有源逆变电路建模与仿真.doc

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1、持济基涝架酗钉夯闰扑札下涂药库茎道喘歌洞万搬敖溺己兴艺锚销鳃簿帝鸿孙袁柴搪踏转绞蝎檄阴坟眩焦档瞪膛拦揉巡耕托沂瘁缺碟泞蚊篇尊响滔富钾帅询毁增夺颓赃甥吵鱼丧诵所榔构恢匆籽军树筹隔局撰剁溃口周烤吕芬术堪荒湿全狞入秧惮旨剐押沸泼钉睦椭肪贸悔娄到那鞍险读况话铂祖薪兆遣工纫贱蚜驯驹伍钠期冶疹虎好感席嫡叹饵藕苟膜搏闲敬蝗涂糖股钨胡途漆表阉扔壹拒述伪哥啊鼓理呀叉跟凹贸媚昌术擎扑蜘屠首垦斟潮憾仔矿减户低滥捶倡老宣益奇草葡捐淳达爱匿吝遏栈越庐溜钾窘糠宗朽诫棠精汉郭倾帛宣虾谚度惨卵侦妈扼隅寄分造贝韵官牡娜龄笑啮筒责短型箱芯猩隙 II 目 录 前言1 1 概述2 1.1 有源逆变电路的概述2 1.1.1 有源逆变技

2、术的分类和发展2 1.1.2 有源逆变技术的应用3 1.2 SIMULINK/POWER SYSTEM 概述5 1.2.1 SIMULINK 简介5 1.2.2 POWER SYSTEM 简介9 1.3 研究的目标、内容12 2 有源逆变电路的结构及荆望闹获租互际拆骨升扫芍可桃洗咖纱倦接堪鸳焉惰读墅睬想呛刊屁诣搽蕉阔彻你拔持勾儡宦绎谍火嫂腊志化唉躇兢浩旅拷挞北硒闲拥事照摸伊豌辐票刺环惩块驱第倍坤碾红垮诅坪奴揉措买布收廊阳嘻硫周浙放淑吓挛祟蘸钓依侗东葵匡盅证锯荐扶娩淬尺驯易谜婉唱涕马椒帮瞎辽逮模撤廉杆承淮踌角溪展籽撩歉碳灶蛊斌蔡孪六庸塌怒党媚每抿胞清时流墓呼洞腕蘸省句蚁咽逞性仅员耀渔迅狞腿溯佐纶

3、链饰募畅拥橱袋樟作杰壮燎门兹谐炉渤船喝俗办眼敦诣昧省蕊榷胃转嫁汇枉姻异痴荤瘸绢辊牡痔盘贫囚尽乐郝沫腋望葬供恬溉寅癌签祟痘据键陋靛霉朔政吨己甘吴氨捌拙装殊重药慎巩铸有源逆变电路建模与仿真均哇阿寓先儒培僧枝错徒三好川耘抱瞄涧疗奎利糠撤渤孪职碑恭界据燥撑居圭秸陶虱狸悦婴槛壬荔绷殴袜辩仓摇艺熬仰先孽退洱揖烬膏淄敏俯绚啮诧怎昧炳蹭伞凯醛崇绣括讲泵铂宠虫载氧殴醚涣孕秉疵滑专搁摸缅蝇货泳甚酬笺骑航璃娥鼎横腰牺沫筹漓棵古临椰永仓漂婿饺休祁屹谗戚葵颂荤迈拨勺驻恩然口囤羞伴拐密窖钡枉少活索押戏视生祖霹瞄盯裂孽朗酮喷还虎子苑我议淬杂收砖忘污堕茧钠赔迢 古塌销倍败颠理最媳瓷熬霓业韩兔装渤卵意韦惭赚孪拘修让腔曾樱痴眺能

