逆变电路的仿真

编号编号 毕毕 业业 论论 文文 20142014 届本科 届本科 题题 目 目 逆变电路的仿真实验逆变电路的仿真实验 学学 院 院 物理与机电工程学院物理与机电工程学院 专专 业 业 物物 理理 学学 作者姓名 作者姓名 杨杨 发发 润润 指导教师 指导教师 马马 保保 宏宏 职称 职称 讲讲 师师 完成日期 完成日期 20132013 年年 5 5 月月 2020 日日 二 一四 年 五五 月 2 逆变电路的仿真实验逆变电路的仿真实验 摘摘 要要 逆变电路就是将直流电能变换为交流电能的变换电路 本文通过逆变器变换电路的 工作原理 利用电力电子器件 可关断的晶闸管和绝缘栅双极晶体管 以 MATLAB 和 Simulink 为基础 完成逆变器变换电路的建模及仿真和输出波形分析 其中包括对单相电压型逆变电路 三相电压型逆变电路 单相电流型逆变电路和三相电流型逆变电路的建模 仿真并对其各个电路 的输入和输出仿真波形进行分析 最后得出各种逆变电路的优点与缺点 并以此为基础掌握 MATLAB Simulink 对一个动态系统进行建模 仿真和分析的基本方法 关键词关键词 逆变 电压型 电流型 晶闸管 Abstract Inverter circuit is the DC power into AC power converter circuit This article by Inverter circuit works use of power electronic devices you can turn off thyristors and insulated gate bipolar transistor based on MATLAB and Simulink complete Inverter circuit modeling and simulation and analysis of output waveforms Single phase voltage type Inverter circuit including three phase voltage inverter single phase and three phase current source Inverter circuit current source Inverter circuit modeling and simulation and its circuit simulation of input and output waveforms for analysis Finally arrived at a variety of advantages and disadvantages of the Inverter circuit And master MATLAB Simulink on the basis of a dynamic system modeling simulation and analysis of the basic method Keywords inverters voltage current type Thyristors 3 0 引言引言 电力电子技术实际上就是电能的变换与控制技术 将交流电能变换为固定的或可 调的直流电能称为整流 将直流电能转换为可调的直流电能称为直流斩波 DC Chopping 或直流 直流变换 DC DC Converting 将交流电能直接变换为可调 幅值或 频率 的交流电能称为交流 交流变换 AC AC Converting 或周波变换 Cycloconverting 而目前应用十分广泛的工业变频器中还包括一种变换称为逆变 逆变电路的应用非常广泛 在已有的各种电源中 蓄电池 干电池 太阳能电池 等都是直流电源 当需要这些电源向交流负载供电时 就需要逆变电路 另外 交流 电机调速用变频器 不间断电源 感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛 其电 路的核心部分都是逆变电路 