解春維

摘要：依據(jù)晶閘管調(diào)壓電路原理與特點(diǎn)，使用SIMULINK軟件包構(gòu)建了晶閘管調(diào)壓電路模型，并分析了諧波消除回路的設(shè)計(jì)方法和作用。仿真結(jié)果不僅驗(yàn)證了晶閘管的調(diào)壓控制原理與方法，而且也證實(shí)了采用諧波消除回路之后，晶閘管調(diào)壓電路能夠滿足國(guó)標(biāo)對(duì)總諧波畸變率的要求。

關(guān)鍵詞：晶閘管；調(diào)壓電路；SIMULINK；諧波消除

中圖分類號(hào)：TM423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）07-0108-03

1 引言

晶閘管（thyristor），又稱為可控硅，它由P-N-P-N四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成陽(yáng)極、陰極和門極等三個(gè)極，具有硅整流器件的優(yōu)良特性[1-3]。能在高壓、大電流情況下工作，且其工作過程可以控制，因而被廣泛應(yīng)用于整流、調(diào)壓、電子開關(guān)、變頻等電路之中。它的基本工作原理為：當(dāng)晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓且門極也承受正向電壓時(shí)，晶閘管正向?qū)?，一旦?dǎo)通，不論門極電壓，只要有一定的正向陽(yáng)極電壓，晶閘管均處于導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)通之后，晶閘管的管壓將會(huì)很小。需要注意的是，門極所加正向觸發(fā)脈沖的脈寬，應(yīng)能使陽(yáng)極電流達(dá)到維持導(dǎo)通狀態(tài)所需要的最小陽(yáng)極電流。

采用晶閘管進(jìn)行調(diào)壓在照明設(shè)備的調(diào)光電路、工業(yè)加熱、感應(yīng)電機(jī)調(diào)速等中有著廣泛的應(yīng)用[1-6]。本文使用SIMULINK仿真軟件，構(gòu)造一個(gè)單相交流調(diào)壓電路模型（如圖1所示），通過仿真實(shí)驗(yàn)說(shuō)明晶閘管調(diào)壓電路的基本工作原理并研究諧波干擾消除的實(shí)現(xiàn)方法。仿真中使用觸發(fā)脈沖1和觸發(fā)脈沖2分別對(duì)晶閘管1和晶閘管2進(jìn)行延遲控制，使得在交流電源的正負(fù)半周期內(nèi)負(fù)載R0上的電壓波形為正弦電壓的一部分，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電壓輸出的目的。

2 晶閘管調(diào)壓電路的SIMULINK仿真實(shí)現(xiàn)

2.1 仿真建模

MATLAB軟件的SIMULINK仿真軟件包中自帶的Sim PowerSystems工具箱，可方便研究人員使用人性化的操作界面實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜電路系統(tǒng)的建模與仿真[4]。本文根據(jù)單相交流調(diào)壓電路（見圖1）的實(shí)現(xiàn)原理，采用SIMULINK軟件包將其建模如圖2所示。

仿真模型中選用晶閘管（Thyristor）模塊2個(gè)，交流電壓源（AC voltage source）模塊1個(gè)，串聯(lián)電阻、電容和電感分支（Series RLC branch，分別在選擇菜單中設(shè)置為為電阻、電容和電感）模塊4個(gè)，電壓測(cè)量（Voltage measurement）模塊3個(gè)，常數(shù)（constant）模塊2個(gè)，合成六脈沖產(chǎn)生器（Synchronized 6-pulse generater）模塊1個(gè)，示波器（Scope）模塊2個(gè)，增益（Gain）模塊1個(gè)，多路分接（Demux）模塊1個(gè)。

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

（1）求解參數(shù)：選擇ode23tb算法，仿真停止時(shí)間依需要而定，其他默認(rèn)。

（2）電壓源參數(shù)：峰值 220*sqrt（2），頻率50，采樣時(shí)間0，其他默認(rèn)。

（3）晶閘管參數(shù)：Snubber resistance為500e3， 其他均為默認(rèn)。Thyristor1門極與Demux的第6路輸出連接，Thyristor2門極與Demux的第3路輸出連接。

