64电力电子技术matlab仿真5电力电子变流电路的仿真

第五章电力电子变流电路的仿真电力电子变流电路的仿真所谓变流就是指交流电和直流电之间的转换，对交直流电压、电流的调节，和对交流电的频率、相数、相位的变换和控制。而电力电子变流电路就是应用电力电子器件实现这些转换的线路，一般这些电路可以分为四大类。(1)交流-直流变流器(2)直流-直流斩波调压器(3)直流-交流变流器(4)交流-交流变流器，其中，又分为交流调压器和交-交变频器。第5章电力电子变流电路的仿真5-2电力电子变流电路的仿真5.1交流-直流变流器5.2直流-直流变流器5.3直流-交流变流器5.4交流-交流变流器第5章电力电子变流电路的仿真5-35.1交流-直流变流器交流-直流变流器又称整流器、AC-DC变流器，其作用是将交流电转变为直流电，一般也称整流，并且在整流的同时还对直流电压电流进行调节，以符合用电设备的要求。常用的整流器有单相和三相整流器，从控制角度区分有不控、半控和全控整流电路之分，从输出直流的波形来区分，又有半波和全波整流之分。二极管、晶闸管是常用的整流器件，现在采用全控型器件的PWM方式整流器也越来越多。第5章电力电子变流电路的仿真5-45.1.1单相桥式全控整流电路仿真单相桥式全控整流电路第5章电力电子变流电路的仿真5-5u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形5.1.1单相桥式全控整流电路仿真第5章电力电子变流电路的仿真5-65.1.2三相桥式全控整流电路仿真三相桥式全控整流电路第5章电力电子变流电路的仿真5-7=30°iaOtOtOtOtuduabuacuaubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuabuacubcubaucaucbuabuacuVT1三相桥式全控整流电路带电阻负载a=30时的波形5.1.2三相桥式全控整流电路仿真第5章电力电子变流电路的仿真5-85.2直流-直流变流器直流-直流变流器也称直流斩波器(DCChopper)或DC-DC变流器。直流-直流变流器用于调整直流电的电压，它有多种类型，这里主要介绍降压(Buck)变流器、升压(Boost)变流器和桥式(H型)直流变流器的仿真。第5章电力电子变流电路的仿真5-95.2直流-直流变流器5.2.1直流降压变流器设计在开关器件VT导通时有，电流经电感L向负载供电，在VT关断时，电感L释放储能，维持负载电流，电流负载和二极管VD形成回路。负载侧输出电压的平均值为式中T为VT开关周期，ton为VT导通时间，α为占空比。第5章电力电子变流电路的仿真5-10a）电路图b）电流连续时的波形c）电流断续时的波形5.2直流-直流变流器5.2.1直流降压变流器设计第5章电力电子变流电路的仿真5-115.2直流-直流变流器5.2.2直流升压变流器设计在电路中IGBT导通时，电流由电源E经升压电感L和VT形成回路，电感L的电流增加，电感储能;当IGBT关断时，电感产生的反电动势和直流电源电压串联共同向负载供电，由于在IGBT关断时电感的反电动势和直流电源电压方向相同互相叠加，从而在负载侧得到高于电源的电压。稳态时，一个周期T内电感L积蓄的能量与释放的能量相等输出电压为：第5章电力电子变流电路的仿真5-120iGE0ioI1升压斩波a）电路图b）波形offoontIEUtEI11EEUoa1115.2直流-直流变流器5.2.2直流升压变流器设计第5章电力电子变流电路的仿真5-135.2直流-直流变流器5.2.3桥式直流PWM变流器仿真又称H型变流器和四象限直流.直流变流器，其原理电路如图5-34所示。1.双极式调制四个开关器件VTl和VT4,VT2和VT3两两成对VTl和VT4导通，电压输出为正VT2和VT3导通，电压输出为负控制开关器件的通断时间(占空比)可以调节输出电压的大小。第5章电力电子变流电路的仿真5-145.2直流-直流变流器第5章电力电子变流电路的仿真5-15仿真参数设定电源电压：200V负载：R=2ΩL=1mHE=50V锯齿波周期:3e-4s延迟环节：导通点1e-4关断点-1e-4导通值1关断值05.2直流-直流变流器第5章电力电子变流电路的仿真5-165.2直流-直流变流器第5章电力电子变流电路的仿真5-175.3直流-交流变流器5.3.1三相电压源型SPWM逆变器仿真5.3.2电流跟踪型逆变器仿真第5章电力电子变流电路的仿真5-185.3.1三相电压源型SPWM逆变器仿真PWM（PulseWidthModulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。第5章电力电子变流电路的仿真5-195.3.1三相电压源型SPWM逆变器仿真第5章电力电子变流电路的仿真5-20•■面积等效原理•◆PWM控制技术的重要理论基础。•◆原理内容：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。•☞冲量即指窄脉冲的面积。•☞效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。•☞如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。•◆实例•☞将图7-1a、b、c、d所示的脉冲作为输入，加在图7-2a所示的R-L电路上，设其电流i(t)为电路的输出，图7-2b给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形。