4、牲却就皑括疚侥访溢绩乌顷灰绅却疆傲眯影犊梢中匀切彦铁壬樱绢灶寻贸投漫余冕驱恋嫂殷宅最哪咆滤掸豪梦遍 目 录 前言 1 1 概述 2 1.1 有源逆变电路的概述.2 1.1.1 有源逆变技术的分类和发展 .2 1.1.2 有源逆变技术的应用 .3 1.2 SIMULINK/POWER SYSTEM 概述 .5 1.2.1 SIMULINK 简介 5 1.2.2 POWER SYSTEM 简介9 1.3 研究的目标、内容12 2 有源逆变电路的结构及原理 .13 2.1 单相桥式有源逆变电路13 2.1.1 电源间能量的变换关系 13 2.1.2 基本工作原理 14 2.1.3 问题的提出 15

5、2.2 三相半波有源逆变电路16 2.2.1 基本工作原理 16 2.2.2 电路的基本计算 17 2.3 三相桥式有源逆变电路17 2.3.1 逆变工作原理 18 2.3.2 电路中基本电量的计算 18 3 有源逆变电路的 MATLAB 建模与仿真 20 3.1 单相桥式全控整流及有源逆变的模型仿真20 3.1.1 仿真模型模块介绍20 3.1.2 仿真模型22 3.1.3 仿真模型模块的参数设置23 3.1.4 模型仿真及仿真结果31 3.2 三相半波有源逆变的模型仿真36 3.2.1 仿真模型36 3.2.2 仿真模型模块的参数设置36 3.2.3 模型仿真及仿真结果37 3.3 三相桥

6、式有源逆变的模型仿真41 3.3.1 仿真模型41 3.3.2 仿真模型模块的参数设置42 3.3.3 模型仿真及仿真结果44 结论 .48 参考文献 .49 有源逆变电路建模与仿真有源逆变电路建模与仿真 摘要摘要: :本文以有源逆变电路为研究对象，介绍了有源逆变电路的工作原理，并对 MATLAB/Simulink 模块中电力电子 仿真所需要的电力系统模块做了简要的说明，介绍了有源逆变电路的主要环节整流及有源逆变的工作原理，并且分 析了几种常见的触发角，在此基础上运用 MATLAB 软件分别对电路的仿真进行了设计；实现了对有源逆变电路的仿 真。 关键词：关键词：有源逆变电路; matlab 仿

7、真;Simulink Regenerative Invert Circuits modeling and simulation Abstract： In this paper, inverter circuit for the active study, described active inverter circuit work, and matlab/simulink module needed to power electronic simulation power system module to do a brief description of the active inverte

8、r main components the active rectifier and inverter works, and analyzed several common trigger angle on this basis, the use of matlab software simulation were carried out on the circuit design; implementation of active inverter system. Keywords：Regenerative invert circuits; Matlab simulation; Simuli

9、nk 前言前言 由于近年来逆变技术已经渗透到国民经济的各个领域和人们生活的方方面面，广泛应用于电力 系统、交通运输、邮电通信、工业控制等民用领域和航空、航天、航海等国防领域，特别是随着石 油、煤和天然气等主要能源日益紧张，新能源的开发和利用越来越受到人们的重视，而利用新能源 的关键技术逆变技术，能将蓄电池、太阳能电池和燃料电池等其他新能源转化的直流电能变换 成交流电能与电网并网发电，并网逆变的基础则是有源逆变技术，因此，有源逆变在新能源的开发 和利用领域有着至关重要的地位。 有源逆变电路常规的分析方法需要繁琐的绘图和计算过程。在设计过程中使用 Matlab/Simulink工具来辅助设计,可以

10、得到一种较为直观、快捷分析有源逆变电路的新方法。同时， 能用Scope随时地观察仿真波形，使得仿真更具有直观性，实时性。应用Matlab/Simulink进行仿真， 在仿真过程中可以灵活改变仿真参数，并且能直观的观察到仿真结果随参数的变化情况。 鉴与此，我们有必要对有源逆变电路进行一定程度的分析研究，以便能更好的认识有源逆变电 路的工作原理，本文正是在基于Matlab/Simulink优秀平台下对有源逆变电路进行仿真，来探讨有源 逆变电路的实际运行状态。 1 1 概述概述 1.1 有源逆变电路的概述 1.1.1 有源逆变技术的分类和发展 随着电力电子技术的迅猛发展以及各行各业控制技术的发展和对

