單相橋式全控整流及有源逆變電路的實現研究與仿真設計

1、<p>　　單相橋式全控整流及有源逆變電路的實現研究與仿真設計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文以單相橋式全控整流及有源逆變電路為研究對象，介紹了單相橋式全控整流及有源逆變電路的工作原理，并對MATLAB/Simulink模塊中電力電子仿真所需要的電力系統(tǒng)模塊做了簡要的說明，介紹了單相橋式全控整流及有源逆變電路的主要環(huán)節(jié)

2、整流及有源逆變的工作原理，并且分析了幾種常見的觸發(fā)角，在此基礎上運用MATLAB軟件分別對電路的仿真進行了設計；實現了對單相橋式全控整流及有源逆變電路的仿真。</p><p>　　關鍵詞：Simulink；單相橋式全控整流及有源逆變電路；仿真設計</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In this pape

3、r, single-phase bridge controlled rectifier and inverter circuit for the active study, described single-phase bridge controlled rectifier and active inverter circuit works, and matlab / simulink module needed to power el

4、ectronic simulation power system module to do a brief description of the single-phase bridge controlled rectifier and active inverter main components - the active rectifier and inverter works, and analyzed several common

5、 trigger angle On this basis, the use of matlab </p><p>　　Keywords: simulink; single-phase bridge controlled rectifier and active inverter; circuit </p><p>　　simulation design</p><p&g

6、t;<b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p>　　Abstract2</p><p><b>　　目 錄3</b></p><p><b>　　1 緒論5</b></p><

7、p>　　1.1 整流技術的發(fā)展概況5</p><p>　　1.2 系統(tǒng)仿真概述5</p><p>　　2 單相橋式全控整流及有源逆變的工作原理7</p><p>　　2.1 整流電路概述7</p><p>　　2.2 有源逆變概述7</p><p>　　2.3 單相橋式全控整流電路的工作原理8<

8、/p><p>　　2.3.1 工作原理8</p><p>　　2.3.2 參數計算10</p><p>　　2.4 單相橋式全控有源逆變的工作原理11</p><p>　　2.4.1 工作原理11</p><p>　　2.4.2 換相重疊角12</p><p>　　2.4.3 逆變顛覆的概

9、述12</p><p>　　2.4.4 最小逆變角限制13</p><p>　　2.5 晶閘管整流電路的觸發(fā)控制13</p><p>　　3 單相橋式全控整流及有源逆變電路的設計16</p><p>　　3.1 選擇整流電路16</p><p>　　3.2 計算整流變壓器的參數16</p>&

10、lt;p>　　3.3 選用冷卻系統(tǒng)16</p><p>　　3.4 開關元件的選用與計算16</p><p>　　3.5 保護系統(tǒng)的設計17</p><p>　　3.6 主要部件和器件的計算及選用17</p><p>　　3.7 單相橋式全控整流及有源逆變電路的設計17</p><p>　　4 單相橋式

11、全控整流及有源逆變現象的觀察18</p><p>　　4.1 單相橋式全控整流的觀察18</p><p>　　4.2 單相橋式有源逆變的觀察18</p><p>　　4.3 逆變顛覆現象的觀察18</p><p>　　5 單相橋式全控整流及有源逆變的仿真19</p><p>　　5.1 Matlab軟件簡介

12、19</p><p>　　5.2 Simulink簡介20</p><p>　　5.3 單相橋式全控整流及有源逆變的仿真模型21</p><p>　　5.3.1 仿真模型模塊介紹21</p><p>　　5.3.2 仿真模型的設計24</p><p>　　5.3.3 仿真模型模塊的參數設置24</p&g

13、t;<p>　　5.4 模型仿真及仿真結果33</p><p>　　5.5 仿真過程中問題的解決及一些技巧39</p><p>　　5.5.1 如何根據原理建立仿真模型39</p><p>　　5.5.2 調試中參數設置方法39</p><p>　　5.5.3 創(chuàng)建模型的一些技巧40</p><p&

14、gt;<b>　　6 總結41</b></p><p>　　6.1 論文主要內容總結41</p><p>　　6.2 實驗過程總結41</p><p>　　6.3 仿真過程總結42</p><p>　　6.4 設計和開發(fā)方面的不足42</p><p><b>　　參考文獻43

15、</b></p><p><b>　　致 謝44</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　整流技術的發(fā)展概況</b></p><p>　　整流電路廣泛應用于工業(yè)中。整流與逆變一直都是電力電子技術的熱點之一。橋式整流是利用二極

16、管的單向導通性進行整流的最常用的電路，常用來將交流電轉變?yōu)橹绷麟?。從整流狀態(tài)變到有源逆變狀態(tài)，對于特定的實驗電路需要恰到好處的時機和條件。其基本理論與方法已成熟十幾年了，隨著我國交直流變換器市場的迅猛發(fā)展，與之相關的核心生產技術應用與研發(fā)必將成為業(yè)內企業(yè)關注的焦點。</p><p>　　目前，整流設備的發(fā)展具有如下特點：傳統(tǒng)的相控整流設備已經被先進的高頻開關整流設備所取代。系統(tǒng)的設計已經由固定式演變成模塊化，以適

17、應各種等級、各種規(guī)模通信設備的需求。系統(tǒng)的交流配電單元、直流配電單元和電池配電單元等，可以是獨立的屏（柜），與機架式整流設備組屏，也可以是獨立的模塊，安裝在機架式整流設備內?？梢越M成5000A以上的大系統(tǒng)，也可以組成幾十安培甚至更小的小系統(tǒng)。通信電源可以安裝在獨立的機房內，也可以安裝在通信設備機房內，甚至直接安裝到通信設備機架內。加上閥控式密封鉛酸蓄電池的廣泛應用，為分散供電創(chuàng)造了條件。從而大大提高了通信網運行的可靠性和通信質量。高頻開

