云中華，　李勇峰

(西藏大學(xué) 工學(xué)院， 拉薩 850012)

0　引　言

“電力電子變流技術(shù)”在當(dāng)代應(yīng)用非常廣泛，主要涉及到整流、逆變、斬波、交流變流、交流調(diào)壓/調(diào)頻及其他相關(guān)技術(shù)，是電子學(xué)、電力學(xué)和控制理論的交叉學(xué)科，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和應(yīng)用性，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、電器、光伏發(fā)電能源及航天軍工等場(chǎng)合[1-6]。而電力電子變流技術(shù)的傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法是在理論學(xué)習(xí)后通過實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行接線實(shí)驗(yàn)并觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果等，這種實(shí)驗(yàn)方法很好的把理論應(yīng)用到了實(shí)際現(xiàn)象中，但是也顯露出了諸如過程不清晰、器件選擇不豐富、波形觀察不透徹、結(jié)果分析不全面等諸多缺點(diǎn)。令實(shí)驗(yàn)人員無法深入理解電力電子變流技術(shù)的內(nèi)涵。

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了諸多仿真系統(tǒng)，如PSIM、PSpice、saber、PLECS等，而Matlab/Simulink中的SimPowerSystems是一款非常優(yōu)秀的電力電子建模工具，其建模資源豐富，輸出形式多元化，顯示非常直觀，基于Simulink的變流技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)，可以理論結(jié)合實(shí)際，使電力電子變流技術(shù)實(shí)驗(yàn)更加容易理解。

本文選擇電力電子變流技術(shù)中的幾類經(jīng)典電路如單相全橋整流、三電平SPWM逆變電路、斬控式交流調(diào)壓、直流升降壓斬波以及ZVS-PWM變換器進(jìn)行了仿真模型的Simulink建模以及波形分析，針對(duì)以往實(shí)驗(yàn)過程中較少涉及到的FFT分析，本文針對(duì)上述電路中的三電平SPWM逆變電路和斬控式交流調(diào)壓進(jìn)行了FFT分析，使參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生更加深刻地理解電力電子變流技術(shù)知識(shí)，使學(xué)生從參與教學(xué)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)型到自主研究型實(shí)驗(yàn)。

1　Simulink電路仿真建模

Simulink建模環(huán)境擁有強(qiáng)大的Simpower systems模型庫，它內(nèi)部包含了多種電力電子變流電路元件，如電源、元器件、連接部件、測(cè)量?jī)x表及計(jì)算模塊等，參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生可利用這些元件進(jìn)行電力電子變流電路的模型搭建、參數(shù)設(shè)置、仿真運(yùn)行及結(jié)果分析等全過程主動(dòng)性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可在實(shí)驗(yàn)過程中去理解電路原理，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果利用Simulink提供的各種工具進(jìn)行分析與研究思考[7-9]。

在Simulink中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)首先需要進(jìn)行電路模型的搭建，學(xué)生們可在Simpower systems庫中根據(jù)電路原理圖進(jìn)行模塊選擇并連接電路。在連接好電路模型后，學(xué)生可以根據(jù)自己的需求設(shè)置所需參數(shù)，如電路器件參數(shù)及仿真軟件參數(shù)等。在設(shè)置參數(shù)的時(shí)候，實(shí)驗(yàn)人員能夠?qū)ψ兞麟娐返纳顚哟螁栴}和原理有更好的認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)與思考，并結(jié)合自己的需求與實(shí)際輸出情況進(jìn)行參數(shù)修正，以達(dá)到最優(yōu)結(jié)果。在完成上兩步后，就可以運(yùn)行仿真，并觀察輸出結(jié)果[10-12]。

2　變流技術(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

鑒于傳統(tǒng)電力電子變流技術(shù)實(shí)驗(yàn)的眾多缺點(diǎn)，根據(jù)課程實(shí)驗(yàn)大綱需要，本文利用Simulink仿真工具選擇了基礎(chǔ)性的單相橋式整流電路、直流升降壓斬波電路、斬控式單相交流調(diào)壓電路以及提高性實(shí)驗(yàn)的三電平SPWM逆變電路ZVS-PWM電路進(jìn)行仿真，并對(duì)上述中的部分電路進(jìn)行了FFT分析，這在以往的實(shí)驗(yàn)過程中較少涉及到，通過此步驟，實(shí)驗(yàn)人員可更深層次的理解變流技術(shù)[13-15]。

