《MATLAB与电力电子系统仿真》-第2章

2.1单相可控整流电路2.1.1单相半波可控整流电路工作原理图2-1单相半波可控整流电路带电阻性负载的电路图及理论波形图1)在0~ωt1时间段内，虽然交流电压u2处于正半周，晶闸管VT承受正向电压，但由于ug为零，因此晶闸管VT处于正向阻断状态，负载电压ud=0、电流id=0。2)在ωt1时刻，门极加上触发脉冲ug，晶闸管触发导通，此时若忽略晶闸管导通压降，整流输出及复杂电压为ud=u2，负载电流为id=u2/Rd。3)在ωt=π时，交流输入电压u2下降至零，晶闸管阳极电流小于维持电流，导致晶闸管关断；在交流电压u2的负半周，晶闸管由于承受反压而保持反向阻断状态，负载电压ud=0、电流id=0。2.1单相可控整流电路2.1.1单相半波可控整流电路仿真分析1)输入单相交流电源2)脉冲触发模块图2-2单相半波可控整流电路带电阻性负载的仿真模型2.1单相可控整流电路2.1.1单相半波可控整流电路仿真分析图2-7单相半波可控整流电路带电阻性负载的仿真波形(

=30°)2.1单相可控整流电路2.1.2单相桥式全控整流电路工作原理-电阻性负载图2-8单相桥式全控整流电路带电阻性负载的电路图及理论波形图(1)在交流电压u2的正半周时(即a端为正，b端为负)，晶闸管VT1和VT3承受正向电压，在0~α期间内，VT1和VT3处于正向阻断状态，ud=u2，在假设两个晶闸管完全一致的前提下，各自承受u2/2电压。(2)在α时刻同时触发VT1和VT3，电流通路为a->VT1->Rd->VT3->b，此时整流输出电压ud=u2，uVT1=uVT3=0。(3)在ωt=π时，交流输入电压u2下降至零，晶闸管VT1和VT3因电流小于维持电流而关断，此时整流输出电压ud=0。(4)在交流电压u2的负半周时(即a端为负，b端为正)，晶闸管VT2和VT4承受正向电压，在α时刻同时触发VT2和VT4，电流通路为b->VT2->Rd->VT4->a，此时整流输出电压ud=u2。(5)在α+π~2π期间，晶闸管VT1、VT3均承受反向电压而截止，在假设两个晶闸管完全一致的前提下，各自承受-u2/2电压。2.1单相可控整流电路2.1.2单相桥式全控整流电路仿真分析-电阻性负载图2-9单相桥式全控整流电路带电阻性负载的仿真模型(两个脉冲触发单元)(1)脉冲触发单元输入交流电压的相电压有效值U2为220V触发延迟角α=30

负载电阻Rd=10Ω图2-10脉冲触发模块的参数配置(两个脉冲触发单元)VT1和VT3VT2和VT42.1单相可控整流电路2.1.2单相桥式全控整流电路仿真分析-电阻性负载图2-11单相桥式全控整流电路带电阻性负载的仿真模型(一个脉冲触发单元)(1)脉冲触发单元输入交流电压的相电压有效值U2为220V触发延迟角α=30

