單相橋式晶閘管有源逆變電路設(shè)計(jì)反電勢阻感負(fù)載

1、 南京信息工程大學(xué)單相橋式晶閘管有源逆變電路指導(dǎo)老師：趙益波 摘要 本文對單相橋式晶閘管有源逆變電路為介紹對象，介紹了單相橋式晶閘管有源逆變電路的工作原理，在此基礎(chǔ)上用軟件分別對電路進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對單相橋式晶閘管有源逆變電路的仿真。一、緒論1.1整流技術(shù)的發(fā)展概況正電路廣泛應(yīng)用于工業(yè)中。整流與逆變一直都是電力電子技術(shù)的熱點(diǎn)之一。橋式整流是利用二極管的單向?qū)ㄐ赃M(jìn)行整流的最常用的電路。常用來將交流電轉(zhuǎn)化為直流電。從整流狀態(tài)變到有源逆變狀態(tài)，對于特定的實(shí)驗(yàn)電路需要恰到好處的時(shí)機(jī)和條件。基本原理和方法已成熟十幾年了，隨著我國交直流變換器市場迅猛發(fā)展，與之相應(yīng)的核型技術(shù)應(yīng)用于發(fā)展比較將成為業(yè)內(nèi)

2、企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。目前，整流設(shè)備的發(fā)展具有下列特點(diǎn)：傳統(tǒng)的相控整流設(shè)備已經(jīng)被先進(jìn)的高頻開關(guān)整流設(shè)備所取代。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)由固定式演化成模塊化，以適應(yīng)各種等級、各種模塊通信設(shè)備的要求。加上閥控式密封鉛酸蓄電池的廣泛應(yīng)用，為分散供電創(chuàng)造了條件。從而大大提高了通信網(wǎng)運(yùn)行可靠和通信質(zhì)量。高頻開關(guān)整流器采用模塊化設(shè)計(jì)、N1配置和熱插撥技術(shù)，方便了系統(tǒng)的擴(kuò)展，有利于設(shè)備的維護(hù)。由于整流設(shè)備和配電設(shè)備等配備了微機(jī)監(jiān)控器，使系統(tǒng)設(shè)備具有了智能化管理功能和故障保護(hù)及自保護(hù)功能。新旗艦、新技術(shù)、新材料的應(yīng)用，使高頻開關(guān)整流器躍上了一個(gè)新臺(tái)階。1.2 系統(tǒng)仿真概述 1、基本概念所謂系統(tǒng)仿真（system simula

3、tion），就是根據(jù)系統(tǒng)分析的目的，在分析系統(tǒng)各要素性質(zhì)及其相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立能描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或行為過程的、且具有一定邏輯關(guān)系或數(shù)量關(guān)系的仿真模型，據(jù)此進(jìn)行試驗(yàn)或定量分析，以獲得正確決策所需的各種信息。 2、系統(tǒng)仿真的實(shí)質(zhì)(1)它是一種對系統(tǒng)問題求數(shù)值解的計(jì)算技術(shù)。尤其當(dāng)系統(tǒng)無法通過建立數(shù)學(xué)模型求解時(shí)，仿真技術(shù)能有效地來處理。 (2)仿真是一種人為的試驗(yàn)手段。它和現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的差別在于，仿真實(shí)驗(yàn)不是依據(jù)實(shí)際環(huán)境，而是作為實(shí)際系統(tǒng)映象的系統(tǒng)模型以及相應(yīng)的“人造”環(huán)境下進(jìn)行的。這是仿真的主要功能。 3、系統(tǒng)仿真的作用(1)仿真的過程也是實(shí)驗(yàn)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

4、復(fù)雜的隨機(jī)問題，應(yīng)用仿真技術(shù)是提供所需信息的唯一令人滿意的方法。 (2)對一些難以建立物理模型和數(shù)學(xué)模型的對象系統(tǒng)，可通過仿真模型來順利地解決預(yù)測、分析和評價(jià)等系統(tǒng)問題。 (3)通過系統(tǒng)仿真，可以把一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)降階成若干子系統(tǒng)以便于分析。 (4)通過系統(tǒng)仿真，能啟發(fā)新的思想或產(chǎn)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(shí)解決。4、系統(tǒng)仿真的方法系統(tǒng)仿真的基本方法是建立系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型和量化分析模型，并將其轉(zhuǎn)換為適合在計(jì)算機(jī)上編程的仿真模型，然后對模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。由于連續(xù)系統(tǒng)和離散(事件)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型有很大差別，所以系統(tǒng)仿真方法基本上分為兩大類，即連續(xù)系統(tǒng)仿真方法和離散系統(tǒng)仿真方法

5、。在以上兩類基本方法的基礎(chǔ)上，還有一些用于系統(tǒng)(特別是社會(huì)經(jīng)濟(jì)和管理系統(tǒng))仿真的特殊而有效的方法，如方法、蒙特卡洛法等。 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法通過建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型(流圖等)、利用DYNAMO在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)對真實(shí)系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)，從而研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和行為之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。二、單相橋式全控整流及有源逆變的原理2.1 整流電路的概述 整流電路（rectifying circuit）把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流和濾波器等組成。它在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20世紀(jì)70年代以后，主電路多用硅整流

