實(shí)際電路基于實(shí)際電路模型的變流電路工作波形

整流電路是電力電子學(xué)中最早的一種電能變換方式，現(xiàn)代電網(wǎng)中應(yīng)用的各種變流裝置一般均具有整流環(huán)節(jié)，如三相全橋整流電路、 帶雙反星可控整流電路和12脈波可控整流電路等均可以看作是三相半波整流電路的不同組合形式。因此，對最基礎(chǔ)的三相半波可控整流電路進(jìn)行仿真及實(shí)驗(yàn)研究將有助于后續(xù)的復(fù)雜整流電路的研究。在實(shí)踐中，存在著與整流過程相反的工作狀態(tài)，即逆變，如電力機(jī)車下坡行駛時，直流電動機(jī)作為發(fā)電機(jī)制動運(yùn)行，電機(jī)發(fā)出交流電。在該種情況下，變流裝置的主電路形式并未發(fā)生變化，只要適當(dāng)調(diào)整電路工作狀態(tài)即可滿足有源逆變產(chǎn)生的條件，因此常將有源逆變作為整流電路的一種工作狀態(tài)進(jìn)行分析。

整流電路一般有相控式與PWM控制方式兩種，前者屬于低頻電路，后者為高頻電路。本文中的DJDK-1型電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置平臺為相控式。筆者在以上兩種電路實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)了兩種異?，F(xiàn)象：一是在三相半波整流電路阻感性負(fù)載下，當(dāng)3個晶閘管均關(guān)斷時負(fù)載中會流過負(fù)向電流；二是在三相半波有源逆變電路中，開關(guān)管切換時刻，開關(guān)管兩端與負(fù)載兩端均出現(xiàn)電壓振蕩現(xiàn)象。本文對這兩種現(xiàn)象進(jìn)行分析，并建立相關(guān)元件的改進(jìn)等效仿真模型。

實(shí)際電路三相半波變流電路

基于DJDK- 1型電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置平臺的三相半波整流實(shí)驗(yàn)電路及其Simulink仿真接線如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)電路中，取三相對稱交流電源相電壓有效值為130 V，頻率為50 Hz。通過依次觸發(fā)各個晶閘管導(dǎo)通，在負(fù)載上可以得到期望的波形。實(shí)驗(yàn)中負(fù)載R=450 Ω，L=700 mH。DJK02-3為晶閘管控制驅(qū)動模塊，同步信號取自交流電源。仿真圖中晶閘管的并聯(lián)電壓吸收支路已設(shè)定在模塊內(nèi)部。

三相半波有源逆變電路及仿真連接如圖4所示。與整流電路相比，逆變電路的不同之處在于：在負(fù)載端接入的是反向的直流電動勢，且電勢稍大于變流電路直流電壓的平均值。電路需要滿足觸發(fā)角90°<α<180°才可以在逆變狀態(tài)工作。

實(shí)際電路晶閘管模型分析及仿真驗(yàn)證

一般將晶閘管作為整流電路的理想器件，即：晶閘管只具有對電流的開通和關(guān)斷作用，當(dāng)陽極與陰極電壓差大于零時，只要提供有效觸發(fā)脈沖即可導(dǎo)通，當(dāng)電流低于維持電流時，晶閘管就會關(guān)斷。

上海電力學(xué)院電力電子實(shí)驗(yàn)裝置中晶閘管及其保護(hù)電路模型如圖5a所示，其中FUSE為過流保護(hù)用保險絲，電容C與電阻R組成了du/dt吸收電路。各元件型號及參數(shù)如下：VT為 KP5；FUSE為2.5A；R為120 Ω/8 W；C為0.047 μF/250 V。當(dāng)三相晶閘管均關(guān)斷時，電路中存在3個吸收電路先并聯(lián)再與負(fù)載電路串聯(lián)工作的情況。假設(shè)3條支路器件參數(shù)完全相同，簡化電路模型如圖5b所示。其中，等效電路有如下數(shù)量關(guān)系: 等效電容C_e=C₁//C₂//C₃=C₁ C₂ C₃，等效電阻R_e=R₁//R₂//R₃ R。

實(shí)際電路變壓器模型分析及仿真驗(yàn)證

對于有源逆變電路中開關(guān)切換時刻出現(xiàn)的電壓振蕩現(xiàn)象，由電路知識可知，該現(xiàn)象必然與電感和電容有關(guān)。通過本文對晶閘管模型的分析可知，晶閘管本身并聯(lián)的du/dt吸收電路含有電容，而且逆變電路始終工作在連續(xù)狀態(tài)，即任意時刻有且只有一個晶閘管導(dǎo)通。當(dāng)晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)時，緩沖電路被短路，電容不參與振蕩。因此，電路中必然存在其他元件含有電容參數(shù)，而且這一電容參數(shù)就在變壓器中。

