三相三重斬波電路仿真與分析

樊戰(zhàn)亭FAN Zhan-ting；杜阿美DU A-mei

（咸陽師范學院，咸陽 712000）

0 引言

斬波電路是把直流電變換為另一固定電壓或者可調電壓的直流電[1]，斬波電路廣泛應用在開關電源、直流電動機控制等領域中[2]。與變阻器分壓電路相比，直流斬波器能夠節(jié)約20%～30%的電能[3]。斬波電路的性能直接影響相關設備的質量，是電力電子技術研究重要研究方向之一。多相多重斬波電路是在電源和負載之間接入多個結構相同的基本斬波電路而構成的，一個控制周期中電源側的電流脈波數(shù)稱為斬波電路的相數(shù)，負載電流脈波數(shù)稱為斬波電路的重數(shù)[4]。三相三重斬波電路是較為簡單的多相多重斬波電路，本文主要討論三相三重斬波電路工作原理，在Simulink軟件中進行建模、仿真，主要分析基本斬波電路和三相三重斬波電路在不同占空比下輸出電壓、諧波大小等情況，期望能夠為斬波電路在實踐中應用提供一些參考依據(jù)，提高相關設備的應用效益。

1 三相三重斬波電路的工作原理

圖1為三相三重斬波電路電路圖，由IGBT管V1、電感L1、二極管VD1構成第一個基本降壓斬波電路、IGBT管V2主要構成第二個和IGBT管V3主要構成的第三個降壓斬波電路并聯(lián)后組成的復合斬波電路。控制三相三重斬波電路運行通過控制V1、V2和V3等三個IGBT管柵極G的控制電壓的周期T、導通時間ton來實現(xiàn)，三相三重斬波電路運行時首先控制V1管先導通ton，T/3時間后V2導通ton，2T/3時間后V3導通ton，就完成了一個周期T控制，不斷重復上述過程就能夠完成對三相三重斬波電路的控制。三相三重斬波電路總的輸出電流i0是三個基本降壓斬波電路輸出電流i1、i2和i3之和，脈動頻率為基本電路的三倍。如果每個IGBT管導通時間ton小于等于T/3，輸出電流是三個基本電路輸出電流依次簡單疊加；當ton大于T/3小于T時，輸出電流就存在兩個或三個基本斬波電路同時的疊加，從理論上更難分析與計算，采用Simulink軟件對三相三重斬波電路進行建模，還利用Simulink軟件中的諧波分析工具實現(xiàn)對三相三重斬波電路輸出電壓更加細致的分析，為在實踐中更好地應用多相多重斬波電路提供一些理論參考依據(jù)。

圖1 三相三重斬波電路圖

2 三相三重斬波電路仿真研究步驟

三相三重斬波電路是三個基本降壓斬波電路的復合體，為了更細致分析三相三重斬波電路的輸出特性，應該與基本降壓斬波電路建模、仿真后的輸出進行比較、分析，最后得出結論。

主要研究步驟：

①建立三相三重斬波電路模型，控制輸出分別基本降壓斬波電路、三相三重斬波電路。

②設定占空比從10%-90%以間隔10%依次增加，利用Simulink軟件中諧波分析工具，分別求出基本降壓斬波電路、三相三重斬波電路輸出電流（電壓）的平均值、諧波量，并匯總列表。

③依據(jù)列表數(shù)據(jù)對兩種斬波電路輸出進行比較分析，得出結論。

3 三相三重斬波電路仿真與分析

3.1 三相三重斬波電路的模型

三相三重斬波電路在Simulink軟件中的仿真模型圖分別如圖2所示，圖2中的模型主要由直流電源E（100V）、三個全控器件IGBT、二極管VD、濾波電感L（0.005H）、脈沖發(fā)生器、負載R（2Ω）以及測量模塊等構成。三相三重斬波電路中三個脈沖發(fā)生器（Pulse Generator）的周期均設為0.001秒、幅值設為1、開始時間分別設為0秒、0.00033秒、0.00066秒，占空比根據(jù)要求均設定區(qū)間為10%-90%。如果進行基本降壓斬波電路仿真時，只要把Pulse Generator2和Pulse Generator3幅值設定為0，就可以封鎖IGBT2、IGBT3兩個并聯(lián)支路的輸出，整個電路只有IGBT1控制的單個基本降壓斬波電路輸出。