6、二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除脈動(dòng)直流電壓中的交流成分。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離。2.2 有源逆變的概述逆變與整流相對應(yīng)，直流電變成交流電。交流測接電網(wǎng)，為有源逆變。交流側(cè)接負(fù)載，為無源逆變。有源逆變的條件：負(fù)載側(cè)存在一個(gè)直流電源E，由他提供能量，其電勢極性與變流器的整流電壓相反，對晶閘管為正向偏置電壓；變流器在起直流側(cè)輸出應(yīng)有一個(gè)與原整流電壓相反的逆變電壓U，其平均值U<E，以吸收能量，并將其能量饋送給交流電源。逆變電路的分類，根據(jù)直流側(cè)的電源的性質(zhì)不同，直流側(cè)是電流源

7、，電流型逆變電路，又稱為電流型逆變電路；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(diǎn)：輸出電流波形隨負(fù)載而變；只有單方向傳遞功率的功能；故障電流較難抑制。2.3逆變失敗原因及消除方法有源逆變失敗（逆變顛覆）是指逆變時(shí)，一旦換相失敗，外接直流電源就會(huì)通過晶閘管電路短路，或使變流器的輸出平均電壓和直流電動(dòng)勢變成順向串聯(lián)，形成很大短路電流。防止逆變失敗的方法：采用精確可靠的觸發(fā)電路，使用性能比較好的的晶閘管，保證交流電源的質(zhì)量，流出足夠的的換向裕量角等。三、參數(shù)計(jì)算由題意得 U2=50V =35。 P=200W E = -70VUd=0.9U2cos（ -）

8、=0.9×50×cos145。= -36.86 V ·······Id=（Ud-E）/R ···································

9、······· P=|EId|-Id2R·········································

10、;···聯(lián)立、得R = 6.199 Id = 5.35A晶閘管原件的額定電壓為U2=70.71V,取23倍的安全儲(chǔ)備電壓，并考慮晶閘管額定電壓系取200V.晶閘管元件額定電壓IT：由查表得Kf=IVT/Id =2/，IT=KfId/1.57=2.41A取2倍電流安全儲(chǔ)備并考慮晶閘管原件額定電流系列取5 A.四、實(shí)驗(yàn)電路原理及結(jié)果圖實(shí)驗(yàn)原理圖單相橋式有源逆變原理圖說明：負(fù)載側(cè)存在一個(gè)直流電源E=70V，由他提供能量，其電勢極性與單相橋式的整流電壓相反，對晶閘管為正向偏置電壓；在前半個(gè)周期延遲角為135度時(shí)，D1,D3導(dǎo)通，后半個(gè)周期D2,D4導(dǎo)通，如此循環(huán)，單相橋式

11、在直流側(cè)輸出有一個(gè)與原整流電壓相反的逆變電壓Ud=36.86V，其平均值Ud<E，以吸收能量，并將其能量饋送給交流電源，從而實(shí)現(xiàn)單相橋式的有源逆變。晶閘管1和3門極觸發(fā)電源參數(shù)晶閘管2和4門極觸發(fā)電源參數(shù)觸發(fā)電路的原理：為簡便起見，我們采用了脈沖信號發(fā)生器作為晶閘管的觸發(fā)信號，其參數(shù)設(shè)定如上兩圖所示，其中1、3和2、4的參數(shù)只有延遲時(shí)間不同，相差半個(gè)周期，這樣就使得兩組晶閘管不同時(shí)觸發(fā)，最重要的是脈沖信號發(fā)生器的頻率和交流電源的頻率相同，從而使得電路逆變的順利進(jìn)行晶閘管觸發(fā)電源的輸出波形Ud波形圖晶閘管1、2、3、4兩端的電壓波形相同，1、3的波形與2、4的波形相差半個(gè)周期。 流過晶閘管

12、電流及其兩端電壓五、心得與總結(jié) 本次電力電子課程設(shè)計(jì)以單相全控橋式整流及有源逆變電路為研究對象，對其原理做了很深入的理解。 通過本次課程設(shè)計(jì)暴露出了我在平時(shí)學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)這門課程中存在的問題。首先在學(xué)習(xí)中只局限于課本知識，沒有去探索新知識，至使在本次課程設(shè)計(jì)中出現(xiàn)當(dāng)拿到課題后毫無頭緒，無從下手的問題；其次，在學(xué)習(xí)了電力電子這門學(xué)科后，沒能很好的將本學(xué)科中的知識互相聯(lián)系，也沒能將本學(xué)科和模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等學(xué)科相互聯(lián)系，造成了在設(shè)計(jì)觸發(fā)電路時(shí)遇到很大的困難，最終在老師的指導(dǎo)下才選擇了直接使用信號源作為觸發(fā)源這一簡便的方法；最后，缺少實(shí)際的操作，忽視了電力電子技術(shù)主要在于應(yīng)用這一點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)由于缺少實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對參數(shù)的估算以及各元件參數(shù)的設(shè)定都走