现代电力电子——单相桥式全控整流电路

1、Power现Electronics代电 力 电 子学院： 姓名： 学号：联系方式：技术目录1 绪论1电力电子实验仿真背景11.1.1 电力电子技术概述11.1.2 电力电子技术的应用11.1.3 国内外电力电子技术发展概况2计算机仿真的意义4本文研究的主要内容52 SIMULINK模型库及使用62.1 SIMULINK的模块库介绍62.2 电力系统模块库的介绍62.3 SIMULINK仿真的步骤73 交流-直流变流器(整流器)单相桥式全控整流电路93.1 电路结构与工作原理93.2 单相桥式全控整流电路建模103.3 仿真与分析114 结论151 绪论电力电子实验仿真背景1.1.1 电力电子技

2、术概述电能是现代工农业、交通运输、通信和人们日常生活不可缺少的能源。电能一般分为直流电和交流电两大类，现代科学技术的发展使人们对电能的要求越来越高，不仅需要将交流电转变成直流电，直流电转变成交流电，以满足供电电源与用电设备之间的匹配关系，还需要通过对电压、电流、频率、功率因数夫和谐波等的控制和调节，以提高供电的质量和满足各种各样的用电要求，这些要求在电力电子技术出现之前是不可能实现的。随着现代电力电子技术的发展，各种新型的电力电子器件的研究、开发和应用，使人们可以用电力电子变流技术为各种各样的用电要求提供高品质的电源，提高产品的质量和性能，提高生产效率，改善人们的生活环境。将来从电网得到的工频

3、电能大部分都需要经过电力电子装置的二次变换处理，电力电子的应用领域将越来越广阔。1.1.2 电力电子技术的应用电力电子技术主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。近年来，功率变流技术得到了迅猛发展，经过变流技术处理的电能在整个国民经济的耗电量中所占比例越来越大，成为其他工业技术发展的重要基础。电力电子技术应用非常广泛，举例如下：(1)电气传动电力电子技术是电动机控制技术发展的最重要的物质基础，电力电子技术的迅猛发展促使电动机控制技术水平有了突破性的提高。利用整流器或斩波器获得可变的直流电源，对直流电动机电枢或励磁绕组供电，控制直流电动机的转速和转矩，可以实现直流电动机变速传动

4、控制。利用逆变器或交交直接变频器对交流电动机供电，改变逆变器或变频器输出的频率和电压、电流，即可经济、有效地控制交流电动机的转速和转矩，实现交流电动机的变速传动。交流电动机的变频调速在电气传动系统中占据的地位日趋重要，已获得巨大的节能效果。变频器是实现交流变频调速的重要环节。变频器电源主电路均采用交流直流交流方案。工频电源通过整流器编程固定的直流电压，然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器，将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出，电源输出波形近似于正弦波，用于驱动交流异步电动机实现无级调速。(2) 电源 工业和社会的各个领域需要不同种类的电源。例如，近年来以P-MOSFET和IG

5、BT为主开关元件组成的逆变焊机取得了实质性进展。不间断电源（UPS）被广泛的应用于计算机、通信、仪器设备、各种微电子系统及公共场所。(3) 电网进化技术近年来，随着电力电子装置的应用与普及，电网波形畸变日趋严重。传统的无源滤波方法难以应付日益严重的电网“公害”。人们从电力电子技术本身找到了解决的途径，这就是有源滤波器。(4) 电力系统应用高压直流输电（HVDC）在输电线路的送端将工频交流变为直流，在受端再将直流变回工频交流。高压直流输电从根本上解决了输电系统的稳定性问题，减少了线路的武功消耗，实现了远距离、大功率高压直流输电。在高压直流输电系统中，它需在线路两端设置整流、逆变及无功补偿装置。综

