有源逆變電路的MATLAB仿真分析

■ 武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 蔡光軍 羅慧謙

0 引言

在電力電子技術(shù)中, 通常把交流電能變成直流電源的過程稱為整流，而把直流電能變換成交流電能的過程則稱之為逆變，它是整流的逆過程。在逆變電路中，按照負(fù)載性質(zhì)的不同，逆變電路可以分為有源逆變和無(wú)緣逆變。如果把該電路的交流側(cè)接到交流電源上，把直流電能經(jīng)過直—交變換，逆變成與交流電源同頻率的交流電返回到電網(wǎng)中，稱之為有源逆變。相應(yīng)的設(shè)備就稱之為有源逆變器，控制角大于90的相控整流器為常見的有源逆變器。

Mat lab軟件是一種用于科學(xué)工程的高級(jí)語(yǔ)言，也是當(dāng)今控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真中重要的工具軟件，Mat lab提供的仿真工具箱Simulink是一個(gè)功能十分強(qiáng)大的仿真軟件，可以根據(jù)用戶的需要方便地為系統(tǒng)建立模型，并且十分直觀，仿真精度高，結(jié)果準(zhǔn)確。

本文主要對(duì)有源逆變電路進(jìn)行討論,并應(yīng)用Mat lab的可視化仿真工具Simulink對(duì)三相半波有源逆變電路進(jìn)行建模,并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析, 并得出了正確的仿真結(jié)果。采用Mat lab來仿真電力電子技術(shù)課程中的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn),和傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)對(duì)比,此實(shí)驗(yàn)方法有很大優(yōu)越性。

1 Ma t l ab簡(jiǎn)介

Mat lab語(yǔ)言最初是在1980年由美國(guó)的CleVeMoler博士研制的,最初目的是為線性代數(shù)等課程提供一種方便可行的實(shí)驗(yàn)手段。MathWorks公司在80年代發(fā)行使之成為著名數(shù)值型計(jì)算軟件。Mat lab具有編程效率高、程序設(shè)計(jì)靈活、圖形處理功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。為準(zhǔn)確建立系統(tǒng)模型和進(jìn)行仿真分析, Mat lab提供了系統(tǒng)模型圖形輸入工具——Simul ink工具箱。通過鼠標(biāo)在模型窗口中畫出研究的系統(tǒng)的模型,直接對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。Simul ink提供了用方框圖進(jìn)行建模的模型窗口,與傳統(tǒng)的用微分方程和積分方程建模相比,更直接,更方便靈活。

在Mat lab中的電力系統(tǒng)模塊庫(kù)PSB以Simul ink為運(yùn)算環(huán)境,涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動(dòng)和電力系統(tǒng)等電工學(xué)科中常用的基本元件和系統(tǒng)仿真模型。它由以下6個(gè)子模塊組成:電源模塊庫(kù)、連接模塊庫(kù)、測(cè)量模塊庫(kù)、基本元件模塊庫(kù)、電力電子模塊庫(kù)、電機(jī)模塊庫(kù)。在這6個(gè)基本模塊庫(kù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)需要還可以組合出常用的、復(fù)雜的其它模塊添加到所需的模塊庫(kù)中,為電力系統(tǒng)的研究和仿真帶來更多的方便。

2 有源逆變電路工作原理

三相半波有源逆變電路實(shí)質(zhì)上是三相半波可控整流電路工作的一個(gè)特定狀態(tài)，三相半波逆變電路原理圖如圖1所示。要使整流電路工作于逆變狀態(tài)，是必須有兩個(gè)條件的：

(1)變流器的輸出Ud能夠改變極性。因?yàn)榫чl管的單向?qū)щ娦?，電流Id不能改變方向，為了實(shí)現(xiàn)有源逆變，必須去改變Ud的電極性。只要使變流器的控制角α>90°即可。

(2)必須要有外接的直流電源E，并且直流電源E也要可以改變極性，并且|E|>|Ud|。

當(dāng)這兩個(gè)條件都滿足的前提下，就可以實(shí)現(xiàn)有源逆變。

3 逆變電路的建模與仿真

3.1三相半波可控整流及有源逆變電路的建模和參數(shù)設(shè)置

(1)建立一個(gè)新的模型窗口，命名為SXYYNB；

(2)打開電源模塊組,分別復(fù)制三個(gè)交流電壓源到SXYYNB模型中,重命名為Ua、Ub、Uc。打開參數(shù)設(shè)置對(duì)話框,按三相對(duì)稱正弦交流電源要求設(shè)置參數(shù)(Um=50V、f=50Hz、初相位依次為0°、-120°、-240°)；

(3)打開電力電子模塊組，復(fù)制一個(gè)晶閘管模塊到SXYYNB模型窗口中；

(4)打開晶閘管對(duì)話框，參數(shù)設(shè)置如下：Ron=0.001Ω、Lon=0H、Uf=0.8V、Rs=10Ω、Ic=0A、Cs=4.7e-06F；然后把設(shè)置好參數(shù)的晶閘管進(jìn)行復(fù)制，得到另外兩個(gè)有相同參數(shù)的模塊，分別命名為Thyristor、Thyristor1、Thyristor2；

(5)打開連器接模塊組，復(fù)制一個(gè)Bus Bar(thin horit)模塊到SXYYNB模塊窗口中，命名為B1，并把輸入路數(shù)設(shè)置為3，輸出路數(shù)設(shè)置為1；

(6)打開信號(hào)與系統(tǒng)模塊組，復(fù)制一個(gè)Demux模塊到SXYYNB模型窗口中，打開參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，將輸入的路數(shù)設(shè)置為3路；，再?gòu)?fù)制一個(gè)信號(hào)選擇器Selector模塊到SXYYNB模型窗口中，Selector設(shè)置為[1]，輸入端設(shè)置為2；