在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，三相市電需經(jīng)過三相變壓器降壓至電路工作電壓。而原始仿真中只是通過等效出的工作電壓接入電路，因此將導(dǎo)致變壓器模型理想化，并將引入仿真誤差。理想的變壓器是指忽略磁路飽和、磁滯損耗、渦流損耗、分布參數(shù)等因素，只要滿足關(guān)系V₁/V₂=n₁/n₂，I₁/I₂=n₂/n₁的變壓器，在理想變壓器中原副邊只有磁聯(lián)系，而無電聯(lián)系。 2100433B

實(shí)際電路研究背景

傳統(tǒng)的電子設(shè)計(jì)流程是先設(shè)計(jì)電路圖、購買元器件，然后制板、調(diào)試，最后進(jìn)行測試。這個過程一般需要反復(fù)多次進(jìn)行，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。若采用EDA技術(shù)，則在原理圖設(shè)計(jì)階段就可以進(jìn)行評估，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路是否達(dá)到要求的技術(shù)指標(biāo)，還可以通過改變元器件參數(shù)使整個電路的性能最優(yōu)化，則在很大程度上縮短調(diào)試時間，并節(jié)省耗材。

Proteus就是一種基于標(biāo)準(zhǔn)仿真引擎的混合電路仿真工具，是將電路仿真軟件，PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺，能夠滿足我們平時設(shè)計(jì)的需求。

實(shí)際電路Proteus在實(shí)際電路中的應(yīng)用

模擬電子線路中，理論知識抽象、概念多、工程實(shí)踐性強(qiáng)，設(shè)計(jì)中不僅要考慮電路的理論知識還要考慮電路的具體結(jié)構(gòu)及電路信號的特點(diǎn)等因素。我們設(shè)計(jì)一個用單片機(jī)信號控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的電路，電路圖如圖1所示。印制板焊接完成，進(jìn)行調(diào)試。由于沒有這方面的經(jīng)驗(yàn)，只是根據(jù)理論計(jì)算和元器件特性設(shè)計(jì)了電阻R₂、R₃的具體阻值。在調(diào)試中始終沒能使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。因此浪費(fèi)了好多時間。

將原理圖移植到Proteus軟件中，在電路中分別加入了信號源（模擬單片機(jī)輸出信號）、電壓表和電流表（監(jiān)測電路特性）。Io1有高電平信號即10V，Io2沒有信號即0V，電機(jī)正轉(zhuǎn)。相反，電機(jī)反轉(zhuǎn)。在電路原理圖中，R₂、R₃處分別并聯(lián)模擬電壓表，仿真時可以看到兩處的電壓值大小。在Io1處添加了模擬電壓源V₂，用來模擬單片機(jī)輸出信號。當(dāng)V₂有10V電壓信號輸出，光耦6N137工作。此時，如果R₂、R₃的電阻取值不夠合理，電機(jī)不能旋轉(zhuǎn)。我們可以通過反復(fù)仿真調(diào)試，不斷改變兩個電阻的阻值。實(shí)踐證明，要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正向旋轉(zhuǎn)必須保證R₂、R₃兩端的電壓足夠大。

圖2為電路仿真時的效果圖。通過仿真得出了準(zhǔn)確的電阻阻值，后面進(jìn)行了印制板繪制，焊接電路板，順利完成電路所需功能的實(shí)現(xiàn)。

實(shí)際電路研究結(jié)論

在實(shí)際電路過程中引入了Proteus軟件后，一方面能很好的驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電路理論上的正確與否，解決了電路設(shè)計(jì)后焊接時調(diào)試成功率低及耗材消耗過多的問題。另一方面通過Proteus的接近實(shí)際電路的仿真分析，為今后從事研究設(shè)計(jì)工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

實(shí)際電路定義

研究實(shí)際電路，往往將其抽象為電路模型，用電路理論的方法分析計(jì)算出電路的電器特性。

實(shí)際電路分類

根據(jù)實(shí)際電路的幾何尺寸(d)與其工作信號波長(λ)的關(guān)系，可以將它們分為兩大類：

(1)集總參數(shù)電路：滿足d<<λ條件的電路。

以電路電氣器件的實(shí)際尺寸(d)和工作信號的波長(λ)為標(biāo)準(zhǔn)劃分，實(shí)際電路又可分為集總參數(shù)電路和分布參數(shù)電路。

滿足d<<λ條件的電路稱為集總參數(shù)電路。其特點(diǎn)是電路中任意兩個端點(diǎn)間的電壓和流入任一器件端鈕的電流完全確定，與器件的幾何尺寸和空間位置無關(guān)。

不滿足d<<λ條件的電路稱為分布參數(shù)電路。其特點(diǎn)是電路中的電壓和電流是時間的函數(shù)而且與器件的幾何尺寸和空間位置有關(guān)。

(2)分布參數(shù)電路：不滿足d<<λ條件的電路。

在電路理論中，對分布參數(shù)電路進(jìn)行分析時：首先是建立模型。建立模型采用的是無限逼近法。這種方法是將分析對象（例如均勻傳輸線）設(shè)想為許多個無窮小長度元dχ。由于長度元dχ是無窮小量，在這些長度元的范圍內(nèi)參數(shù)可以集中。于是，每個長度元可以抽象成一個集總參數(shù)電路。而這些集總參數(shù)電路級聯(lián)而成的鏈形電路就成為整個均勻傳輸線的電路模型。

