有源逆变电路建模与仿真(编辑修改稿)

有源逆变电路建模与仿真(编辑修改稿)内容摘要：

2( a )R IE 1 E 2( b )R IE 1 E 2( c )第 14 页 共 49 页 REEI 21  (3) 此时电源 E1和 E2均输出电能，输出的电能全部消耗在电阻 R 上。 如果电阻值很小，则电路中的电流必然很大；若 R=0，则形成两个电源短路的情况。 综上所述 ,可得出以下结论： (1) 两电源同极性相连，电流总是从高电势流向低电势电源， 其电流的大小取决于两个电势之差与回路总电阻的 比值。 如果回路电阻很小， 则很小的电势差也足以形成较大的电流，两电源之间发生较大能量的交换。 (2) 电流从电源的正极流出，该电源输出电能；而电流从电源的正极流入，该电源吸收电能。 电源输出或吸收功率的大小由电势与电流的乘积来决定，若电势或者电流方向改变，则电能的传送方向也随之改变。 (3) 两个电源反极性相连，如果电路的总电阻很小，将形成电源间的短路， 应当避免发生这种情况。 （ a）提升重物； (b)放下重 物 图 直流卷扬系统 （ 1）整流工作状态 （ 0＜ α ＜π /2） 图 所示为直流卷扬系统 ，对于单相全控整流桥， 从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度称为控制角， 当控制角 α 在 0～π /2 之间的某个对应角度触发晶闸管时，上述变流电路输出的直流平均电压为 Ud=Udo cosα ，因为此时 α 均小于π /2，故 Ud为正值。 在该电压作用下，直流电机转动，卷扬机将重物提升起来，直流电机转动产生的反电势为 ED，且 ED略小于输出直流平均电压 Ud，此时电枢回路的电流为 REUI Ddd  （ 4） V 1V 2V 3V 4＋－u dL d I dM－＋E DRa重物( a )V 1V 2V 3V 4＋－u dL d I dM－＋E DRa重物( b )n n第 15 页 共 49 页 （ 2） 中间状态（ α =π /2） 当卷扬机将重物提升到要求高度时，自然就需在某个位置停住，这时只要将控制角 α 调到等于π /2的位置，变流器输出电压波形中，其正、负面积相等，电压平均值Ud为零， 电动机停转 ，反电势 ED也同时为零。 此时，虽然 Ud为零，但仍有微小的直流电流存在。 注意，此时电路处于动态平衡状态，与电路切断、电动机停转具有本质的不同。 （ 3） 有源逆变工作状态（π /2＜ α ＜π ） 上述卷扬系统中，当重物放下时，由于重力对重物的作用， 必将牵动电机使之向与重物上升相反的方向转动，电机产生的反电势 ED的极性也将随之反相。 如果变流器 仍工作在 α ＜π /2 的整流状态，从上面曾分析过的电源能量流转关系不难看出，此时将发生电源间类似短路的情况。 为此，只能让变流器工作在 α ＞π /2的状态，因为当 α ＞π /2时，其输出直流平均电压 Ud 为负，出现类似图 (b)中两电源极性同时反向的情况，此时如果能满足 ED＞ Ud，则回路中的电流为 RUEI dDd  （ 5） 电流的方向是从电势 ED的正极流出，从电压 Ud的正极流入，电流方向未变。 显然，这时电动机为发电状态运行， 对外输出电能，变流器则吸收上述能量并馈送回交流 电网去，此时的电路进入到有源逆变工作状态。 接下来 深入分析上述电路 ，电路在 α ＞π /2时是否能够工作。 如何理解此时输出直流平均电压Ud为负值的含义 ? 上述晶闸管供电的卷扬系统中，当重物下降，电动机反转并进入发电状态运行时，电机电势 ED实际上成了使晶闸管正向导通的电源。 当 α ＞π /2时，只要满足 Ed＞ |u2|，晶闸管就可以导通工作，在此期间，电压 ud大部分时间均为负值， 其平均电压 Ud自然为负，电流则依靠电机电势 ED及电感Ld 两端感应电势的共同作用加以维持。 正因为上述工作特点，才出现了电机输 出能量，变流器吸收并通过变压器向电网回馈能量的情况。 （ 1） 外部条件 务必要有一个极性与晶闸管导通方向一致的直流电势源。 