斬控式交流變換器的Simulink仿真實驗

馬駿杰, 孔維文, 郝慎才, 王欽鈺, 趙 巖

(哈爾濱理工大學 榮成學院, 山東 榮成 264300)

斬控式交流變換器的Simulink仿真實驗

馬駿杰, 孔維文, 郝慎才, 王欽鈺, 趙 巖

(哈爾濱理工大學 榮成學院, 山東 榮成 264300)

將Matlab/Simulink仿真軟件引入電力電子課程實驗教學環節,開發了斬控式交流變換器的Simulink仿真實驗。以Cuk型AC-AC變換器仿真實驗為例,使用Simulink搭建仿真電路模型,分析了占空比改變前后的AC-AC變換器輸入輸出電壓波形以及關鍵元件處于異常時的輸入輸出電壓仿真波形。實驗結果與理論分析一致,說明將Simulink仿真應用在實踐教學中可以準確、方便地獲取實驗結果。

電壓變換； AC-AC變換器； 仿真實驗教學

在各類電力電子開關變換器中,DC-DC(直流-直流)變換器的理論研究是最為成熟的,其應用遍及很多行業和領域[1-2]。為滿足電網中用電設備對不同電壓的需求,科研人員已經研制出了AC-DC變換器、DC-AC變換器和AC-AC變換器[3-4]。隨著生產和生活中對于交流電的電壓和頻率要求的細化,AC-AC變換技術的應用前景變得更為廣闊,對專業教學的要求也越來越高[5]。

筆者設計了一種Cuk型AC-AC變換器并對其進行仿真研究。分析了穩壓下的關鍵元件以及輸入輸出電壓波形,對Cuk型AC-AC變換器的工作原理進行了理論分析,并且對儲能元件發生故障時輸入輸出的電壓波形進行了分析。在實驗教學環節,由于學生缺乏對元器件的認識,直接對元器件操作危險性較高。因此,將仿真軟件引入實驗教學環節,便于學生的理論學習與實際操作的接軌[6-7]。

Matlab/Simulink仿真環境適用于動態系統的建模、仿真與分析,Simulink工具箱中所提供的專門用于電力系統分析的模塊中包括大量電力系統元器件模型[8-10]。在Simulink環境下直接調用元器件,并合理設置元器件參數,通過連線建立電路系統仿真模型,完成正弦穩態電路建模[11-12]。

1 單相Cuk型AC-AC 變換器工作原理

圖1為單相Cuk型AC-AC變換器主電路圖,功率開關管的連接采用雙管反串聯拓撲結構。在電源電壓正半周期,開關管S3、S4始終關斷,S1和S2實現互補導通；在電源電壓負半周期,S1和S2始終關斷；S3和S4實現互補導通。

圖1 單相Cuk型AC-AC變換器主電路圖

斬控式交流變換器中的開關頻率fs通常為幾kHz到幾十kHz,遠大于電源電壓基波頻率,所以在一個開關周期內,電路中各變量如Vi、Vo、iL1、iL2、VC1、VC2均可視為直流量。電源電壓正半周期變換器的兩種工作模態為:S1導通、S2關斷和S1關斷、S2導通。

S1導通、S2關斷如圖2所示,在此過程中電感L2上產生的電流增量為:

其中,Vi為變換器電路的輸入電壓,Vo為變換器電路的輸出電壓,iL1、iL2分別為電感L1和L2的電流,VC1、VC2分別為電容C1和C2的電壓,D為占空比,Ts為時間間隔。

圖2 S1導通、S2關斷結構圖

S1關斷、S2導通如圖3所示,在此過程中電感L2上產生的電流增量為:

圖3 S2導通、S1關斷結構圖

由于在一個開關周期內電感L1和電感L2上的電流代數和為0,則可得:

導出:

因此,當D<0.5時,變換器實現降壓功能；當D=0.5時,變換器實現穩壓功能；當D>0.5時,變換器實現升壓功能。故,通過調節功率開關的占空D,Cuk型AC-AC變換器可以得到理想的輸出電壓。

2 單相Cuk型AC-AC變換器仿真電路模型

基于RC換流方案的單相Cuk型AC-AC變換器仿真電路模型如圖4所示,仿真參數如表1所示[9-10]。Subsystem模塊用來控制4個功率開關管S1、S2、S3、S4的導通和關斷。功率元件選擇IGBT,采用雙管反串聯型連接[11]。

