龍 波,黃 波,郝曉紅,高 濤,韓 楊
(電子科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院,四川 成都 611731)
電力電子技術(shù)大綱教學(xué)內(nèi)容中,晶閘管的換流是逆變電路部分的重要內(nèi)容,在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用[1-5],針對(duì)晶閘管的開關(guān)過程特性,近年來有很多研究[6-10]。筆者在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn),相當(dāng)一部分學(xué)生對(duì)晶閘管電感耦合式強(qiáng)迫換流電路的理解不準(zhǔn)確,特別是在負(fù)半個(gè)振蕩周期中,當(dāng)接通開關(guān)S后,LC振蕩電路的電流將反向流過晶閘管,并且與晶閘管VT的負(fù)載電流相減,直到晶閘管的合成電流減至零后再流過旁路二極管[11],表示難以理解,認(rèn)為不應(yīng)該等到合成電流為零時(shí)才流經(jīng)二極管。
本文針對(duì)該知識(shí)點(diǎn),詳細(xì)闡述了晶閘管電感耦合式強(qiáng)迫換流電路的工作原理,分析存在理解上的誤區(qū)的原因,并給出仿真結(jié)果,可為電氣工程類學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的深入掌握提供參考。
圖1為晶閘管電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖。圖1(a)中,晶閘管在第1個(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷,圖1(b)中,晶閘管在第2個(gè)半周期關(guān)斷,其中VD為反并聯(lián)在晶閘管VT兩端的功率二極管。R為負(fù)載,S為強(qiáng)迫換流電路部分開關(guān),電容C和電感L組成振蕩電路,兩者串聯(lián)后并接在晶閘管兩端。
圖1 電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖
圖1中強(qiáng)迫換流電路的工作原理:當(dāng)開關(guān)S閉合后,假設(shè)電容上具有初始儲(chǔ)能,電容通過電感L進(jìn)行放電,放電電流iL和流過晶閘管VT的電流iVT進(jìn)行合成,使晶閘管的電流減小,當(dāng)晶閘管的正向電流減至零時(shí),晶閘管關(guān)斷,電容放電電流向二極管流過。二極管的正向電壓降VVD就是加在晶閘管上的反向電壓,該方法正式利用了LC振蕩過程中的放電電流使得流經(jīng)晶閘管的電流過零點(diǎn),從而迫使晶閘管關(guān)斷。
實(shí)際教學(xué)過程中,學(xué)生提出相對(duì)比較多的問題是為何必須合成電流為零時(shí),其余部分電流才流經(jīng)反并聯(lián)二極管VD。學(xué)生普遍的理解是開關(guān)S閉合之前,A點(diǎn)電壓和B點(diǎn)(見圖2)電壓相等,二極管陽極電壓與儲(chǔ)能電容正極電位相等,當(dāng)開關(guān)管閉合時(shí),二極管承受正向電壓,所以應(yīng)該會(huì)導(dǎo)通。但是,這種結(jié)論沒有考慮到當(dāng)S關(guān)斷后,對(duì)于晶閘管而言,電流還未斷流,其下降必然有一個(gè)過程,只要晶閘管的電流存在,二極管就處于反向偏置狀態(tài),不可能導(dǎo)通;唯一二極管導(dǎo)通的條件是,當(dāng)晶閘管VT斷流時(shí),二極管恢復(fù)正向偏置狀態(tài),儲(chǔ)能電容iL經(jīng)二極管向L放電,形成能量交換。雖然開關(guān)管S閉合的瞬間二極管VD是處于正向偏置狀態(tài),但是由于電感L對(duì)電流的瞬間變化有阻止作用,使得二極管流過電流非常小。教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生常常在這一點(diǎn)的認(rèn)識(shí)上存在困惑。