6、上所述，电力电子技术已经渗透到航天、国防、工农业生产、交通、文教卫生、办公室自动化乃至于家庭的任何角落。伴随着器件与变流电路的进步，电力电子技术的应用领域也将会有新的突破4。1.1.3 国内外电力电子技术发展概况电力电子技术就是采用功率半导体器件对电能进行转换、控制和优化利用的技术，它广泛应用于电力、电气自动化及各种电源系统等工业生产和民用部门。电子器件的特点之一就是开关控制，通态压降接近零，本身电耗小，与微机控制组成系统后，在对电能进行控制变换和调节的过程中都处于最高效率状态，因此，具有明显的节能效果。电力电子器件的发展大体分为三个阶段，从上世纪50年代的半控器件可控硅SCR(Semi-Co

7、nductor Rectifier)，发展到上世纪80年代以后的全控器件GTO(Gate Turn-off thyristor)、GTR(Giant Transistor)、POWER MOSFET(Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，直至现在的第三代电力电子器件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、 IGCT(Integrated Gate Commucated Thyristor)、SIT(Static Induction Transistor)、MCT(MOS Cont

8、rolled Thyristor)、SITH(Static Induction Thyristor)等。其发展趋势是电力电子器件的功率越来越大，开关频率越来越高。由电力电子器件构成的电力电子电路有AC-DC、DC-DC、DC-AC、AC-AC四种类型，可以进行变流、能量变换、变频，主要用于电机调速和电源系统。除工业上的轧机、矿井卷扬机、机床、造纸用电机的调速外，风机、水泵电机调速可节约大量电能。在电源领域，电解、电镀和冶金用大电流直流电源，电炉、电磁搅拌机及热处理用的低频、中频、高频交流电源，焊机电源和各种控制电源应用了电力电子技术后，节能效果显著，并大大减少了对原材料的消耗。 电力电子技术的

9、发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。20世纪80年代末期和90年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集成频高压和大电流于一身的功率半导体复合器件表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。 变流电路的基本功能是实现电能形式的转换。其基本形式有四种：整流电路、逆变电路、调压电路、斩波电路，如图所示： 变流电路基本形式将交流电能转换为直流电能的电路，称为整流电路。由电力二极管可组成不可控整流电路。以往使用最方便的整流电路微晶闸管相控整流电路，其具有网侧功率因数低、谐波严重等缺点。由全控型器件组成的PWM整流电路具有高功率因

10、数等优点，近年来得到进一步发展与推广，应用前景广泛。将直流电能转换为交流电能的电路，称为逆变电路。逆变电路不但能使直流变成可调的交流，而且可输出连续可调的工作频率。将一种直流电能转换成另一固定电压或可调电压的直流电的电路，称为斩波电路或DC-DC变换电路。斩波电路大都采用PWM控制技术。将固定大小和频率的交流电能转换为大小和频率可调的交流电能的电路，称为调压电路或交流变换电路。交流变换电路可分为交流调压电路和交-交变频电路。交流调压电路在维持电能频率不变的情况下改变输出电压幅值。交-交变频电路亦称为周波变换器，它把电网频率的交流电直接变换成不同频率的交流电。近年来，以电力电子器件为基础的电气传

11、动技术发展很快，从而为电机变频调速系统的开发和研制提供了先进的物质基础，给工业、民用业带来了无限的生机和活力，给国家节约了大量的能源，而且减少了环境污染。国际上自80年代变频调速器取得技术突破后，在许多领域得到广泛应用。比较有名的厂家主要有美国的罗宾康(ROBICON)公司、罗克韦尔(ROCKWELL)自动化AB公司、GE公司，德国的西门子(SIEMENS)公司，瑞士的ABB公司及法国AISTOM公司等。由于电力电子技术的迅速发展，新的电力电子器件的出现以及现代控制理论方法在调速控制系统中的应用，变频器仍处于不断完善中。我国电机驱动系统的能源利用率非常低，在电机能耗中，高压电机的能耗超过了70