18、關整流器采用了模塊化設計、N 1配置和熱插拔技術，方便了系統(tǒng)的擴容，有利于設備的維護。系統(tǒng)一般都配置了防雷保護和浪涌抑制，有效地防止了雷電沖擊和電壓的突變、尖峰干擾及開、關機浪涌，提高了電源系統(tǒng)的安全性和供電質量。電源設備的智能化設計和通信接口的設置，使電源系統(tǒng)的集中監(jiān)控成為可能。由于整流設備和配電設備等配備了微機監(jiān)控器，使系統(tǒng)具備了智能化管理功能和故障告警及自保護功能。新器件、新材料、新技術的應用，使高頻開關整流器躍上了新臺階<

19、/p><p><b>　　系統(tǒng)仿真概述</b></p><p>　　所謂系統(tǒng)仿真，就是根據系統(tǒng)分析的目的，在分析系統(tǒng)各要素性質及其相互關系的基礎上，建立能描述系統(tǒng)結構或行為過程的、且具有一定邏輯關系或數量關系的仿真模型，據此進行試驗或定量分析，以獲得正確決策所需的各種信息。它是一種對系統(tǒng)問題求數值解的計算技術。尤其當系統(tǒng)無法通過建立數學模型求解時，仿真技術能有效地來處理。

20、仿真是一種人為的試驗手段。它和現實系統(tǒng)實驗的差別在于，仿真實驗不是依據實際環(huán)境，而是作為實際系統(tǒng)映象的系統(tǒng)模型以及相應的“人造”環(huán)境下進行的。這是仿真的主要功能。仿真可以比較真實地描述系統(tǒng)的運行、演變及其發(fā)展過程。仿真的過程也是實驗的過程，而且還是系統(tǒng)地收集和積累信息的過程。尤其是對一些復雜的隨機問題，應用仿真技術是提供所需信息的唯一令人滿意的方法。對一些難以建立物理模型和數學模型的對象系統(tǒng)，可通過仿真模型來順利地解決預測、分析和評價等

21、系統(tǒng)問題。 通過系統(tǒng)仿真，可以把一個復雜系統(tǒng)降階成若干子系統(tǒng)以便于分析。)通過系統(tǒng)仿真，能啟發(fā)新的思想或產生新的策略，還能暴露出原系統(tǒng)中隱藏著的一些問題，以便及時解決。</p><p>　　單相橋式全控整流及有源逆變的工作原理</p><p><b>　　整流電路概述</b></p><p>　　整流電路是把交流電壓變換為單極性電壓的電路。大多

22、數整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動機的調速、發(fā)電機的勵磁調節(jié)、電解、電鍍等領域得到廣泛應用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20世紀70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負載之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。變壓器設置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實現交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網與整流電路之間的電隔離（可減小電網與電路間的電干擾和故障影響）。整流

23、電路是電力電子電路中最早出現的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?，應用十分廣泛，電路形式各種各樣。按其組成器件可分為不控整流電路、半控整流電路和全控整流電路。其中，半控整流電路和全控整流電路按其控制方式又可分為相控整流電路和斬波整流電路。相控整流電路由于采用電網換相方式，不需要專門的換相電路，因而電路簡單、工作可靠，得到廣泛應用。但相控整流電路在控制用α較大時，功率因數較低，網側電流諧波含量較大。因而在大功率調速傳動中，低速運行時，采用斬控整流

24、電路可解決功率因數變壞的問題。按電路結構可分為橋式電路和零式電路，按交流</p><p><b>　　有源逆變概述</b></p><p>　　逆變與整流相對應，直流電變成交流電。交流側接電網，為有源逆變。交流側接負載，為無源逆變。逆變電路的分類，根據直流側電源性質的不同，直流側是電壓源：電壓型逆變電路，又稱為電壓源型逆變電路，直流側是電流源：電流型逆變電路，又稱為電

25、流源型逆變電路，電壓型逆變電路，輸出電壓是矩形波。電流型逆變電路，輸出電流是矩形波。電壓型逆變電路的特點：直流側為電壓源或并聯大電容，直流側電壓基本無脈動。交流側輸出電壓為矩形波，輸出電流和相位因負載阻抗不同而不同。阻感負載時需提供無功功率。為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯反饋二極管。電流型逆變電路主要特點：直流側串大電感，電流基本無脈動，相當于電流源。交流側輸出電流為矩形波，與負載阻抗角無關。輸出電壓波形和相

26、位因負載不同而不同。直流側電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關器件反并聯二極管。</p><p>　　單相橋式全控整流電路的工作原理</p><p><b>　　工作原理</b></p><p>　　單相橋式全控整流電路圖如下圖所示：</p><p>　　圖2.1 單相橋式全控整流電路</p><p&

27、gt;　　該電路的特點是：要有電流通過阻感性電阻RL，必須有晶閘管VT1和VT3或VT2和VT4同時導通，由于晶閘管的單向導電性能，盡管u2是交流，但是通過阻感性電阻RL的電流id始終是單方向的直流電，其工作過程可分如下幾個階段：</p><p>　　階段1（0～ωt1）：這階段u2在正半周期，A點電位高于B點電位，晶閘管VT1和VT2反向串聯后與u2連接，VT1承受正向電壓為u2/2，VT2承受u2/2的方向電

28、壓；同樣VT3和VT4方向串聯后與u2連接，VT3承受u2/2的正向電壓，VT4承受u2/2的反向電壓。雖然VT1和VT3受正向電壓，但是尚未觸發(fā)導通，負載沒有電流通過，所以ud=0，id=0。</p><p>　　階段2（ωt1～π）：在ωt1時同時觸發(fā)VT1和VT3，由于VT1和VT3受正向電壓而導通，有電流經A點→VT1→R→VT3→變壓器B點形成回路。在這段區(qū)間里，ud=u2，id=iVT1=iVT3=i