顯然，只有無窮小長度元dχ的個數(shù)為無限多時，鏈形電路才能準(zhǔn)確地代表均勻傳輸線。

接著是根據(jù)模型寫方程。方程是參照長度元dχ抽象成的集總參數(shù)電路，利用KCL和KVL(見基爾霍夫定律)寫出的。它是一個偏微分方程組。

最后是解方程求解答，再根據(jù)解答討論電路（即傳輸線）的性能。如果建模完成后，再用合適的實(shí)際電阻器、電感器和電容器來實(shí)現(xiàn)，便可得到一個線性尺寸很小的稱為人工線的實(shí)際鏈形電路。這就提供了對傳輸線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的條件。人們可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用很短的人工線實(shí)現(xiàn)對長達(dá)幾百公里，甚而上千公里的輸電線上的各種工作狀態(tài)的觀察和各種數(shù)據(jù)的測量。

分布參數(shù)電路作為一個電磁系統(tǒng)當(dāng)然還可采用電磁場理論進(jìn)行分析。這樣做雖然嚴(yán)格與精確，但并不方便，因?yàn)榍蠼怆姶艌龇匠探M要比求解電路方程組困難得多。因此，通常是采用電路理論來分析分布參數(shù)電路。傳輸線傳送能量或信號的各種傳輸線的總稱。其中包括電力傳輸線、電信傳輸線、天線等。傳輸線又稱長線。由于它具有在空間某個方向上其長度已可與其內(nèi)部電壓、電流的波長相比擬，而必須考慮參數(shù)分布性的特征，所以是典型的分布參數(shù)電路。在電路理論中討論傳輸線時以均勻傳輸線作為對象。均勻傳輸線是指參數(shù)沿線均勻分布的二線傳輸線，其基本參數(shù)，或稱原參數(shù)是R₀、L₀、C₀和G₀。其中R₀代表單位長度線（包括來線與回線）的電阻；L₀代表單位長度來線與回線形成的電感；C₀和G₀分別代表單位長度來線與回線間的電容和漏電導(dǎo)。這些參數(shù)是由導(dǎo)線所用的材料、截面的幾何形狀與尺寸、導(dǎo)線間的距離，以及導(dǎo)線周圍介質(zhì)決定的。在高頻和低頻高電壓下它們都有近似的計(jì)算公式。

( 1)有源電路和無源電路術(shù)語在理想電路和實(shí)際電路中的含義有所不同。因此，理想電路應(yīng)使用理想有源電路和理想無源電路術(shù)語，實(shí)際電路應(yīng)使用實(shí)際有源電路和實(shí)際無源電路術(shù)語。在不會造成不良后果的情況下，方可將理想有源電路和實(shí)際有源電路術(shù)語統(tǒng)一簡稱為有源電路，將理想無源電路和實(shí)際無源電路術(shù)語統(tǒng)一簡稱為無源電路。

( 2) 實(shí)際有源電路和實(shí)際無源電路術(shù)語的定義是明確的，同實(shí)際電路的對應(yīng)是直接的; 理想有源電路和理想無源電路術(shù)語的定義是明確的，但在電路中是否存在有源元件方面，與電路模型之間不能建立明確的對應(yīng)關(guān)系，容易引起歧義。因此，在電路教材以及其他的電路理論文獻(xiàn)中，應(yīng)小心使用有源電 路和無源電路這樣的術(shù)語。在必要時應(yīng)使用有獨(dú)立 源電路、無獨(dú)立源電路、無獨(dú)立源有受控源電路和無 獨(dú)立源無受控源電路等術(shù)語，以避免產(chǎn)生問題。

《模擬電路及其實(shí)際操作技能問答》以問答形式，深入淺出地講述了模擬電路的基礎(chǔ)知識及其實(shí)用技能。《模擬電路及其實(shí)際操作技能問答》主要內(nèi)容有：半導(dǎo)體器件、晶體管放大器、放大器中的負(fù)反饋、正弦波振蕩器、集成運(yùn)算放大器、低頻功率放大器、直流穩(wěn)壓電源以及模擬電路在音響設(shè)備中的應(yīng)用。 《模擬電路及其實(shí)際操作技能問答》可作為模擬電路初學(xué)者特別是初級無線電愛好者的自學(xué)讀物，也可作為電子技術(shù)職業(yè)學(xué)校的教材，還可供音響設(shè)備維修人員參考。

電池

假設(shè)電池組內(nèi)部的幾個單電池以串聯(lián)方式連接成電源，則此電源兩端的電壓是所有單電池兩端的電壓的代數(shù)和。例如，一個電動勢為12伏特的汽車電池（automotive battery）是由六個2伏特單電池以串聯(lián)方式構(gòu)成。