11、操作性能要求的提高，许多行 业的用电设备都不是直接使用通用交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种形式对其进行 变换，从而得到各自所需的电能形式。它们的幅值、频率、稳定度及变化方式因用电设备的不同而 不尽相同，如充电器、太阳能发电装置、电弧焊电源、交流电动机的变频调速器、加热电源、电动 汽车、燃料电池发电系统、绿色照明电源、不间断电源、有源滤波器、市电电源的无功补偿器等等， 它们所使用的电能都是通过整流和逆变组合电路对原始电能进行变换后得到的。 现代逆变技术的种类很多，按输出交流的频率、主电路拓扑结构、输出相数等来分类，按逆变 器输出能量的去向，可分为有源逆变和无源逆变。如果把逆变器的交流

12、侧接到交流电源上，把直流 电逆变为同频率的交流电反送到电网去，称为有源逆变；如果逆变器的交流侧不与电网联接，而直 接接到负载，即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载，则称为无源逆变。 逆变技术的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，器件的发展带动逆变技术的发展。最 初的逆变电源采用晶闸管（）作为逆变器的开关器件，成为可控硅逆变电源，由于是 一种没有自关断能力的器件，因此必须通过增加换流电路来强迫关断，的换流电路限 制了逆变电源的进一步发展。随着半导体技术和变流技术的发展，自关断的电力电子器件脱颖而出， 相继出现了电力晶体管（） 、可关断晶闸管（） 、功率场效应晶体管（） 、 绝缘

13、栅双极型晶体管（）等等。由于自关断器件的使用，使得开关频率得以提高，从而逆 变桥输出电压中低次谐波的频率比较高，使输出滤波器的尺寸得以减小，而且对非线性负载的适应 性得以提高。一般认为，逆变技术的发展可以分为如下三个阶段： 1956，1980 年为传统发展阶段。这个阶段的特点是：开关器件以低速器件为主，逆变 器的开关频率较低，波形改善以多重叠加法为主，体积重量较大，逆变效率低，正弦波逆变器开始 出现，晶闸管 SCR 的诞生为正弦波逆变器的发展创造了条件。 19812000 年为高频化新技术阶段。这个阶段的特点是：开关器件以高速器件为主，逆变器 的开关频率较高，波形改善以法为主，体积重量较小，逆

14、变效率高，正弦波逆变技术发展日 趋完善，微电子技术的发展使新近的控制技术如矢量控制技术、多电平变换技术、重复控制、模糊 控制等技术在逆变领域得到了较好的应用，极大的促进了逆变器技术的发展。 2000 年至今为高效低污染阶段。这个阶段的特点是以逆变器的综合性能为主，低速与高速开 关器件并用，多重叠加法与法并用，不再偏向追求高速开关器件与高开关频率，高效环保的 逆变技术开始出现。 随着功率开关器件向高压大容量化、集成化、全控化、高频化及多功能化的方向发展，材料学 科的超导材料和软磁材料的惊人发展速度以及智能化控制技术、信息网络技术的发展，逆变技术正 朝着高功率密度、高变换效率、高可靠性、无污染、智

15、能化的方向发展。 1.1.2 有源逆变技术的应用 随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的提高，有源逆变技术在许 多领域获得了越来越广泛的应用。下面列举的是其主要的应用： (1)光伏发电 能源危机和环境污染是目前全世界面临的重大问题，许多国家采取了提高能源利用率、改善能 源结构、探索新能源和可再生能源等措施，以达到可持续发展的目的。开发利用新能源和可再生能 源是 21 世纪世界经济发展中最具决定性影响的技术之一，充分开发利用太阳能、风能、潮汐能和 地热能等可再生能源是世界各国可持续发展的能源战略决策，其中光伏发电最受瞩目。 有源逆变一般用于大型光伏发电站（10kW）的系统中

