基于MATLAB 的整流柜仿真——DX 发射机整流柜软件仿真
2015年4月20日 17:20 作者:陈 斌基于MATLAB 的整流柜仿真
——DX 发射机整流柜软件仿真
陈 斌 国家新闻出版广电总局五五二台 350007
【文章摘要】
本文针对DX 发射机PB 整流柜中电路板维护、国产备件上机使用以及模拟教学等方面存在的问题。在三相全控整流电路进行理论分析的基础上，建立基于MATLAB 的三相全波整流模型，用以仿真DX 发射机主整工作情况。用MATLAB 软件进行仿真，验证本文所建立的模型正确性。通过分析可以对故障类型给予初步判断，对电子电力技术的运维有着现实意义和教学价值。
【关键词】
建模；仿真；整流柜；三相全波整流； 整流柜
1 电力电子技术
1.1 电力电子技术
电力电子技术是20 世纪后半叶发展起来的新兴技术，广泛应用于电气工程中。整流电路尤其是桥式可控整流电路在电力电子技术中最为重要，也是应用最为广泛的电路。Harris 公司生产的DX 发射机电源部分就是采用点火板控制可控硅的三相桥式整流电路提供PB 单元250V 电源。一旦电源部分出现故障，将引起发射机一系列连锁反应。这将直接影响安全播出。因此对三相桥式可控整流电路的相关参数不同负载和出现故障情况下通过进行分析和研究具有很强的教学意义。这不仅是整流柜工作原理理解学习很重要的方法，而且对实际发射机整流柜检修维护具有预测和指导作用。
1.2 电力电子变流技术
电力电子变流技术是以电子器件实现的电能变换，包括电压、电流与频率的变换技术。变流也称换流，变流过程也称换流过程。
变流技术首要分析的是主电路与控制电路的结构方式，其次研究变流电路的换流过程。变流电路工作时，电力器件轮流导通向负载传递电能。流向负载的电能从一个或一组器件转移的过程称为换流或换相。变流电路常有三种换流方式： 电源换流，负载换流和强迫换流。我们发射机整流柜电能转换是属于AC/DC 变换（205VAC/250VDC）。
2 发射机电源
2.1 发射机电源特点
对于大功率中波发射机，由于其输出功率等级比较高，所以必须采用高电压供电。同时为了增大电源的容量，还必须有大电流。因此要求作为发射机电源单元的整流柜必须有高电压和大电流输出的特性。
2.2 发射机电源要求
①纹波要小 从整流柜里输出的直流电压中含有交流分量称为纹波。我们要求发射机工作电压（+250VDC）纹波要小，是因为它是用来给功率放大器提供直流偏置的。如果在放大器各级上的直流电压中包含交流成分。这些交流成分会对被放大信号产生寄生调幅，这种调制最终会以杂波的形式出现在收音机中，直接影响播出效果。
②电源输出内阻小，电压调整率低 发射机整流柜输出有功放电源、二进制电源和驱动级电源。这些电源是各级放大器电流的流通回路。当放大器源级直流风量流经电源的内阻时会产生直流压降。它等效于电源直流输出电压减小。另一方面，如果音频信号或者射频电流流过电源内阻会产生交流压降，使得电源的输出电压随音频或者射频而变化，从而产生寄生压降。
③变压器利用系数高 应尽量减低大电流工作时的功率损耗。
综上所述，Harris 公司DX 发射机采用三相可控整流桥方式获得工作电源。由于可控硅其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，因此在大容量的应用场合比如大功率发射机中依然是主要的电源元件。
3 MATLAB
电力电子技术中有关电能的变换与控制过程中，有各种电路原理的分析与研究；电能变换的波形测量、绘制等这些工作特别适合MATLAB 的使用。Simulink 是MATLAB 提供的用于对动态系统进行建模、仿真和分析的工具包。Simulink 提供了专门用于显示输出信号的模块，可以在仿真过程中随时观察仿真结果。同时， 通过Simulink 的存储模块，仿真数据可以方便地以各种形式保存到工作空间或文件中，以供用户在仿真结束后对数据进行分析和处理。Simulink 作为一种通用的仿真建模工具，广泛用于通信仿真、数字信号处理等领域。
Simulink 仿真包括两个阶段：初始化阶段和模型执行阶段。
4 三相桥式全控整流电路分析
如图1 所示，三相桥是应用最为广泛的整流电路，它是由两组三相半波整流电路串联而成的。我们称阴极连接在一起的3 个晶闸管（Q1，Q3，Q5）为共阴极管组。阳极连接在一起的3 个晶闸管（Q4，Q6， Q2）称为共阳极管组。从可控硅阳极和阴极之间开始承受正向电压起，到门极加上触发脉冲这一电角度称为控制角α，可控硅导通的电角度称为导通角θ。
4.1 可控硅
我们发射机整流柜中使用的是快速晶闸管（FST），它有如下特点：
（1）开通时间和关断时间比普通晶闸管短，一般开通时间为1~2μs, 关断时间为几到几十微秒。
（2）开通时间和关断时间这两项参数越小，开关速度就越快，工作频率就越高， 因此也称该类型晶闸管为高频晶闸管。
4.2 三相桥式整流桥工作原理分析
当α=0 时，六个可控硅导通角为120°，这时整流电路等同于普通的三相桥式二极管整流，如果把一个周期分为6 段。当控制角α > 0°时，每个可控硅都不在自然换相点换相，而是从自然换相点向后移α 角开始换相，导通角θ 小于120°，整流输出电压就受到控制角α 的控制。
