電力電子（高職）PPT完整全套教學(xué)課件

項(xiàng)目一電力電子概論全套課件【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1.能說(shuō)出電力電子技術(shù)的基本概念。2.能說(shuō)出電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍。3.會(huì)用MATLAB/Simulink仿真軟件搭建簡(jiǎn)單仿真電路。提問(wèn)：1生活用電電壓是多少？交流電還是直流電？

2手機(jī)電池充電電壓是多少？交流電還是直流電？5V左右，直流充電生活生產(chǎn)中常用到不同電壓電流的電源，那么如何實(shí)現(xiàn)電源之間的相互轉(zhuǎn)換？220V交流電任務(wù)1認(rèn)識(shí)電力電子技術(shù)【項(xiàng)目引入】在生產(chǎn)生活中，經(jīng)常會(huì)遇到需要進(jìn)行電能變換的場(chǎng)合：如供電電源一定，而不同的用電器有些需要交流，有些需要直流，有些則對(duì)電源電壓、電流或頻率有特殊要求。電力電子技術(shù)就是專(zhuān)門(mén)用于實(shí)現(xiàn)電能的有效變換和控制的一門(mén)學(xué)科。1.1了解電力電子技術(shù)的定義與發(fā)展信息電子技術(shù)——信息處理電力電子技術(shù)——電力變換電子技術(shù)一般即指信息電子技術(shù)，廣義而言，也包括電力電子技術(shù)。模擬電子技術(shù)電子技術(shù)信息電子技術(shù)電力電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)電力電子技術(shù)——使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行控制和轉(zhuǎn)換的技術(shù)。電力電子技術(shù)包括電力電子器件、電路和控制三部分，其中電力電子器件是基礎(chǔ)和核心。電力電子技術(shù)變換的“電力”可大到數(shù)百M(fèi)W甚至GW，也可小到數(shù)W甚至mW級(jí)。電力電子學(xué)(PowerElectronics)，該名稱(chēng)20世紀(jì)60年代出現(xiàn)。1974年，美國(guó)Dr.Newell用圖1的倒三角形對(duì)電力電子學(xué)進(jìn)行了描述，被全世界普遍接受。圖1-1電力電子技術(shù)與其他學(xué)科的關(guān)系1.1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展概況電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的。晶閘管問(wèn)世(電力電子元年)

IGBT及功率集成器件出現(xiàn)和發(fā)展時(shí)代晶閘管時(shí)代水銀（汞?。┱髌鲿r(shí)代電子管問(wèn)世全控型器件迅速發(fā)展時(shí)期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶體管誕生1.1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展概況1.第一代電力電子器件第一代電力電子器件是半控器件，最早問(wèn)世的晶閘管是第一代電力電子器件?？焖倬чl管、逆導(dǎo)晶閘管（RCT）、雙向晶閘管(TRIAC）、不對(duì)稱(chēng)晶閘管（ASCR）等等均為其衍生器件。2.第二代電力電子器件第二代電力電子器件具有自關(guān)斷能力,器件有電力晶體管（GTR）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力場(chǎng)控晶體管（功率MOSFET）、靜電感應(yīng)晶體管（SIT）、MOS控制晶閘管（MCT）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。3.第三代電力電子器件電力電子器件的高頻化、硬件結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)模塊化是今后電力電子技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。1.2認(rèn)識(shí)電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子變流電路是以電力半導(dǎo)體器件為核心，通過(guò)不同電路的拓?fù)浜涂刂品椒▉?lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的轉(zhuǎn)換和控制。主要有以下幾種類(lèi)型：可控整流：把交流電壓變換成為固定或可調(diào)的直流電壓。有源逆變：把直流電壓變換成為頻率固定或可調(diào)的交流電壓。交流調(diào)壓：把交流電壓變?yōu)殡妷捍笮】烧{(diào)或固定的交流電壓。變頻（周波變換）：把固定或變化頻率的交流電變換成頻率可調(diào)的或恒定的交流電。直流斬波：把固定或變化的直流電壓變化成為可調(diào)或固定的直流電壓。1.2認(rèn)識(shí)電力電子技術(shù)的應(yīng)用圖1-2電能形式變換的四大類(lèi)型示意圖1.2認(rèn)識(shí)電力電子技術(shù)的應(yīng)用軋鋼機(jī)數(shù)控機(jī)床冶金工業(yè)電解鋁1）工礦企業(yè)1.2認(rèn)識(shí)電力電子技術(shù)的應(yīng)用2）家用電器1.2認(rèn)識(shí)電力電子技術(shù)的應(yīng)用133）交通及運(yùn)輸1.2認(rèn)識(shí)電力電子技術(shù)的應(yīng)用4）電力系統(tǒng)SVG高壓直流裝置HVDC柔性交流輸電FACTS1.2認(rèn)識(shí)電力電子技術(shù)的應(yīng)用5）航空航天和軍事大型計(jì)算機(jī)的UPS（UninterruptiblePowerSystem/UninterruptiblePowerSupply，不間斷電源）航天技術(shù)新型能源1.2認(rèn)識(shí)電力電子技術(shù)的應(yīng)用6）通信程控交換機(jī)電子裝置微型計(jì)算機(jī)任務(wù)2認(rèn)識(shí)MATLAB/Simulink仿真軟件2.1了解MATLAB/Simulink仿真軟件MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（MatrixLaboratory）的縮寫(xiě)，MATLAB的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境可應(yīng)用于數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)與優(yōu)化、控制系統(tǒng)、信號(hào)處理與通信、圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)金融和計(jì)算機(jī)生物等多個(gè)領(lǐng)域。MATLAB具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1.運(yùn)算功能強(qiáng)大2.編程效率高3.強(qiáng)大而智能化的作圖功能4.Simulink動(dòng)態(tài)仿真功能5.功能豐富，可擴(kuò)展性強(qiáng)2.2了解MATLAB/Simulink仿真軟件基本操作方法圖1-3MATLAB開(kāi)發(fā)環(huán)境的工作界面2.3認(rèn)識(shí)MATLAB/Simulink仿真軟件電器元件庫(kù)圖1-4模塊庫(kù)瀏覽器2.3認(rèn)識(shí)MATLAB/Simulink仿真軟件電器元件庫(kù)圖1-5SimPowerSystems模塊庫(kù)2.3認(rèn)識(shí)MATLAB/Simulink仿真軟件電器元件庫(kù)SeriesRLCbranch模塊：SeriesRLCbranch模塊是RLC負(fù)載，在SimPowerSystems模塊庫(kù)中的Elements子模塊庫(kù)，雙擊該模塊可以打開(kāi)設(shè)置參數(shù)的窗口。圖1-6SeriesRLCbranch模塊的參數(shù)設(shè)置界面【例1-1】創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的電路模型，采用示波器(Scope)觀察電路中電壓電流輸出波形。1.創(chuàng)建空白模塊2.添加模塊3.添加信號(hào)線元件名稱(chēng)提取路徑直流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/DCVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope電壓表SimPowerSystems/Measurements/VoltageMeasurement電流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement負(fù)載RLCSimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranch用戶界面分析模塊Powergui表1-1仿真模塊提取路徑圖1-7仿真模型圖4.設(shè)置各模塊參數(shù)各模塊的參數(shù)設(shè)置如下：(1)電源DCVoltagesource：電壓設(shè)置為100V。(2)電阻負(fù)載：負(fù)載為純電阻，電阻值為10Ω。(3)示波器：雙擊示波器模塊，點(diǎn)擊第二個(gè)圖標(biāo)Parameters，設(shè)置Numberofaxes為2，如圖1-8所示。(4)電壓表與電流表：采用默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。5.設(shè)置仿真參數(shù)圖1-9仿真參數(shù)設(shè)置圖6.運(yùn)行仿真模型運(yùn)行仿真模型，單擊模型窗口工具欄中的圖標(biāo)，或者選擇菜單“Simulation”→“Start”，開(kāi)始仿真，Simulink默認(rèn)的仿真時(shí)間是10s。然后雙擊模型窗口中的“Scope”模塊，則出現(xiàn)示波器顯示