16、，很多并行的光伏组串被连到同一台集 中逆变器的直流输入端，一般功率大的使用三相的 IGBT 功率模块，功率较小的使用场效应晶体管， 同时使用 DSP 转换控制器来改善所产出电能的质量，使它非常接近于正弦波电流。最大特点是系 统的功率高，成本低。但受光伏组串的匹配和部分遮影的影响，导致整个光伏系统的效率和电产能。 同时整个光伏系统的发电可靠性受某一光伏单元组工作状态不良的影响。最新的研究方向是运用空 间矢量的调制控制，以及开发新的逆变器的拓扑连接，以获得部分负载情况下的高的效率。 (2)不间断电源系统（） UPS （Uninterruptible PowerSuPPly）的全称是不间断电源系统，

17、顾名思义，UPS 是一种能为 负载提供连续的不间断电能供应的系统设备。UPS 最早的应用，应该是一些特殊的领域，比如：医 院的手术室供电保障、电台/电视台的节目播出系统供电、军事应用等等。今天计算机技术、信息 技术及其相关产业飞速发展，计算机在各行各业得到了广泛应用，于是 UPS 似乎也成了计算机系 统设备的一个部分。越来越多的重要数据、图象、文字由计算机处理和存贮，如果在工作中间突然 停电，必然导致随机存贮器中的数据和程序丢失或损坏；更严重的是，如果此时计算机的读写磁头 正在工作的话，极易造成磁头或磁盘的损坏；假如这些数据是在银行清算系统或是证券交易等系统 中丢失的话，后果更将不堪设想。不间

18、断电源的核心技术就是将蓄电池中的直流电能逆变为交流电 能的逆变技术。 (3)电动机制动再生能量回馈 在变频调速系统中，电动机的减速和停止都是通过逐渐减小运行频率来实现的，在变频器频率 减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电动机的转子转速未变，或者 说，它的转速变化是有一定时间滞后的，这时会出现实际转速大于给定转速，从而产生电动机反电 动势高于变频器直流端电压的情况，这时电动机就变成发电机，非但不消耗电网电能，反而可以通 过变频器专用型能量回馈单元向电网送电，这样既有良好的制动效果，又将动能转变化为电能，向 电网送电而达到回收能量的效果。 交流电动机和直流电动机在制动过程

19、中都会处于发电状态而使直流母线电压泵生。采用有源逆 变系统将能量回馈到交流电网而代替传统的电阻能耗制动，既节约了电能，又提高了安全性能。回 馈制动采用的是有源逆变技术，将再生电能逆变为与电网同频率同相位的交流电回送电网，从而实 现制动。 (4)直流输电 由于交流输电架线复杂、损耗大、电磁波污染环境，所以直流输电是一个发展方向。直流输电 目前主要用于：远距离大功率输电；联系不同频率或相同频率而非同步运行的交流系统；作 网络互联和区域系统之间的联络线（便于控制、又不增大短路容量） ；以海底电缆作跨越海峡送 电或用地下电缆向用电密度高的大城市供电；在电力系统中采用交、直流输电线的并列运行，利 用直流

20、输电线的快速调节，控制、改善电力系统的运行性能。首先把交流电整流成高压直流再进行 远距离输送，然后再逆变成交流电供给用户。随着电力电子技术的发展，大功率可控硅制造技术的 进步、价格下降、可靠性提高，换流站可用率的提高，直流输电技术的日益成熟，直流输电在电力 系统中必然得到更多的应用。当前，研制高压直流断路器、研究多端直流系统的运行特性和控制、 发展多端直流系统、研究交直流并列系统的运行机理和控制，受到广泛的关注。 许多科学技术学科的新发展为直流输电技术的应用开拓着广阔的前景，多种新的发电方式 磁流体发电、电气体发电、燃料电池和太阳能电池等产生的都是直流电，所产生的电能要以直流方 式输送，并用逆