圖2 三相三重斬波電路模型

3.2 斬波電路輸出結果及分析

圖3是占空比為20%三相三重斬波電路在Simulink軟件中輸出結果，最上面一組是三個脈沖發(fā)生器輸出，脈沖發(fā)生器的周期T設為0.001秒，0.01秒時脈沖發(fā)生器1輸出為1持續(xù)到0.0102秒；T/3秒后，在0.01033秒脈沖發(fā)生器2輸出為1持續(xù)到0.01053秒；再T/3秒后，在0.01066秒脈沖發(fā)生器3輸出為1持續(xù)到0.01086秒，1個周期T結束，從0.011秒又開始新的一個周期。中間三條曲線是三個IGBT輸出電流，在0.01秒IGBT1支路電流從最小值一直上升到0.0102秒，其上升時間與脈沖發(fā)生器1導通時間一致，同時IGBT2、IGBT3兩個通道電流下降；在0.0102秒到脈沖發(fā)生器2開始導通前，三個通路的電流均下降，直到脈沖發(fā)生器2導通后IGBT2通路電流開始上升。三個IGBT并聯(lián)支路輸出電流疊加就形成電阻R上電流，乘以電阻值2Ω就是電阻R上的電壓值，就是仿真輸出結果最下端的輸出圖形。

圖3 占空比為20%三相三重斬波電路輸出結果

為了能夠細致分析輸出電壓、諧波的大小，要對輸出電壓進行相應的諧波分析。應用Simulink軟件中Powergui中的FFT Analysis Tool對輸出電壓進行分析，如圖4所示。可以從圖4中看出穩(wěn)態(tài)輸出電壓的平均值（DC component）為19.84V，諧波（THD）百分比為6.53%。

圖4 占空比為20%三相三重斬波電路輸出諧波分析

根據(jù)上述步驟設定3個脈沖發(fā)生器脈沖觸發(fā)占空比分別為10%-90%，間隔為10%，可以得出三相三重斬波電路不同占空比時的輸出平均電壓、諧波分量的百分比。如果只設定一個脈沖發(fā)生器的輸出幅值為1，其余兩個脈沖觸發(fā)去的輸出幅值為0，就可以方便得出基本降壓斬波電路的輸出平均電壓及相應的諧波分量的百分比。把上述結果進行列表，可以得出表1基本降壓和三相三重斬波電路輸出平均電壓及諧波分量百分比。

從表1數(shù)據(jù)可以分析：

表1 基本降壓和三相三重斬波電路平均電壓及諧波分量百分比

①基本降壓斬波電路、三相三重斬波電路在相同占空比時兩者的輸出電壓基本相同，三相三重斬波電路的輸出電壓更大，都略小于電源E乘以占空比，占空比越小兩者差異越小；占空比越大，兩者之間的差異稍微變大。

②占空比為10%、20%時，基本降壓斬波電路諧波分量與三相三重斬波電路的諧波分量之比小于2；在占空比為30%-60%區(qū)間時，兩者之比基本都大于4；占空比80%、90%時，兩者都較小，同時比值小于2倍。

③占空比大于70%以上，特別是高于80%，基本降壓斬波電路諧波分量百分比會明顯下降，應用三相三重斬波電路相比于基本斬波電路降低諧波分量輸出效果不明顯，三相三重斬波電路更多表現(xiàn)為備份電路的形式。

4 結論

基本降壓斬波電路、三相三重斬波電路在相同占空比控制情況下兩者的輸出電壓基本相同，都接近于電源電影乘以IGBT的控制端的占空比，三相三重斬波電路的作用主要是降低輸出電壓的諧波分量。在占空比為30%-70%區(qū)間三相三重斬波電路諧波分量為基本斬波電路的20%左右，部分占空比情況下輸出電壓諧波分量甚至更小。在占空比大于70%后，三相三重斬波電路的諧波分量相比于基本斬波電路在數(shù)值上相差較小，更多起一種備份電路的作用。在實踐應用中，在應用斬波電路時，可以根據(jù)輸出電壓要求及諧波分量參照上述數(shù)據(jù)進行設計和選用，以提高相應設備的應用效益和價值。