圖1-10示波器圖示1.3搭建簡(jiǎn)單仿真電路【例1-2】建立如圖所示的感應(yīng)電機(jī)的等效電路，輸入的交流電壓源為220V，50Hz，電路中R1=0.428Ω，L1=L2=1.926mH，R2=1.551Ω，R3=1.803Ω，L3=31.2mH。采用示波器觀察其輸出電路電壓和電流波形。圖1-11感應(yīng)電機(jī)的等效電路圖1.參考電路圖建模元件名稱(chēng)提取路徑交流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/ACVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope電壓表SimPowerSystems/Measurements/VoltageMeasurement電流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement負(fù)載RLCSimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranch用戶界面分析模塊Powergui表1-2仿真模塊提取路徑2.設(shè)置各模塊參數(shù)各模塊的參數(shù)設(shè)置如下：(1）電源ACVoltagesource：電壓設(shè)置為220V，頻率設(shè)為50Hz。(2）電阻負(fù)載：負(fù)載為RL串聯(lián)電路，根據(jù)題目要求設(shè)定各個(gè)電阻電感值。(3）示波器：雙擊示波器模塊，點(diǎn)擊第二個(gè)圖標(biāo)Parameters，設(shè)置Numberofaxes為2。(4）電壓表與電流表：采用默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。3.設(shè)置仿真參數(shù)由于電源頻率是50Hz，因此設(shè)置仿真時(shí)間為0.06s，可以使用默認(rèn)的ode45法。4.波形分析從上到下分別是負(fù)載電流Id、負(fù)載電壓Ud波形?？梢钥闯?，仿真波形符合理論結(jié)果?？梢詮臋M坐標(biāo)上看到仿真模型運(yùn)行的時(shí)間，從縱坐標(biāo)上看到具體數(shù)值。圖1-12感應(yīng)電機(jī)的輸出波形圖

圖1-13動(dòng)態(tài)電路模型1.參考電路圖建模該系統(tǒng)由交流電流源、電阻電感負(fù)載、開(kāi)關(guān)、觸發(fā)信號(hào)等組成，根據(jù)電路圖搭建的仿真模型如圖1-13所示，各模塊的提取路徑如表1-3所示。元件名稱(chēng)提取路徑交流電流源SimPowerSystems/ElectricalSources/ACCurrentsource示波器Simulink/Sinks/Scope電流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement負(fù)載RLCSimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranch開(kāi)關(guān)SimPowerSystems/Elements/Breaker觸發(fā)信號(hào)Simulink/Sources/Step用戶界面分析模塊Powergui表1-2仿真模塊提取路徑1.參考電路圖建模元件名稱(chēng)提取路徑交流電流源SimPowerSystems/ElectricalSources/ACCurrentsource示波器Simulink/Sinks/Scope電流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement負(fù)載RLCSimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranch開(kāi)關(guān)SimPowerSystems/Elements/Breaker觸發(fā)信號(hào)Simulink/Sources/Step用戶界面分析模塊Powergui表1-2仿真模塊提取路徑2.設(shè)置各模塊參數(shù)各模塊的參數(shù)設(shè)置如下：(1)電流源ACCurrentsource：Simullink沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的直流電流源，因此使用交流電流源(ACCurrentsource)將其相角（Phase）設(shè)置為90，頻率（Frequency）設(shè)置為0，以此來(lái)代替直流電流源。因此該器件參數(shù)設(shè)置為電流設(shè)置為1A，相角為90，頻率設(shè)為50Hz，如圖1-14所示。圖1-14ACCurrentsource參數(shù)設(shè)置3.設(shè)置仿真參數(shù)設(shè)置仿真時(shí)間為0.06s，仿真算法使用默認(rèn)的ode45。4.波形分析點(diǎn)擊仿真運(yùn)行，則示波器顯示負(fù)載電流如圖1-15所示，在電壓施加到電感L1上之后該支路電流產(chǎn)生波動(dòng)，電感阻礙電路中電流變化，過(guò)一段時(shí)間后該支路電流趨向穩(wěn)定。圖1-15示波器波形項(xiàng)目二單相可控整流電路—制作簡(jiǎn)單調(diào)光燈電路【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1.能說(shuō)出功率二極管工作原理。2.能說(shuō)出晶閘管導(dǎo)通、關(guān)斷條件。3.能說(shuō)出單相半波、橋式可控整流電路工作原理。4.能畫(huà)出單相半波、橋式可控整流電路輸出波形圖5.會(huì)用MATLAB分析并檢測(cè)單相半波可控整流電路、單相橋式可控整流電路的電路輸出波形。6.能說(shuō)出晶閘管觸發(fā)電路要求。7.能說(shuō)出單結(jié)晶體管伏安特性?！卷?xiàng)目引入】調(diào)光臺(tái)燈可以根據(jù)應(yīng)用的場(chǎng)合不同自由調(diào)節(jié)光照亮度，在日常生活中應(yīng)用非常廣泛。圖2-1（a）是常見(jiàn)的調(diào)光臺(tái)燈，如圖2-1（b）是調(diào)光臺(tái)燈的電路原理圖，本項(xiàng)目中將制作簡(jiǎn)單調(diào)光臺(tái)燈電路。（a）實(shí)物圖

（b）電路原理圖圖2-1調(diào)光臺(tái)燈

任務(wù)1認(rèn)識(shí)功率二極管功率二極管（PowerDiode）又稱(chēng)電力二極管，是指可以承受高電壓、大電流具有較大耗散功率的二極管，常作為整流元件，屬于不可控型器件。它不能用控制信號(hào)控制其導(dǎo)通和關(guān)斷，只能由加載元件上電壓的極性控制其通斷?？捎糜诓恍枰{(diào)壓的整流、感性負(fù)載的續(xù)流以及用作限幅、鉗位、穩(wěn)壓等。1.1認(rèn)識(shí)功率二極管的伏安特性1.器件結(jié)構(gòu)

功率二極管內(nèi)部是一個(gè)結(jié)面積較大的PN結(jié)，在PN結(jié)的兩端各引出一個(gè)電極，分別稱(chēng)為陽(yáng)極A和陰極K。a）功率二極管結(jié)構(gòu)圖

（b）功率二極管外形電氣符號(hào)2.伏安特性功率二極管兩極所加電壓與流過(guò)電流的關(guān)系特性稱(chēng)為功率二極管的伏安特性，如圖2-3所示。圖2-3功率二極管伏安特性曲線1.2了解功率二極管的參數(shù)和選型

2.參數(shù)選擇1)型號(hào)國(guó)產(chǎn)普通功率二極管的型號(hào)規(guī)定如下：

任務(wù)2認(rèn)識(shí)晶閘管晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱(chēng)，又稱(chēng)可控硅整流器，或簡(jiǎn)稱(chēng)為可控硅，是一種能夠承受高電壓、大電流的半控型電力電子器件。1.晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是一種大功率半導(dǎo)體器件，是四層三端結(jié)構(gòu)，內(nèi)部具有P1N1P2N2四層，外部有三個(gè)電極，從P1層和N2層分別引出陽(yáng)極A（Anode）和陰極K（Cathode），由P2層引出門(mén)極G（Gate）如圖2-4所示。（a）結(jié)構(gòu)示意圖（b）電氣符號(hào)圖2-4晶閘管的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)2.晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷條件由以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以得到晶閘管的導(dǎo)通條件是：陽(yáng)極加正向電壓，且同時(shí)在門(mén)極與陰極之間加正向電壓，則晶閘管導(dǎo)通，兩項(xiàng)條件缺一不可。晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極將失去作用。晶閘管的關(guān)斷條件：需要使流過(guò)晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值（稱(chēng)為維持電流）以下，因此一般采用去掉晶閘管的陽(yáng)極電壓，或者給晶閘管陽(yáng)極加反向電壓的方式來(lái)關(guān)斷晶閘管。2.2了解晶閘管工作原理圖2-7晶閘管等效電路圖晶體管V1、V2處于放大狀態(tài)，Eg產(chǎn)生的門(mén)極電流Ig就是V2的基極電流Ib2，V2的集電極電流Ic2=β2Ig。而Ic2又是晶體管V1的基極電流Ib1，V1的集電極電流Ic1=β1Ic2=β1β2Ig。電流IC1又流入V2的基極，再一次被放大。這樣循環(huán)下去，形成了強(qiáng)烈的正反饋，使兩個(gè)晶體管很快達(dá)到飽和導(dǎo)通，這就是晶閘管的導(dǎo)通過(guò)程。導(dǎo)通后，晶閘管上的壓降很小，電源電壓幾乎全部加在負(fù)載上，晶閘管中流過(guò)的電流即負(fù)載電流。正反饋過(guò)程如下：Ig↑→Ib2↑→Ic2(Ib1)↑→Ic1↑→Ib2↑晶閘管導(dǎo)通后，它的導(dǎo)通狀態(tài)完全依靠管子本身的正反饋?zhàn)饔脕?lái)維持，即使門(mén)極電流Ig=0，IB2仍足夠大，晶閘管仍將處于導(dǎo)通狀態(tài)。要想關(guān)斷晶閘管，必須將陽(yáng)極電流減小到使之不能維持正反饋的程度。2.3了解晶閘管伏安特性