29、2=ud/R。由于VT1和VT3導通，忽略管壓降，uVT1=uVT2=0，而承受的電壓為uVT2=uVT4=u2。</p><p>　　階段3（π～ωt2）：從ωt=π開始u2進入了負半周期，B點電位高于A點電位，VT1和VT3由于受反向電壓而關斷，這時VT1～VT4都不導通，各晶閘管承受u2/2的電壓，但VT1和VT3承受的是反向電壓，VT2和VT4承受正向電壓，負載沒有電流通過，ud=0，id=i2=0。&l

30、t;/p><p>　　階段4（ωt2～2π）：在ωt2時，u2電壓為負，VT2和VT4受正向電壓，觸發(fā)VT2和VT4導通，有電流經B點→VT2→R→VT4→A點，在這段區(qū)間里，ud=u2，id=iVT2=iVT4=i2=ud/R。由于VT2和VT4導通，VT2和VT4承受u2的負半周期電壓，至此一個周期工作完畢，下一個周期重復上述過程，單相橋式整流電路兩次脈沖間隔為180°。</p><

31、p>　　如果整流電路的負載電感較大，id波形將連續(xù)，電路的工作情況可分為電流上升和電流穩(wěn)定兩個階段。</p><p>　　在電流上升階段，ωt1（ωt=α）時，觸發(fā)VT1和VT3導通，id從0開始上升，由于電感較大，到ωt2（ωt=π+α）時，由于u2已經進入負半周期，VT2和VT4承受正向電壓，有脈沖即導通。VT2和VT4導通后，電路P點電位將高于A點，Q點電位低于B點，VT1和VT3承受反向電壓而關斷，

32、原來經由VT1和VT3的電流id改經VT2和VT4通過，這就是VT1和VT2換流，同時VT3和VT4換流，使電路進入第二個導通區(qū)間（ωt2～ωt3）。在第二個導通區(qū)間id將從VT1和VT3關斷和VT2和VT4開通時的電流繼續(xù)上升，電感的儲能增加。u2進入第二個周期，VT1和VT3承受正向電壓，受觸發(fā)即導通，使電路的P點電位高于B點，Q點電位低于A點，使VT2和VT4承受反向電壓而關斷，實現VT1和VT3與VT2和VT4的換流。如此經過幾

33、個導通周期，電感儲能達到飽和，即每個導通周期開始時的電流與終止時的電流相當，在第三個導通周期ωt3～ωt4，負載電流id進入了穩(wěn)定階段。在大電感情況下，id進入穩(wěn)定階段后電流的波動很小。在穩(wěn)定工作階段，兩組晶閘管交替導通，每組導通角為180°，通過晶閘管的電流是寬為180</p><p>　　如果控制角α=90°，整流輸出電壓ud的正負半周期面積相等，整流輸出電壓的平均值為0。并且若α＞90&

34、#176;，在u2的半周范圍內，觸發(fā)VT1和VT3或VT2和VT4，晶閘管能夠導通，但是晶閘管的導通角減小，而ud的正負半周面積相等，ud的平均值都為0，因此電感性負載時，控制角的有效移相控制范圍為0°≤α≤90°。</p><p>　　單相橋式全控整流電路波形如下圖所示：</p><p>　　圖2.2 單相橋式全控整流電路波形</p><p>

35、<b>　　參數計算</b></p><p><b>　　輸出平均電壓Ud：</b></p><p><b>　　輸出平均電流Id：</b></p><p>　　變壓器副邊繞組電流有效值I2：</p><p>　　流過晶閘管的電流有效值IT：</p><p&

36、gt;　　單相橋式全控有源逆變的工作原理</p><p><b>　　工作原理</b></p><p>　　逆變是將直流電變換成交流電。如果逆變后的交流電是直接提供給負載，成為無緣逆變；如果逆變后的交流電是送到交流電網，則稱為有源逆變。整流電路在滿足一定條件情況時，可以將直流側的電能經過整流器回送到交流側電源。在RL負載中，在負載電流的上升階段，交流電源經整流器向負載

37、提供電能，在負載電流的下降階段，id與ud反方向，是電感釋放儲能，釋放的儲能一部分在電阻中消耗，一部分則經整流器回饋到交流電源。RL負載電感的儲能是有限的，即使R=0、α=90°時，電感也只能使儲存和釋放的電能相等。但是如果整流器的負載中含有直流電動勢E，情況就不同了，直流電動勢可以源源不斷的提供直流電能，并通過整流器轉化為交流電回饋電網，這就是可控整流器的有源逆變工作狀態(tài)。</p><p>　　在有源

38、逆變狀態(tài)，直流電源E要經整流器向交流電源回饋電能，由于整流器只能單方向輸出電流，因此直流電源要輸出電能，電動勢E的方向必須和整流器輸出電流的方向相同，同時為使整流器能從直流電動勢E吸取電能，整流器輸出電壓Ud的極性也要與整流狀態(tài)時相反。這就是說，如果整流器工作在整流狀態(tài)時，Ud極性為上“﹢”下“﹣”，對RLE負載有α＜90°；在整流器工作于有源逆變狀態(tài)時，Ud極性應為上“﹣”下“+”，對RLE負載應有α＞90°，這樣

39、電流Id從E的“+”端流出，從整流器“+”流入，電能才能從直流電源輸出，并經整流器回饋交流電網。因此整流器工作于有源逆變的條件可以歸結如下：</p><p>　　整流器負載含有直流電動勢，電動勢E的方向與整流器電流Id的方向相同；整流器的控制角α＞90°，整流器輸出電壓反向，且Ud應略小于直流電動勢E。</p><p>　　半控橋式整流電路和負載側帶有續(xù)流二極管的整流電路，由于二