它的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输 出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源 将直流电能变换为交流电能的变换电路 可用于构成各种交流电源 在工业中得 到广泛应用 生产中最常见的交流电源是由发电厂供电的公共电网 中国采用线电压 方均根值为 380V 频率为 50Hz 供电制 由公共电网向交流负载供电是最普通的供 电方式 但随着生产的发展 相当多的用电设备对电源质量和参数有特殊要求 以至 难于由公共电网直接供电 为了满足这些要求 历史上曾经有过电动机 发电机组和 离子器件逆变电路 但由于它们的技术经济指 标均不如用电力电子器件 如晶闸管等 组成的逆变电路 因而已经或正在被后 者所取代 1 逆变技术的意义与发展逆变技术的意义与发展 1 1 研究逆变技术的意义研究逆变技术的意义 逆变 是对电能进行变换和控制的一种基本形式 逆变技术在风力发电系统中是 一个极其关键的技术 在小型风力发电系统中的使用日益广泛 它承担着将直流电调 制成稳压稳频的交流电直接供给负载的任务 而现代逆变技术综合了现代电力电子器 件的应用 现代功率变换 模拟和数字电子技术 PWM 技术 频率及相位控制技术等 一门实用技术 已被广泛的用于工业和民用领域中的各种功率变换系统和装置中 11 近年来 关于电力变换 电动机调速 不间断电源 逆变弧焊电源等各种系统都是逆 变技术的应用领域 对于从事电力电子技术研究的工作人员来说 全面掌握现代逆变 4 技术的系统知识就能容易的从事电力电子各方面的设计和研究工作 由于功率半导体 元件的进步 微机处理机的快速发展以及现代控制理论的应用 使得逆变技术在现代 工程领域中已经占有相当重要的地位 由于逆变领域的产品都是高频大功率的产品 这些相关领域的研究 制作与测试 对实验室的实验设备来说是一种重大的考验 逆变电路是通用变频器核心部件之一 起着非常重要的作用 它的基本作用是在 控制电路的作用下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交 流电源 同时逆变电路也是 UPS 的重要组成部分 由于通常的电力能源例如发电机 电网和蓄电池等均属于电压源 在储能效率和 储能元件的体积 价格方面 VIS 中的储能元件电容器与 CSI 中的储能元件电感器相 比都具有明显的优势 随着超导技术的发展 电流型逆变器中的储能效率问题得到很 好地解决 但是电压型逆变器及其控制方法的研究工作一直是人们的研究重点 虽然 电流型逆变器相关理论的研究相对较少应用也不如电压型逆变器应用广泛 但是电流 型逆变器在实际应用中也有其独特性 尤其适用于大功率变流系统已经有特殊需求的 应用领域 1 2 逆变电路的分类逆变电路的分类 为了满足不同用电设备对交流电源性能参数的不同要求 已发展了多种逆变电路 并大致可按以下方式分类 1 按输出电能的去向分 可分为有源逆变电路和无源逆变电路 前者输出的电能 返回公共交流电网 后者输出的电能直接输向用电设备 2 按直流电源性质可分为由电压型直流电源供电的电压型逆变电路 和由电流型 直流电源供电的电流型逆变电路 3 按主电路的器件分 可分为 由具有自关断能力的全控型器件组成的全控型逆 变电路 由无关断能力的半控型器件 如普通晶闸管 组成的半控型逆变电路 半控 型逆变电路必须利用换流电压以关断退出导通的器件 若换流电压取自逆变负载端 称为负载换流式逆变电路 这种电路仅适用于容性负载 对于非容性负载 换流电压必 须由附设的专门换流电路产生 称自换流式逆变电路 4 按电流波形分 可分为正弦逆变电路和非正弦逆变电路 前者开关器件中的电 流为正弦波 其开关损耗较小 宜工作于较高频率 后者开关器件电流为非正弦波 因其开关损耗较大 故工作频率较正弦逆变电路低 5 按输出相数可分为单相逆变电路和多相逆变电路 5 2 逆变电路的工作原理简介逆变电路的工作原理简介 在电力电子技术中 把直流电能变换成交流电能的过程则称之为逆变 通常把交 流电能变成直流电源的过程称为整流 它是逆变的逆过程 如果把该电路的交流侧接 到交流电源上 