主控回路共用電源的三相橋式整流逆變電路研究

梁 梅， 任智君， 易啟淋， 王智東， 鄧豐強

(華南理工大學 電力學院, 廣東 廣州 510641)

主控回路共用電源的三相橋式整流逆變電路研究

梁 梅， 任智君， 易啟淋， 王智東， 鄧豐強

(華南理工大學 電力學院, 廣東 廣州 510641)

針對NMCL系列實驗電路與教科書存在較大差異，實驗數據、波形與理想值存在較大偏差，學生難以理解其中內涵等問題,參考實驗教學電路，深入分析電路結構，考慮到主控回路共用電源特征，使用Matlab/Simulink搭建仿真電路，給出了三相橋式整流逆變的輸出波形、輸出測量值和晶閘管電壓變化波形。通過理論與仿真的比較分析，引導學生探索電源內阻變化、電壓波動、同步電壓偏差等對測量結果的影響。

三相橋式全控整流； 逆變； Simulink； 主控回路共用電源

電力電子實驗是電力電子教學的關鍵環節之一,其理論性和實踐性較強,電路和波形圖多且復雜,較難通過實驗波形掌握其電路結構內涵。整流逆變電路[1]將交流電與直流電互相轉換,電路形式多種多樣,應用十分廣泛。其中,應用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路,常用于直流電機調速、發電機勵磁調節電解、電鍍、新能源發電并網等領域。

我校本科電力電子實驗教學[2]采用的是浙江求是公司NMCL系列實驗臺,在三相整流逆變電路實驗教學中,主要進行三相整流電路和三相逆變電路的波形觀察和電壓測試,并根據結果進行三相整流逆變電路性能的研究。在該電路實驗過程中,存在以下問題:(1)實驗臺的主回路電源和控制回路電源采用同一個電源,當出現電源電壓波動、單相斷路故障時,會導致主回路和控制回路的一連串不合理的波形特征；(2)在逆變電路實驗中,沒有采用教科書上的電機模型實現逆變,而是在整流電路的基礎上增加二極管橋,將能量返送回主回路電源端，整流、逆變過程共存于同一電路中,原理較難理解；(3)對實驗數據的測量,臺表計、手持式萬用表、示波器顯示結果差異較大；(4)三相橋式整流電路的資料大都限于整流情況下各種工況的分析,關于逆變工作狀態的分析數據寥寥可數,給實驗診斷帶來較大困難。

經典的仿真分析電路[3-6]均采用三相電源模塊、晶閘管管橋、6脈沖控制器、二極管橋等集成模塊搭建電路,只能分析正常工作的電路特征,不能反映實驗的真實情況[7]。本研究參考本科實驗用電路,深入分析電路結構,考慮到主控回路共用電源特征,使用Matlab/simulink搭建仿真電路。通過該仿真電路,學生可以便利地預習實驗,認識到實驗電路與理論電路的差異、觀察到實驗理想波形的形態,并進行故障分析。

1 三相橋式全控整流逆變電路原理

1.1 三相橋式全控整流電路原理

三相橋式全控整流電路是應用廣泛的整流電路。完整的三相橋式全控整流電路由三相交流電源、整流變壓器、6個晶閘管構成的橋式模塊、負載、觸發器和同步環節組成,其電路原理圖見圖1。

圖1 三相橋式全控整流電路原理圖

6個晶閘管依次相隔60°觸發,將電源交流電整流為直流電。控制電路采用雙脈沖觸發或者寬脈沖觸發

方式,以保證在每一個瞬間都有2個晶閘管同時導通(上橋臂和下橋臂各一個)。通過該電路,將三相交流電轉換成單相直流電[8]。該電路在帶阻感負載情況下,觸發角α為0°、30°、90°時的理想波形見文獻[1]中的圖2-22、2-23、2-90。

當0<α≤60°時,

Ud=2.34U2cosα

(1)

當α>60°時,

(2)

其中，Ud為負載電壓平均值,U2為變壓器二次側線電壓值,α為晶閘管管觸發角。

1.2 三相橋式整流電路的有源逆變工作狀態

將直流電逆變成交流電的電路稱為逆變電路。當交流側和電網連接時,這種逆變電路稱為有源逆變電路。對于可控整流電路來說,只要滿足一定條件,就可以工作在有源逆變狀態。這時,逆變和整流的區別僅在于控制角(包括觸發角和逆變角)不同,當0<α<π/2時,電路工作在整流狀態；π/2<α<π時,電路工作在逆變狀態。

