不同负载工况下单相半波可控...的Simulink仿真分析_张厚升.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 41 卷 第 12 期Vol41 No122022 年 12 月Dec 2022DOI:10 19927/j cnki syyt 2022 12 021不同负载工况下单相半波可控整流器的Simulink 仿真分析张厚升，靳舵，赵艳雷，蒋俊杰，王傲(山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255049)摘要:结合单相半波可控整流器的常见案例，建立了系统仿真模型。基于仿真结果详细分析了纯电阻负载时的单相半波可控整流器的工作状况，研究了不同控制角对系统输出电压、电流的影响，并将仿真结果与理论计算值进行了比较。对纯电感负载单相半波可控整流器采用分段线性化方法进行了定量分析，求出不同区段整流器不同输出电压和电流的微分方程，并进行了不同控制角的实例分析，基于仿真结果分析了纯感负载单相半波可控整流器的工作原理，并将仿真结果与所提出的理论计算结果进行了比较。比较结果表明:在误差范围内，仿真结果与理论计算值完全一致。关键词:电阻负载;电感负载;单相半波可控整流器;虚拟仿真中图分类号:TM 461.5文献标志码:A文章编号:1006 7167(2022)12 0105 05Simulink Simulation Analysis of Single-phase Half WaveControlled ectifier under Different Load ConditionsZHANG Housheng，JIN Duo，ZHAO Yanlei，JIANG Junjie，WANG Ao(School of Electrical and Electronic Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255049，Shandong，China)Abstract:The common case of single-phase half wave controllable rectifier is given，and the system simulation model isestablished Based on the simulation results，the case of single-phase half-wave controllable rectifier with pure resistanceload is analyzed in detail The effects of different control angles on the output voltage and output current of the system arestudied And the simulation results are compared with the theoretical values The piecewise linearization analysis methodis used to quantitatively analyze single-phase half-wave controllable rectifier with pure inductance load The differentialequations of different output voltage and load current of different rectifier sections are obtained And the examples ofdifferent control angles are analyzed Based on the simulation results，the working principle of single-phase half-wavecontrollable rectifier with pure inductive load is analyzed The simulation results are compared with the theoreticalresults The comparison results show that the simulation results are completely consistent with the theoretical valueswithin the error rangeKey words:resistive load;inductive load;single phase half wave controlled rectifier;virtual simulation收稿日期:2022-04-19基金项目:山东省研究生教育质量提升计划项目(SDYAL19108、SDYKC21127)作者简介:张厚升(1976 )，男，山东临沂人，博士，教授，研究方向为电力电子与电力传动。Tel:15953353966;E-mail:zhseda163 com0引言整流电路是电力电子变换器中最早出现的一种变换器1-4，其基本作用是实现电能的交流-直流变换，供给直流设备用电。整流电路的实际应用极为广泛，如在同步发电机的励磁装置、直流电动机闭环调速系统、第 41 卷高频开关电源、通信电源和电解电源中都有应用5-8。典型的单相可控整流器通常包括单相半波可控整流器、单相全波可控整流器以及单相桥式半控整流器等。单相半波可控整流器是整流电路中结构最为简单的一种，虽然它的变压器存在直流磁化问题导致实际应用较少，但它是最基本的电路，而且对分析感性负载电路、电动机调速系统、续流回路等是非常关键的。目前的电力电子技术相关教材中基本上都介绍了带电感负载、阻感负载和带二极管续流回路的单相半波可控整流器的相关原理，但对纯电感负载基本上鲜有介绍。