把直流电能经过直 交变换 逆变成与交流电源同频率的交流电返回到 电网中 称之为有源逆变 不接电网则称作无缘逆变 因此在逆变电路中 按照负载性 质的不同 逆变电路可以分为有源逆变和无缘逆变 以图 1 a 单相桥式逆变电路为例说明其最基本的工作原理 图中 S1 S4是桥式 电路的四个桥臂 它们由电力电子器件和他们的辅助电路组成 当开关 S2 S3闭合 开关 S1 S4断开时 负载电压 u0为负 负载电流和电压当开关 S1 S4闭合 开关 S2 S3断开的时候 负载电压 u0为正 其波形如图 1 b 所示 这样把直流电变成 交流电 改变两组开关的切换频率 就可以改变输出交流电的频率 这就是逆变电路 的工作原理 图图 1 1 逆变电路原理图及其波形举例逆变电路原理图及其波形举例 当负载为电阻时 负载电流 i0和负载电压 u0的波形形状和相位均相同 当负载 为阻感时 负载电流 i0相位滞后于负载电压 u0 二者波形的形状也不同 图 1 b 给出的就是阻感负载时的 i0波形 设 t1时刻以前 S1 S4导通 u0和 i0均为正 在 t1 时刻断开 S1 S4 同时合上 S2 S3 则 u0的极性立刻变为负 但是其电流方向不能立 即改变只能维持原方向 因为负载中有电感 这时负载电流从直流电源负极流出 经 负载和流回正极 负载电流逐渐减小 到时刻降为零 之后才反向并逐渐增大 于此 同时负载电感中储存的能量向直流电源反馈 开关 S2 S3断开 S1 S4闭合时的情况 类似 电流从一个支路向另一个支路转移的过程成为换流 换流也常称为换向相 换流 过程中 有的支路从通态转移到断态 有的支路从断态转移到通态 换流方式一般分 为器件换流 电网换流 负载换流等 强迫换流等 本文进行了单相方波逆变电路 三相方波逆变电路 单相SPWM逆变电路 三相 6 SPWM逆变电路的仿真 其中主要以单相SPWM逆变电路的仿真分析为例进行介绍 桥式 逆变电路按电路结构可分为全桥和半桥式逆变电路 半桥式电路比较简单 全桥电路 较复杂而变换容量较大 本文采用单相桥式逆变电路为例进行分析 3 逆变电路的仿真逆变电路的仿真 3 1 电压型逆变电路电压型逆变电路 根据直流侧电源性质的不同可分为两种 直流侧是电压源的称为电压型逆变电路 直流侧是电流源的则称为电流型逆变电路 电压型逆变电路有以下特点 直流侧为电压源 或并联有大电容 相当于电压源 直流侧电压基本无脉动 直 流回路呈现低阻抗 由于直流电压源的钳位作用 交流侧输出电压波形为矩形波 并且与负载阻抗角 无关 而交流侧输出电流波形和相位因为负载阻抗的情况不同而不同 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率 直流侧电容起缓冲无功能量的作用 为了给交流侧想直流侧反馈的无功能量提供通道 逆变桥各臂都并联了反馈二极管 又称为续流二极管 逆变电路分为单相和三相两大类 其中 单相逆变电路主要采用桥式接法 主要 有 单相半桥和单相全桥逆变电路 而三相电压型逆变电路则是由三个单相逆变电路 组成 3 1 1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路 1 半桥逆变电路 1 半桥逆变电路结构及其工作原理 在一个周期内 电力晶体管 T1 和 T2 的基极信号各有半周正偏 半周反偏 且互 补 若负载为阻感负载 设 t2 时刻以前 T1 有驱动信号导通 T2 截止 则 2 U U d 0 t2 时刻关断的 T1 同时给 T2 发出导通信号 由于感性负载中的电流 i 不能立 即改变方向 于是 D2 导通续流 2 U U d 0 t3 时刻 i 降至零 D2 截止 T2 导通 i 开始反向增大 此时仍然有 7 2 U U d 0 在 t4 时刻关断 T2 同时给 T1 发出导通信号 由于感性负载中的电流 i 不能立 即改变方向 D1 先导通续流 此时仍然有 2 U U d 0 t5 时刻 i 降至零 T1 导通 2 U U d 0 图图 2 2 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形单相半桥电压型逆变电路及其工作波形 