40、極管短路了直流電動勢E，故不能工作于有源逆變狀態(tài)，因此需要工作于有源逆變狀態(tài)的整流器必須是全控整流電路。并且如果在有源逆變時，整流器控制角α＜90°，則Ud極性沒有改變，Ud和E將順向連接，在負載回路將產生很大電流Id，Id=（E+Ud）/R，這時直流電動勢和整流器同時輸出電能，不僅電流很大，并且該電能消耗在負載回路的電阻上，這種情況一般是不允許的，要防止這種狀態(tài)出現。</p><p>　　為了反映整流

41、電路的整流和逆變兩種不同的工作狀態(tài)，設置了逆變角β，且令β=180°－α。當整流電路工作于整流狀態(tài)時，0°≤α≤90°，相應的90°≤β≤180°。當整流電路工作于逆變狀態(tài)時，0°≤β≤90°，相應的90°≤α≤180°。</p><p><b>　　換相重疊角</b></p><p

42、>　　在整流電路的分析中，認為晶閘管的導通和關斷是瞬時完成的，實際上電力電子器件的導通和關斷都需要一定的時間。整流交流電源如果來自整流變壓器，變壓器有漏抗；如果整流器直接連接電網，為了限制可能的短路電流，大功率整流器交流側也需要連接進線電抗器。由于電流不能突變，這些電感的存在，限制了晶閘管在導通和關斷時的電流上升和下降速度，使晶閘管之間換流需要一定時間來完成，在相控電路中，換流時間以換流重疊角γ來表示。在換流過程中，整流器輸出電壓

43、為換流的二相交流相電壓之和的二分之一。在重疊換流期間，整流輸出電壓較不考慮重疊換流時的輸出電壓要小些，即產生了換相中的電壓降。</p><p><b>　　逆變顛覆的概述 </b></p><p>　　在考慮交流電源電抗后，在整流電路有源逆變時，如果β很小，則整流電路不能正常換相。由于交流電源電抗產生了重疊換流時間，使換流不能瞬時完成在ωt4時觸發(fā)VT2，由于交流電源

44、電抗產生了重疊換流時間，使換流不能瞬時完成，在重疊換流時間內已經有ua＞ub，因此在換流結束后仍應是VT1繼續(xù)導通，VT2并不能導通，使換流不能成功。并且ua進入正半周后，直流電動勢E和ua順向串聯，整流器輸出電流迅速增加超過額定允許范圍，輕則使過電流保護跳閘，重則燒壞晶閘管或快速熔斷器，這就是“逆變顛覆”現象。</p><p><b>　　最小逆變角限制</b></p>&l

45、t;p>　　為了避免逆變顛覆現象，不能使β太小，需要對最小逆變角進行限制，以確保電路能正常換流。一般取最小逆變角βmin為</p><p>　　βmin=δ + γ + θ'</p><p>　　式中：δ為晶閘管關斷時間tq折合的電角度，γ為換流重疊角，θ'為安全裕量角，考慮以上因素，βmin一般在30°到35°左右，βmin太小，將影響整流器的安

46、全運行；βmin太大，將使逆變時輸出電壓過低，影響有源逆變的效率。</p><p>　　逆變顛覆現象還可能發(fā)生在電源缺相，晶閘管或快速熔斷器損害，晶閘管觸發(fā)脈沖丟失等情況下，一旦發(fā)生這些情況，整流器在有源逆變時都不能正常換流而造成逆變顛覆，因此工作在有源逆變狀態(tài)時，整流電路的可靠性是需要重視的。</p><p>　　晶閘管整流電路的觸發(fā)控制</p><p>　　晶閘

47、管導通需要正向電壓和觸發(fā)脈沖兩個條件，在整流電路中主要分析了正向電壓條件，而對觸發(fā)脈沖是認為召之即來揮之即去的，需要時就能有，實際上觸發(fā)脈沖需要有相應的電路產生，這就是觸發(fā)電路。對觸發(fā)電路的基本要求是：能產生晶閘管觸發(fā)信號，信號有一定強度，滿足晶閘管門極驅動條件。觸發(fā)脈沖的形狀，能使晶閘管快速導通和可靠關斷；觸發(fā)信號能移相控制，即改變脈沖的控制角；觸發(fā)信號在需要晶閘管導通時產生，即觸發(fā)電路產生脈沖與整流電路的需要兩者間要步調一致。滿足這

48、些要求的信號都可以用于晶閘管的觸發(fā)，因此晶閘管的觸發(fā)電路從簡單的RC移相到復雜的電路都有。</p><p>　　鋸齒波移相觸發(fā)電路如下圖所示：</p><p>　　圖2.3 鋸齒波移相觸發(fā)電路</p><p>　　圖2.4 觸發(fā)電路各點波形</p><p><b>　　鋸齒波的形成</b></p><

49、p>　　在輸入的同步電壓uT負半周，D1導通，A點電位為負，鉗制了T2基極電位，使T2截止，且電容C1充電。在uT變正時，D1截止，C1經R1反向充電，A點電位從負逐步上升，C1延緩了A點電位變正的時間，其目的是拓寬生成鋸齒波的寬度，T2截止時C2充電生成鋸齒波，選擇R1、C1的參數可以使鋸齒波寬度達到240°。</p><p>　　在T2截止時，電容C2經+15V→RP1→R3→T1充電，B點電

50、位逐步提高，在T2導通時，C2經T2迅速放電，在B點形成鋸齒波。穩(wěn)壓管DW1和T1組成恒流電路，從而調節(jié)鋸齒波的斜率。鋸齒波在uT過0變負，T2截止時開始上升，因此鋸齒波和uT同步。T3，R5組成射極跟隨器，以增強帶動后級負載的能力。</p><p><b>　　移相控制</b></p><p>　　R6、R7、R8、T4組成移相控制電路，在移相控制電壓Uc=0時，負