三相橋式電路工作在有源逆變時有

(3)

2 實驗臺電路結構分析

這樣的電路結構與理論教學模型存在差異,使得實驗波形、測量數據與理論值存在較大誤差。首先,理想模型能量返送電網,是假設電網是一個無窮大系統,其電壓不受返送能量的影響；而實驗電路返送回實驗臺電源的方式,一方面改變了主電路的電壓大小,另一方面逆變電壓注入電源,主回路和控制回路電壓諧波含量[9]也隨之改變,實驗波形受其影響動態改變。

根據以上分析,實驗參考經典理論進行分析存在較大困難,因此,通過深入研究實驗臺電路結構,利用Matlab/Simulink搭建模型,仿真反映實驗的真實狀態,為教與學提供數據參考。

3 仿真電路設計與分析3.1 仿真電路設計

設計的三相橋式整流仿真電路見圖3,逆變電路見圖4。三相交流電源經變壓器T1降壓后供電給主電路,經變壓器T2供電給控制回路,通過T1、T2內部參數的控制,真實反映實驗過程中存在的異常情況。控制回路模塊利用6路脈沖觸發器模擬TCA785芯片性能,輸出6路脈沖作為晶閘管控制信號,能夠模擬單個晶閘管故障的特征[10]。仿真參數設置如下:交流電壓Va=Vb=Vc=220*sqrt(2)/sqrt(3)V，Va、Vb、Vc分別是ua、ub、uc的幅值),三相依次滯后120°,T1、T2變壓器均采用Yg接法,變壓器變比KT1=220∶110,KT2=380∶30,R=450 Ω,L=0.7 H；電源、變壓器、6脈沖觸發器頻率f=50 Hz,采用雙脈沖觸發方式,脈寬2°,仿真時間0.2 s。

3.2 仿真步驟與相關波形

(1) 按照實驗臺說明書推薦的參數設置三相電源內阻0 Ω,R=1 800 Ω,L分別設置為0.05、0.1、0.2、0.7 H時,整流、逆變電路輸出波形差異不大,因此,后面的仿真中,默認取值R=1 800 Ω、L=0.7 H。

(2) 在(1)的基礎上,設置三相電源內阻為指定值,重復以上步驟,當內阻大于0.028 8 Ω時,波形和輸出電壓均值u0測量值均出現較大變化,下降70%左右,如圖5(圖中u0為負載電壓)所示；三相電源內阻小于0.028 8 Ω時,波形差異不大,如圖5所示,僅u0測量值出現微小變化,內阻每增加10%輸出電壓均值下降10%。

(3) 假設同步電壓與脈沖校正準確,整流觸發角在0°、30°、60°、90°時,利用電路不接變壓器T2時仿真這一工況,得到的仿真波形與理論波形一致(圖略)。

(4) 能量返送回T1高壓側,逆變電路不接變壓器T2,等價于同步電壓與脈沖校正準確,在理想情況下,觸發角在90°、120°、150°時波形如圖6所示,三相橋式逆變電路輸出理論波形差異較大。

(5) 整流電路接變壓器T2,模擬同步電壓與脈沖校正有一定偏差[11],圖形與理論波形相比較相似,僅產生一定的畸變(圖略)。

(6) 能量返送回T1低壓側,逆變電路不接變壓器T2,等價于同步電壓與脈沖校正準確,在理想情況下,觸發角在90°、120°、150°時波形如圖7所示,三相橋式逆變電路輸出與理論波形差異較大。

(7) 能量返送回T1低壓側,逆變電路接變壓器T2,等價于同步電壓與脈沖校正存在一定偏差,觸發角在90°、120°、150°時三相橋式逆變電路輸出與理論波形差異較大,與圖7相比形狀變化不大,數據有小幅變化(圖略)。