晶閘管伏安特性是指晶閘管陽(yáng)、陰極間電壓UA和陽(yáng)極電流IA之間的關(guān)系特性

第Ⅰ象限為晶閘管的正向特性，第Ⅲ象限為晶閘管的反向特性。當(dāng)門(mén)極斷開(kāi)Ig=0時(shí)，在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過(guò)。隨著正向陽(yáng)極電壓的增大，漏電流也相應(yīng)增大。

當(dāng)正向電壓超過(guò)臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo時(shí)，漏電流急劇增大，晶閘管由斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)。導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)晶閘管特性和二極管的正向特性相似，即通過(guò)較大的陽(yáng)極電流，而器件本身的壓降很小。

晶閘管正向?qū)ê?，要使晶閘管回復(fù)阻斷狀態(tài)，只有逐步減少陽(yáng)極電流，當(dāng)陽(yáng)極電流降至維持電流IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。晶閘管加反向陽(yáng)極電壓時(shí)，晶閘管的反向特性與一般二極管的伏安特性相似。2.4了解晶閘管的參數(shù)及選型1.晶閘管的主要參數(shù)1)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM當(dāng)門(mén)極斷開(kāi)，晶閘管結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓為晶閘管的斷態(tài)重復(fù)峰值電壓，用UDRM表示。2)反向重復(fù)峰值電壓URRM規(guī)定當(dāng)門(mén)極斷開(kāi)，晶閘管結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓為反向重復(fù)峰值電壓，用URRM表示。3)額定電壓UTn為防止晶閘管損壞，廠家通常取晶閘管的實(shí)際測(cè)定值UDRM和URRM中較小的值U，然后將小于U且最接近的電壓等級(jí)，標(biāo)為晶閘管的額定電壓。2.5完成常用電路電子器件MATLAB仿真分析2.5.1常用電力電子元件模型1.電力二極管模塊（Diode)

2-9電力二極管模塊

圖2-10Diode參數(shù)設(shè)置2.晶閘管模塊（Thyristor）3.絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊

【例2-1】將二極管Diode模塊串聯(lián)在電路中，測(cè)試系統(tǒng)模型圖如圖2-14所示，從示波器中觀察二極管的電流iV、電壓UV以及電路中負(fù)載的電流id和電壓Ud波形。圖2-14二極管測(cè)試電路1.參考電路圖建模元件名稱(chēng)提取路徑交流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/ACVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope接地端子SimPowerSystems/Elements/Ground信號(hào)分解模塊Simulink/SignalRouting/Demux電壓表SimPowerSystems/Measurements/VoltageMeasurement電流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement負(fù)載RLCSimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranch二極管Simpowersystems/PowerElectronics/Diode用戶界面分析模塊Powergui表2-4仿真模塊提取路徑2.設(shè)置各模塊參數(shù)各模塊的參數(shù)設(shè)置如下：（1）電源ACVoltagesource：電壓設(shè)置為220V，頻率設(shè)為50Hz。（2）二極管：采用默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。（3）電阻負(fù)載：負(fù)載為純電阻電路，電阻值為1Ω。（4）信號(hào)分解模塊Demux：Demux模塊將一路輸入信號(hào)分解為多路輸出信號(hào)，根據(jù)輸出檢測(cè)信號(hào)多少將Numberofoutputs設(shè)置為2。（5）示波器：雙擊示波器模塊，點(diǎn)擊第二個(gè)圖標(biāo)Parameters，設(shè)置Numberofaxes為5。（6）電壓表與電流表：采用默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。3.仿真參數(shù)的設(shè)置由于電源頻率是50Hz，因此設(shè)置仿真時(shí)間為0.06s，電力電子系統(tǒng)通常使用ode23th算法。4.波形分析點(diǎn)擊仿真運(yùn)行，則得到示波器顯示波形如圖2-15所示。圖2-15示波器顯示波形任務(wù)3認(rèn)識(shí)單相可控整流電路可控整流電路（Rectifier）是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電變?yōu)楣潭ɑ蚩烧{(diào)的直流電供給直流用電設(shè)備，也稱(chēng)為AC/DC變換。整流電路按交流輸入相數(shù)可分為單相、三相和多相整流電路；按電路構(gòu)成形式可分為半波、橋式（含全控橋式和半控橋式）整流電路；按組成的器件可分為不可控、半控、全控整流電路。3.1分析單相半波可控整流電路（電阻性負(fù)載）假設(shè)：開(kāi)關(guān)元件是理想的，及開(kāi)關(guān)元件（晶閘管）導(dǎo)通時(shí)，通態(tài)壓降為零，關(guān)斷時(shí)電阻為無(wú)窮大；變壓器是理想的，及變壓器漏抗為零，繞組的電阻為零、勵(lì)磁電流為零。1.電路結(jié)構(gòu)圖2-16（a）所示為單相半波可控整流電路，由晶閘管VT、負(fù)載電阻R及單相整流變壓器TR組成，圖2-16（a）所示為單相半波可控整流電路輸出波形圖。

圖2-16單相半波可控整流電路（電阻性負(fù)載）波形

【例2-3】如圖2-16所示在單相半波可控整流電路（電阻性負(fù)載）中，電源電壓U2為220V,要求的直流輸出平均電壓為50V，直流輸出平均電流為20A，試計(jì)算：晶閘管的控制角；輸出電流有效值；電路功率因數(shù)；選擇晶閘管型號(hào)規(guī)格（安全裕量取2倍）。

3.2分析單相半波可控整流電路（電感性負(fù)載）

圖2-17單相半波可控整流電路(阻感負(fù)載)及其波形

圖2-18帶續(xù)流二極管的單相橋式整流電路

3.3完成單相半波可控整流電路的MATLAB仿真分析使用Simulink創(chuàng)建單相半波整流電路，并使用示波器觀察晶閘管觸發(fā)角與負(fù)載電路中的電流和電壓波形。1.參考電路圖建模元件名稱(chēng)提取路徑脈沖觸發(fā)器Simulink/Sources/PulseGenerator交流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/ACVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope接地端子SimPowerSystems/Elements/Ground信號(hào)組合模塊Simulink/SignalRouting/Demux電壓表SimPowerSystems/Measurements/VoltageMeasurement電流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement負(fù)載RLCSimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranch晶閘管Simpowersystems/PowerElectronics/Thyristor用戶界面分析模塊Powergui表2-5仿真模塊提取路徑

(3)晶閘管：采用默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。(4)電阻負(fù)載：當(dāng)負(fù)載是電阻負(fù)載時(shí)，R=1,L=0,C=inf（無(wú)窮大）；當(dāng)負(fù)載為阻感負(fù)載時(shí)，R＝1，L＝0.01，C＝inf。（a）控制角0°（b）控制角60°圖2-21示波器圖（電阻性負(fù)載）5帶感性負(fù)載的仿真帶感性負(fù)載的仿真與帶電阻性負(fù)載的仿真方法基本上是相同的。（a）控制角0°（b）控制角60°圖2-22示波器圖（帶感性負(fù)載）任務(wù)4認(rèn)識(shí)單相橋式可控整流電路4.1分析單相橋式全控整流電路（電阻性負(fù)載）