51、偏置電壓Up和鋸齒波信號疊加，使鋸齒波下移，調節(jié)了鋸齒波的過零點，用以整定脈沖的初始相位。初始相位是整流電路輸出電壓Ud=0時的控制角α大小。如果Uc≠0，若Uc為正，鋸齒波過零點前移，對應控制角α減?。蝗鬠c為負，則鋸齒波的過零點后移，對應控制角α增加，因此調節(jié)Uc可以實現相位控制。該觸發(fā)電路移相范圍可達240°，一般只使用中間線性度較好的180°區(qū)間，就可以滿足整流和逆變的脈沖移相控制要求。</p>

52、<p><b>　　脈沖形成</b></p><p>　　R9、C3、T4組成脈沖形成電路。在T4基極電位為負時，T4截止，D點呈高電平。在C點電位為正時，T4導通，鉗制D點為零電平。D點電位的負跳變，經電容C3耦合，在T5基射極間形成一個負的尖脈沖，峰值約為-15V，負的尖脈沖使T5截止。在T5截止期間，T5基極呈高電平，在T5導通時，F點被鉗制在約-15V，形成一個矩形脈沖，

53、推動了后級功放輸出。</p><p><b>　　脈沖輸出</b></p><p>　　復合管T7、T8組成功放輸出電路。T5輸出的脈沖使T7、T8導通，脈沖變壓器Tp原邊有脈沖電流產生，其副邊感應相應的脈沖輸出，去觸發(fā)連接的晶閘管。脈沖變壓器的作用是隔離觸發(fā)電路和晶閘管主電路，使觸發(fā)電路和晶閘管主電路沒有電的聯系。D7、R14用于吸收T7、T8關斷時，變壓器繞組產生

54、的di/dt。</p><p>　　D8、D9用于減少干擾信號對觸發(fā)的影響，R16是限流電阻。</p><p>　　單相橋式全控整流及有源逆變電路的設計</p><p><b>　　選擇整流電路</b></p><p>　　整流電路的選擇應根據電源情況及裝置的容量來確定。一般情況下，裝置容量在5kW以下，多采用單相橋式整

55、流電路；裝置容量在5kW以上，額定直流電壓有較高時，多采用三相橋式整流電路。</p><p>　　整流電路選擇的原則：整流器開關元件的電流容量和電壓容量必須得到充分利用；整流器直流側的紋波越小越好，以減小整流直流電壓的脈沖分量，從而可以完全省去或減少平波電抗器的容量；應使整流器引起的網側諧波電流，特別是幅值較高的低次諧波電流越小越好，以保證整流器有較高的功率因數和減小對電網的干擾；整流變壓器的容量應得到充分利用，

56、要求變壓器的等值容量S盡可能的接近直流容量P，并避免產生的磁通直流分量。</p><p>　　計算整流變壓器的參數</p><p>　　整流變壓器參數的計算有：變壓器二次側線電壓、電流的計算；變壓器一次側線電壓的確定及線電流的計算；變壓器一次側、二次側容量計算及等值容量的計算。</p><p><b>　　選用冷卻系統(tǒng)</b></p>

57、;<p>　　冷卻系統(tǒng)設計包括發(fā)熱計算和冷卻系統(tǒng)的選用。</p><p>　　開關元件的選用與計算</p><p>　　開關元件的參數計算及選用原則：計算每橋臂器件的正反工作峰值電壓；計算每橋臂器件的電流；根據整流器的用途、使用場合及特殊要求，確定電流和電壓的安全裕量系數；根據提供的器件參數，綜合技術經濟指標選用器件或決定器件的串并聯數量。</p><p&

58、gt;<b>　　保護系統(tǒng)的設計</b></p><p>　　保護系統(tǒng)是整流器裝置的重要組成部分，其功能是在線監(jiān)測裝置各點的電流、電壓參數時，及時發(fā)現并切除故障，防止故障進一步擴大。保護系統(tǒng)主要包括過電壓、過電流和負載短路保護，以及抑制電壓電流上升率。</p><p>　　主要部件和器件的計算及選用</p><p>　　主要部件和器件的計算及選

59、用主要包括：平波電抗器的計算；觸發(fā)器的選用；確定電壓、電流檢測方式；電壓調節(jié)器設計。</p><p>　　單相橋式全控整流及有源逆變電路的設計</p><p>　　經上述分析，設計出單相橋式整流及有源逆變電路圖，如下圖所示：</p><p>　　圖3.1 單相橋式全控整流及有源逆變電路圖</p><p>　　單相橋式全控整流及有源逆變現象的觀

60、察</p><p>　　單相橋式全控整流的觀察</p><p>　　將MCL-Ⅱ型實驗臺上“觸發(fā)選擇開關”撥至“鋸齒波”，同步變壓器原邊繞組接220V交流電壓。將鋸齒波觸發(fā)電路的輸出脈沖端分別接至全控橋中相應晶閘管的門極和陰極，并將主控制屏上的Ⅰ組橋觸發(fā)脈沖開關撥向“斷開”或使Ublf開路不接線。</p><p>　　調節(jié)鋸齒波觸發(fā)電路中的移相調節(jié)電位器RP1，使U

61、ct= 0，調節(jié)偏移電位器RP2，使α= 150°。保持Ub不變，逐漸增加Uct，在α= 0°~90°的范圍內，做單相橋式全控整流電路帶電阻電感負載實驗，在α=30°，60，90°時，用示波器觀察、記錄整流電壓ud、晶閘管兩端電壓uT的波形，并記錄U2、Ud的數值。</p><p>　　單相橋式有源逆變的觀察</p><p>　　斷開電源，