12、%，因而电机的节能得到了政府和企业的广泛关注。在电机领域，一些发达国家采用变频调速率已高达70%，而中国只有10%左右。因此，高压变频器市场发展前景十分广阔。计算机仿真的意义所谓仿真(simulation)指的是利用模型再现实际系统中发生的本质过程，并且通过上述模型的试验来研究已存在的或计划中的系统。换句话说，仿真就是利用模型对实际系统进行实验研究的过程。计算机仿真可以分为两个过程：建模与实验。所谓建模，就是根据研究对象的基本物理规律，对物理系统写出其运动规律的数学方程，即数学模型的过程。在建模过程中，数学模型代表的数学系统是实际系统在概念轴上的投影；建模的本质在于将所研究的系统投影到适当的概

13、念轴上。换句话说，所建立的数学模型，实际上只是根据研究目的确定的模型，是对系统某一方面本质属性的抽象描述。所谓实验就是利用模型对系统方程进行求解。对于数学仿真而言，其过程就是利用适当的程序语言将所研究的物理系统的数学模型编制成程序，并向其输入不同的条件进行计算的过程。目前在电力电子设计领域使用的仿真软件大体可以分为以下几类：一类是通用电路仿真软件，例如Spice，SABE等；另一类是专用仿真软件，例如电力系统仿真软件EMTP和控制系统仿真软件MATLIB等；第三类是专门为电力电子系统设计的仿真软件，例如为开关电源设计用的SIMPLIS等5。总之，利用计算机仿真的方法设计电力电子电路，可以提高设

14、计工作的效率和质量。此时设计者可以将精力集中在设计而不是各种计算上，并且可以在硬件没有建立之前对系统进行研究、优化和对设计进行验证，进而为搭建成的硬件系统的试验与测试提供指导和帮助。当然研究人员也应当清楚地了解运用各种仿真工具进行设计的局限性，避免导致错误的推断与设计8。本文研究的主要内容本论文运用MATLAB软件对电力电子系统中交流-直流变流器的几种实现过程进行仿真分析得出仿真曲线。仿真用powersys模型库中的二极管和晶闸管等模块来构建，对三相整流电路模型库中有6-pulse diode bridge 、6-pulse thyristor bridge 、universal bridge

15、 等模块调用。2 SIMULINK模型库及使用MATLAB 的SIMULINK 是很有特色的仿真环境，在此环境中，可以用点击拖动鼠标的方式绘制和组织系统或电路，并完成对系统和电路的仿真。原来的MATLAB 仿真编程是在文本窗口中进行的，编制的程序是一行行的命令和MATLAB 函数，不直观也难以与实际的物理系统或电路建立形象的联系。在SIMULINK 环境中，系统的函数和电路元器件的模型都用框图来表达，框图之间的连线则表示了信号流动的方向。我们只要学习图形界面的使用方法和熟悉模型库的内容，就可以很方便地使用鼠标和键盘进行系统和电路的仿真。MATLAB 的工具箱已经有极其丰富的内涵，现在主要介绍系

16、统仿真(SIMULINK) 和电力系统(Power System Block) 两个模块库。2.1 SIMULINK的模块库介绍整个Simulink模块库是由各个模块组构成，标准的Simulink模块库中，包括：信号源模块组(Source)、仪器仪表模块组(Sinks)、连续模块组( Continuous)、离散模块组(Discrete)、数学运算模块组(Math)、非线性模块组(Nonlinear)、函数与表格模块组(Function&Tables )、信号与系统模块组(Signals&Systems)和子系统模块组(Subsystems)几个部分，此外还有和各个工具相与模块

17、集之间的联系构成的子模块组，用户还可以将自己编写的模块组挂靠到整个模型库浏览器下。2.2 电力系统模块库的介绍进入MATLAB系统后打开Simulink模块库浏览窗口，用鼠标左键双击其中的SimPowerSystems即可弹出电力系统工具箱模块库，它包括应用元件库(Application Libraries)，电源库(Electrical Sources)，基本元件库(Elements)，元件库(Extra Library)，电机元件库(Machines)，测量元件库(Measurements)和电力电子元件库(Power Electronics)。这些模块库包含了大多数常用电力系统元件的模块

