simulink单相相控整流器

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1、藉由Simulink結合ModelSim學習單相相控整流器原理與其實驗驗證LearningthePrincipleofSingle-PhaseControlledRectifierviaSimulinkLinkedwithModelSimandExperimentalVerifications蔡明發周家榮柯富瀞張逸凡黃彥騰王瑞坤明新科技大學電機工程系摘要學習相位控制整流器原理是電力電子與電動機控制課程重要的一環，本文藉由Simulink與ModelSim連結之模擬軟體工具，學習相位控制整流器的工作原理，文中分別建構單

2、相相控整流器之類比與數位控制模型，進行單相相位控制整流器的模擬與分析，探討當相角命令變化時，輸出電壓與負載電流之暫態與穩態響應，並分別利用類比運算放大器與AlteraFlex8282FPGA可程式數位邏輯元件設計相控整流器控制電路，來進行實驗驗證。學生們可藉此Simulink與ModelSim連結之共同模擬環境，配合硬體實作與實驗結果，更能清楚地瞭解相控整流器驅動原理與實作技術。關鍵字：相控整流器、Simulink模擬軟體、ModelSim模擬軟體、FPGA可程式邏輯元件11.前言相控整流器工作原理的學習，是電力電子

3、與電動機控制課程中重要的一環，其中以閘流體全橋相位控制整流轉換器來取代傳統的二極體全橋整流器，將市電交流信號經由相位控制，轉換為不同的直流平均電壓輸出，其應用如直流馬達驅動器、粒子加速器(particleaccelerator)與磁界定熔合反應爐(magneticallyconfinedfusionreactor)等之高功率電源供應器[1]-[3]。欲讓學生了解相控整流器工作原理，利用模擬軟體工具進行系統的模擬與分析是非常重要的，Matlab/Simulink[4][5]是目前最常採用的控制系統模擬軟體工具，因為它不

4、但提供了豐富的元件庫，以便使用者可以建構多種不同運算與機電整合之動態模擬系統模型；且可與數位IC設計模擬軟體ModelSim相連結，形成一個共同模擬環境[6][7]。一個實際的單相相控整流器系統如圖一所示，其基本的架構可分為閘流體全橋相控整流轉換器與相移觸發控制電路兩部份，使用者可在Simulink與ModelSim相連結的共同模擬環境下，建構以上兩個部份之模型方塊(modelblock)並做連接，以便進行模擬分析。雖然文獻上已有不少應用Matlab/Simulink於各種轉換器與馬達控制器設計的報導[8]-[13]

5、，但卻未見其結合ModelSim模擬軟體應用於相控整流器的例子，本文的目的即在提出在Simulink與ModelSim之共同模擬環境下，建構單相相控整流器之模擬模型方塊，進行類比與數位控制之模擬與分析，其中在數位控制方面，作者使用VHDL硬體描述語言來設計數位控制IC電路[14]。之後，利用類比運算放大器與FPGA可程式數位邏輯元件，分別實現類比與數位控制電路，來進行實驗驗證。如此可做為電力電子學或電動機控制實習課程之教材，亦可做為FPGA數位電路設計應用之教材，使學生能藉由模擬與硬體實作後，更容易瞭解相控整流器工作

6、原理，以收到事半功倍的學習效果。2.相控整流器與其觸發控制原理相控整流器的目的，即是將市電交流信號轉換為不同的平均直流電壓輸出。一個單相相控整流器電路如圖1所示，輸入信號為市電交流電源如(1)式：2+T1T3iaRavs=Vmsin(ωt)vaLaT4T2−iG1iG2iG3iG4vs觸發控制與α隔離電路圖1單相相控整流器系統架構vs0π2πωtvaαπ+α2π+αωtT1,T2onT3,T4onT1,T2oniG1,iG2ωtiG3,iG4ωt圖2相控整流器輸出入與觸發波形示意圖v=Vsinωt.(1)sm其中Vm

7、為市電單相交流信號振幅，ω為角頻率，其工作原理為利用一個觸發控制電路，設定相角延遲命令α，使得閘流體T與T在輸入波形v的正零交越點(positivezero-12scrossing)之後延遲α角度導通，並持續導通半週期時間，在此時段T與T截止；之343後，在v的負零交越點(negativezero-crossing)之後延遲α角度，再切換觸發閘流體T與s3T，使其導通另半週期時間，在此時段T與T被強迫換相截止，如此反覆運作，可得412輸入信號v與輸出信號v的關係示意圖如圖2之上半部所示。輸出信號v的平均值如saa下：

8、1π+α2VmV=Vsin(ωt)d(ωt)=cosα(2)dc∫mπαπ因此，改變α值，可得到不同的整流輸出波形與其平均值。由(2)可知當0≤α≤π/2，則V≥0；當π/2≤α≤π，則V≤0。但因閘流體開關電流為單向流動，故輸出負載dcdc電流恆大於等於零(0i≥)，且整流器負載必需為電感性負載，否則，若為電阻性負a載，因輸出電流恆大於等於零