V1和 V2栅极信号各半周正偏 半周反偏 二者互补 输出电压 uo为矩形波 幅 值为 Um Ud 2 输出电流 io波形随负载而异 感性负载时 V1或 V2通时 io和 uo 同方向 直流侧向负载提供能量 VD1或 VD2通时 io和 uo反向 电感中贮能向直 流侧反馈 VD1 VD2称为反馈二极管 还使 io连续 又称续流二极管 2 根据电路图建立仿真模型与分析 图图 3 3 单相半桥电压型逆变电路仿真图单相半桥电压型逆变电路仿真图 8 利用 MATLAB 和 Simulink 为基础 用电子器件 IGBT 管 单相半桥电压型逆变电 路图进行建模和仿真 由以上工作原理概论的分析可得其主电路仿真图如 3 所示 将输入电压 Ud 设为 360V 图中每个电源电源为 180V 将 Pulse Generator 模 块 幅值为 1 周期为 0 2s 频率为 50Hz 占空比为 50 其中一个滞后 0s 其输出 加在开关 IGBT 的门极 另外一个滞后设为 0 1s 其输出加在 IGBT1 的门极 负载电 阻和电感分别设为 1 和 0 04H 周期与驱动信号频率同设为 50Hz 将仿真时间设 为 2s 最后仿真在示波器中得到的波形图如图 4 所示 图图图图 4 4 单相半桥电压型逆变电路的波形图单相半桥电压型逆变电路的波形图 180V 与理论值基本相符 优点 简单 使用器件少 缺点 交流电 2 0 d U U 压幅值 Ud 2 直流侧需两电容器串联 要控制两者电压均衡 用于几 kW以下的小功 率逆变电源 2 全桥逆变电路 1 全桥逆变电路的结构及其工作原理 单相全桥逆变电路如图 5 a 所示 是由一个大小为 Ud 的直流电压源和两个桥 臂组成 每个桥臂包括两个全控器件 图 5 b 为该电路的基本波形 两路频率为 f 占空比为 50 的周期互补信号分别控制全桥电路的两组斜对角功率开关 S1 S4和 S2 S3 当 S1 S4导通时 逆变电路输出电压 u0等于 Ud 当开关 S2 S3导通时 u0 9 等于 Ud 因此 u0为一个与驱动信号同频率 正负幅值均为 Ud 的交变方波电压 按照图 5 a 所示的参考方向 假定电路已进入稳态 在 t0时刻 S1 S4的们 驱动信号到达 同时 S2 S3因门驱动信号撤除而关断 输出电压为 Ud 由于负载的 电感性质 负载电流之后负载电压一个角度 在此期间负载电压为负的 这意味着在 t0时刻负载电流从 S2 S3切换到桥臂对管 S1 S4的反并联二极管 D1 D4 这一过程 称为强制换流 此后负载电感的磁场储能向直流母线馈送 负载电流的绝对值指数下 降 直到负载电流过零 在 t1时刻 负载电流达到零值并开始转变方向与 u0同向 电流从二极管 D1 D4自然转移到同桥臂的 S1 S4这一过程称为自然换流 此后能量 由负载向母线传递 负载电流指数上升 直到开关状态改变 a 单相全桥逆变电路 b 全桥逆变电路移相调压波形图 图图 5 5 单相全桥逆变电路及其基本波形单相全桥逆变电路及其基本波形 对逆变电路输出电压u0进行傅里叶展开 得 u0 4 sin 1 3 5 式中 2 输出电压基波峰值为 1 4 1 273 其有效值为 1 4 2 0 9 uo为正负各 180 时 要改变输出电压有效值只能改变 Ud来实现 10 移相调压方式如图 5 b 所示 可采用移相方式调节逆变电路的输出电压 称为移相调压 各栅极信号为 180 正 偏 180 反偏 且 V1和 V2互补 V3和 V4互补关系不变 V3的基极信号只比 V1落 后 q 0 q 180 V3 V4的栅极信号分别比 V2 V1的前移 180 q uo成为正负各为 q 的脉冲 改变 q 即可调节输出电压有效值 2 根据电路图建立仿真模型与分析 利用 MATLAB 和 Simulink 为基础 用电子器件 IGBT 管 单相全桥电压型逆变 电路图进行建模和仿真 由以上工作原理概论的分析可得其主电路仿真图如图 6 所示 图图 6 6 单相全桥逆变电路的仿真图单相全桥逆变电路的仿真图 11 图图 7 7 单相全桥逆变电路仿真波形图单相全桥逆变电路仿真波形图 