圖2-23單相橋式全控整流電路帶電阻型負(fù)載

4.2分析單相橋式全控整流電路（電感性負(fù)載）1.不接續(xù)流二極管2OwtOwtOwtu2OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4ua）電路圖b）波形圖圖2-24單相橋式全控整流電流帶阻感負(fù)載不接續(xù)流二極管時(shí)的電路與輸出波形2.接入續(xù)流二極管為了擴(kuò)大移相范圍，不讓ud波形出現(xiàn)負(fù)值以及使輸出電流更加平穩(wěn)，可在負(fù)載兩端并接續(xù)流二極管。

（a）電路圖（b）波形圖圖2-25單相橋式全控整流電流帶阻感負(fù)載接續(xù)流二極管4.3分析單相橋式半控整流電路1.電路結(jié)構(gòu)將單相全控橋電路中一對(duì)晶閘管換成兩個(gè)整流二極管，就構(gòu)成了單相橋式半控整流電路。它與單控全橋相比，較為經(jīng)濟(jì)，觸發(fā)裝置也相應(yīng)簡(jiǎn)單些，在中小容量的可控整流裝置中得到了廣泛應(yīng)用。（a)電路圖（b）波形圖圖2-26單相橋式半控整流電路帶續(xù)流二極管4.4完成單相橋式全控整流電路的MATLAB仿真分析單相橋式全控整流電路是使用4個(gè)晶閘管VT1、VT2、VT3和VT4實(shí)現(xiàn)控制的，使用Simulink創(chuàng)建單相橋式全控整流電路，使用示波器觀察晶閘管觸發(fā)角與負(fù)載電路中的電流和電壓的波形。1.參考電路圖建模元件名稱(chēng)提取路徑脈沖觸發(fā)器Simulink/Sources/PulseGenerator交流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/ACVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope接地端子SimPowerSystems/Elements/Ground信號(hào)組合模塊Simulink/SignalRouting/Demux電壓表SimPowerSystems/Measurements/VoltageMeasurement電流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement負(fù)載RLCSimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranch晶閘管Simpowersystems/PowerElectronics/Thyristor用戶界面分析模塊Powergui表2-6仿真模塊提取路徑

圖2-27單相橋式全控整流電路3.仿真參數(shù)的設(shè)置設(shè)置仿真時(shí)間為0.06s,仿真算法采用ode23tb。設(shè)置好后，點(diǎn)擊開(kāi)始仿真。（a）控制角0°（b）控制角60°圖2-28示波器圖（帶阻性負(fù)載）5.帶電阻電感性負(fù)載的仿真帶電阻電感性負(fù)載的仿真與帶電阻性負(fù)載的仿真方法基本相同，但須將RLC的串聯(lián)分支設(shè)置為電阻電感負(fù)載。（a）控制角0°（b）控制角60°圖2-29示波器圖（帶感性負(fù)載）任務(wù)5認(rèn)識(shí)單結(jié)晶體管觸發(fā)電路5.1了解晶閘管觸發(fā)電路要求1.觸發(fā)信號(hào)應(yīng)該具有足夠的觸發(fā)功率。2.觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，脈沖的前沿要陡。3.觸發(fā)脈沖與晶閘管陽(yáng)極電壓必須同步。4.滿足主電路移相范圍要求。（a）正弦波（b）尖脈沖（c）方脈沖（d）強(qiáng)觸發(fā)脈沖（e）脈沖列圖2-30常見(jiàn)觸發(fā)脈沖電壓波形5.2認(rèn)識(shí)單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)單結(jié)晶體管又稱(chēng)雙基極管，它有三個(gè)基極，但結(jié)構(gòu)上只有一個(gè)PN結(jié)。

9a）結(jié)構(gòu)（b）等效電路（c）圖形符號(hào)（d）外形管腳排列圖2-31單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)、等效電路及符號(hào)5.3認(rèn)識(shí)單結(jié)晶體管的伏安特性

5.4了解單結(jié)晶體管自激振蕩電路

項(xiàng)目三三相可控整流電路—安裝三相全控整流電路【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1.能說(shuō)出三相半波整流電路工作原理。2.能畫(huà)出不同控制角情況下的三相半波可控整流電路各電壓、電流波形。3.能說(shuō)出三相橋式全控整流電路工作的原理。4.能畫(huà)出不同控制角情況下的三相橋式全控整流電路各段電壓、電流波形。5.會(huì)用MATLAB仿真和分析三相半波可控整流電路、三相橋式全控整流電路的輸出波形?！卷?xiàng)目引入】單相可控整流電路元件少，線路簡(jiǎn)單調(diào)整方便，輸出電壓脈動(dòng)大，當(dāng)所帶負(fù)載功率較大時(shí)，會(huì)因?yàn)閱蜗喙╇姸鹑嚯娋W(wǎng)不平衡，故只適用于小容量的設(shè)備中。當(dāng)容量較大、輸出電壓脈動(dòng)要求較小、對(duì)控制的快速性要求時(shí)，則多采用三相可控整流電路。圖3-1三相橋式同相逆并聯(lián)可控硅整流裝置任務(wù)1認(rèn)識(shí)三相半波可控整流電路三相整流電路的交流側(cè)由三相對(duì)稱(chēng)電源供電，可以帶較大的負(fù)載容量，對(duì)電網(wǎng)影響小，并且輸出功率比較大。在三相可控整流電路中，有多種類(lèi)型的電路，如三相半波、三相全控橋、三相半控橋、雙反星形可控整流電路以及適合較大功率應(yīng)用的十二相可控整流電路等。1.1分析三相半波可控整流電路（電阻性負(fù)載）1.電路結(jié)構(gòu)電路中變壓器二次側(cè)接到三個(gè)晶閘管的陽(yáng)極，陰極連接在一起，因此這種電路結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為共陰極接法。圖3-2三相半波可控整流電路及波形圖(電阻性負(fù)載)

圖3-2三相半波可控整流電路及波形圖(電阻性負(fù)載)

（3-1）當(dāng)30°<α≤150°時(shí)，負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角減小，Ud的計(jì)算如下：