18、。利用这些库模块及其它库模块，用户可方便、直观地建立各种系统模型并进行仿真。（1）电路元件模型 该部分包括断路器（Breaker)、分布参数线(Distribute Parameter Line)、线性变压器(Linear Transformer)、并联RLC负荷(Parallel RLC Load)，Pi型线路参数(Pi Section Line)、饱和变压器(Saturable Transformer)、串联RLC支路（Series RLC Branch)、串联RLC负荷(Series RLC load)、过电压自动装置（Surge Arrester)。这部分可以仿真交流输电线装置。 （2

19、）电力电子设备模型此部分含有二极管（Diode)、GTo、理想开关(Ideal Switch)、MOS管(Mosfet)、可控晶闸管(Thyristor)的仿真模型。这些设备模型不仅可以单独进行仿真而且可以组合在一起仿真整流电路等直流输变电的电力电子设备。（3）电机设备模型此部分有异步电动机(Asynchronous Machine)、励磁系统(Excitation System)、水轮电机及其监测系统(Hydraulic Turbine and Governor(HTG)、永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Machine)、简化的同步电机(Simplif

20、ied Synchronous Machine)、同步电机(Synchronous Machine)。这些模型可以仿真电力系统中发电机设备，电力拖动设备等。 （4）接线设备模型 这一部分包括一些电力系统中常用的接线设备。如接地设备、输电线母线等。（5）测量设备模型该部分模型是用来采集线路的电压或电流值的电压表和电流表。这 一部分还起着连接SIMULINK模型与POWERLIB模型的作用。 2.3 SIMULINK仿真的步骤利用SIMULINK环境仿真一个系统的过程基本上可以分为如下几个步骤:（1）根据要仿真的系统框图，在SIMULINK 窗口的仿真平台上构建仿真模型。此过程要首先打开SIMUL

21、INK 窗口和模型浏览器，将需要的典型环节模块提取到仿真平台上，然后将平台上的模块一一连接，形成仿真的系统框图。一个完整的仿真模型应该至少包括一个源模块( Sources) 和一个输出模块( Sinks) 。（2）设置模块参数。完成模块提取和组成仿真模型后，需要给各个模块赋值。这时，用鼠标双击模块图标，弹出模块参数对话框，并在对话框中输入模块参数，输入完成后点击OK 按钮，对话框自动关闭，该模块的参数设置完成。（3）设置仿真参数。在对绘制好的模型进行仿真前，还需要确定仿真的步长、时间和选取仿真的算法等，也就是设置仿真参数。设置仿真参数可点击SIMULINK 窗口的菜单上的Simulation

22、，在下拉的子菜单中点击Simulation Parameters 命令或用键盘中的Ctrl + E 键。这时弹出仿真参数设置的对话框，对话框中有Solver 、Workspace I/O Diagnostics 、Advanced 和Real-Time Workshop5 大项内容，其中最常需设置的是解算器“Solver” 。其中仿真时间(Simulation time) 有开始时间(Start time) 和终止时间(Stop time) 两项，连续系统中仿真时间一般从零开始，可以先预设一个仿真的终止时间，在仿真过程如果预设的时间不足，可以即时修改。算法选择(Solver options)

23、中计算类型(Type) 有可变步长( Variablestep)和固定步长(Fixed-step) 两种，在可变步长和固定步长下还有多种数值计算方法可供选择。该栏中经常还要设置的有仿真误差，这有相对误差(Relative tolerance) 和绝对误差(Absolute) tolerance) 两项，系统默认的相对误差1/1000。选择合适的计算误差，对仿真的速度和仿真计算能否收敛影响很大，尤其在仿真不能收敛时，适当放宽误差可以取得效果，绝对误差一般可取“自动(auto) ”。（4）启动仿真。设置仿真参数和选择解法器之后，就可以启动仿真而运行。选择Simulink菜单下的start选项来启动