负载电阻Rd=10Ω图2-12脉冲触发模块的参数配置(一个脉冲触发单元)2.1单相可控整流电路2.1.2单相桥式全控整流电路仿真分析-电阻性负载图2-13待FFT分析变量的对应示波器参数配置(2)测量模块配置2.1单相可控整流电路2.1.2单相桥式全控整流电路仿真分析-电阻性负载图2-14单相桥式全控整流电路带电阻性负载的仿真波形图2-15交流侧电流i2的FFT分析图2-16直流侧电压ud的FFT分析2.1单相可控整流电路2.1.2单相桥式全控整流电路工作原理-阻感性负载图2-18单相桥式全控整流电路带阻感性负载的电路图及理论波形图(1)在交流电压u2正半周的ωt1时刻，晶闸管VT1和VT3被同时触发导通，u2加于负载上，此时VT2和VT4承受反向电压而关断。(2)当交流电压u2过零变负时，由于电感上感应电动势的作用，使晶闸管VT1和VT3继续导通，输出负载电压ud就出现负值部分；直至u2负半周同一触发延迟角α所对应的ωt2时刻。(3)在交流电压u2负半周的ωt2时刻，触发VT2和VT4导通，使VT1和VT3承受反向电压而关断(VT1和VT3承受的电压各自是u2)，从而使电流id从VT1和VT3转换到另外一对晶闸管VT2和VT4上去，此过程称为换相。(4)大电感负载时，负载电流id连续且近似为一水平线。(5)晶闸管电流波形是半个周期导通、半个周期截止的矩形波。(6)变压器二次侧电流i2是正负各180°的矩形波，其相位由α决定。2.1单相可控整流电路2.1.2单相桥式全控整流电路仿真分析-阻感性负载图2-19单相桥式全控整流电路带阻感性负载的仿真模型输入交流电压的相电压有效值U2为220V负载电阻Rd=2Ω、电感为0.1H图2-20单相桥式全控整流电路带阻感性负载的仿真波形2.1单相可控整流电路2.1.3单相桥式全控整流电路特殊运行工况仿真VT2触发失效图2-21单相桥式全控整流电路晶闸管VT2触发失效时的仿真模型图2-22单相桥式全控整流电路晶闸管VT2触发失效时的仿真波形2.1单相可控整流电路2.1.3单相桥式全控整流电路特殊运行工况仿真VT2短路图2-23单相桥式全控整流电路晶闸管VT2短路时的仿真模型图2-24单相桥式全控整流电路晶闸管VT2短路时的仿真波形2.2三相可控整流电路2.2.1三相半波可控整流电路工作原理-电阻性负载图2-25三相半波可控整流电路带电阻性负载时的电路图及理论波形图(1)在ωt1时刻触发VT1，此时a相相电压最大，VT1导通，VT2和VT3承受反压而关断，整流输出电压ud=ua。(2)在ωt2时刻(b相自然换流点，即b相相电压开始变为最大)，由于触发脉冲ug1、ug2、ug3相隔120°，因此此时VT2无触发脉冲，VT1继续导通。(3)在ωt3时刻，VT2触发脉冲ug2大于零，VT2被触发，VT1和VT3承受反压而关断，整流输出电压ud=ub，VT1两端承受电压uVT1=ua-ub=uab。(4)同样的，在ωt4时刻，VT3触发脉冲ug3大于零，VT3被触发，VT1和VT2承受反压而关断，整流输出电压ud=uc，VT1两端承受电压uVT1=ua-uc=uac。当30°<α≤150°时，VT1同样在触发脉冲ug1大于零时被触发导通，但当VT1延续导通至a相电压由正变负的过零点时，VT2管的脉冲ug2还未到故VT2无法导通，而VT1管因流经电流小于维持电流而关断，此时出现三个晶闸管均未导通状况，整流输出电压ud=0，出现断续现象。2.2三相可控整流电路2.2.1三相半波可控整流电路仿真分析-电阻性负载图2-26三相半波可控整流电路带电阻性负载时的仿真模型(三个脉冲触发单元)输入交流电压的相电压有效值为220V频率50Hz触发延迟角α=30

负载电阻Rd=2Ω(1)三相交流电压源模块a相电压b相电压c相电压2.2三相可控整流电路2.2.1三相半波可控整流电路仿真分析-电阻性负载图2-26三相半波可控整流电路带电阻性负载时的仿真模型(三个脉冲触发单元)输入交流电压的相电压有效值为220V频率50Hz触发延迟角α=30

负载电阻Rd=2Ω(2)脉冲触发单元VT1VT2VT32.2三相可控整流电路2.2.1三相半波可控整流电路仿真分析-电阻性负载图2-29三相半波可控整流电路带电阻性负载时的仿真模型(一个脉冲触发单元)输入交流电压的相电压有效值为220V频率50Hz触发延迟角α=30

负载电阻Rd=2Ω(2)脉冲触发单元图2-30脉冲触发模块的参数配置(一个脉冲触发单元)2.2三相可控整流电路2.2.1三相半波可控整流电路仿真分析-电阻性负载图2-34三相半波可控整流电路带电阻性负载时的仿真波形(三个脉冲触发单元)图2-35三相半波可控整流电路带电阻性负载时的仿真波形(一个脉冲触发单元)2.2三相可控整流电路2.2.1三相半波可控整流电路工作原理-阻感性负载图2-36三相半波可控整流电路带阻感性负载的理论波形仿真分析-阻感性负载图2-37三相半波可控整流电路带阻感性负载的仿真模型输入交流电压的相电压有效值U2为220V，负载电阻Rd=2Ω、电感为0.1H2.2三相可控整流电路2.2.1三相半波可控整流电路仿真分析-阻感性负载图2-38三相半波可控整流电路带阻感性负载的仿真波形2.2三相可控整流电路2.2.2三相桥式全控整流电路工作原理-电阻性负载图2-39三相桥式全控整流电路原理图图2-40三相桥式全控整流电路带电阻性负载时的理论波形2.2三相可控整流电路2.2.2三相桥式全控整流电路工作原理-电阻性负载图2-40三相桥式全控整流电路带电阻性负载时的理论波形2.2三相可控整流电路2.2.2三相桥式全控整流电路仿真分析-电阻性负载图2-41三相桥式全控整流电路带电阻性负载时的仿真模型输入交流电压的相电压有效值为220V，频率50Hz，触发延迟角α=30