（3-2）

1.2分析三相半波可控整流電路（電感性負(fù)載）

圖3-5的三相半波整流電路及波形(電感性負(fù)載)3.計(jì)算相關(guān)參數(shù)(1)輸出電壓平均值Ud在計(jì)算時(shí)是以輸出電壓的面積除以周期2π/3，并且輸出電壓連續(xù)，輸出電壓平均值Ud的計(jì)算公式如下：(2)輸出電流平均值的計(jì)算方法為直流輸出電壓平均值除以負(fù)載電阻。計(jì)算公式如下：(3)大電感負(fù)載時(shí)，電流波形近似于水平線，晶閘管上的電流平均值IdVT為負(fù)載平均電流的1/3。(4)輸出電流連續(xù)時(shí)，晶閘管上電流的有效值計(jì)算如下：5)晶閘管承受的最大正、反向電壓是變壓器二次側(cè)線電壓的峰值，為：4.共陽(yáng)極接法將三相半波整流電路的三只晶閘管的陽(yáng)極短接在一起，其他元件接法不變，為三相半波整流電路的共陽(yáng)極接法?？梢园讶痪чl管的陽(yáng)極固定在同一塊大散熱板上，散熱效果好，安裝也方便。但是，該電路不能引出公共的一條接陰極的線，而且輸出脈沖變壓器二次側(cè)繞組也不能有公共線，這給調(diào)試和使用帶來(lái)了不便。圖3-6三相半波整流電路共陽(yáng)極接法電路圖及波形圖(電阻性負(fù)載)1.3完成三相半波可控整流電路的MATLAB仿真分析1.參考電路圖建模元件名稱(chēng)提取路徑脈沖觸發(fā)器Simulink/Sources/PulseGenerator交流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/ACVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope接地端子SimPowerSystems/Elements/Ground信號(hào)組合模塊Simulink/SignalRouting/Mux電壓表SimPowerSystems/Measurements/VoltageMeasurement電流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement負(fù)載RLCSimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranch晶閘管Simpowersystems/PowerElectronics/DetailedThyristor用戶界面分析模塊Powergui表3-1仿真模塊提取路徑圖3-7三相半波可控整流電路仿真模型（電阻負(fù)載）2.設(shè)置各模塊的參數(shù)各模塊的參數(shù)設(shè)置如下：(1)電源ACVoltagesource：電壓設(shè)置為100V，頻率設(shè)為50Hz。A相的電壓源設(shè)為0，B相的電壓源設(shè)為-120，C相的電壓源設(shè)為-240。(2)脈沖觸發(fā)器PulseGenerator：模型中用到三個(gè)觸發(fā)脈沖，根據(jù)電路原理可知觸發(fā)角依次相差120°。因?yàn)殡娫措妷侯l率為50Hz，故周期設(shè)置為0.02s，脈寬可設(shè)為50，以確保觸發(fā)成功，振幅設(shè)為5。延遲角的設(shè)置要特別注意，其計(jì)算可按以下公式：t=（α+30）T/360α＝0°時(shí)，延時(shí)時(shí)間依次設(shè)置為：0.00167，0.00833，0.015；α＝30°時(shí)，延時(shí)時(shí)間依次設(shè)置為：0.0033，0.01，0.0167；α＝60°時(shí)，延時(shí)時(shí)間依次設(shè)置為：0.005，0.0117，0.0183；α＝90°時(shí)，延時(shí)時(shí)間依次設(shè)置為：0.0067，0.0133，0.02；α＝120°時(shí)，延時(shí)時(shí)間依次設(shè)置為：0.0083，0.015，0.0217；α＝150°時(shí)，延時(shí)時(shí)間依次設(shè)置為：0.01，0.0167，0.0233。3.仿真參數(shù)的設(shè)置點(diǎn)擊仿真參數(shù)配置ConfigurationParameters，打開(kāi)設(shè)置窗口。然后設(shè)置Starttime為0.0，Stoptime為0.08，算法Solver選擇ode23tb，相對(duì)誤差Relativetolerance為le-3。°圖3-8帶電阻性負(fù)載的三相半波可控整流電路仿真結(jié)果（a）控制角0°（b）控制角30°5.帶感性負(fù)載的仿真將電阻性負(fù)載改為電阻-電感性負(fù)載即得到帶電感性負(fù)載的三相半波可控整流電路。圖3-9帶電感性負(fù)載的三相半波可控整流電路仿真模型和帶電阻負(fù)載時(shí)相比，仿真模型中將負(fù)載參數(shù)改變，電阻設(shè)置為7Ω，電感值為0.1H，其它參數(shù)設(shè)置不變。（a）控制角0°

（b）控制角30°圖3-10三相半波可控整流電路(電阻性負(fù)載)仿真結(jié)果任務(wù)2認(rèn)識(shí)三相橋式可控整流電路三相橋式全控整流電路在結(jié)構(gòu)上可以看作是一組共陰接法和另一組共陽(yáng)極接法的三相半波可控整流電路的串聯(lián)。共陰極組VT1、VT3和VT5在正半周導(dǎo)電，流經(jīng)變壓器的電流為正向電流；共陽(yáng)極組VT4、VT6和VT2在負(fù)半周導(dǎo)電，流經(jīng)變壓器的電流為反向電流。2.1分析三相橋式可控整流電路（電阻性負(fù)載）

圖3-11三相橋式全控整流電路(電阻性負(fù)載)

圖3-12α=30°時(shí)三相橋式全控整流電路(電阻性負(fù)載)波形

圖3-13α=60°時(shí)三相橋式全控整流電路(電阻性負(fù)載)波形3.計(jì)算三相橋式可控整流電路相關(guān)參數(shù)由于α≤60°時(shí)，輸出電壓ud波形連續(xù)，α＞60°時(shí)，ud波形斷續(xù)，因此，α=60°是ud波形連續(xù)和斷續(xù)的分界點(diǎn)。所以輸出電壓平均值Ud的計(jì)算應(yīng)分兩種情況分析。(1)α≤60°時(shí)，按周期計(jì)算，每個(gè)周期為2π，其中有六個(gè)相同的波形，計(jì)算公式如下：(2)α＞60°時(shí)，波形在π處結(jié)束，計(jì)算公式為：(3)晶閘管承受的最大正反向電壓UTM是變壓器二次線電壓的峰值：4.電路工作特點(diǎn)可以看出，三相橋式全控整流電路有如下工作特點(diǎn)。(1)電路工作時(shí)共陰和共陽(yáng)極組各有一只晶閘管導(dǎo)通才能形成通路，且每個(gè)晶閘管的導(dǎo)通角度為120°。(2)共陰極組晶閘管VT1、VT3、VT5,按相序依次觸發(fā)導(dǎo)通，相位相差120°，共陽(yáng)極組晶閘管VT2、VT4、VT6相位相差120°，也按相序依次觸發(fā)導(dǎo)通，接在同一相的晶閘管如VT1、VT4相位相差180°。(3)每個(gè)周期內(nèi)輸出電壓ud由六段線電壓組成，每周期脈動(dòng)六次。5.對(duì)觸發(fā)電路要求為保證整流電路工作時(shí)共陰極組和共陽(yáng)極組各有一個(gè)晶閘管導(dǎo)通，必須同時(shí)給應(yīng)導(dǎo)通的晶閘管同時(shí)給觸發(fā)脈沖，觸發(fā)方式主要有兩種：(1)使每個(gè)觸發(fā)脈沖的寬度大于60°而小于120°，稱(chēng)為寬脈沖觸發(fā)，在相隔60°要換相時(shí)當(dāng)后一個(gè)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻，為前一個(gè)脈沖還沒(méi)有消失，因此在任何換相點(diǎn)均能同時(shí)觸發(fā)相鄰的兩只晶閘管。(2)觸發(fā)某一晶閘管的同時(shí)，給前一晶閘管補(bǔ)發(fā)一個(gè)脈沖，相當(dāng)于用兩個(gè)窄脈沖等效代替大于60°的寬脈沖，稱(chēng)為雙窄脈沖觸發(fā)。2.2分析三相橋波可控整流電路（電感性負(fù)載）對(duì)于帶電感性負(fù)載的三相橋式可控整流電路，分析中通常假定負(fù)載電感足夠大，使負(fù)載電流變得連續(xù)平直。2.工作原理電路的工作情況同電阻性負(fù)載時(shí)類(lèi)似。1）α=0°晶閘管的換相點(diǎn)同電阻性負(fù)載時(shí)的情況，一個(gè)周期內(nèi)按照自然換相點(diǎn)分六個(gè)區(qū)間分別進(jìn)行分析，如圖3-15（b）所示。區(qū)間①內(nèi)：加在負(fù)載上的輸出電壓為ud=ua-ub=uab，即A、B相間線電壓；區(qū)間②內(nèi)：ud=ua-uc=uac，即A、C相間線電壓；區(qū)間③內(nèi)：ud=ub-uc=ubc，即B、C相間線電壓；區(qū)間④內(nèi)：ud=ub-ua=uba，即B、A相間線電壓；區(qū)間⑤內(nèi)：ud=uc-ua=uca，即C、A相間線電壓；區(qū)間⑥內(nèi)：ud=uc-ub=ucb，即C、B相間線電壓。后面周期，循環(huán)以上六個(gè)區(qū)間過(guò)程。

