电力电子电路数字仿真专题报告

电力电子电路数字仿真专题报告学生姓名：班级：学号：指导教师：所在单位：提交日期：作业评分课程专题报告1一、概述电力电子技术是目前一门发展较为迅速的学科，是高新技术产业发展的主要基础技术之一，是传统产业改革的重要手段。伴随人们用电需求提升，传统电力系统问题日渐凸显，电能的不稳定波动等现象的加重放大了电力系统故障带来的不利影响，使电力应用安全隐患的解决势在必行。电力电子技术作为一种广泛应用在电力系统中的电子技术形式，通过加强对电力系统中各个电力电子器件的转换和控制，提升了电力系统工作效率和资源的利用率，使高质量电能的获得得到了保障，促进了电力系统更加稳定、高效的运行。二、基本原理（一）晶闸管1、工作原理晶闸管共有三个电极，即门极G、阳极A、阴极K，内部是PNPN四层半导体结构，分析工作原理时可以看作双晶体管模型，如图2-1所示。2、伏安特性（1）当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；（2）当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通；（3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通；（4）若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管降到接近于零的某一数值下。SGIGNPNPNPV1V2REAEGAK+UA-UA-IAIAIH正向导通OIG2IG1IG=0Ubo雪崩击穿图2-1晶闸管的工作原理图2-2晶闸管的伏安特性（）21GGGIII课程专题报告2（二）相位控制方式通过控制触发角α的大小，即控制触发脉冲起始相位来控制直流输出电压的大小，这种方式称为相位控制方式，简称相控方式。可控整流电路中，调节触发信号触发角α，可控制输出电压的大小，对应的还有斩波控制、SPWM控制。（三）单相全桥可控整流电路的基本工作原理在单相桥式全控整流电路中，两只晶闸管VT1、VT3接成共阴极，两只晶闸管VT2、VT4接成共阳极，每一只晶闸管是一个桥臂，其中VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。1、带电阻负载的工作情况u2abidRudi2u1TVT1VT3VT2VT4图2-3带电阻负载的单相桥式全控整流电路负载为电阻的单相桥式全控整流电路的电路图如图2-3所示，在一个电源周期内电路的工作情况分析如下：（1）在的正半周（即a点电位高于b点电位），若4个晶闸管均不导通，负载电流，负载电压，VT1、VT4串联承受电压，设VT1和VT4漏电阻相等，各承受的一半，即。若在触发角α处给VT1和VT4加触发脉冲，VT1和VT4即导通，电流从电源a端经VT1、R、VT4流回电源b端。当过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。（2）在负半周，仍在触发延迟角α处触发VT2和VT3（VT2和VT3的触发处为），VT2和VT3导通，电流从电源b端流出，经VT3、R、VT2流回电源a端。到过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。此后又是du2u0di0du14/2VTVTduuu2u2ut2u课程专题报告3VT1和VT4导通，如此循环。2、带阻感负载的工作情况u2abidRLudi2u1TVT1VT3VT2VT4图2-4带阻感负载的单相桥式全控整流电路阻感负载的单相桥式整流电路的电路图如图2-4所示，为便于讨论，假设电路已工作于稳态，的平均值不变。（1）在的正半周期，触发角α处给晶闸管VT1和VT4加触发脉冲使其开通，。负载中有电感存在使负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作用，假设负载电感很大，负载电流连续且波形近似为一水平线。（2）过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流，并不关断。至时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，因VT2和VT3本已承受正向电压，故两管导通。VT2和VT3导通后，通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相。至下一周期重复上述过程，如此循环。三、MATLAB仿真与分析（一）仿真模型及参数设置1、仿真模型在MATLAB中分别搭建带电阻负载和带阻感负载的单相桥式全控整流电路的仿真电路模型，并加入测量模块和示波器模块，仿真模型如图4所示。di2u2duudi2udit2u课程专题报告4图3-1单相桥式全控整流电路的仿真模型2、参数设置（1）模块参数交流电压源：，；晶闸管：，，，，；负载：，（带电阻负载时）。图3-2交流电压源参数设置图3-3负载参数设置（2）仿真参数脉冲发生器触发信号1与2的振幅均为10V，周期为0.02s，脉冲宽度用脉冲周期的百分比表示，取5%。晶闸管的控制角α以脉冲的延迟时间t表示，设置仿真结束时间为0.2s。2=220UV50fHz0.001onR0.8fVV0cI10sR2509sCeF10R0.5LH0LH课程专题报告5图3-4触发信号1的参数设置图3-5触发信号2的参数设置（二）仿真结果及分析为负载电压波形，为负载电流波形，VT1:1为晶闸管电流波形，VT1:2为晶闸管电压波形，为交流侧电流波形。