62、將開關S撥向有源逆變直流電源端，調節(jié)Uct，將α移至150°。合上主電路電源，在α=90°，120°，150°時，用示波器觀察并記錄ud、uT的波形，并記錄U2、Ud的數值。</p><p>　　表4.1 實驗數據表</p><p><b>　　逆變顛覆現象的觀察</b></p><p>　　調節(jié)Uct，

63、使α=150°，合上主電路電源，觀察ud波形。繼續(xù)減小Uct，此時可觀察到逆變輸出突然變?yōu)橐粋€正弦波，表明逆變顛覆。當關斷電源開關，使脈沖消失，此時，也將產生逆變顛覆。用示波器觀察逆變顛覆現象，記錄逆變顛覆時的ud波形。</p><p>　　單相橋式全控整流及有源逆變的仿真</p><p>　　MATLAB軟件簡介</p><p>　　MATLAB軟件界面

64、圖MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數學軟件，用于算法開發(fā)、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。</p><p>　　MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數學軟件。它在數學類科技應用軟件中在數值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪

65、制函數和數據、實現算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。</p><p>　　MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，FORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點,使MATLAB成為一個

66、強大的數學軟件。在新的版本中也加入了對C，FORTRAN，C++ ，JAVA的支持。可以直接調用,用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到MATLAB函數庫中方便自己以后調用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。</p><p>　　MATLAB 產品可以用來進行數值分析、數值和符號計算、工程與科學繪圖、控制系統(tǒng)的設計與仿真、數字圖像處理技術、數字信號處理技術、通訊系統(tǒng)設

67、計與仿真、財務與金融工程。 </p><p>　　MATLAB 的應用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設計、測試和測量、財務建模和分析以及計算生物學等眾多應用領域。附加的工具箱（單獨提供的專用 MATLAB 函數集）擴展了MATLAB環(huán)境，以解決這些應用領域內特定類型的問題。</p><p>　　此高級語言可用于技術計算、此開發(fā)環(huán)境可對代碼、文件和數據進行管理、交互式工具可以

68、按迭代的方式探查、設計及求解問題、數學函數可用于線性代數、統(tǒng)計、傅立葉分析、篩選、優(yōu)化以及數值積分等、二維和三維圖形函數可用于可視化數據、各種工具可用于構建自定義的圖形用戶界面、各種函數可將基于MATLAB的算法與外部應用程序和語言（如 C、C++、Fortran、Java、COM 以及 Microsoft Excel）集成、不支持大寫輸入，內核僅僅支持小寫。</p><p>　　Simulink簡介</p

69、><p>　　Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于Si

70、mulink。</p><p>　　Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simu

71、link提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結果。</p><p>　　Simulink是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領域仿真和基于模型的設計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿真、執(zhí)

72、行和測試。構架在Simulink基礎之上的其他產品擴展了Simulink多領域建模功能，也提供了用于設計、執(zhí)行、驗證和確認任務的相應工具。Simulink與MATLAB&reg; 緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數和測試數據的定義。</p><p>　　Simulink具有豐富的可擴充的預定義模塊庫，交互式的圖形編輯

73、器來組合和管理直觀的模塊圖，以設計功能的層次性來分割模型，實現對復雜設計的管理，通過Model Explorer 導航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號、參數、屬性，生成模型代碼，提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成，使用Embedded MATLAB 模塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調用MATLAB算法，使用定步長或變步長運行仿真，根據仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid Accelerat

74、or)來決定以解釋性的方式運行或以編譯C代碼的形式來運行模型，圖形化的調試器和剖析器來檢查仿真結果，診斷設計的性能和異常行為，可訪問MATLAB從而對結果進行分析與可視化，定制建模環(huán)境，定義信號參數和測試數據，模型分析和診斷工具來保證模型的一致性，確定模型中的錯誤。</p><p>　　單相橋式全控整流及有源逆變的仿真模型</p><p><b>　　仿真模型模塊介紹</b

75、></p><p><b>　　交流電源</b></p><p>　　圖5.1 交流電源圖標</p><p>　　提取路徑：Simulink\SimPoweSystem\Electrical Sources\AC Voltage Source</p><p><b>　　直流電源</b><

76、;/p><p>　　圖5.2 直流電源圖標</p><p>　　提取路徑：Simulink\SimPoweSystem\Electrical Sources\DC Voltage Source</p><p><b>　　變壓器</b></p><p>　　圖5.3 變壓器圖標</p><p>　　提

77、取路徑：Simulink\SimPoweSystem\Elements\Linear Transformer</p><p><b>　　晶閘管</b></p><p>　　圖5.4 晶閘管圖標</p><p>　　提取路徑：Simulink\SimPoweSystem\Power Electronics\Thyristor</p>

78、<p>　　脈沖信號發(fā)生器 </p><p>　　圖5.5 脈沖信號發(fā)生器圖標</p><p>　　提取路徑：Simulink\Simulink\Sources\Pulse Generator</p><p><b>　　負載電阻</b></p><p>　　圖5.6 負載電阻圖標</p>

79、<p>　　提取路徑：Simulink\SimPoweSystem\Elements\Series RLC Branch</p><p><b>　　電壓測量</b></p><p>　　圖5.7 電壓測量圖標</p><p>　　提取路徑：Simulink\SimPoweSystem\Measurements\Voltage M

80、easurement</p><p><b>　　電流測量</b></p><p>　　圖5.8 電流測量圖標</p><p>　　提取路徑：Simulink\SimPoweSystem\Measurements\Current Measurement</p><p><b>　　選路器</b>&l

81、t;/p><p>　　圖5.9 選路器圖標</p><p>　　提取路徑：Simulink\Simulink\Signal Routing\Selector</p><p><b>　　示波器</b></p><p>　　圖5.10 示波器圖標</p><p>　　提取路徑：Simulink\Simu

