Ｓｉｍｕｌｉｎｋ在电力交流调压电路中的应用与研究
摘要：文章在Simulink基础下，运用电力系统工具箱中的各种元件建立三相交流调压电路模型，并在不同控制角的触发下，对电路中电压的变化进行研究。同时提出了同步六脉冲发生器在触发三相交流调压电路时的弊端，并给出了解决方案。
关键词：Simulink；三相交流调压；建模；晶闸管
中图分类号：TN344文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)34-1800-03
Application and Research of Power AC/AC Voltage Adjustment Circuit Based on Simulink
HANG A-fang1, WANG Xiu-mei2
(1.Jinling Institute of Technology, Nanjing 210001, China; 2.Nanjing College for Population Programme Management, Nanjing 210042, China)
Abstract: Based on the Simulink,Three-Phase AC/AC voltage adjustment circuit model used by lots of components in Power system toolbox, and this model research of voltage"s change by difference control angle"s trigger. Meanwhile, the drawback of synchronized 6-pulse generator is prodused,and resolvent is given.
Key words: simulink; three-phase AC/AC voltage adjustment; modeling; SCR
1 前言
Math-works开发研制出的Simulink是动态系统仿真领域中应用相当广泛的仿真工具之一，数学、电力系统、通信、信号处理、自动控制、机械控制、金融、生物等领域的建模仿真都可以用到Simulink。它用模块组合的方法来使用户快速、准确的建立线性、非线性、连续、离散动态系统模型，并通过强大的图形显示和处理功能，将用户需观察的仿真结果准确的显示出来。本文的电力交流调压电路的建模仿真，主要用到的是Simulink里的电力系统（Powersys）工具箱，它专用于RLC电路、电力电子电路、电机传动控制系统和电路系统的仿真。
电力交流调压电路广泛应用于调压、调功、调温、调光和电动机的软起动、调速中，这些调压电路体积小、重量轻、成本低、电路简单、易于制造、可靠性高。一般采用三相交流调压电路。
本文在Simulink基础下，运用电力系统（Powersys）工具箱中的各种元件建立三相交流调压电路模型，该模型采用相位控制方式，它在不同控制角的触发下，进行电路中电压的变化研究，同时提出了同步六脉冲发生器在触发三相交流调压电路时的弊端，并给出了解决方案。
2 基于Simulink的电力系统工具箱
基于Simulink的电力系统工具箱中包含了各种交直流电源、大量的电气元器件和电工测量仪表等模型。利用这些模型可以模拟含电阻、电感、电容组成的电路，最重要的是它还可以模拟电力电子器件的开关、整流和逆变、变频等装置，以及电力系统运行和故障的各种状态。在电力电子电路和电力拖动控制系统的仿真中主要使用该工具箱的模型。在使用电力系统工具箱的模型时，模型必须连接在回路中，这就像搭建一个电路一样，在回路中流动的是电流，并且电流通过每个电气元器件时均相应的产生电压降。由电力系统工具箱中的模型构成的电路和系统可以和Simulink其他工具箱中的控制单元连接、组合成控制系统，研究和观察在不同控制方案下系统的各种响应问题。[1]
电力系统工具箱主要含有7个子模型库：电源（Electrical Sources）模型库，它包含本文所需的交流电源；电器元件（Elements）模型库，内有电路建模所需的变压器、电阻、电感、电容等；电机（Machines）模型库，提供各种电机模型；电力电子元件（Power Electronics）模型库，给出电力调压电路所需的电力电子开关模型；测量仪器（Measurements）模块库，该库中的模块用于电压、电流和阻抗的测量；另外还有应用模块库（Application Libaray）和其它电气模块库（Extra Library）。