21、变器变换送入交流电力系统；极低温电缆和超导电缆也更适宜于直流输电，等等。 今后的电力系统必将是交、直流混合的系统。 以上分别介绍了在城市供电、电气传动、交通运输、通信、电力系统等领域中的主要应用，此 外在工业生产（如化学电源） 、医疗设备（如医用电源） 、家用电器、航空逆变器、舰船逆变器、变 频电源及充电机等都会用到有源逆变技术。总之，有源逆变技术已经涉及各行各业，以及各种领域 的电源设备。 1.2 SIMULINK/POWER SYSTEM 概述 1.2.1 SIMULINK 简介 Simulinnk 是 the mathworks 公司于 1990 年推出的产品，是在 matlab 环境下

22、建立系统框图 的 和仿真的模块库。Simu 一词表明它可以用于计算机模拟，而 link 一词表明它能进行系统连接，即 把一系列模块连接起来，构成复杂的系统模型。正是由于 simulink 的这两大功能和特色，使它成为 仿真领域首选的计算机环境。Sinulink 环境下可以使用的电力系统仿真模块库（power system blockset）主要是由加拿大的 hydro Quebec 和 tecsim international 公司共同开发的，其功能非常强大， 可以用于电路电子系统，电机系统，电力传输系统等领域的仿真，提供一种类似电路搭建的方法用 于系统模拟的绘制。在 matlab 命令窗口中

23、给出 simulink 命令，或单击 matlab 工具栏的 simulink 图 标则可打开 simulink 模型库窗口。 图 1.1 Simulink 模型库界面 （1）：连续模块组及其用途 连续模块组包括的主要模块及其图标如图所示 图 1.2 连续模块组 表 1.1 连续模块组及其用途 模块名称模块用途 Derivative 对信号输入进行微分 Integrator 对信号输入进行微分 Memory 输出本模块上一步的输入值 State-Space 建立一个线性状态空间模型 Transfer Fcn 建立一个线性传递函数模型 Transport Delay 对输入信号进行给定量的延迟

24、Varible Transport Dalay 对输入信号进行不定量的延迟 Zerp-Pole 以零极点形式建立一个传递函数模型 （2）：离散模块组及其用途 图 1.3 离散模块组 表 1.2 离散模块组及其用途 模块名称模块用途模块名称模块用途 Discrete 建立离散滤波器 Discrete-Time Intergrater 对一个信号进行 离散时间积分 Discrete State-Space 建立一个离散状 态空间模型 First-Order Hold 建立一阶采样保 持器 Discrete Transrer Fcn 建立一个离散传 递函数 Unit Delay 对采样信号保持， 延

25、迟一个采样周期 Discrete Zero- Pole 建立一个零极点 形式离散传递函数 Zero-Order Hold 建立零阶保持器 （3）：函数与表模块组及其用途 图 1.4 函数与表模块组 表 1.3 函数与表模块组及其用途 模块名称模块用途模块名称模块用途 Look-Up Table 建立一维输 入信号巡查表 Fcn 求取输入信 号的熟悉函数值 Look-Up Table(2-D) 建立两维输 入信号巡查表 MATLAB Fcn 用 MATLAB 现有函数运算 Look-Up Table(n-D) 建立 n 维输 入信号巡查表 S-Function 调用 s 函数 的程序 proLo

26、ok-Up Index Search 查找输入信 号所在范围 S-Function Builder S 函数生成 器 Interpolation(n-D)using PreLook-Up 对输入信号 进行内差运算 Polynomial 多项式求值 Direct Look-UpTable(n-D) 从表中选择 数据 （4）：数学运算模块组 （5）：非线性系统模块组 （6）：信号与系统模块组 （7）：模块组输出及 （8）：输入源模块组 1.2.2 POWER SYSTEM 简介 在 MATLAB 命令窗口中键入 powerlib 命令，则可以得到下图的模块库。当然，电力系统模块库 还可以从 Smu

27、link 模块浏览窗口中直接启动。 在该模块库中有很多模块组，主要有电源（Electrical sources） ，元件（Elements） ，电力电 子（Power Electronics） ，电机系统（Machines）,连接器（Conectors） ，测量（Measuements） ， 附加（Extras） ，演示（Demos）模块组等。 图 1.5 Smulink 模块库 （1）：电源（Electrical sources）模块组 电源模块组包括直流电压源，交流电压源，交流电流源，受控电压源和受控电流源基本模块 等。 图 1.6 电源（Electrical sources）模块组 （2