这种直流电势源可以是直流电机的电枢电势，也可以是蓄电池电势。 它是使电能从变流器的直流侧回馈交流电网的源泉，其数值应稍大于变流器直流侧输出的直流平均电压。 （ 2） 内部条件 要求变流器中晶闸管的控制角 α ＞π /2， 这样才能使变流器直流侧输出一个负的平均电压，以实现直流电源的能量向交流电网的流转。 第 16 页 共 49 页 上述两个条件必须同时具备才能实现有源逆变。 对于半控桥或者带有续流二极管的可控整流电路， 因为它们在任何情况下均不可能输出负电压，也不允许直流侧出现反极性的直流电势，所以不能实现有源逆变。 三相半波有源逆变电路 图 （ a）整流工作状态 （ b） 逆变工作状态 图 （ 1） 电路的整流工作状态（ 0＜ α ＜π /2） 图 (a)所示电路中， α =30176。 时依次触发晶闸管，其输出电压波形如图黑实线所示。 因负载回路中接有足够大的平波电感，故电流连续。 对于 α =30176。 的情况，输出电压瞬时值均为正，其平均电压自然为正值。 对于在 0＜ α ＜π /2范围内的其它移相角，即使输出电压的瞬时值 ud有正也有负，但正面积总是大于负面积，输出电压的平均值 Ud也总为正，其极性如图为上正下负，而且 Ud略大于ED。 此时电流 Id从 Ud的正端流出，从 ED的正端流入，能量的流转关系为交流电网输出能量， 电机吸收能量以电动状态运行。 （ 2） 电路的逆变工作状态（π /2＜ α ＜π ） 假设此时电动机端电势已反向，即下正上负，设逆变电路移相角 α =150176。 ，依次触发相应的晶闸管，如图 (b)在 ω t1时刻触发 a 相晶闸管 V1，虽然此时 ua=0，但晶闸管 V1因承受 ED 的作用，仍可满足导电条件而工作，并相应输出 ua相电压。 V1被触发导通后， 虽然 ua已为负值， 因 ED的存第 17 页 共 49 页 在，且 | ED |＞ |ua|， V1仍然承受正向电压而导通， 即使不满足 | ED |＞ | ua |，由于平波电感的存在，释放电能， L 的感应电势也仍可使 V1承受正向电压继续导通。 因电感 L 足够大，故主回路电流连续， V1导电 120176。 后由于 V2的被触发而截止， V2被触发导通后，由于此时 ub＞ ua，故 V1承受反压关断，完成 V1与 V2之间的换流，这时电 路输出电压为 ub，如此循环往复。 为分析和计算方便，通常把逆变工作时的控制角改用 β 表示，令 β =π α ，称为逆变角。 规定α =π时作为计算 β 的起点，和 α 的计量方向相反， β 的计量方向是由右向左。 变流器整流工作时，α ＜π /2， 相应的 β ＞π /2， 而在逆变工作时， α ＞π /2而 β ＜π /2。 逆变时，其输出电压平均值的计算公式可改写成 )(c o s 2  UUUU dodod  三相半波时 （ 6） β 从π /2逐渐减小时，其输出电压平均值 Ud的绝对值逐渐增大，其符号为负值。 逆变电路中，晶闸管之间的换流完全由触发脉 冲控制，其换流趋势总是从高电压向更低的阳极电压过渡。 这样，对触发脉冲就提出了格外严格的要求，其脉冲必须严格按照规定的顺序发出，而且要保证触发可靠，否则极容易造成因晶闸管之间的换流失败而导致的逆变颠覆。 三相桥式有源逆变电路 图 三相桥式有源逆变原理图 TaV1bV3cV5udidV4V6V2LRM＋－ED＋－( a )第 18 页 共 49 页 （ b）输出电压 （ c）触发脉冲 （ d）晶闸管导通情况 图 相关波形 三相桥式逆变电路结构如图 (a)所示。 如果变流器输出电压 Ud与直流电机电势 ED的极性如图所示（均为上负下正）， 当电势 ED略大于平均电压 Ud时，回路中产生的电流 Id为 RUEI dDd  （ 7） 电流 Id的流向是从 ED的正极流出而从 Ud的正极流入，即电机向外输出能量，以发电状态运行；变流器则吸收能量并以交流形式回馈到交流电网，此时电路即为有源逆变工作状态。 电势 ED的极性由电机的运行状态决定，而变流器输出电压 Ud的极性则取决于触发脉冲的控制角。 