2.1　單相橋式整流電路建模仿真與分析

單相橋式整流電路是最基本的電力電子電路，其Simulink模型搭建如圖1所示，選擇電動(dòng)勢(shì)負(fù)載情況進(jìn)行仿真建模，具體參數(shù)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)人員需求設(shè)置，此處設(shè)置交流電壓100 V、負(fù)載反電動(dòng)勢(shì)50 V、負(fù)載電阻10 Ω，圖2所示為觸發(fā)角45°時(shí)的運(yùn)行仿真波形[1-4]。

圖1單相橋式整流電路Simulink仿真模型

圖2　單相橋式整流電路輸出波形

實(shí)驗(yàn)分析：從圖中可知，當(dāng)負(fù)載為蓄電池等反向電動(dòng)勢(shì)時(shí)，只有電源電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值大于反向負(fù)載的時(shí)候，才有晶閘管導(dǎo)通的可能性，而隨著觸發(fā)角的不同，其波形也會(huì)隨之有變化，然而為了使晶閘管能夠可靠導(dǎo)通，對(duì)觸發(fā)脈沖也有一定的要求，也就引入了觸發(fā)延遲的概念。

2.2　直流升降壓斬波電路

直流升降壓斬波電路是經(jīng)典DC-DC的一種，其Simulink仿真模型如圖3所示，選擇脈沖占空比a為60%，經(jīng)過理論計(jì)算其輸出電壓Uo=a/[(1-a)E]=75 V，由于晶閘管關(guān)斷后電感L存儲(chǔ)的能量向負(fù)載釋放的理論原理，故輸出為反向，其輸出仿真波形如圖4所示[1-3]。

實(shí)驗(yàn)分析：從輸出波形中可觀察觸發(fā)脈沖占空比、負(fù)載電流和負(fù)載電壓波形，且清楚地看出輸出電壓反向，且輸出平均電壓為75 V左右，另外實(shí)驗(yàn)人員還可在晶閘管側(cè)兩端和二極管側(cè)兩端連接示波器來觀測(cè)其電壓電流波形，由此可以深入了解升降壓斬波電路的能量傳輸過程，提升認(rèn)識(shí)。

圖3直流升降壓斬波電路仿真模型

圖4　直流升降壓斬波電路輸出波形

2.3　斬控式交流調(diào)壓電路

斬控式交流調(diào)壓電路仿真模型如圖5所示，電路常采用GTO、IGBT等全控器件構(gòu)成，本電路模型選擇IGBT來組成。從理論中可知斬波調(diào)壓電路中電源電流的基波分量相位和電源電壓相位基本一致，功率因數(shù)很高[6]。在模型中設(shè)置脈沖寬度后，進(jìn)行仿真運(yùn)行，并將輸出電壓uo輸入scope示波器，將輸出數(shù)據(jù)格式設(shè)置為structure with time，即可在powergui中進(jìn)行FFT分析，觀察電路輸出電壓的諧波。仿真輸出如圖6所示，輸出電壓FFT分析如圖7所示。

圖5斬控調(diào)壓仿真模型

實(shí)驗(yàn)分析：從輸出波形可以看到斬波調(diào)壓的輸出 效果達(dá)到了預(yù)期目的，另外從FFT analysis Tool可看出，輸出諧波頻率分別為50、450、550、950 Hz等，不包含直流分量，且諧波次數(shù)增大的同時(shí)輸出幅值隨之下降，另外，設(shè)置不同的脈沖寬度進(jìn)行多次仿真實(shí)驗(yàn)，其基波分量和諧波分量也將發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。