4 仿真結果分析

(1) 輸出電壓對電源內阻的變化比較敏感,因此,環境溫度的變化和電源的老化程度都對輸出結果產生較大的影響[12]。

(2) 逆變能量返送回主電源高壓側時,輸出電壓波形與理想波形差異較大,晶閘管波形畸變較小；逆變

圖3 三相橋式整流電路仿真圖

圖4 三相橋式逆變電路仿真圖

圖5 內阻變化對輸出電壓波形影響

能量返送回主電源低壓側時,輸出電壓波形與理想波形差異較小,晶閘管波形畸變較大。

(3) 同步電壓與脈沖校正存在較小偏差的時候,輸出電壓小幅變化,但是晶閘管波形畸變較大；當偏差較大時,晶閘管電壓波形失去觀察意義。

(4) 利用式(1)、(2)計算電壓平均值偏差率在1%～30%；利用式(3)計算電壓平均值偏差率在30%以上。

(5) 該主控共用電源電路在進行波形觀察時效果較好,但是在進行定量分析時,應針對波形的情況設置采樣時間窗，并計算[13]輸出電壓值。采用電壓表或者萬用表等都將帶來較大的偏差。為了取得更好的實驗效果,在該回路中接入一直流電源，可使得逆變回路不將能源返送回交流電源側。

5 結語

本文針對浙江求是公司NMCL系列實驗臺,對三相整流逆變電路實驗教學中出現的輸出測量結果差異較大、逆變工作狀態的理想分析波形缺失、實驗故障診斷較困難等問題進行深入研究。參考實驗電路結構,搭建仿真模型,學生可以辨別實驗數據和波形與理論值的差距,并進行故障分析。該仿真給出了能量返送回供電方的三相橋式逆變電路的參考波形圖,并比較了能量返送回主電源高、低壓側時輸出電壓和晶閘管電壓的畸變情況。通過該模型,可引導學生研究主控共用電源電路中,電源內阻變化、觸發脈沖的校正對輸出結果的影響。

仿真結果表明,該實驗電路在進行波形觀察時效果較好,但是在進行定量分析時采用電壓表或者萬用表等都將帶來較大的偏差。如果需要對該電路進行更深入的量化研究,應設置合適的時間窗計算輸出電壓的大小。

References)

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[3] 謝水英,韓承江.基于仿真技術的電類專業基礎課教學改革研究與實踐[J].實驗技術與管理,2015,32(12):166-169.

[4] 牛天林,樊波,張強，等. Matlab/Simulink仿真在電力電子技術教學中應用[J].實驗室研究與探索,2013，32(2):84-87.

[5] 余有靈,徐志宇,胡明忠.基于Matlab/SimPowerSystems的電力電子研究型實驗[J].實驗技術與管理,2015,32(11):118-121.

[6] 王慧,王毅,付超.Matlab和LabVIEW在電力電子虛擬實驗中的應用[J].電氣電子教學學報,2014,36(2):112-114.

[7] 蒲永紅,張婷,趙春鋒，等.電工技術實驗中常見故障分析與探討[J].實驗室研究與探索,2015，34(9):269-272.

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[9] 宋鵬先,李耀華,王平，等.三相電力電子負載諧波分析與抑制[J].電工電能新術,2015,34(2):25-33.

[10] 王魯楊,王禾興,湯波，等.電力電子實驗裝置缺陷分析[J].上海電力學院學報,2010,26(4):319-321.

[11] 李浩光,張加勝.DKSZ-1型電力電子實驗裝置脈沖觸發電路研究[J].實驗科學與技術,2010,8(2):12-14.

[12] 李欣茂,黃家敏,姚敏.電力電子技術實驗裝置常見故障維修[J].實驗室科學,2012,15(3):178-180.

[13] GWInstek CO LTD.GDS-2000系列數字儲存示波器使用手冊[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

廣東教育教學成果獎(高等教育)培育項目；廣東省高等教育教學改革項目(GDJG20142042)；華南理工大學校級教改項目(Y1150900)、華南理工大學探索性實驗項目(Y1150240)

梁梅(1981—),女，廣西梧州，碩士，實驗師，從事電氣工程及其自動化的實驗教學與研究

E-mail:eplm@scut.edu.cn

王智東(1980—)，男，廣東海豐，博士，實驗師，從事智能電網的教學與研究.

E-mail:zdwang@scut.edu.cn

TM464;G642.423

A

1002-4956(2017)1-0048-05