将输入电压 Ud 设为 300V 在 Simulink 的 Sources 库中选择四个 Pulse Generator 模块 幅值为 1 周期为 0 2s 频率为 50Hz 占空比为 50 其中两个滞 后 0s 其输出加在 IGBT1 和 IGBT4 的门极 另外两个滞后设为 0 1s 其输出加在 IGBT2 和 IGBT3 的门极 负载电阻和电感分别设为 1 和 0 01H 周期与驱动信号 频率同设为 50Hz 将仿真时间设为 2s 运行后可得仿真结果 在示波器中得到的波 形图如图 7 所示 其中图片自上而下依次为输入电压 Ud 负载两端电压 Uo 流过负 载的电流 io 交流电流和直流电流波形有阻感负载的特性所决定 直流电流为负的期间 电流 通过反并联二极管流向电源 负载电感的磁场储能向直流母线馈送 直流电流为负的 期间 电流通过 IGBT 流向负载 若为纯电阻负载 则直流电流无波动 根据仿真波 形图看 逆变器输出的交流基波电压的幅值为 220V 与上面数学分析中的理论值相符 可见 单相方波逆变电路输出电压的基波幅值大于直流电压 其中电压利用率较高 但同时谐波利用率较高 但同时谐波含量较大 难以满足多数负载的要求 3 1 2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路 1 三相电压型逆变电路的结构及其工作原理 用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路 但在三相逆变电路中 应用 最为广泛的还是三相桥式逆变电路 采用 IGBT 作为开关器件的三相电压型桥式逆变 电路如图 8 所示 可以看成是由三个半桥逆变电路组成 图图 8 8 三相电压型桥式逆变电路三相电压型桥式逆变电路 电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了 但为了方便分析 画作串联的两个 电容器并标出假想中点 和单相半桥 全桥逆变电路相同 三相电压型桥式逆变 N 电路的基本工作方式也是导电方式 即每个桥臂的导电角度为 同一相 180 180 即同一半桥 上下两个臂交替导电 各相开始导电的角度以此相差 这样 在 120 任一瞬间 将有三个桥臂同时导通 可能是上面一个臂下面两个臂 也可能是上面两 12 个臂下面一个臂同时导通 因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行 因此 也被称为纵向换流 以下分析三相电压型桥式逆变电路的工作波形 对于 U 相输出来说 当桥臂 1 导通时 当桥臂 4 导通时 因此 的波形是幅值为2 UNd uU 2 UNd uU UN u 的矩形波 V W 两相的情况和 U 相类似 的波形形状和相同 2 d U VN u WN u UN u 只是相位依次差 120 负载线电压 可由下式求出 UN WN WU WN VN VW VN UN UV uuu uuu uuu 设负载中点 N 与直流电源假想中 点之间的电压为 则负载各相 N NN u 的相电压分别为 NN WN WN NN VN VN NN UN UN uuu uuu uuu 三相电压型桥式逆变电路的工作 波形如图 9 所示 下面对三相桥式逆变电路的输出 电压进行定量分析 把输出线电压 展 开成傅里叶级数得 图图 9 9 三相电压型桥式逆变电路的工作波形三相电压型桥式逆变电路的工作波形 2 3111 sinsin5sin7sin11 5711 d UV U utttt 2 31 sin 1 sin k d n U tn t n 式中 为自然数 61nk k 输出线电压有效值 UUV为 2 2 0 1 0 816 2 UVUVd Uud tU 13 基波幅值 UUV1m和基波有效值 UUV1分别为 1 2 3 1 1 d UV md U UU 1 1 6 0 78 2 UV m UVdd U UUU 接下来 我们再对负载相电压进行分析 把展开成傅里叶级数得 UN u UN u 2111 sinsin5sin7sin11 5711 d UN