圖3-18三相橋式可控整流電路（電感性負(fù)載）α=90°時(shí)波形圖2.3認(rèn)識(shí)電路的換流重疊現(xiàn)象在換流所需要的這段時(shí)間內(nèi)，正在導(dǎo)通的管子中的電流在增加，正在關(guān)斷的管子電流在衰減，兩管處于重疊導(dǎo)通狀態(tài)，故稱(chēng)換流重疊現(xiàn)象。圖3-19三相半波可控整流電路換流重疊現(xiàn)象電路圖及波形圖2.4完成三相橋式可控整流電路的MATLAB仿真分析2.4.1帶電阻性負(fù)載的三相橋式全控整流電路仿真1參考電路圖建模元件名稱(chēng)提取路徑同步六脈沖觸發(fā)器Simulink/ExtraLibrary/ControlBlocks/Synchronized6-PulseGenerator交流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/ACVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope信號(hào)組合模塊Simulink/SignalRouting/Mux電壓表SimPowerSystems/Measurements/VoltageMeasurement電流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement負(fù)載RLCSimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranch通用變換器橋Simpowersystems/PowerElectronics/UniversalBridge用戶界面分析模塊Powergui表3-2仿真模塊提取路徑圖3-20帶電阻性負(fù)載的三相橋式全控整流電路模型2.設(shè)置各模塊的參數(shù)(1)同步六脈沖觸發(fā)器Synchronized6-PulseGenerator：同步六脈沖觸發(fā)器的參數(shù)設(shè)置如圖3-21所示。(2)交流電源ACVoltagesource：交流電源UAB設(shè)置為220V,50Hz，UBC和UCA的相位角依次向后120°。(3)通用變換器橋UniversalBridge：通用變換器橋的參數(shù)設(shè)置如圖3-22所示。圖3-21同步六脈沖觸發(fā)器的參數(shù)設(shè)置圖3-22通用變換器橋的參數(shù)設(shè)置3.仿真參數(shù)的設(shè)置點(diǎn)擊仿真參數(shù)配置ConfigurationParameters，打開(kāi)設(shè)置窗口,設(shè)置Starttime為0.0，Stoptime為0.08，算法Solver選擇ode23tb，相對(duì)誤差Relativetolerance為le-3。（a）控制角0°

（b）控制角30°

圖3-23帶電阻性負(fù)載的三相橋式全控整流電路仿真結(jié)果5.帶感性負(fù)載的仿真帶感性負(fù)載的三相橋式全控整流電路模型搭建方式與帶電阻負(fù)載的電路模型搭建方式一致。圖3-24帶電感性負(fù)載的三相橋式全控整流電路仿真模型在該電路中需要將負(fù)載的參數(shù)類(lèi)型選擇RL，電阻值設(shè)定為1Ω，電感值設(shè)定為0.02H。仿真參數(shù)設(shè)置Starttime為0.0，Stoptime為0.08，算法Solver選擇ode23tb，相對(duì)誤差Relativetolerance為le-3。（a）控制角30°

（b）控制角90°圖3-25帶電感性負(fù)載的三相橋式全控整流電路仿真結(jié)果項(xiàng)目四

逆變電路—調(diào)試小型光伏發(fā)電系統(tǒng)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1.能說(shuō)出有源逆變電路、無(wú)源逆變電路的基本原理及工作過(guò)程。2.能畫(huà)出有源逆變電路、無(wú)源逆變電路的MATLAB仿真并進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。3.能說(shuō)出PWM控制電路的基本原理及控制方法。4.能說(shuō)出有源逆變和無(wú)源逆變實(shí)際應(yīng)用。5.能對(duì)小型光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析和調(diào)試。【項(xiàng)目引入】在生產(chǎn)實(shí)踐中，除了將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榇笮】烧{(diào)的直流電外，還需將直流電轉(zhuǎn)為交流電，這種對(duì)應(yīng)于整流的逆過(guò)程稱(chēng)為逆變。光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠利用太陽(yáng)能光伏電池及其控制器將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能，其中也少不了逆變電路。小型光伏發(fā)電系統(tǒng)中，不與電網(wǎng)相連獨(dú)立向負(fù)載供電的被稱(chēng)為離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，與電網(wǎng)相連可向電網(wǎng)輸送電能的被稱(chēng)為并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)。任務(wù)1認(rèn)識(shí)有源逆變電路

1.1了解有源逆變電路工作原理如果把逆變器的交流側(cè)接到交流電源上，把直流電逆變?yōu)橥l率的交流電(我國(guó)為50Hz)反送到電網(wǎng)去，稱(chēng)為有源逆變；如果逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到負(fù)載，即把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可調(diào)頻率的交流電供給負(fù)載，則稱(chēng)為無(wú)源逆變。1.功率的傳遞有源逆變電路中主要涉及兩個(gè)電源的功率傳遞問(wèn)題，為了分析方便，先從兩個(gè)直流電源開(kāi)始分析。兩個(gè)直流電源E1和E2可有三種相連的電路形式。（a）同極性連接E1>E2

（b)同極性連接E1<E2

（c)反極性連接圖4-3兩個(gè)電源間能量的傳送根據(jù)電路分析，可得出以下結(jié)論：(1)兩電源同極性相連，電流總是從高電勢(shì)流向低電勢(shì)電源，其電流的大小取決于兩個(gè)電勢(shì)之差與回路總電阻的比值。如果回路電阻很小，則很小的電勢(shì)差也足以形成較大的電流，兩電源之間發(fā)生較大能量的交換。(2)電流從電源的正極流出，該電源輸出電能；而電流從電源的正極流入，該電源吸收電能。電源輸出或吸收功率的大小由電勢(shì)與電流的乘積來(lái)決定，若電勢(shì)或者電流方向改變，則電能的傳送方向也隨之改變。(3)兩個(gè)電源反極性相連，如果電路的總電阻很小，將形成電源間的短路，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)避免發(fā)生這種情況。1.2了解單相橋式有源逆變電路

（b）I組電壓圖

（c）Ⅱ組電壓圖圖4-4單相橋式電路的整流與逆變?cè)?/p>

3.逆變失敗與逆變角限制變流裝置工作在有源逆變狀態(tài)時(shí)，若出現(xiàn)輸出電壓平均值與直流電源E順極性串聯(lián)，必然會(huì)形成很大的短路電流流過(guò)晶閘管和負(fù)載，造成事故。這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆變失敗。造成逆變失敗的主要原因有：晶閘管突然損壞或誤觸發(fā)、觸發(fā)脈沖丟失或快速熔斷造成電源缺相以及逆變角β調(diào)節(jié)的過(guò)小等。防止逆變失敗的措施是：對(duì)逆變裝置多用晶閘管參數(shù)和性能進(jìn)行合理選擇，并設(shè)置過(guò)電壓過(guò)電流保護(hù)環(huán)節(jié)；觸發(fā)電路工作一定要安全可靠，輸出的觸發(fā)脈沖逆變角最小值要嚴(yán)格加以限制。

1.3完成單相橋式有源逆變電路的MATLAB仿真分析1.參考電路圖建模元件名稱(chēng)提取路徑脈沖觸發(fā)器Simulink/Sources/PulseGenerator交流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/ACVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope直流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/DCVoltagesource信號(hào)組合模塊Simulink/SignalRouting/Mux電壓表SimPowerSystems/Measurements/VoltageMeasurement電流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement負(fù)載RLCSimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranchIGBTSimpowersystems/PowerElectronics/IGBT用戶界面分析模塊Powergui表4-1仿真模塊提取路徑圖4-6單相橋式逆變電路仿真模型2.設(shè)置各模塊的參數(shù)各模塊的參數(shù)設(shè)置如下：(1）交流電源ACVoltagesource：電壓設(shè)置為300V，頻率設(shè)為50Hz。(2）直流電源DCVoltagesource：電壓設(shè)置為300V。(3）IGBT：采用默認(rèn)的參數(shù)設(shè)置。(4）負(fù)載：負(fù)載為阻感負(fù)載，電阻R為1Ω，電感為2H。3.仿真參數(shù)的設(shè)置首先點(diǎn)擊仿真參數(shù)配置ConfigurationParameters，打開(kāi)設(shè)置窗口。然后設(shè)置Starttime為0.0，Stoptime為0.07，算法Solver選擇ode23tb，相對(duì)誤差Relativetolerance為le-3。圖4-8單相橋式逆變電路仿真結(jié)果1.4了解三相橋式有源逆變電路1.三相半波有源逆變電路圖4-9三相半波有源逆變電路原理當(dāng)E>Ud時(shí)，由于電路中接有大電感，符合有源逆變的條件，故電路可工作在有源逆變狀態(tài)，變流器輸出的直流電壓為Ud=Ud0cosα=-Ud0cosβ=-1.17U2cosβ