欲得到上述有源逆变的运行状态，显然电机应以发电状态运行，而变流器晶闸管的触发控制角 α 应大于π /2，或者逆变角 β 小于π /2。 有源 逆变工作状态下，电路中输出电压的波形如图 (b)实线所示。 此时，晶闸管导通的大部分区域均为交流电的负电压， 晶闸管在此期间由于 ED的作用仍承受极性为正的相电压，所以输出的平均电压就为负值。 三相桥式逆变电路一个周期中的输出电压由 6个形状相同的波头组成，其形状随 β 的不同而不同。 该电路要求 6个脉冲，两脉冲之间的间隔为π/3， 分别按照 1， 2， 3， „ ， 6的顺序依次发出，其脉冲宽度应大于π /3或者采用 “ 双窄脉冲 ”输出。 上述电路中， 晶闸管阻断期间主要承受正向电压， 而且最大值为线电压的峰值。 由于三相桥式逆变电路相当于两组三相半波逆变电路的串联， 故该电路输出平均电压应为三相半波逆变电路输出平均电压的两倍， 即   c o o 22 UUU d  （ 8） 式中， U2φ 为交流侧变压器副边相电压有效值。 第 19 页 共 49 页 输出电流平均值为 DBdDdRRRRUEI （ 9） 式中， RB为变压器绕组的等效电阻； RD为变流器直流侧总电阻。 输出电流的有效值为  22 Nd III （ 10） 式中 ， IN为第 N次谐波电流有效值。 N的取值由波形的谐波分析展开式确定。 晶闸管流过电流的平均值为 dVV II 31 （ 11） 晶闸管流过电流的有效值为 IIV 31 （ 12） 第 20 页 共 49 页 3 有源逆变电路的 matlab 建模 与仿真 在科学研究和工程应用中，往往要进行大量的数学计算，其中包括矩阵运算。 这些运算一般来说难以用手工精确和快捷地进行，而要借助计算机编制相应的程序做近似计算。 目前流行用 Basic、Fortran 和 c 语言编制计算程序 , 既需要对有关算法有深刻的了解，还需要熟练地掌握所用语言的语法及编程技巧。 对多数科学工作者而言，同时具备这两方面技能有一定困难。 通常，编制程序也是繁杂的，不仅消耗人力与物力 ,而且影响工作进程和效率。 为克服上述困难，美国 Mathwork 公司于 1967 年推出了“ Matrix Laboratory”（缩写为 MATLAB）软件包，并不断更新和扩充。 目前最新的 版本（ windows 环境）是一种功能强、效率高便于进行科学和工程计算的交互式软件包。 其中包括：一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建模和系统控制和优化 等应用程序，并集应用程序和图形于一便于使用的集成环境中。 在此环境下所解问题的 MATLAB语言表述形式和其数学表达形式相同，不需要按传统的方法编程。 不过， MATLAB作为一种新的计算机语言，要想运用自如，充分发挥它的威力，也需先系统地学习它。 但由于使用 MATLAB编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以不象学习其它高级语言 如 Basic、 Fortran 和 C 等那样难于掌握。 MATLAB大大降低了对使用者的数学基础和计算机语言知识的要求，而且编程效率和计算效率极高，还可在计算机上直接输出结果和精美 的图形拷贝，所以它的确为一高效的科研助手。 自推出后即风行美国，流传世界。 MATLAB产品可以用来进行数值分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统的设计与仿真、数字图像处理技术、数字信号处理技术、通讯系统设计与仿真、财务与金融工程。 MATLAB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。 附加的工具箱（单独提供的专用 MATLAB函数集）扩展了MATLAB环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。