而且对于感性负载电路，学生普遍感到难于理解与分析，本文借助 Simulink 虚拟仿真软件8-12，主要剖析了单相半波可控整流器的纯电阻负载和纯电感负载工况，进行了理论分析与建模仿真，为电力电子技术和直流电动机调速系统注入探究性、创新性元素，有助于实现以学生为中心的自主学习。1单相半波可控整流器常见案例某同步发电机励磁装置采用晶闸管构成的单相半波整流电路，如图 1 所示。交流电源电压峰值为220 2 V，频率为 50 Hz，所带负载性质分为两种情况:纯电阻负载，=2;纯电感负载，L=10 mH。2纯电阻负载时单相半波可控整流器案例与仿真分析实际电力电子装置的负载中，属纯电阻性质的负(a)纯阻负载(b)纯感负载(c)带续流二极管的阻感负载图 1晶闸管构成的单相半波可控整流器载有很多，例如:电阻加热炉，电吹风，电解装置等13。所建立的纯电阻负载工况时，单相半波可控整流器的仿真模型如图 2 所示。仿真建模参数与案例所给参数相同，仿真模型中触发器采用同步 6 脉冲发生器14-16，将同步信号 AB 接至电源电压测量模块，其余端置零，控制角取 =30，采用 Demux 模块取 6 路驱动信号中的一路作为晶闸管的触发信号，其余信号悬空不用。脉冲触发信号的频率为 50 Hz，幅值为 1 V。负载模块采用 Series LC Branch 模块，由于是纯电阻负载，模块仅设 =2，仿真时间为 0 200 ms，采用ode45 仿真算法。图 2纯电阻负载时单相半波可控整流器的仿真模型仿真分析过程中，假定晶闸管 VT 为理想电子器件，即器件导通时晶闸管 VT 的管压降为 0，关断时晶闸管 VT 的漏电流为 0，器件的开通与关断瞬时完成状态的变换。601第 12 期张厚升，等:不同负载工况下单相半波可控整流器的 Simulink 仿真分析图 3 给出了单相半波可控整流器的输入电压 u2、脉冲驱动信号 ug、整流器输出电压 ud、电流 id、晶闸管两端电压 uVT的仿真波形，由图中可见，由于负载为纯阻性，电流的仿真波形 id和整流器输出电压 ud完全相同，而且二者成正比，这也正是电阻性负载的特点所在9。图 3单相半波可控整流器的仿真波形在电源 u2的正半周(60 70 ms)，触发器在 =30时发出脉冲信号使晶闸管 VT 导通，负载电压 ud=u2，电流 id=ud/=u2/，晶闸管两端承受的电压 uVT由导通前的 u2变为 0。在 70 ms 时，电源电压 u2=0，则电流 id=u2/=0，晶闸管 VT 由开通变为关断状态，晶闸管两端承受的电压 uVT由 0 再次变为 u2，此时晶闸管开始承受反向电压并处于关断状态，直至下一周期晶闸管的触发脉冲来临使其导通为止。对于晶闸管 VT 而言，当它处于导通状态时，其承受的电压为 0，当它处于关断状态时，其承受的电压为电源电压 u2，从其仿真波形上可以看出，晶闸管 VT 承受的最大反向电压等于输入电源 u2的峰值，即:uVTmax=220 2=311 V，由于晶闸管 VT 与负载属于串联连接，所以流过晶闸管 VT 的电流等于负载电流 id。图 4 分别给出了 =0、=90、=120时单相半波可控整流电路的工作情况，比较图中的电压波形可得:控制角 越大，单相半波整流器的输出电压越小，晶闸管单相半波整流器控制角的移相范围为(0 180)，整流器输出电压 ud的仿真值和计算值的比较见表 1，由表中可见，Simulink 仿真结果与实际计算结果在误差范围内是完全相符的，由此也说明，通过仿真分析电路的工作状态是完全可行的，而且仿真对于电路的设计与分析是十分有用的。3纯电感负载时单相半波可控整流器案例仿真与分析3.1分段定量分析若是阻感负载，当晶闸管 VT 导通时，整流器的输(a)=0(b)=90(c)=120图 4不同控制角 时单相半波可控整流器的电压电流波形表 1整流器的输出电压仿真值与理论计算值的比较控制角/()整流输出电压有效值/V理论计算有效值/V相对误差/%015498155560373015275153300366013901139530379010948110000471206850687804115026162642098出电压立即跟随电源输入电压，输入电压过零变为负值后，由于电感的储能作用，晶闸管不能立即关断，输出电压会继续跟随电源输入电压变为负值，直到电感电流下降至零时，晶闸管才会关断。对于整流器的电流来说，整体上是滞后于电压的。这仅仅是对带阻感负载工况的单相半波可控整流电路的定性理解，但对于纯电感负载来说，仅依据这些很难进行工作情况的判断，为此本文借助 Simulink 对其进行仿真。在此将晶闸管 VT 视为理想电力电子开关器件，忽略开通过程和关断过程，则晶闸管可以认为只工作于通态或者断态。那么单相半波可控整流器可以认为701第 41 卷是晶闸管控制的分段线性电路11，在每一种状态下满足不同的微分方程。假定晶闸管的控制角为，则导通角为，那么在一个开关周期(0，2内，整流器的输出电压满足:ud=Ldiddt=0，0 t 2U2sin t，t +0，+t 2(1)id=0，0 t 2U2L(cos cos t)，t +0，+t 2(2)因此有 cos =cos(+)，亦即控制角 与导通角 满足关系式+=2 (3)3.2实例分析(1)当 =0、=2 时，单相半波可控整流器输出电压ud=2U2sin t，0 t 2(4)输出电流id=2U2L(1 cos t)，0 t 2(5)输出电流的均值Id=1220iddt=12202U2L(1 cos t)dt=122U2L t sin t20=99.03 A(6)输出电流的有效值Irms=1220i2ddt=U22(L)220(1cos t)2dt=U22(L)2t2sin t+12t+14sin 2()t20=62Id=121.29 A(7)(2)当 =/3、=4/3 时，单相半波可控整流器的输出电压ud=Ldiddt=0，0 t /32U2sin t，/