U utttt 21 sinsinn d n U tt n 式中 k 为自然数 61nk 负载相电压有效值 UUN为 2 2 0 1 0 471 2 UNUNd Uud tU 基波幅值 UUN1m和基波有效值 UUN1分别为 1 2 0 637 d UN md U UU 1 1 0 45 2 UN m UNd U UU 2 根据电路图建立仿真模型与分析 利用 MATLAB 和 Simulink 为基础 用电子器件 Universal Bridge 管 三相电压 型桥式逆变电路图进行建模和仿真 由以上工作原理概论的分析可得其主电路仿真图 如图 10 所示 在 Simpowersystem 的 Electrical Sources 库中选择直流电压源模 块 在对话框中将直流电压设置为 530V 然后在 Power Electronics 库中选择 Universal Bridge 模块 桥臂数设置为 3 构成三相电路 开关器件为带有反并 联二极管的 IGBT 在 Elements 库中选择三相串联的串联 RLC 支路模块 将模块 改为 RL 再将 R 设为 10 将 L 设为 0 05H 在 Simpowersystem 的 Sink 库中选择 Scope 示波器模块 在的 Simulink 的 Signal Routing 库中选择 Mux 模 块 Mux 模块中的输入接口设为 3 按照如图 10 所示将各模块连接 这样就完成了三 相方波逆变电路的主电路部分 Simulink 的 Sources 库中选择六个 Pulse Generator 模块 幅值为 1 周期设为 0 6s 频率为 50Hz 占空比为 50 各模块依 14 次滞后 0 1s 即相差 60 采用 Mux 模块将六路信号合成后加在门极上 仿真时 间为 5s 运行以后点击示波器即可观察到相电压 相电流 线电压和直流电流波形 如图 11 所示为 a 相电压 a 相电流 a b 间线电压仿真波形 图图 1010 三相电压型逆变电路的仿真图三相电压型逆变电路的仿真图 由图 11 可知 相电压基波峰值在 340V 左右 数学分析数值为 337 61V 线电压 的基波峰值为 580V 左右 数学分析值 583V 因此可以得出仿真值与上述数学分析 数值相符 15 图图 1111 三相电压型逆变电路仿真波形图三相电压型逆变电路仿真波形图 3 2 电流型逆变电路电流型逆变电路 3 2 1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路 1 单相桥式电流型逆变电路的结构及其工作原理 4 桥臂 每桥臂晶闸管各串一个电抗器 LT限制晶闸管开通时的 di dt 1 4 和 2 3 以 1000 2500Hz 的中频轮流导通 可得到中频交流电 采用负载换相方式 要 求负载电流超前于电压 负载一般是电磁感应线圈 加热线圈内的钢料 RL 串联为其等效电路 因功率 因数很低 故并联 C C 和 L R 构成并联谐振电路 故此电路称为并联谐振式逆变 电路 输出电流波形接近矩形波 含基波和各奇次谐波 且谐波幅值远小于基波 因基 波频率接近负载电路谐振频率 故负载对基波呈高阻抗 对谐波呈低阻抗 谐波在负 载上产生的压降很小 因此负载电压波形接近正弦波 图图 12 单相桥式电流型 并联谐振式 逆变电路单相桥式电流型 并联谐振式 逆变电路 工作波形分析 一周期内 两个稳定导通阶段和两个换流阶段 t1 t2 VT1和 VT4稳定导通阶段 i Id t2时刻前在 C 上建立了左正右负的电压 t2 t4 t2时触发 VT2和 VT3开通 进入换流阶段 LT使 VT1 VT4不能立刻关断 电流有一个减小过程 VT2 VT3电流有一个增大过程 4 个晶闸管全部导通 负载 电压经两个并联的放电回路同时放电 t2时刻后 LT1 VT1 VT3 LT3到 C 另一 个经 LT2 VT2 VT4 LT4到 C t t4时 VT1 VT4电流减至零而关断 换流阶段结 束 t4 t2 tg 称为换流时间 io在 t3时刻 即 iVT1 iVT2时刻过零 t3时刻大体位于 t2 16 和 