图7-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲图7-2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形5.3.1三相电压源型SPWM逆变器仿真用PWM波代替正弦半波◆幅值顶部是曲线且大小按正弦规律变化的脉冲序列组成的。◆利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，这就是PWM波形。◆正弦波的负半周，用同样的方法得到。◆脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM（SinusoidalPWM）波形。第5章电力电子变流电路的仿真5-21图7-3用PWM波代替正弦半波5.3.1三相电压源型SPWM逆变器仿真第5章电力电子变流电路的仿真5-22◆双极性PWM控制方式☞调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关器件的通断。☞在ur的一个周期内，输出的PWM波只有±Ud两种电平。☞在ur的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。√当uruc时，V1V4导通，uo=Ud。√当uruc时，V2V3导通，uo=-Ud。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud图7-6双极性PWM控制方式波形图7-4单相桥式PWM逆变电路5.3.1三相电压源型SPWM逆变器仿真第5章电力电子变流电路的仿真5-23图7-7三相桥式PWM型逆变电路图7-8三相桥式PWM逆变电路波形■三相桥式PWM逆变电路◆采用双极性控制方式。◆U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波uc，三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120°。5.3.1三相电压源型SPWM逆变器仿真第5章电力电子变流电路的仿真5-245.3.2电流跟踪型逆变器仿真电流跟踪型逆变器使逆变器的输出电流跟随给定的电流波形变化，这也是一种PWM控制方式。电流跟踪一般都采用滞环控制，即当逆变器输出电流与给定电流的偏差超过一定值时，改变逆变器的开关状态，使逆变器的输出电流增加或减小，将输出电流与给定电流的偏差控制在一定范围内，其工作原理如图第5章电力电子变流电路的仿真5-255.3.2电流跟踪型逆变器仿真第5章电力电子变流电路的仿真5-265.3.2电流跟踪型逆变器仿真第5章电力电子变流电路的仿真5-275.3.2电流跟踪型逆变器仿真第5章电力电子变流电路的仿真5-285.4交流-交流变流器第5章电力电子变流电路的仿真5-29■把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可以控制交流输出。■交流电力控制电路◆交流调压电路：在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，调节输出电压有效值的电路。◆交流调功电路：以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断，改变通态周期数和断态周期数的比，调节输出功率平均值的电路。◆交流电力电子开关：串入电路中根据需要接通或断开电路的晶闸管。■应用◆灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)。◆异步电动机软起动。◆异步电动机调速。◆供用电系统对无功功率的连续调节。◆在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变压器一次电压。5.4.1单相交流调压器仿真第5章电力电子变流电路的仿真5-30Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt图6-1电阻负载单相交流调压电路及其波形■电阻负载◆工作过程☞在交流电源u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角a进行控制就可以调节输出电压。5.4.1单相交流调压器仿真第5章电力电子变流电路的仿真5-31VT1图6-2阻感负载单相交流调压电路及其波形•■阻感负载•◆工作过程•☞若晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为，当用晶闸管控制时，只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后。•☞设负载的阻抗角为，稳态时a的移相范围应为≤a≤p。5.4.1单相交流调压器仿真交流调压晶闸管控制角α的移相范围是180º，α=0º的位置定在电源电压过零的时刻。在阻感负载时按控制角与负载阻抗角[φ=arctan(U/R)]的关系，电路有两种工作状态。1.φ≤α≤180º时调压器输出电压和电流的正负半周是不连续的，在这范围内调节控制角，负载的电压和电流将随之变化。2..0º≤α≤φ时调压器输出处于失控状态，即虽然控制角变化，但负载电压不变，且是与电源电压相同的完整正弦波。第5章电力电子变流电路的仿真5-325.4.1单相交流调压器仿真第5章电力电子变流电路的仿真5-335.4.1单相交流调压器仿真第5章电力电子变流电路的仿真5-345.4.1单相交流调压器仿真第5章电力电子变流电路的仿真5-35谢谢！第5章电力电子变流电路的仿真5-36