圖2(a)給出了二極管截止、晶閘管在開關(guān)S閉合、電流下降時(shí)電路中的電流流向。圖2(b)給出了晶閘管截止、二極管正向偏置時(shí)電路的電流流向。
圖2 二極管導(dǎo)通的過程分析
為了驗(yàn)證前述的分析過程,本文以Matlab/Simulink Power system作為仿真環(huán)境[12-13]進(jìn)行仿真,仿真電路如圖3所示。電路的參數(shù)配置:振蕩器電容C為200 μF,C的初始電壓為20 V,振蕩器電感L為0.2 mH,負(fù)載電阻R為2 Ω,負(fù)載電感為2 mH,反并聯(lián)二極管等效導(dǎo)通電阻為0.001 Ω,反并聯(lián)二極管正向?qū)妷簽?.8 V。
圖3 仿真電路
本仿真的主要目標(biāo)是驗(yàn)證如下2個(gè)方面的內(nèi)容:
(1) 阻感性負(fù)載條件下,晶閘管小于移相范圍角度情況下正常導(dǎo)通過程;
(2) 晶閘管正常導(dǎo)通條件下,開關(guān)管閉合時(shí),LC振蕩器強(qiáng)迫換流的過渡過程分析,討論教材中“當(dāng)接通開關(guān)S后,LC振蕩電路電流將反向流過晶閘管,并且與晶閘管VT的負(fù)載電流相減,直到晶閘管的合成電流減至零后,再流過旁路二極管”這句話的含義。
圖4中給出了晶閘管強(qiáng)迫換流仿真輸出的波形,交流電源電壓為220 V/50 Hz,觸發(fā)角脈沖時(shí)刻為0.002 5 s,觸發(fā)周期為0.02 s,觸發(fā)脈沖的占空比為5%。從圖4(c)和圖4(d)中可以看出,晶閘管的觸發(fā)時(shí)刻為0.002 5 s,振蕩電路中開關(guān)閉合時(shí)刻為0.005 s。從圖4(a)中可以看出,在觸發(fā)脈沖到來時(shí)刻之前,晶閘管承受的電壓即為電源電壓,晶閘管電流為零;在0.002 5 s時(shí),晶閘管因?yàn)槭艿接|發(fā)而導(dǎo)通,導(dǎo)通壓降約為0.8 V,振蕩電路儲(chǔ)能電容C的初始電壓設(shè)置為20 V,在0.005 s時(shí)刻,開關(guān)閉合,晶閘管電流由于阻感性負(fù)載而未能立即關(guān)斷,于是電流開始下降,當(dāng)下降到零時(shí)刻,大約為0.005 5 s時(shí)刻,晶閘管完全關(guān)斷,其承受的電壓立即上升。對(duì)比圖4(b)圖中二極管電流開始上升的時(shí)刻,恰好就是晶閘管電流過零關(guān)斷的時(shí)刻。正好驗(yàn)證了前面的理論分析。
圖4(c)給出了振蕩器電容端電壓及電流波形,可以看出,在0.00 5 s時(shí)刻,電容C開始放電,與晶閘管電流抵消后向負(fù)載供電,一直到晶閘管電流過零點(diǎn)時(shí),電容放電電流達(dá)到最大,此過程中電容電壓逐漸降低,在0.005 2 s時(shí)刻左右,電容從初始20 V降低到零,接著進(jìn)行反向電壓充電,反向電壓峰值達(dá)到180 V左右,又開始下降。
圖4 晶閘管強(qiáng)迫換流仿真輸出波形
晶閘管的關(guān)斷技術(shù)中,強(qiáng)迫換流一直是電力電子技術(shù)課程教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn),特別是LC振蕩器在負(fù)半個(gè)周期迫使晶閘管關(guān)斷的工作過程,給大多數(shù)學(xué)生帶來了不小的困擾。本文針對(duì)該電路的結(jié)構(gòu)和容易理解的偏差,進(jìn)行了詳細(xì)的分析和仿真驗(yàn)證,為學(xué)生掌握該知識(shí)點(diǎn),正確理解基本概念提供指導(dǎo)。
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