5 仿真建模
5.1 仿真模块
线电压为205 伏（相电压约为120 伏），频率为50Hz，设电源内阻为0.001Ω。
使用切换开关模块目的是将任何需要输出的信号组合输出。信号切换开关有3 个输入端，其中两个是传输信号输入端， 一个是切换控制信号端。切换开关通过控
图1制信号电平与设计门限值相比较来判断选择其中一个输入信号作为输出。显然， 信号切换开关是一个无记忆系统。
晶闸管是半控型器件, 通过对门极的控制, 可以控制其导通, 不能控制其通断。晶闸管的仿真模型由电阻Ron、电感Lon、直流电压源Uf 和开关SW 串联组成。开关受逻辑信号控制，该逻辑信号由晶闸管的电压Uab、电流Iab 和门极触发信号g 决定。
此外，晶闸管模块还包括一个Rs-Cs 串联缓冲电路，它通常与晶闸管并联。缓冲电路的Rs 和Cs 值可以设置，当指定Cs=inf 时，缓冲电路为纯电阻，当指定为Rs=0 时，缓冲电路为电容。当指定Rs=inf 或Cs=0 时，缓冲电路去除。
晶闸管的关断时间Tq 取决于晶闸管载流子的恢复时间，它包括“阳极电流下降到零的时间”和“晶闸管正向阻断的时间”。
当阳极和阴极之间的电压大于Uf 时且g 输入为正触发脉冲时，晶闸管由关断转变为开启状态。需要说明的事，该触发脉冲的幅值必须大于0 且有一定的持续时间，以保证晶闸管阳极电流大于掣住电流。
当晶闸管的阳极电流下降到零（Iak=0）或阳极和阴极之间施加反向电压的时间大于或等于晶闸管的关断时间Tq 时，晶闸管关断。如果阳极和阴极之间施加反向电压的持续时间小于晶闸管的关断时间Tq，晶闸管仍可能会导通，除非没有门极触发信号（即g=0）且阳极电流小于掣住电流。另外，在导通时，当阳极电流小于参数对话框中设置的掣住电流时，晶闸管将立即关断。
为了提高仿真的速度，我们采用简化的晶闸管模型。从图2 可以看出，它有两个输入和两个输出。
输入a 和输出k 对应于晶闸管的阳极和阴极。输入g 代表加在晶闸管门极上的触发信号，而输出m[Iak,Uak] 为晶闸管输出电流和电压输出量。
晶闸管参数设置。晶闸管组件内电阻Ron，单位（Ω），设置为0 ；晶闸管组件内电感Lon, 单位（H），因为电阻参数设置为0，所以内电感不能设置为0，将其设置0.001 ；晶闸管组件的正向管压降Uf, 单位（V）, 设置为0.8 ；初始电流Ic, 单位（A）， 初始值设置是一个复杂的工作，为了配合晶闸管进行仿真，通常将其设为0 ；缓冲电阻Rs, 单位（Ω）为了在模型中消除缓冲，可将Rs 设置为inf ；缓冲电容Cs, 单位（F）为了在模块中消除缓冲，可将电容Cs 参数设置为0。
本文采用SimPowerSystem 中的Synchronized 6-Pulse Generator 模块是用于模拟提供6 个晶闸管的触发信号。DX 发射机整流柜采用了美国ENERPRO 公司生产的点火板FCOG6100，用于产生控制6 个可控硅门极延迟触发角。我们采用Power System 模块库中的“Universal Bridge" 模块来实现同步6 脉冲触发器的仿真。它的输出端可以直接与三相桥式可控整流部件相应的门极相连接。
点火板FCOG6100 根据其跳线方式，采用双脉冲触发方式。故仿真模块信号输出方式选择DOUBLE PULSING 方式。AB、BC 和CA 代表三相输入线电压。Block 为该模块的使能端（低电平有效）。用来仿真当发射机出现射频封锁时（低电平），快速抑制门极脉冲输出，对主整电源部件进行保护。当发射机封锁解除时，门极脉冲继续输出。
按图3 在完成模块的信号线连接并建立系统的Simulink 数学模型后，需对相应的模块设置参数，最后对Scope（输出信号接收器）模块进行参数设置。
6 SIMULINK 仿真分析
构建Simulink 仿真模型，本文主要采用SimPowerSystem 子模块库里的模块建立三相全控整流电路模型。根据图六给定的数学模型和控制系统框图，可建立Simulink 仿真模型。
设置同步电压频率为50Hz，触发双脉冲信号宽度为10%，触发角度为60°。通过上述设置可以产生间隔为60°的双脉冲触发信号用以驱动一般整流桥（Universal Bridge）。
7 结束语
DX 发射机整流柜是发射机提供能源供应的重要部分，它应用了先讲的电力电子技术实现可控变流。在维护和检修中， 我们必须对其工作原理有着深入系统的了解，这样才能使我们更加得心应手地快速处理整流柜突发故障。本文通过对产生整流柜+250V 电源的三相全控整流电路进行MATLAB 仿真，为下一步故障分析预演和负载改变对输出的影响做好了准备。可能有些地方还有不当之处，敬请各位专家和同行给予批评指正。
【参考文献】
[1] 广播电视发送与传输维护手册， DX 型大功率中波发射机
[2]MATLAB 通信工程仿真，张德丰，机械工业出版社
[3] 广播发送技术，王春生，合肥工业出版社
【作者简介】
陈斌（1979 年11 月20 日），男，大学本科，技术人员，工程师。
图2（晶闸管简化模型）
图3 三相桥式整流线路Simulink 仿真模型图
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