82、link\Sinks\Scop</p><p><b>　　仿真模型的設計</b></p><p>　　將單相橋式全控整流電路的Matlab仿真模型的負載端添加一直流電源DC100V即成為單相橋式全控整流及有源逆變仿真模型。如下圖所示：</p><p>　　圖5.11 單相橋式全控整流及有源逆變仿真模型</p><p>

83、　　仿真模型模塊的參數設置</p><p>　　對于工業(yè)交流電，其頻率f=50Hz，周期T=1/f=1/50=0.02s，半周期T/2=0.01s。</p><p><b>　　交流電源 </b></p><p>　　正弦交流電壓的模塊的參數設置對話框如圖所示，參數“Peak amplitude”是正弦電壓峰值振幅，單位為伏特（V）；參數“Ph

84、ase”是正弦電壓的初相角，單位為度（°）；參數“Frequency”是正弦電壓的角頻率對于的頻率f，單位為赫茲（Hz）；參數“Sample time”是采樣時間，單位為秒（s），默認值0標識交流電源為連續(xù)源；在測量“Measurement”下拉選擇欄里選測量電壓還是不測電壓。</p><p>　　在參數設置對話框中設置如下：</p><p>　　“Peak amplitude”

85、幅值設置為220V，</p><p>　　“Phase”初相角設置為0度，</p><p>　　“Frequency”頻率設置為50Hz，</p><p>　　“Sample time”采樣時間設置為0（默認值0表示該交流電源為連續(xù)源）</p><p>　　圖5.12 交流電壓的模塊的參數設置對話框</p><p>&

86、lt;b>　　直流電源</b></p><p>　　參數設置對話框，圖中只有兩項參數設置內容，“Amplitude”欄下輸入其直流電壓幅值，單位為伏特（V），在測量“Measurement”下拉選擇欄里選擇測量電壓還是不測。</p><p>　　在參數設置對話框中設置如下：</p><p>　　“Amplitude”直流電源設置為220V</

87、p><p>　　圖5.13 直流電壓的模塊的參數設置對話框</p><p><b>　　RLC元件</b></p><p>　　在RLC元件參數設置對話框里，“Btanch type”右側的下拉窗口，可選擇RLC元件的各種組合；在參數“Resistance”下的空白窗口里，輸入電阻的歐姆數；在“Inductance”下輸入電感的亨利數；在“Capa

88、citance”下輸入電容的法拉數；還可以在“Set the initial inductor current”前的空白窗口里選即設置電感的初始電流，在“Set the initial capacitor voltage”前的空白窗口里勾選即設置電容的初始電壓，并在“Measurements”右側下拉的窗口對RLC支路進行電壓和電流的測量：Branch voltage、Branch current、Branch voltage and

89、current或不測量：None。</p><p>　　在參數設置對話框中設置如下：</p><p>　　“ Branch type”設置為RL，</p><p>　　“ Resistance”設置為2Ω，</p><p>　　“ Inductance”設置為0.01H</p><p>　　圖5.14 RLC元件的模塊

90、的參數設置對話框</p><p><b>　　晶閘管</b></p><p>　　晶閘管的模型圖標如圖所示，晶閘管模型有兩個輸入端與兩個輸出端，第一個輸入端與輸出端是晶閘管的陽極端（a）與陰極端（k）。第二個輸入端（g）是門極控制信號端，當勾選“Show measurement port”項時便顯示第二個輸出端（m），這是晶閘管檢測輸出向量端，可連接相應的儀表，檢測流

91、經晶閘管的電流與晶閘管正向管壓降。其參數設置對話框中，“Resistance Ron”晶閘管導通電阻，“Inductance Lon”晶閘管內電感，當電感參數設為0時，電阻參數不能同時設為0；當電阻參數設為0時，電感參數也不同時為0。“Forward voltage Vf”晶閘管門檻電壓，“Initial current Ic”初始電流，“Snubber resistance Rs”吸收電阻，“Snubber capacitance C

92、s”吸收電容。</p><p>　　在參數設置對話框中設置如下：</p><p>　　“Resistance Ron”設置為0.001，</p><p>　　“Induction Lon”設置為0，</p><p>　　“Forward voltage”設置為0.8，</p><p>　　“Initial curren

93、t Ic”設置為0，</p><p>　　“Snubber resistance Rs”設置為10，</p><p>　　“Snubber capacitance Cs”設置為1.7e-6</p><p>　　圖5.15 晶閘管的模塊的參數設置對話框</p><p><b>　　脈沖信號發(fā)生器</b></p>

94、<p>　　脈沖信號發(fā)生器是以矩形方波信號發(fā)生器，且為矩形方波前沿觸發(fā)方式，可用于觸發(fā)電力電子器件，如晶閘管等。它是信號發(fā)生器，不需要任何輸入信號激勵。在參數設置對話框中，“Pulse type”脈沖類型，有Time based與Sample based兩種可供選擇，“Time”時間，有Use simulation time與Use external signal兩種可供選擇，“Amplitude”脈沖幅值，“Period

95、”周期，“Pulse Width”脈沖寬度，“Phase delay”相位延遲。當選擇Use simulation time時，可勾選“Interpret vector parameters as 1-D”即解釋向量參數為一維的，當選擇use external signal時，則無此勾選項。</p><p>　　在參數設置對話框中設置如下：</p><p>　　“Pulse type”設置

96、為Time based，</p><p>　　“Time”設置為Use simulation time，</p><p>　　“Amplitude”設置為1.1，</p><p>　　“Period”設置為0.02，</p><p>　　“Pulse Width”設置為0.001</p><p>　　Pulse1參數對

97、話框，其中相位延遲Phase delay的設置，按關系t=αT/360°，對電網交流電T=0.02s，當α=60°時，t=0.00333s；當α=120°時，t=0.00667s，以此類推。</p><p>　　當對α=30°仿真時，對Pulse1，相位延遲Phase delay設置為t=αT/360°=0.00166s，對Pulse2，相位延遲設置為0.01+0