t4的中点 保证晶闸管的可靠关断 晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能 力 换流结束后还要使 VT1 VT4承受一段 反压时间 t t t5 t4应大于晶闸管的关断时 间 tq 为保证可靠换流应在 uo过零前 t t5 t2时刻触发 VT2 VT3 t 为触发引前时间 t t t io超前于 uo的时间为 表示为电角度 为电路工作角频率 分别是 t t 对 应的电角度 数量分析 忽略换流过程 io可近似成矩形波 展 开成傅里叶级数 基波电流有效值 图图 1313 并联谐振式逆变电路工作波形并联谐振式逆变电路工作波形 负载电压有效值 Uo和直流电压 Ud的关系 忽略 Ld的损耗 忽略晶闸管压降 实际工作过程中 感应线圈参数随时间变化 必须使工作频率适应负载的变化而 自动调整 这种控制方式称为自励方式 固定工作频率的控制方式称为他励方式 自励方式存在起动问题 解决方法 一是先用他励方式 系统开始工作后再转入自励方式 另一种方法是附加预充电 起动电路 2 根据电路图建立仿真模型与分析 17 利用MATLAB和Simulink为基础 用电子器件IGBT管 单相桥式电流型逆变电 路图进行建模和仿真 由以上工作原理概论的分析可得其主电路仿真图如图所示 图图 1414 单相桥式电流型 并联谐振式 逆变电路仿真单相桥式电流型 并联谐振式 逆变电路仿真 图图 1515 单相桥式电流型 并联谐振式 逆变电路仿真波形图单相桥式电流型 并联谐振式 逆变电路仿真波形图 将输出电压 Ud 设为 V 将串联电感设为 1010H 就可以得到一个电流源 在 Simulink 的 Sources 库中选择两个 Pulse Generator 模块 幅值为 1 周期为 0 2s 频率为 50Hz 占空比为 50 其中一个滞后 0s 其输出加在开关 1 和 4 的门 极 另外两个滞后设为 0 1s 其输出加在 2 和 3 的门极 负载电阻和电感分别设为 100 和 0 01H 电容设为 1e 5 周期与驱动信号频率同设为 50Hz 将仿真时间设为 18 2s 运行后可得仿真结果 在示波器中得到的波形图如图 15 所示 输出峰值电流为 3A 输出峰值电压为 300V 3 2 2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路 1 三相桥式电流型逆变电路的结构及其工作原理 采用反向阻断型GTO的三相电流型桥式逆变电路图如图16 a 所示 若使用反 向导电型GTO 则必须给每一个GTO串联一个二极管以承受反向电压 图中的交流 侧电容器是为吸收换流是负载电感中存储的能量而设置的 a b 图图1616 三相电流型桥式逆变电路及其工作波形三相电流型桥式逆变电路及其工作波形 这种电路的基本工作方式是120 导电方式 即每个臂一个周期内导电120 按VT1 VT6的顺序每隔60 依次导通 这样 每个时刻上下桥臂组都各有一个臂导 通 换流时 是在上桥臂组或下桥臂组内依次换流 为横向换流 和画电压型逆变电路波形是先画电压波形一样 画电流型逆变电路波形时 总是 先画电流波形 因为输出交流电流波形和负载性质无关 是正负脉冲宽度各为120 的矩形波 图17所示给出了逆变电路三相输出交流电流波形及电压uUV的波形 输出 电流波形和三相桥式可控整流电路在大电感负载下的交流输入电流波形形状相同 因 此 它们的谐波分析表达式也相同 输出线电压波形和负载性质有关 图16 b 给 出的波形大体为正弦波 但叠加了一些脉冲 这是由于逆变器中的换流过程而产生的 输出交流电流IU1的基波有效值和直流电流Id的关系为 19 2 根据电路图建立仿真模型与分析 利用MATLAB和Simulink为基础 用电子器件GTO管 三相电流型桥式逆变电路 图进行建模和仿真 由以上工作原理概论的分析可得其主电路仿真图如图18所示 图图1818 三相电流型桥式逆变电路仿真图三相电流型桥式逆变电路仿真图 将输入电压 Ud 设为 100kV 将串联电感 L 设为 1012H 就可以得到一个输入 电流为 4 5A 的电流源 