三相三重斬波電路的建模和仿真研究

譚倩倩，賀志兵，文 豪，王 帆，榮 軍,2

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三相三重斬波電路的建模和仿真研究

譚倩倩1，賀志兵1，文 豪1，王 帆1，榮 軍1,2

（1. 湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，湖南岳陽414006；2.復(fù)雜工業(yè)物流系統(tǒng)智能控制與優(yōu)化湖南省重點實驗室，湖南岳陽414006）

闡述了三相三重斬波電路的工作原理，并且給出其在MATLAB/Simulink中的仿真模型和仿真結(jié)果，仿真結(jié)果表明其輸出電流為單個斬波電路平均電流的三倍，而且其電流脈動頻率為單個斬波電路的三倍。

多相多重 斬波電路 電流脈動 建模與仿真

0 引言

目前，斬波電路不僅應(yīng)用于直流傳動等傳統(tǒng)領(lǐng)域，也應(yīng)用于開關(guān)電源等新領(lǐng)域，是電力電子領(lǐng)域的一大熱點。而多相多重斬波電路是另外一種復(fù)合概念的斬波器，它是在電源和負(fù)載之間接入多個結(jié)構(gòu)相同的基本斬波電路構(gòu)成，而在一個控制周期中電源側(cè)的電流脈波數(shù)成為斬波電路的相數(shù)，負(fù)載電流脈波數(shù)稱為斬波電路的重數(shù)。在多相多重斬波電路中最簡單當(dāng)屬三相三重斬波電路它是在一個電源和一個負(fù)載之間接入三個結(jié)構(gòu)相同的基本斬波電路。三相指在一個控制周期內(nèi)從電源側(cè)看脈動三次，三重指從負(fù)載看有三次電流脈波[1]。本文對三相三重斬波電路的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并在MATLAB/Simulink中對其進(jìn)行了建模和仿真，最后通過仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

1 三相三重斬波電路的工作原理介紹

圖1為三相三重斬波電路及其工作波形如圖1所示[2]，在分析研究電路時，可將該電路看成由三個降壓斬波電路并聯(lián)后再和一個負(fù)載串聯(lián)而成的電路，V1、V2、V3依次導(dǎo)通，相位相差三分之一周期，波形相同，總輸出電流為三個斬波電路單元輸出電流之和，其平均值為單位輸出電流平均值的三倍，脈動頻率也為三倍。而由三個單元電流的脈動幅值相互抵消，使總的輸出電流脈動幅值變得很小。此時電源電流為各可控開關(guān)的電流之和，其脈動頻率為單個斬波電路時的三倍，諧波分量比單個脈動率與單個斬波器時顯著減小，并且電源電流的最大脈動率與單個斬波器時相比，也是與相數(shù)的二次方成反比地減少。這使得由電源電流引起的干擾大大減小，若需要濾波，只需要接上簡單的LC濾波器就可以起到良好的濾波效果。

(a) 工作電路圖

(b) 工作波形圖

圖1 三相三重斬波電路電路圖及工作波形圖

三相三重斬波電路的工作過程如下：三極管V1的控制脈沖U1為高電平時，V1導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，并向電感L1儲能，電流i呈指數(shù)曲線上升，如圖1（b）所示，當(dāng)U1為低電平時，V1關(guān)斷，使得L1產(chǎn)生左負(fù)右正的電動勢經(jīng)二極管VD1續(xù)流，i呈指數(shù)曲線下降，由圖可見i脈動幅度大，不平緩。同樣地，當(dāng)三極管VT2加有控制脈沖U2時，流經(jīng)L2的電流i如圖1（b）所示；當(dāng)三極管VT3加有控制脈沖U3時，流經(jīng)L3的電流i如圖1（b）所示。當(dāng)整個電路工作時，輸出電流i為各相電流i，i和i之和，其平均值為單元相的三倍，脈動頻率也為三倍，由于三相的脈動幅度互相抵消，使得輸出脈沖幅度變小。因此三相三重斬波電路電流波動小，感應(yīng)干擾小，有利于發(fā)動機穩(wěn)定工作；降低了輸出側(cè)平波電抗器要求，減小了裝置的體積和重量。此電路由三個斬波電路并聯(lián)而成，工作中若有任一相斬波發(fā)生故障仍可繼續(xù)工作，可靠性高。

2 三相三重斬波電路的MATLAB建模與仿真

2.1三相三重斬波電路的仿真模型

三相三重斬波電路在MATLAB/Simulink中的仿真模型圖分別如圖2所示[3,5]，圖2中的模型主要由直流電源E、全控器件IGBT、二極管VD、濾波電感L、信號發(fā)生器、負(fù)載以及測量模塊等構(gòu)成。

圖2 三相三重斬波電路的仿真模型

2.2仿真結(jié)果及其分析

三相三重斬波電路的仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 三相三重斬波電路的仿真波形圖

圖3中的仿真波形從上而下依次為功率開關(guān)管IGBT的驅(qū)動脈沖、濾波電感L的電流、負(fù)載輸出電壓以及輸出電流。從圖3仿真波形可以清晰地看出開關(guān)管V1、V2和V3驅(qū)動電平相位相差120°，三個開關(guān)管V1、V2和V3依次導(dǎo)通。從輸出負(fù)載上的電流值可以看出輸出電流平均值為單個斬波電路單元輸出電流平均值的三倍，而且輸出負(fù)載電流脈動頻率也為單個斬波電路脈動頻率的三倍。在MATLAB/Simulink中通過建立仿真模型以及對仿真結(jié)果的詳細(xì)分析，說明三相三重斬波電路的理論分析完全正確。

3 結(jié)束語

本文利用MATLAB/Simulink仿真軟件對三相三重斬波電路的工作原理進(jìn)行了理論驗證，通過對仿真結(jié)果的分析，三相三重斬波電路的輸出電流為單個斬波電路平均輸出電路的三倍，而且其電流脈動只有單個斬波電流的三分之一，因此其適合應(yīng)用于對功率要求比較大，而且對電流脈動要求比較高的電力拖動場合。

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Modeling and Simulation of Three-phase and Three-triple Chopping Circuit

Tan Qianqian1, He Zhibing1, Wen Hao1, Wan Fan1, Rong Jun1,2

（1.Department of Information and Communication Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, Hunan, China；2. Key Laboratory of Hunan Province on Intelligent Control and Optimization of Complex Industrial Logistics System, Yueyang 414006, Hunan, China)

TM46

A

1003-4862（2017）08-0015-02

2017-03-15

湖南省科技計劃項目經(jīng)費資助（2016TP1021）和2016年岳陽市科技計劃項目

譚倩倩（1996-），女，本科。研究方向：電子技術(shù)。

榮軍（1978-），男，碩士，講師。研究方向：開關(guān)電源及電機控制技術(shù)。