3 三相交流调压电路模型
3.1 原理分析
根据三相电路联结的形式的不同，三相交流调压电路具有多种不同的形式。调压电路有星形联结形式、线路控制三角形联结形式、支路控制三角形连接形式、中点控制三角形联结形式等。而性能最好，用的最多的是星形联结形式的三相交流调压电路，其结构如图1所示。
该电路中三个正向晶闸管VT1、VT3、VT5的触发信号相差120°, 三个反向晶闸管VT2、VT4、VT6的触发信号也相差120°。因此VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6的触发信号依次各差60°，同一相的两个触发信号相差180°。三相交流调压电路的触发信号控制角从各自的相电压过零点开始算起。触发电路采用双窄脉冲触发。
本文中三相调压电路的负载采用纯电阻负载，则触发角α的移相范围为0°～150°。其电路的工作范围可分为三段：[2]
1) 0°≤ α <60°：三管导通与两管导通交替，即输出的a相负载电压波形由■交替构成。每管导通180°- α 。但 α =0°时一直是三管导通，得到的a相负载电压波形既为a相电源波形。
2) 60°≤ α <90°：两管交替导通，即输出的a相负载电压波形由■交替构成。每管导通120°。
3) 90°≤ α <150°：两管导通与无晶闸管导通交替，即输出的a相负载电压波形由■交替构成。导通角度为300°-2 α 。
3.2 建模
有了三相交流调压电路的原理分析，下面就可以运用Simulink中的电力系统工具箱中的模型进行建模。得到模型如图2所示。
模块的选择和参数设定是电路仿真的关键，图2中每个模块的名称、用途，及来自的模块库见表1。
几个主要的模块参数设置如下：
1) 三相电Ua、Ub、Uc的幅值=100V，初相位分别为0°、120°、240°，频率=50Hz。
2) 六个晶闸管中，设Ron=0.01Ω, Lon=0H,Uf=0.8V,Ic=0A,Il(擎住电流)=0A,Tq(关断时间)=0s，Rs=10Ω,Ls=4.7e-6F。其中m输出端用来作为测量晶闸管上的电压和电流的输出端。
3) 三相负载设为R=1Ω, L=0H, C=inf（电阻负载）
4) 同步六脉冲发生器设定频率为50Hz，脉宽为20%。该模块的alpha-deg端为触发角信号输入端，单位为度，其输入为30，则触发角应为30°；block端为触发器使能端，给该端施加零信号，则该模块可用，若该端施加大于零的信号，则模块的输出信号被封锁。[3]
5) 设定仿真的开始时间0s，终止时间0.08s,选择ode23tb算法。
3.3 仿真结果分析
调压电路建模完成后，进行仿真，可得波形如图3、4、5所示。
从这个模型可看到，alpha-deg端的输入值比理论上需要的值小了30°，并且仿真不到控制角为0°时的波形。这是因为，同步六脉冲发生器是专门为三相桥式整流电路设计的。其alpha-deg端的输入值为0，实际对应的是调压电路控制角为30°时，因此用同步六脉冲发生器去触发三相调压电路，得不到0°-30°理论分析出的波形。而30°往后的调压波形，应该把alpha-deg端的输入值减30得到。为了从根本上解决这个问题，可以将建模电路的同步六脉冲发生器换为独立的脉冲发生器来实现，建模得到图6所示。
控制角为0°触发时，六脉冲pg1、pg2、pg3、pg4、pg5、pg6的相位延迟依次设为0、1/300s、2/300s、3/300s、4/300s、5/300s。控制角为30°触发时，六脉冲P1、P2、P3、P4、P5、P6的相位延迟依次设为1/600s、3/600s、5/600s、7/600s、9/600s、11/600s。依次类推，可得波形如图7、8所示。
4 结束语
电力调压电路的理论分析是比较复杂的，有时很难直观的得到结果，而用Simulink进行波形的仿真，可以任意改变仿真参数，在仿真时用 Scope观察仿真波形，能实时、直观的观察结果。同时，在电路仿真研究过程中，适当的转换模型，能帮助我们准确的得到结论。因此，Simulink无疑是我们进行电路研究的有益工具。
参考文献：
[1] 洪乃刚.电力电子和电力传动控制系统的MATLAB仿真[M].北京:机械工业出版社,2007:62-63.
[2] 王兆安.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2007:117-118.
[3] 周渊深.电力电子技术与MATLAB仿真[M].北京:中国电力出版社,2005:196.