(1)三相交流电压源模块图2-42三相可编程交流电压源模块及其参数配置对话框(2)脉冲触发模块图2-43六脉冲触发模块及其参数配置对话框2.2三相可控整流电路2.2.2三相桥式全控整流电路仿真分析-电阻性负载图2-45三相桥式全控整流电路带电阻性负载时的仿真波形图2-46交流侧电流的FFT分析图2-47直流侧输出电压的FFT分析2.2三相可控整流电路2.2.2三相桥式全控整流电路工作原理-阻感性负载

当α≤60

时，ud波形与带电阻性负载时一样，区别在于：由于大电感的作用，负载电流波形平滑，当电感足够大时，负载电流可近似为一条直线。当α>60

时，输出电压ud出现负值，在α=90

时，如果电感足够大，则ud波形中的正负面积基本相等，输出电压平局值Ud接近于零。因此阻感负载时，三相桥式全控整流电路的触发延迟角α的移相范围为0°~90°。2.2三相可控整流电路2.2.2三相桥式全控整流电路仿真分析-阻感性负载图2-48三相桥式全控整流电路带阻感性负载时的仿真模型输入交流电压的相电压有效值U2为220V，负载电阻Rd=2Ω、电感为0.1H图2-49三相桥式全控整流电路带阻感性负载时的仿真波形2.2三相可控整流电路2.2.3变压器漏感影响仿真仿真分析图2-52考虑漏感的三相桥式全控整流电路带阻感性负载时的仿真模型图2-51考虑漏感的三相可编程交流电压源参数配置2.2三相可控整流电路2.2.3变压器漏感影响仿真仿真分析图2-53考虑漏感的三相桥式全控整流电路带阻感性负载时的仿真波形2.3多重化整流电路工作原理-二重化整流电路图2-54串联型二重化二极管不控整流器原理图图2-54串联型二重化二极管不控整流器电路图2.3多重化整流电路仿真分析-二重化整流电路图2-56串联型二重化二极管不控整流器的仿真模型图2-57隔离变压器1的参数配置隔离变压器模块图2-58隔离变压器2的参数配置2.3多重化整流电路仿真分析-二重化整流电路图2-59变压器二次侧线电流和直流侧输出电流波形图2-60变压器一次侧线电流和交流侧输出电流波形2.3多重化整流电路仿真分析-二重化整流电路图2-61交流侧电流的FFT分析图2-62直流侧输出电压波形2.4PWM整流器工作原理图2-63两电平三相桥式PWM整流电路1)网侧电流接近正弦波(谐波含量小)；2)网侧功率因数可控，可实现单位功率因数控制；3)可实现电能双向传输；4)较快的动态响应。2.4PWM整流器工作原理-电流内环设计图2-64PWM整流器电流内环解耦控制结构框图其中，ud、uq为网侧电压的d、q分量；vd、vq和id、iq分别为交流侧电压、电流的d、q分量；p代表微分算子，ωs则为电网角频率。假设dq坐标系中的q轴与电网电动势矢量udq重合，则电网电动势矢量d轴分量ud=0。式中，KiP、KiI为电流内环PI调节器的比例和积分系数。2.4PWM整流器工作原理-电流内环设计图2-65已解耦的电流内环q轴结构框图由于dq轴电流内环的PI参数时一样的，下面以q轴电流为例进行电流内环调节器的设计。考虑电流内环信号采样的延迟和PWM控制的小惯性特性，已解耦的q轴电流内环结构如图2-65所示。其中Ts为电流内环的采样周期、即PWM开关周期，KPWM为PWM等效增益。为简化分析，在不考虑uq扰动、且将小时间常数Ts/2和Ts进行高频小惯性环节的合并处理，可以得到如图2-66所示的q轴电流简化框图(其中KiP=τiKiI)。图2-66简化的电流内环q轴结构框图按典型I型系统进行电流内环参数设计！2.4PWM整流器工作原理-电流内环设计图2-66简化的电流内环q轴结构框图按典型I型系统进行电流内环参数设计！图2-67典型I型系统的结构框图2.4PWM整流器工作原理-电压外环设计

电流内环设计完成之后，可将其作为电压外环的一部分进行处理，由图2-65、结合所设计的电流调节器参数，可得