1、带电阻负载（1）α角移相范围为，晶闸管承受的最大正反向电压分别为和。（2）负载电压平均值为（式3-1）（3）负载电流平均值（式3-2）（4）晶闸管VT1、VT4和VT2、VT3轮流导电，流过晶闸管的电流平均值只有输出的负载电流平均值的一半，即（式3-3）（5）电源侧二次电流有效值与输出直流电流有效值I相等，为dudi2i000~180222U22U2222211cos1cos2sin()0.922dUUUtdtU21cos0.92ddUUIRR222211sinsin2222VTUUItdtRR2I课程专题报告6（式3-4）图3-6α=0°电阻负载时各电气量波形图3-7α=90°电阻负载时各电气量波形图3-8α=180°电阻负载时各电气量波形2、带阻感负载（1）α角移相范围为，晶闸管承受的最大正反向电压均为。（2）负载电压平均值为2222211sinsin22UUIItdtRR000~9022U课程专题报告7（式3-5）（3）晶闸管的导通角θ和控制角α无关，均为有效值和平均值分别为：和。（4）电源侧二次电流的波形为正负各的矩形波，其相位由α角决定，有效值。图3-9α=0°阻感负载时各电气量波形图3-10α=30°阻感负载时各电气量波形2222212sin()cos0.9cosdUUUtdtU0180/2dVTdII/2dVTdII2i01802dII课程专题报告8图3-11α=60°阻感负载时各电气量波形图3-12α=90°阻感负载时各电气量波形3、谐波分析相控整流装置在交流侧和直流侧都产生高次谐波，对于交流侧相当于一个谐波电流源，对直流侧相当于一个谐波电压源。（1）带电阻负载交流侧可写成（式3-6）是周期为的周期函数，且满足狄利赫里条件，根据傅立叶级数分析，可将分解为傅立叶级数叠加的形式为2i222sin1(0,1,2,)0Itktkikktk2i22i课程专题报告9（式3-7）（式3-8）（式3-9）由式3-7、式3-8、式3-9得出结论：纯电阻负载单相桥式全控整流电路交流侧电流除基波成分之外，还包含3、5、7、9…等奇次谐波，n次谐波电流的有效值与n及控制角α有关。电流谐波总畸变率，为总谐波电流有效值，反应波形与正弦波形的相近程度，越相近，THD越小。211sincosdnnnniIantbnt222012sin()2sin()02dIItdtItdt22202212sinsin()2sinsin()22()sin21202,1,2,3cossinsincos2221,1,2,31naItntdtItdntdtnnkknnnInkkn2220222212sincos()2sincos()2sin102,1,2,31coscossinsin2221,1,2,31nbItntdtItdntdtInnkknnnInkkn11222222222221(1cossin2coscos2sinsin)()12nnnInnnnnIabn1100%hITHDIhI课程专题报告10图3-13α=0°电阻负载时交流侧电流谐波图3-14α=30°电阻负载时交流侧电流谐波图3-15α=60°电阻负载时交流侧电流谐波可以看出，交流侧谐波均为奇次谐波，且当控制角α增大时，电流谐波总畸变率THD值随之增大，电流波形和正弦波形相差越大。课程专题报告11（2）带阻感负载交流侧电流可表达为（式3-10）是周期为的周期函数，且满足狄利赫里条件，根据傅立叶级数分析，可将分解为傅立叶级数叠加的形式为（式3-11）（式3-12）（式3-13）（式3-14）由式3-11、3-12、3-13、3-14得出结论：带阻感负载的单相桥式全控整流电路交流侧电流除基波成分外，还包含3、5、7、9…等奇次谐波成分。2i2221(0,1,2,)(21)(22)ddIktkikIktk2i22i22011sincosnnnniIantbnt022002()()0ddIIdtIdt201sin()()sin()024121ndddaIntdtIntdtnkInkn202cos()()cos()0nddbIntdtIntdt课程专题报告12图3-16α=0°阻感负载时交流侧电流谐波图3-17α=30°阻感负载时交流侧电流谐波图3-18α=60°阻感负载时交流侧电流谐波课程专题报告13图3-19α=90°阻感负载时交流侧电流谐波可以看出阻感负载时，电流谐波总畸变率THD，随着α的增大而减小，而且也均为奇次谐波。当时，THD基本稳定在40%~50%之间，变化较小，而当时，THD明显降低，时，,相对较小，说明此时相比较而言更接近正弦波形。四、结语通过对单相桥式整流电路的分析，借助MATLAB/Simulink与powersystem工具箱对整流电路建模，对带电阻负载和阻感负载时电路的工作情况进行分析，验证电阻负载时控制角α的移相范围是0°~180°，此时负载电流并不连续；阻感负载时α的移相范围是0°~90°，因大电感的存在，此时电流连续。接着分析了交流侧电流在两种负载下的谐波情况，对电流总畸变率THD的变化作了总结。本次仿真得出的结论大体与理论一致，在谐波分析上比理论更直观，也更深刻，引发了更多的疑问和更深的思考。参考文献：[1]王兆安,刘进军.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2009.[2]黄俊,王兆安.电力电子变流技术[M].北京:机械工业出版社.1993.[3]张维,齐锴亮.基于MATLAB的单相桥式全控整流电路的建模与分析[J].电子设计工程,2017(12)：97-100.[4]刘玉娟.单相桥式全控整流电路的MATLAB仿真分析[J].2010(5):62-64.06000609009023.34%THD