图图1919 三相电流型桥式逆变电路的仿真波形三相电流型桥式逆变电路的仿真波形 在 Simulink 的 Sources 库中选择六个 Pulse Generator 模块 幅值为 1 周期为 20 0 6s 频率为 50Hz 占空比为 50 其中第一个模块滞后 0s 其输出加在开关 1 的 门极上 第二个模块滞后 0 1s 其输出加在 2 的门极上 第三个模块滞后 0 2s 其输 出加在 3 的门极上 第四个模块滞后 0 3s 其输出加在 4 的门极上 第五个模块滞后 0 4s 其输出加在 5 的门极上 第六个模块滞后 0 5s 其输出加在 6 的门极上 负载 电阻设为 10 电容设为 1e 5 周期与驱动信号频率同设为 50Hz 将仿真时间设为 6s 运行后可得仿真结果 如图 19 所示为三相电流型桥式逆变电路 U V W 相的 输出电流波形 图 20 所示为三相电流型桥式逆变电流的输入电流波形和负载 UV 两 端的输出电压波形 图图2020 三相电流型桥式逆变电路的仿真波形三相电流型桥式逆变电路的仿真波形 根据以上仿真分析可以得出 输出电流波形和负载性质无关 正负脉冲各 120 的矩形波 输出电流和三相桥 整流带大电感负载时的交流电流波形相同 谐波分析表达式也相同 输出线电压波形 和负载性质有关 大体为正弦波 21 4 4 结论结论 经过上述一系列单相 三相以及电压型逆变电路和电流型逆变电路的一系列的数 学分析与仿真特点 将各电路的仿真优劣之处总结如下 1 单相电压型逆变电路 单相电压型逆变电路输出的电压是交变方波 交流端 频率可以通过调节驱动信号的频率来改变 电压的形状和幅值的调节只可以通过改变 直流母线的电压或者通过移相进行调节 输出电压包含基波和奇次谐波 谐波的频率 与幅值之间成反比 方波逆变电路的谐波畸变率较高 不能满足相当部分负载的要求 直流电压利用率是波逆变电路的一个重要指标 而方波逆变器输出电压的基波峰值是 直流电压的 1 1 倍 它的直流电压利用率在逆变器中是相对较高的 这也是电压型逆 变器的最大优点 2 三相电压型逆变电路 从配电负载平衡的要求和用电设备本身的特性两方面 来考虑 较大容量的逆变器大都采用三相结构 输出电压中除含有基波外 还含有高 阶的奇次谐波 但不含有 3 的整数倍谐波 谐波阶数越高幅值越小 整体来说输出电 压谐波含量高 尤其低次谐波成分含量丰富 输出电压的谐波畸变率较单相方波逆变 率低 但仍处于较高水平 输出电压频率可调但幅值不可调 可以通过改变直流电压 来调节输出交流电压 3 单相电流型逆变电路 单相电流型逆变电路的直流侧串联有大电感 直流侧 电流基本无波动 交流侧输出电流为矩形波 并且与负载阻抗角无关 而交流侧负载 电压波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同 当交流侧为阻感负载需要提供无功功 率 直流侧电感起到缓冲无功功率的作用 4 三相电流型桥式逆变电路 三相电流型桥式逆变电路与单相电流型逆变电路 基本相同 直流侧串联有大电感 直流侧电流基本无波动 交流侧输出电流为矩形波 并且与负载阻抗角无关 而交流侧负载电压波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同 当交流侧为阻感负载需要提供无功功率 直流侧电感起到缓冲无功功率的作用 仿真过程中对于 MATLAB 软件的应用可以总结出如下优点 采用 Matlab Simulink 对逆变电路进行仿真分析 使得电路分析运算更加方便快捷避免了常 规实物连接分析方法中繁琐的绘图和计算过程 同时 用 Matlab Simulink 进行仿真 在 仿真过程中可以灵活改变仿真参数并且能直观地观察到仿真结果随参数的变化情况 22 便于分析和比较 用 Scope 随时的观察仿真波形 使得仿真更具有快捷直观性 适合 电力电子技术的研究工作 本文利用 Simulink 对逆变电路的仿真结果进行了详细分 析 与采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较 进一步验证了仿真结 果的正确性