98、.00166=0.01166s，</p><p>　　當對α=60°仿真時，對Pulse1，相位延遲Phase delay設置為t=αT/360°=0.00333s，對Pulse2，相位延遲設置為0.01+0.00333=0.01333s，</p><p>　　當對α=90°仿真時，對Pulse1，相位延遲Phase delay設置為t=αT/360°

99、;=0.005s，對Pulse2，相位延遲設置為0.01+0.005=0.015s，</p><p>　　當對α=120°仿真時，對Pulse1，相位延遲Phase delay設置為t=αT/360°=0.00667s，對Pulse2，相位延遲設置為0.01+0.00667=0.01667s，</p><p>　　當對α=150°仿真時，對Pulse1，相位延

100、遲Phase delay設置為t=αT/360°=0.00833s，對Pulse2，相位延遲設置為0.01+0.00667=0.01833s。</p><p>　　圖5.16 脈沖信號發(fā)生器的模塊的參數設置對話框</p><p><b>　　電壓測量</b></p><p>　　電壓測量模型用于測量電路兩節(jié)點之間的電壓，其模型圖標如圖

101、所示，模型圖標有兩個標有極性的輸入端，既可用來測量直流電壓，也可測交流電壓。模型圖標一個輸出端v，既可用來連接示波器，也可用來連接實時數字顯示表。當測量交流時，如果沒按規(guī)定正方向連接，波形會反向，數字儀表會帶負號，參數設置對話框中，“Output signal”用于設置輸出信號形式，可選擇Complex（復數），Real-Imag（實部-虛部），Magnitude-Angle（幅值-相角），Magnitude（幅值）等項，前三種是復數量

102、，幅值則是一個標量信號。當電壓測量用于測量相量的仿真結果時，則需進行必須的設置，即在仿真的模型結構圖中，添設Powergui模型并選擇“Phasor simulation”相量仿真。</p><p>　　在參數設置對話框中設置如下：</p><p>　　“Output signal”設置為Complex</p><p>　　圖5.18 電壓測量的模塊的參數設置對話框

103、</p><p><b>　　電流測量</b></p><p>　　電流測量模型相當于一個分流器，用于測量流經電路，系統(tǒng)或連接線中的電流，參數設置對話框中，“Output signal”用于設置輸出信號形式，可選擇Complex（復數）、Real-Imag（實部-虛部）、Magnitude-Angle（幅值-相角）、Magnitude（幅值）等項，前三種是復數量，幅值

104、則是一個標量信號。</p><p>　　在參數設置對話框中設置如下：</p><p>　　“Output signal”設置為Complex</p><p>　　圖5.19 電流測量的模塊的參數設置對話框</p><p><b>　　選路器</b></p><p>　　選路器也叫選擇開關，是mat

105、lab仿真庫中的一個重要模塊，圖標如圖所示，左側小黑方塊與小白方塊之和是其輸入信號的個數或路數（即是參數“Elements”中設置數組的維數），右側小黑方塊與左側小黑方塊有連線者表示信號連通，即左側輸入送向右側輸出，左側沒有連線者一定是小白方塊。在參數設置對話框中，“Input type”輸入信號類型，可選擇Vector（向量）與Matrix（矩陣），一般都是向量輸入，“Index mode”基數標志模式，可選擇Zero-based（零

106、基）與One-based（一基）來進行數數，零基，即第一個數從0開始計數。一基，即第一個數從1開始計數?！盨ource of element indeces“輸入向量元素源，可選擇Internal（內部）與External（外部）“Elements”輸入向量全部元素中元素順序號，并用數組的形式設置，數組的維數是右側小黑方塊數即輸出信號的個數。數組的元素順序號，可按“零基”或按“一基”計數，只有元素源選擇Internal才有效。</

107、p><p>　　在參數設置對話框中設置如下：</p><p>　　“ Input type”設置為Vector，</p><p>　　“ Index mode”設置為One-based，</p><p>　　“ Source of element indices”設置為Internal，</p><p>　　“ Eleme

108、nts”設置為[2]，</p><p>　　“ Input port width”設置為2</p><p>　　圖5.20 選路器的模塊的參數設置對話框</p><p><b>　　示波器</b></p><p>　　在示波器的參數設置對話框中，有兩張標簽頁，“General”（一般參數設置）和“Data history

109、”（數據存儲參數設置）。</p><p>　　“General”主要是針對示波器窗口坐標系與曲線顯示方面的。“Axes”欄下的“Number of axes”為示波器窗口內的坐標系個數，默認設置為1；當設置為2時，相應模型結構圖中的示波器圖標的輸入端就變成兩個輸入端口。“Time range”欄位信號顯示從0開始的時間區(qū)間，默認設置為10，若設置為n，則信號顯示的時間區(qū)間為[0，n]；“Tick labels”下

110、拉三個選項：“all”為坐標系標注標識“Time offset 0”，“none”為坐標系不標注標識“Time offset 0”，“bottom axis only”為坐標系底部標注標識“Time offset 0”，實際上與“all”選項相同?！癴loating scope”欄被勾選時，則示波器為游離狀態(tài)，模型結構圖中示波器圖標的輸入端將與系統(tǒng)模型的連線會斷開?！癝ampling”下拉菜單有兩個選項：其一，”Decimation“設

111、置數據的顯示頻度，1為默認設置，表示每點都顯示，設置為n時，則為隔（n-1）點顯示一次；其二，”Sample time“設置顯示點的采樣時間間隔，默認設置為0，意為顯示連續(xù)信號，設置為-1，</p><p>　　“Data history”主要是針對示波器數據存儲與傳送方面的。”Limit data points to last”欄設置緩沖區(qū)存儲數據的長度，默認設置為5000。若輸入的數據過多時，則會自動清除空間