公式中輸出電壓為負(fù)，說(shuō)明電壓的極性與整流時(shí)相反。輸出直流電流平均值的計(jì)算公式為Id=E-UdR

式中R--回路的總電阻。

2.三相全控橋有源逆變電路圖為三相全控橋帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載的電路，當(dāng)α<90°時(shí)，電路工作在整流狀態(tài)；當(dāng)α>90°時(shí)，電路工作在逆變狀態(tài)。晶閘管的控制過(guò)程與三相全控橋整流電路原理相同，只是控制角α的移相范圍為180°，輸出直流電壓的計(jì)算公式分別為整流時(shí)：Ud=2.34U2cosα（當(dāng)α<90°時(shí)）逆變時(shí)：Ud=2.34U2cosα=-2.34U2cosβ（當(dāng)α>90°時(shí)）圖4-10三相橋式有源逆變電路及相關(guān)波形1.5完成三相橋式有源逆變電路的MATLAB仿真分析1.參考電路圖建模元件名稱(chēng)提取路徑信號(hào)發(fā)生器Simulink/Sources/DiscretePWMGenerator交流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/ACVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope直流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/DCVoltagesource信號(hào)組合模塊Simulink/SignalRouting/Mux電壓表SimPowerSystems/Measurements/VoltageMeasurement電流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement負(fù)載RLCSimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranchIGBTSimpowersystems/PowerElectronics/IGBT用戶界面分析模塊Powergui接地端子SimPowerSystems/Elements/Ground表4-2仿真模塊提取路徑圖4-11三相橋式逆變電路仿真模型2.設(shè)置各模塊的參數(shù)各模塊的參數(shù)設(shè)置如下：(1)電源ACVoltagesource：電壓設(shè)置為300V，頻率設(shè)為50Hz。要注意初相角的設(shè)置，A相的電壓源設(shè)為0，B相的電壓源設(shè)為120，C相的電壓源設(shè)為-120。(2)直流電源DCVoltagesource：電壓設(shè)置為100V。(3)脈沖觸發(fā)器DiscretePWMGenerator：載波頻率設(shè)置為1000Hz。占空比設(shè)置為0.6。輸出電壓頻率設(shè)置為50Hz。(4)負(fù)載：負(fù)載為阻感性負(fù)載，電阻R為1Ω，電感為0.5H。3.仿真參數(shù)的設(shè)置仿真參數(shù)設(shè)置步驟如下：首先點(diǎn)擊仿真參數(shù)配置ConfigurationParameters，打開(kāi)設(shè)置窗口。然后設(shè)置Starttime為0.0，Stoptime為0.5，算法Solver選擇ode23tb，相對(duì)誤差Relativetolerance為le-3。圖4-13三相橋式有源逆變電路的MATLAB仿真波形任務(wù)2認(rèn)識(shí)無(wú)源逆變電路變流電路的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到負(fù)載，即把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可調(diào)頻率的交流電供給負(fù)載的電路，稱(chēng)為無(wú)源逆變電路。逆變電路應(yīng)用廣泛，在已有的各種電源中，蓄電池、干電池、太陽(yáng)能電池等都是直流電源，當(dāng)需要這些電源向交流負(fù)載供電時(shí)，就需要逆變電路。2.1了解無(wú)源逆變電路工作原理1.工作原理圖4-14逆變電路原理圖及其波形如圖所示為單相橋式逆變電路，四個(gè)開(kāi)關(guān)S1、S2、S3、S4構(gòu)成橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成，主電路S1、S2、S3、S4實(shí)際是各種半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的一種理想模型。逆變電路中常用到的開(kāi)關(guān)器件有快速晶閘管、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、功率晶體管（GTR）、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵晶體管（IGBT）等。在電路原理圖中，輸入直流電壓Ud，當(dāng)將開(kāi)關(guān)S1、S4閉合，S2、S3斷開(kāi)時(shí),負(fù)載上得到左正右負(fù)的電壓；間隔一段時(shí)間后將開(kāi)關(guān)S1、S4打開(kāi)，S2、S3閉合，負(fù)載上得到右正左負(fù)的電壓。若以頻率f交替切換S1、S4和S2、S3，在負(fù)載上就可以得到如圖所示的電壓波形。2.換流在該電路中隨著電壓的變化，電流也從一個(gè)支路轉(zhuǎn)移到另一個(gè)支路，通常將這一過(guò)程稱(chēng)為換相或換流。換流方式主要分為以下幾種1）器件換流（DeviceCommutation）指利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。逆變器電路中采用IGBT、電力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的換流方式是器件換流。2）電網(wǎng)換流（LineCommutation）電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。將負(fù)的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。在此電路中不需要器件具有門(mén)極可關(guān)斷能力，但不適用于沒(méi)有交流電網(wǎng)的無(wú)源逆變電路。3）負(fù)載換流（LoadCommutation）將負(fù)載與其他換流元件接成并聯(lián)或串聯(lián)諧振電路，使負(fù)載電流的相位超前負(fù)載電壓，且超前時(shí)間大于管子關(guān)斷時(shí)間，就能保證管子完全恢復(fù)阻斷實(shí)現(xiàn)可靠換流。4）強(qiáng)迫換流（ForcedCommutation）逆變器中設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反壓或反電流的換流方式稱(chēng)為強(qiáng)迫換流。該換流方式通常利用附加電容上所儲(chǔ)存的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此也稱(chēng)為電容換流。2.2了解單相橋式無(wú)源逆變電路單相橋式無(wú)源逆變電路包括半橋逆變電路和全橋逆變電路兩種。1.電路結(jié)構(gòu)圖4-15半橋逆變電路

3.全橋逆變電路圖4-16全橋逆變電路4.全橋逆變電路工作原理該電路的工作過(guò)程為：t1時(shí)刻前V1和V4導(dǎo)通，uo=Ud。t1時(shí)刻V4截止，而因負(fù)載電感中的電流io不能突變，V3不能立刻導(dǎo)通，VD3導(dǎo)通續(xù)流，uo=0。在t2時(shí)刻V1截止，而V2不能立刻導(dǎo)通，VD2導(dǎo)通續(xù)流，和VD3構(gòu)成電流通道，uo=-Ud，到負(fù)載電流過(guò)零并開(kāi)始反向時(shí)，VD2和VD3截止，V2和V3開(kāi)始導(dǎo)通，uo仍為-Ud。t3時(shí)刻V3截止，而V4不能立刻導(dǎo)通，VD4導(dǎo)通續(xù)流，uo再次為零，則改變

就可調(diào)節(jié)輸出電壓。在該電路中兩對(duì)橋臂交替導(dǎo)通180°，其輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，但幅值高出一倍，在這種情況下，要改變輸出交流電壓的有效值只能通過(guò)改變直流電壓Ud來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.3了解三相橋式無(wú)源逆變電路2.3.1三相電壓型逆變電路直流側(cè)是電壓源的稱(chēng)為電壓型逆變器。電壓型逆變器直流側(cè)一般接有大電容，直流電壓基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗，相當(dāng)于電壓源。電壓型逆變電路的工作特點(diǎn)有：1）由于直流電壓源的恒壓作用與負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān)交流側(cè)電壓波形為矩形波，而交流側(cè)電流波形及其相位因負(fù)載阻抗角的不同而異；2）當(dāng)交流側(cè)為電感性負(fù)載時(shí)，需要提供無(wú)功功率，直流側(cè)電容起緩沖無(wú)功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的能量提供通路，各臂都需并聯(lián)反饋二極管；3）逆變電路從直流側(cè)向交流側(cè)傳送的功率是脈動(dòng)的，因直流電壓無(wú)脈動(dòng)，必然由直流電流的脈動(dòng)影響功率的脈動(dòng)。1.工作原理電路用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件，可以看成是由三個(gè)半橋逆變電路組成。為了方便分析，畫(huà)作串聯(lián)的兩個(gè)電容器并標(biāo)出假想中點(diǎn)。三相電壓型橋式逆變電路的基本工作方式也是180°導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為180°，同一相（即同一半橋）上下兩個(gè)臂交替導(dǎo)電，因?yàn)槊看螕Q相都是在同一相上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行的，因此被稱(chēng)為縱向換流。6個(gè)管子控制導(dǎo)通的順序?yàn)閂1~V6，控制間隔為60°，這樣在任一瞬間，將有三個(gè)臂同時(shí)導(dǎo)通?？赡苁巧厦嬉粋€(gè)臂下面兩個(gè)臂，也可能是上面兩個(gè)臂下面一個(gè)臂同時(shí)導(dǎo)通。圖4-18三相電壓型橋式逆變電路的工作波形2.3.2三相電流型逆變電路直流電源為電流源的逆變電路稱(chēng)為電流型逆變電路。直流側(cè)串接有大電感，使直流電流基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)高阻抗，相當(dāng)于電流源。電流型逆變電路主要特點(diǎn)有：1）交流輸出電流為矩形波，與負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān)，輸出電壓波形和相位因負(fù)載不同而不同；2）直流側(cè)電感起緩沖無(wú)功能量的作用，因電流不能反向，因此不必給開(kāi)關(guān)器件反并聯(lián)二極管；3）因逆變器輸出直流電壓的脈動(dòng)引起從直流側(cè)向交流側(cè)傳送的功率也是脈動(dòng)的功率，因此直流電流無(wú)脈動(dòng)；4）電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應(yīng)用較多，采用半控型器件的電路的換流方式有負(fù)載換流、強(qiáng)迫換流等。圖4-19電流型三相橋式逆變電路圖及輸出波形