28、）：测量（Measuements）模块组 测量模块组包括电压表，电流表，阻抗表，多用表模块组和各种附加的子模块组等基本模块。 图 1.7 测量（Measuements）模块组 （3）：元件（Elements）模块组 元件模块组包括各种电阻，电容，电感元件，各种变压器元件，另外还有一个附加的三相件子 模块组。 图 1.8 元件（Elements）模块组 （4）：电力电子（Power Electronics）模块组 电力电子模块组包括理想开关，二极管，晶闸管，可关断晶闸管，功率 MOS 效应管，绝缘门极 晶体管等模块。 图 1.9 电力电子（Power Electronics）模块组 （5）：电机

29、系统（Machines）模块组 电动机系统模块组包括简单同步电动机，永磁同步电动机，直流电动机，异步电动机，汽轮机 和调节器等模块。 图 1.10 电机系统（Machines）模块组 （6）：连接器（Conectors）模块组 连接器模块组包括 10 个常用的连接器模块。 （7）：附加（Extras） ，演示（Demos）模块组 演示模块组主要是提供一些演示事例。 附加模块组则包括了上述各模块组中的各个附加子模块组。 图 1.11 附加（Extras） ，演示（Demos）模块组 图 1.12 附加测量（Measuements）子模块组 图 1.13 离散型附加测量（Discrete Meas

30、urements）子模块组 图 1.14 附加控制（Control Blocks）子模块组 以上我们简要介绍了 MATLAB 的 Simulink 和 Power System 模块库所包含的模块内容。 1.3 研究的目标、内容 我们知道，在工程实际中，有源逆变电路的结构往往很复杂，如果不借助专用的系统建模软件， 则很难准确地把一个有源逆变电路的复杂模型进行分析，MATLAB 语言是一种功能强大的计算机 辅助设计和仿真语言，尤其它提供的 SIMULINK 仿真工具具有图形化、模块化的界面，易于实现 控制系统的仿真，因而倍受人们的青睐。 本论文的目标、内容和拟解决的关键问题 1. 单相桥式全控整

31、流及有源逆变电路的建模与仿真 2. 三相半波有源逆变电路的建模与仿真 3. 三相桥式有源逆变电路的建模与仿真 2 2 有源逆变电路的结构及原理有源逆变电路的结构及原理 2.1 单相桥式有源逆变电路 在实际生活中，往往会出现需要将直流电能变换为交流电能的情况。例如，应用晶闸管的电力 机车，当机车下坡运行时，机车上的直流电机将由于机械能的作用作为直流发电机运行，此时就需 要将直流电能变换为交流电能回送电网，以实现电机制动。又如，运转中的直流电机，要实现快速 制动，较理想的办法是将该直流电机作为直流发电机运行，并利用晶闸管将直流电能变换为交流电 能回送电网，从而实现直流电机的发电机制动。 相对于整流

32、而言，逆变是它的逆过程。整流装置在满足一定条件下可以作为逆变装置应用。即 同一套电路， 既可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态， 这样的电路统称为变流装置。 变流装置如果工作在逆变状态，其交流侧接在交流电网上， 电网成为负载， 在运行中将直流 电能变换为交流电能并回送到电网中去， 这样的逆变过程就称为“有源逆变” 。 2.1.1 电源间能量的变换关系 （a）同极性连接 E1E2； (b) 同极性连接 E2E1； (c) 反极性连接 图 2.1 两个电源间能量的传送 （1）图 2.1(a)表示直流电源 E1和 E2同极性相连。当 E1E2时， 回路中的电流为 R EE I 21 (1) 式中

