過以上的仿真過程分析，可以得到下列結(jié)論:直流變換電路主要以全控型電力電子器件作為開關(guān)器件，

通過控制主電路的接通與斷開，將恒定的直流斬成斷續(xù)的方波，經(jīng)濾波后變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)的連續(xù)直流輸出電壓。利用PSCAD對降壓斬波電路仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。

圖3 Buck Chopper仿真結(jié)果圖

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