圖6　斬控調(diào)壓電路輸出波形

2.4　三電平Spwm逆變電路

此處三電平SPWM逆變電路采用三角載波層疊發(fā)輸出PWM信號(hào)來控制[6]。限于篇幅，此處只給出其輸出線電壓uAC的仿真波形，未給出負(fù)載輸出電壓波形。在FFT analysis Tool中將輸出線電壓波形和諧波分析即可同時(shí)顯示出來。仿真模型如圖8所示，輸出波形和FFT分析圖如圖9所示。

圖8三電平SPWN逆變電路

實(shí)驗(yàn)分析:本模型中將輸出基頻頻率設(shè)置為50 Hz，0初相，載波頻率為2 kHz，圖9中上部為選擇的輸出線電壓波形，下部為諧波分析圖，從圖中可以看出輸出諧波分量主要分布在2 kHz附近，如果增加電平數(shù)量，線電壓和負(fù)載輸出電壓則更加和正弦波接近。

圖9　三電平SPWM逆變電路輸出仿真分析圖

2.5　ZVS-PWM變換器

零電壓開關(guān)PWM變換器(Zero-Vlotage-Switching PWM Converter)或稱軟開關(guān)，相比準(zhǔn)諧振電路，其電壓接近于方波，其波形邊沿較為平緩，故開關(guān)承受電壓就可大幅降低。由于開關(guān)動(dòng)作的時(shí)候開關(guān)的電壓為零，故其損耗大幅降低，穩(wěn)定性即可提高[2]。ZVS-PWM變換器的電路模型仿真如圖10所示，其輸出電壓和電流波形如圖11所示。圖中Scope輸出負(fù)載電流和電壓，Scope1輸出了開關(guān)Switch兩端電容吸收的電壓波形，為了實(shí)驗(yàn)觀察效果明顯，本模型中吸收電容值設(shè)置較小。

圖10ZVS-PWM變換器仿真模型圖

實(shí)驗(yàn)分析：從圖中可以看出，ZVS電路的基本特性，如果增大吸收電容值，就可以使得吸收電容波動(dòng)程度降低。根據(jù)仿真過程和結(jié)果，學(xué)生可以更為深刻的理解ZVS開關(guān)過程中諧振問題以及開關(guān)前后電壓電流變化率降低的方法和消除開關(guān)損耗的方法，另外學(xué)生可以自主不斷調(diào)整電路參數(shù)，使得軟開關(guān)效果更好。

3　結(jié)　語

鑒于傳統(tǒng)電力電子變流技術(shù)實(shí)驗(yàn)的諸多缺點(diǎn)，本文選擇了電力電子變流技術(shù)的幾個(gè)難度遞增的電路為例，將Simulink仿真引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究中，對(duì)重要的整流、逆變、斬波、調(diào)壓和軟開關(guān)電路進(jìn)行了電路的建模及仿真，并對(duì)三電平SPWM逆變電路和ZVS-PWM電路利用FFT Analysis Tool進(jìn)行了傅里葉分析。通過這幾個(gè)典型的、難度不同的實(shí)驗(yàn)過程，不僅能使學(xué)生在視覺上直觀地看到電路輸出結(jié)果和需要觀測(cè)的元件部分工作狀況，還能讓學(xué)生從電路原理分析理解，到電路搭建、參數(shù)設(shè)定、輸出結(jié)果觀察分析進(jìn)行全方位深層次理解與研究，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的只能觀測(cè)固定參量的缺點(diǎn)。另外學(xué)生可將電路傅里葉展開求解后的結(jié)果對(duì)照Simulink的FFT分析工具進(jìn)行研究分析，極大改進(jìn)了傳統(tǒng)電力電子變流電路實(shí)驗(yàn)的效果。

利用Simulink工具結(jié)合理論課程，學(xué)生們通過進(jìn)行電力電子變流電路自主設(shè)性計(jì)，能極大地促進(jìn)從傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)到設(shè)計(jì)性、研究性、綜合性實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)變，有利于主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)，深度學(xué)習(xí)電力電子變流技術(shù)。經(jīng)過幾年來我校信息技術(shù)國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生們的學(xué)習(xí)效果有了明顯的改善與提高。

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