2.4完成逆變電路的MATLAB仿真分析

2.4.1完成單相無(wú)源逆變電路的MATLAB仿真分析1.參考電路圖建模元件名稱(chēng)提取路徑脈沖觸發(fā)器Simulink/Sources/PulseGenerator直流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/DCVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope信號(hào)組合模塊Simulink/SignalRouting/Mux測(cè)量模塊SimPowerSystems/Measurements/Multimeter電流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement負(fù)載RLCSimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranchIGBTSimpowersystems/PowerElectronics/IGBT用戶界面分析模塊Powergui表4-3仿真模塊提取路徑圖4-20單相無(wú)源逆變電路仿真模型2.設(shè)置各模塊的參數(shù)各模塊的參數(shù)設(shè)置如下：(1）直流電源DCVoltagesource：電壓設(shè)置為100V。(2）脈沖觸發(fā)器PulseGenerator：模型中用到4個(gè)觸發(fā)脈沖。因?yàn)殡娫措妷侯l率為50Hz，故周期設(shè)置為0.02s，脈寬可設(shè)為0.01，振幅設(shè)為1。脈沖1和3設(shè)置是一致的，脈沖2和4延遲0.01s。(3）IGBT：采用默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。(4）負(fù)載：負(fù)載為阻感性負(fù)載，電阻R為1Ω，電感2e-3H。3.仿真參數(shù)的設(shè)置點(diǎn)擊仿真參數(shù)配置ConfigurationParameters，打開(kāi)設(shè)置窗口。然后設(shè)置Starttime為0.0，Stoptime為0.1，算法Solver選擇ode23tb，相對(duì)誤差Relativetolerance為le-3。圖4-21單相無(wú)源逆變電路的MATLAB仿真波形2.4.2完成三相無(wú)源逆變電路的MATLAB仿真分析1.參考電路圖建模元件名稱(chēng)提取路徑脈沖觸發(fā)器Simulink/Sources/PulseGenerator直流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/DCVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope信號(hào)組合模塊Simulink/SignalRouting/Mux測(cè)量模塊SimPowerSystems/Measurements/Multimeter電流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement負(fù)載SimPowerSystems/Elements/Three-PhaseSeriesRLCLoadIGBTSimpowersystems/PowerElectronics/IGBT用戶界面分析模塊Powergui表4-4仿真模塊提取路徑圖4-22三相無(wú)源逆變電路仿真模型2.設(shè)置各模塊的參數(shù)各模塊的參數(shù)設(shè)置如下：(1）直流電源DCVoltagesource：電壓設(shè)置為100V。(2）脈沖觸發(fā)器PulseGenerator：模型中用到6個(gè)觸發(fā)脈沖。因?yàn)殡娫措妷侯l率為50Hz，故周期設(shè)置為0.02s，脈寬可設(shè)為0.01，振幅設(shè)為1。脈沖2延遲0.02/6s,脈沖3延遲0.02/3s，脈沖4延遲0.01s，脈沖5延遲0.04/3s，脈沖6延遲0.1/6s。(3）IGBT：采用默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。(4）負(fù)載：采用三相負(fù)載。3.仿真參數(shù)的設(shè)置設(shè)置Starttime為0.0，Stoptime為0.1，算法Solver選擇ode23tb，相對(duì)誤差Relativetolerance為le-3。圖4-24三相無(wú)源逆變電路的MATLAB仿真波形任務(wù)3認(rèn)識(shí)脈寬調(diào)試（PWM）型逆變器3.1了解PWM控制基本原理PWM（PulseWidthModulation）控制是指對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同，沖量即窄脈沖的面積，效果基本相同是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同，上述原理被稱(chēng)為面積等效原理。如果把脈沖列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替,使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合,且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積(沖量)相等,就得到PWM波形，各PWM脈沖的幅值相等而寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的，對(duì)于正弦波的負(fù)半周,也可以用同樣的方法得到PWM波形，可見(jiàn),所得到的PWM波形和期望得到的正弦波是等效的。完整的正弦波形用等效的PWM脈沖表示稱(chēng)為SPWM（SinusoidalPWM）波形。PWM波形可分為等幅PWM波和不等幅PWM波兩種，由直流電源產(chǎn)生的PWM波通常是等幅PWM波。3.2了解PWM逆變電路控制方式1.單極性方式當(dāng)采用單極性PWM控制方式時(shí)，調(diào)制信號(hào)ur為正弦波，載波uc在ur的正半周為正極性的三角波，在ur的負(fù)半周為負(fù)極性的三角波。像這種在ur的正半周內(nèi)三角波載波只在一個(gè)方向變化，所得到的PWM波形也只在一個(gè)方向變化的控制方式稱(chēng)為單極性PWM控制方式。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud圖4-27單極性PWM控制方式波形2.雙極性PWM控制方式在ur的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)，所得的PWM波也是有正有負(fù)，在ur的一個(gè)周期內(nèi)，輸出的PWM波只有±Ud兩種電平。在ur的正負(fù)半周，對(duì)各開(kāi)關(guān)器件的控制規(guī)律相同。像這種周期內(nèi)三角波載波在正負(fù)一個(gè)方向變化，所得到的PWM波形也在兩個(gè)方向變化的控制方式稱(chēng)為雙極性PWM控制方式。圖4-28雙極性PWM控制方式波形3.3了解三相橋式PWM逆變電路3.3.1單相橋式PWM逆變電路圖4-29單相橋式PWM逆變電路單相橋式PWM逆變電路如圖4-29所示，工作時(shí)V1和V2通斷互補(bǔ)，V3和V4通斷也互補(bǔ)，比如在uo正半周，V1導(dǎo)通，V2關(guān)斷，V3和V4交替通斷。則負(fù)載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負(fù)。3.3.2三相橋式PWM逆變電路圖4-30三相橋式PWM逆變電路

3.4完成PWM逆變電路的MATLAB仿真分析3.4.1完成單相PWM逆變電路的MATLAB仿真分析1.參考電路圖建模元件名稱(chēng)提取路徑PWM調(diào)制信號(hào)發(fā)生器Simulink/Sources/PWMGenerator直流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/DCVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope信號(hào)組合模塊Simulink/SignalRouting/Mux測(cè)量模塊SimPowerSystems/MeasurementsMultimeter負(fù)載SimPowerSystems/Elements/Three-PhaseSeriesRLCLoadIGBTSimpowersystems/PowerElectronics/IGBT用戶界面分析模塊Powergui表4-5仿真模塊提取路徑2.設(shè)置各模塊的參數(shù)各模塊的參數(shù)設(shè)置如下：(1）直流電源DCVoltagesource：電壓設(shè)置為100V。(2）PWM脈沖發(fā)生器PWMGenerator：其參數(shù)設(shè)置如圖4-33所示。(3）IGBT：采用默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。(4）負(fù)載：負(fù)載為阻感性負(fù)載，電阻