（4）串聯(lián)電阻、電容和電感分支參數(shù)：①電容參數(shù)：1.5e-7，②電感參數(shù)：4200e-3，③負(fù)載電阻R0參數(shù)：3.5e3，④電阻R參數(shù)：50e3。

（5）常數(shù)參數(shù)：Constant1 為0，Constant2根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。

（6）合成六脈沖發(fā)生器：頻率50，脈沖寬度100。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 調(diào)壓結(jié)果

通過調(diào)整常數(shù)模塊Constant2中控制角α的大小，可實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載R0兩端電壓波形的調(diào)整。圖3和圖4是控制角α為30°和60°時(shí)的各支路電壓，第1行為電源電壓，第2、3行分別為晶閘管模塊Thyristor1和Thyristor2的門極觸發(fā)脈沖波形，第4行為晶閘管支路兩端的電壓波形，第5行為負(fù)載R0的電壓波形。

根據(jù)圖3和圖4可知，當(dāng)電源電壓不為0且晶閘管門極觸發(fā)電壓大于門限電壓時(shí)，晶閘管導(dǎo)通，此時(shí)負(fù)載兩端有電流流過，晶閘管兩端的分壓為0；反之，當(dāng)電源電壓非常接近0和門極觸發(fā)電壓為0時(shí)，晶閘管處于斷開狀態(tài)其兩端的分壓非常大，因而導(dǎo)致負(fù)載兩端沒有電流流過。通過改變控制角α的大小可有效調(diào)整負(fù)載端的電壓波形，以燈光調(diào)節(jié)為例，隨著α的增加，負(fù)載端的電壓將隨之下降，燈的亮度也會(huì)隨之變暗，因而可通過控制α的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光強(qiáng)弱調(diào)節(jié)的目的。

3.2 諧波消除

對(duì)于調(diào)壓電路而言，當(dāng)α=0時(shí)，功率因數(shù)為1，隨著α的增大，輸入電流滯后于電壓且發(fā)生畸變，功率因數(shù)也逐漸降低，此時(shí)將會(huì)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的諧波影響，將會(huì)對(duì)電路造成諧波污染。特別地，電路中的高次諧波會(huì)導(dǎo)致電纜過熱、無(wú)功補(bǔ)償裝置損壞、電流過大、意外跳閘、額外能量損失等問題，極大地威脅電路裝備的運(yùn)行安全，因此在電路設(shè)計(jì)中必須考慮諧波的消除問題[5]。

下面分析由電感、電容和電阻組成的諧波消除回路在晶閘管調(diào)壓電路中的作用。為了使用更多的樣本精確地統(tǒng)計(jì)與分析電路中的諧波影響，圖5和圖6的仿真時(shí)間長(zhǎng)度加長(zhǎng)到2秒。根據(jù)國(guó)標(biāo)《GBT-17626.7-2008》，220V電路的THD應(yīng)該在5%之內(nèi)，通過對(duì)比圖5和圖6可知，未設(shè)計(jì)諧波消除回路時(shí)，電路根本無(wú)法滿足國(guó)標(biāo)要求，然而通過增加諧波消除回路，可有效降低總諧波畸變率（THD，total harmonic distortion），使得電路能夠滿足國(guó)標(biāo)的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

基于SIMULINK軟件包，本文對(duì)晶閘管調(diào)壓電路進(jìn)行了仿真建模，通過改變控制角α的大小，實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載端電壓波形的調(diào)節(jié)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了晶閘管電路的特點(diǎn)。根據(jù)諧波消除原理設(shè)計(jì)的諧波消除回路可有效降低調(diào)壓電路的總諧波畸變率，使得晶閘管調(diào)壓電路能夠滿足國(guó)標(biāo)的要求。

參考文獻(xiàn)

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