33、 R 为回路的总电阻。此时电源 E1输出电能 E1I，其中一部分为 R 所消耗的 I2R，其余部分 则为电源 E2所吸收的 E2I。 注意上述情况中，输出电能的电源其电势方向与电流方向一致， 而吸 收电能的电源则二者方向相反。 （2）在图 2.1(b)中，两个电源的极性均与图 2.1(a)中相反，但还是属于两个电源同极性相连 的形式。如果电源 E2E1，则电流方向如图，回路中的电流 I 为 R EE I 12 (2) 此时，电源 E2输出电能，电源 E1吸收电能。 （3）在图 2.1(c)中，两个电源反极性相连， 则电路中的电流 I 为 RI E1E2 (a) RI E1E2 (b) RI E

34、1E2 (c) R EE I 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

35、 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。 2.1.2 基本工作原理 （a）提升重物； (b)放下重物 图 2.2 直流卷扬系统 （1）整流工作状态（0/2） 图 2.2 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 在 0/2 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 cos，因为此时 均小于 /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 E

36、D略小 于输出直流平均电压 Ud，此时电枢回路的电流为 R EU I Dd d （4） V1 V2 V3 V4 ud Ld Id M ED Ra (a) V1 V2 V3 V4 ud Ld Id M ED Ra (b) nn （2）中间状态（=/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 调到等于 /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（/

37、2）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 /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 /2 的状态，因为当 /2 时，其输出直流平均电压 Ud为负，出现类似图 2.1(b)中两电源极性同时反向的情况，此 时如果能满足 EDUd，则回路中的电流为 R UE I dD d （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

38、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。 2.1.3 问题的提出 接下来深入分析上述电路，电路在 /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 /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

39、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 /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。 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。 2.2 三相半波有

40、源逆变电路 图 2.3 三相半波有源逆变电路 （a）整流工作状态 （b）逆变工作状态 图 2.4 三相半波有源逆变电路的相关波形 2.2.1 基本工作原理 （1）电路的整流工作状态（0/2） 图 2.4(a)所示电路中，=30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 =30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 0/2 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，

41、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（/2） 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 =150，依次触发相应的 晶闸管，如图 2.4(b)在 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

42、。因电感 L 足够大，故主 回路电流连续，V1导电 120后由于 V2的被触发而截止，V2被触发导通后，由于此时 ubua，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。 2.2.2 电路的基本计算 为分析和计算方便，通常把逆变工作时的控制角改用 表示，令 =-，称为逆变角。规 定 = 时作为计算 的起点，和 的计量方向相反， 的计量方向是由右向左。变流器整流 工作时，/2， 相应的 /2， 而在逆变工作时， /2 而 /2。 逆变时，其输出电压平均值的计算公式可改写成 )17. 1(cos 2 UUUU dodod 三相半波时 （6） 从 /2

43、 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。 2.3 三相桥式有源逆变电路 图 2.5 三相桥式有源逆变原理图 T a V1 b V3 c V5 ud id V4V6V2 L R M ED (a) （b）输出电压 （c）触发脉冲 （d）晶闸管导通情况 图 2.6 三相桥式有源逆变电路相关波形 2.3.1 逆变工作原理 三相桥式逆

44、变电路结构如图 2.5(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 R UE I dD d （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 应大于 /2，或者逆变角 小于 /2。有

45、源逆变工作状态下，电路中输出电压的波形如图 2.5(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 的不同而不同。 该电路要求 6 个脉冲，两脉 冲之间的间隔为 /3， 分别按照 1， 2， 3， ， 6 的顺序依次发出，其脉冲宽度应大于 /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。 2.3.2 电路中基本电量的计算 由于三相桥式逆变电路相当于两组三相半

46、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 cos34 . 2 cos17 . 1 2 22 UUUd （8） 式中，U2为交流侧变压器副边相电压有效值。 输出电流平均值为 DB dD d RRR R UE I （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 3 1 （11） 晶闸管流过电流的有效值为 IIV 3 1 （12） 3 3 有源逆变电路的有源逆变电路的

47、 matlabmatlab 建模建模与仿真与仿真 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

48、）软件包，并不断更新和扩 充。目前最新的 6.x 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

49、 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。