表1 仿真參數設置

其中：U為輸入電壓幅值,fi為輸入頻率,fo為輸出功率。

3 仿真結果及分析

穩壓狀態(占空比D=0.5)波形如圖5所示,輸出電壓Vo與輸入電壓Vi幅值相同,相位相反,并且不需要配置額外的濾波器便可得到優良的輸出電壓波形。

增大占空比D,進行仿真升壓控制,D=0.6時系統的輸入輸出波形如圖6所示；減小占空比D,進行仿真降壓控制,D=0.4時系統輸入輸出波形如圖7所示。

Cuk型AC-AC變換器在升/降壓變換時,輸出電壓波形未發生畸變,輸入輸出電壓方向相反,大小符合理論推導結果,波形的正弦度滿足要求。

4 故障仿真及分析

當元件異常或故障時,元件的參數值會過大或過小。以電感L2為例,對元件參數過大或過小,且穩壓時(占空比D=0.5)進行波形分析。

圖4 單相Cuk型AC-AC變換器仿真電路模型

圖5 D=0.5變換器輸入電壓Vi和輸出電壓Vo波形

圖6 D=0.6的輸入電壓Vi和輸出電壓Vo波形

圖7 D=0.4的輸入電壓Vi和輸出電壓Vo波形

電感L2過大時,輸入電壓Vi和輸出電壓Vo波形如圖8所示。其中Vo波形的正弦度發生改變,幅值大幅度降低,已無法完成穩壓目的,系統不能正常工作。

圖8 電感L2過大時輸入電壓Vi和輸出電壓Vo波形

電感L2過小時,輸入電壓Vi和輸出電壓Vo波形如圖9所示。

圖9 電感L2過小輸入電壓Vi和輸出電壓Vo波形

由圖9知,當電感L2過小時輸出電壓Vo波形已經完全失真。將Vo的波形局部放大后如圖10所示。

圖10 L2過小輸入電壓Vi和輸出電壓Vo放大波形

當L2過小時,輸出電壓Vo的波形不再連續,呈現周期性斷續。原因是當L2過小時,其儲存的能量過少,輸出波形無法連續,而開關頻率遠高于電源電壓頻率,導致斷續的周期遠小于電源周期。

此外,還可對L1、C1、C2儲能元件的異常情況進行仿真,從而驗證理論分析[12]。

5 結語

將Simulink仿真實驗引入實踐教學中,提高了教學質量,極大地方便了AC-AC變換器的學習和研究,也促進了學生對理論知識的理解,擴展了學生的發散性思維,能夠激發學生的學習興趣,為進一步學習電力電子開關變換器的理論奠定了堅實的基礎。

References)

[1] 張超華,湯雨,謝少軍.基于Buck-Boost的AC/AC變換器設計[J].電工技術學報,2007,22(8):52-56.

[2] 洪峰,孫剛,王慧貞,等.Buck型AC/AC直接變換器[J].電工技術學報,2007,22(8):73-76.

[3] 劉周成,洪峰.Boost型AC-AC直接變換器[J].電氣傳動,2008,38(5):28-30.

[4] 李文娟.Simplorer在電力電子電路仿真實驗中的應用[J].實驗技術與管理,2014,31(11):28-30.

[5] 李文娟.CDIO模式下電力電子實踐教學快速原型法研究[J].實驗技術與管理,2013,30(11):59-62.

[6] 毛洪生,毛行奎,裴昌盛.基于Simulink的單相光伏并網逆變器仿真研究[J].低壓電器,2011(6):28-33.

[7] 姚李孝,姚金雄,安源.基于Matlab/Simulink的高壓輸電線路故障定位的仿真研究[J].電網技術,2005,29(10):53-56.

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[10] 胡經緯,王久和,唐騏.基于EL模型的Cuk變換器無源控制器[J].北京信息科技大學學報(自然科學版),2013,28(5):67-71.

[11] 陳溪,劉韜,譚光慧,等.一種簡單新型拓撲CukAC/AC變換器及其仿真研究[J].電氣應用,2006,25(9):111-114,142.

[12] 李磊,陳道煉.兩種高頻交流環節AC/AC變換器比較研究[J].中國電機工程學報,2006,26(20):74-78.

Simulink simulation experiment of chopping control AC converter

Ma Junjie, Kong Weiwen, Hao Shencai, Wang Qinyu, Zhao Yan

(Harbin University of Science and Technology (Rongcheng Campus), Rongcheng 264300, China)

The Matlab/Simulink simulation software is introduced into teaching and experiment of Power Electronics course, and a Simulink simulation experiment of the chopping control AC converter is developed. By taking the simulation experiment of Cuk type of the AC-AC converter as an example, the simulation circuit model is built by using the simulation software Simulink. The input and output voltage waveforms of the AC-AC converter before and after the duty cycle change and the simulation waveforms of the key components in abnormal condition are analyzed. The experimental results are in good agreement with the theoretical analysis, which shows that the Simulink simulation can be used for the practical teaching to obtain the experimental results accurately and conveniently.

voltage conversion; AC-AC converter; simulation experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.08.031

2017-02-04

國家自然科學基金項目(51177031)；全軍軍事類研究生資助課題(2015JY030)；哈爾濱理工大學教育教學研究項目(220160012)；山東省高等學校科技計劃項目(J17KB136)；廣東省重大科技專項項目(2015B010118003)

馬駿杰(1982—),男,山東煙臺,碩士,講師,主要研究方向為電力電子數字化控制.E-mail：m92275@126.com

TM46；TP391.9

A

1002-4956(2017)08-0125-04