24、仿真，如果模型中有些参数没有定义，则会出现错误信息提示框。如果一切设置无误，则开始仿真运行，结束时系统会发出一鸣叫声。3 交流-直流变流器(整流器)单相桥式全控整流电路 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。整流电路的仿真可以用powersys 模型库中的二极管和晶闸管等

25、模块来构建，对三相整流电路模型库中有6-pulse diode bridge 、6-pulse thyristor bridge 、universal bridge 等模块可以调用，使用这些模块可以使仿真更方便。复杂的大功率多相整流器可以在三相桥的基础上构建。这里主要介绍常用的单相和三相的相控整流电路的仿真。3.1 电路结构与工作原理单相桥式全控整流电路（电阻性负载）是典型单相桥式全控整流电路，共用了四个晶闸管，两只晶闸管接成共阳极，两只晶闸管接成共阴极，每一只晶闸管是一个桥臂，桥式整流电路的工作方式特点是整流元件必须成对以构成回路，负载为电阻性。与单相半波整流电路仿真波形相比较，输出的电压和

26、电流波形频率都提高了约一倍，流过每个晶闸管的平均电流Idt只有负载平均电流的一半。变压器二次侧电流I2的波形是对称的正负矩形波，而晶闸管承受的最大正反向电压则和单相半波可控整流电流一样。单相桥式全控整流电路电路图如图11所示：图11 单相桥式全控整流电路工作原理：VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当U2过零时关断。VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2负半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。3.2 单相桥式全控整流电路建模（1）建立一个新的模型窗口，打开电力电子模块组，放置一个晶闸管、电源模块组、串联RLC支路（R=1，L=0.1mH）

27、、电压电流测量装置、示波器以及脉冲发生器，各模块的参数设置参照单相半波可控整流电路。（2）工作中晶闸管的触发仍采用简单的脉冲发生器（Pluse Generator）来产生，脉冲发生器的周期T必须和交流电源AC同步。晶闸管的控制角以脉冲的延迟时间t来表示，t=T/360º，其中为控制角，T=1/f，f为交流电源的频率。若一脉冲发生器产生的控制角，则另一脉冲发生器产生（+180º）的控制角，从而实现两个桥臂的控制。（3）适当连接后，单相桥式全控整流电路仿真电路图如图12所示：图12 单相桥式全控整流电路仿真电路图（4）设置仿真参数：仿真时间为2s，选择变步长（variable）

28、，数值算法采用ode15，误差默认1/1000。3.3 仿真与分析波形图分别代表晶体管VT上的电流、晶体管VT上的电压、电源输出电流、负载电流、负载电压。下列波形分别是延迟角为30°、60°、90°、120°时的波形变化。(1) 当延迟角=30°时，波形图如图13、图14所示：图13 =30°单相桥式全控整流电路（电阻性负载）波形图图14 =30°单相桥式全控整流电路仿真结果（阻-感性负载时）波形图(2) 当延迟角=60°时，波形图如图15、图16所示：图15 =60°单相桥式全控整流电路（电阻性负载）波

29、形图图16 =60°单相桥式全控整流电路仿真结果（阻-感性负载时）波形图(3) 当延迟角=90°时，波形图如图17、图18所示：图17 =90°单相桥式全控整流电路（电阻性负载）波形图 图18 =90°单相桥式全控整流电路仿真结果（阻-感性负载时）波形图(4) 当延迟角=120°时，波形图如图19、图20所示：图19 =120°单相桥式全控整流电路（电阻性负载）波形图 图20 =120°单相桥式可控整流仿真结果（阻-感性负载时）从各单相桥式全控整流电路（电阻性负载）波形图可观测到负载两端的电压及通过负载的电流波形，该电压和电流都是脉动