(7)將三個(gè)晶閘管連接成三相半波可控整流器，通過連接器B1分別將三個(gè)晶閘管按共陰極連接起來，再通過信號(hào)分離器Demux將三路脈沖信號(hào)P加到對(duì)應(yīng)的晶閘管門極上，Thyristor的輸出端口“m”經(jīng)過“選擇開關(guān)”選擇晶閘管Thyristor的輸出電壓Uak1作為輸出；

(8)打開測(cè)量模塊組，復(fù)制三個(gè)Vol tage Measurement模塊到SXYYNB模型窗口中，將三相交流電源的相電壓轉(zhuǎn)換成同步線電壓；

(9)打開Cont rol Blocks子模塊組，復(fù)制一個(gè)6脈沖觸發(fā)器到SXYYNB模型窗口中；

(10)打開信號(hào)與系統(tǒng)模塊組，復(fù)制一個(gè)信號(hào)選擇器Selector模塊到SXYYNB模型窗口中；命名為Selector1，Selector1設(shè)置為[1 3 5]，輸入端參數(shù)設(shè)置為6；

(11)打開數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊組，復(fù)制一個(gè)Ga i n模塊到SXYYNB模型窗口中，參數(shù)設(shè)置為10，使觸發(fā)脈沖的功率滿足晶閘管觸發(fā)要求；

(12)打開輸入源模塊組，復(fù)制兩個(gè)Constant到SXYYNB模型窗口中,分別命名為Constant和Constant1，Constant1的參數(shù)設(shè)置為0，作為同步六脈沖觸發(fā)器的開關(guān)使能信號(hào)；Constant的參數(shù)根據(jù)要求改變；

(13)打開元件模塊組,復(fù)制一個(gè)串聯(lián)RLC元件模塊到SXYYNB模型中作為負(fù)載,打開參數(shù)設(shè)置對(duì)話框,設(shè)置參數(shù)為:R=1Ω、L=0.01H、C=inf；

(14)打開電源模塊組,復(fù)制一個(gè)直流電壓源模塊到SXYYNB模型窗口中,重命名為DC,將電壓設(shè)置為50V；

(15)打開測(cè)量模塊組,分別復(fù)制一個(gè)電壓測(cè)量模塊和電流測(cè)量模塊到SXYYNB模型窗口中,用來測(cè)量負(fù)載電壓和電流。另復(fù)制一個(gè)示波器,顯示負(fù)載電壓和負(fù)載電流以及A相晶閘管兩端的電壓；

(16)通過信號(hào)線的適當(dāng)連接后,得到圖2所示的三相半波可控整流及有源逆變電路的仿真模型。

3.2三相半波有源逆變電路的仿真

打開仿真參數(shù)窗口,選擇ode23tb算法,相對(duì)誤差設(shè)置為1e-03,開始仿真時(shí)間設(shè)置為0,停止仿真時(shí)間設(shè)置為0.08s,α=30°、90°、150°參數(shù)設(shè)置完畢后,啟動(dòng)仿真。圖中Ud、Id為負(fù)載電壓（V）和負(fù)載電流（A），Uak1為晶閘管Thyristor兩端的電壓（V）。

根據(jù)三相半波可控整流電路帶阻感性負(fù)載時(shí)輸出電壓表達(dá)式=1.17cosα可知:當(dāng)α≤90°時(shí), ≥0。從仿真結(jié)果可以看到，α=30°時(shí)，變流裝置工作在整流狀態(tài)，負(fù)載電壓為正值，變流電路輸出電壓波形正面積大于負(fù)面積,直流平均電壓大于零。當(dāng)α=150°時(shí)，變流裝置工作在逆變狀態(tài)，為負(fù)值；α=90°時(shí)，變流裝置工作在中間狀態(tài)，為0，而的方向不變，其值取決于主回路的電源和電阻。

4 結(jié)論

通過以上的仿真過程分析，得到三相半波有源逆變電路實(shí)質(zhì)上是三相半波可控整流電路工作于移相控制角α>90°,且存在一個(gè)極性與晶閘管導(dǎo)通方向一致的反電動(dòng)勢(shì)時(shí)的特殊情況。利用Mat lab/Simul ink對(duì)三相半波可控整流及有源逆變電路的仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析, 并且只需改變負(fù)載參數(shù)及移相控制角范圍就可實(shí)現(xiàn)整流電路的仿真，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。

采用Mat lab/Simul ink對(duì)三相半波有源逆變電路進(jìn)行仿真分析,避免了常規(guī)分析方法中繁瑣的繪圖和計(jì)算過程,使得仿真運(yùn)算更加方便快捷。同時(shí),能用Scope隨時(shí)地觀察仿真波形，使得仿真更具有直觀性，實(shí)時(shí)性。在教學(xué)中如果能采用適當(dāng)比例的學(xué)時(shí)來做仿真實(shí)驗(yàn)和具體的硬件實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的模式,這樣不僅能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的興趣,還提高了教學(xué)效果,應(yīng)用Mat lab/Simulink進(jìn)行仿真,在仿真過程中可以靈活改變仿真參數(shù),并且能直觀地觀察到仿真結(jié)果隨參數(shù)的變化情況,適合電力電子技術(shù)的教學(xué)和研究工作。

[1]張占松; 蔡宣三. 開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì). 北京：電子工業(yè)出版社，2004.9

[2]《電力電子技術(shù)》王兆安,黃俊. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[3]《交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真》周淵深. 北京: 中國(guó)電力出版社,2003.

[4]《電力電子與MATLAB仿真》周淵深. 北京:中國(guó)電力出版社,2004.

[5]MATLAB在電力電子教學(xué)中的應(yīng)用. 劉海昌. 2007.04.

[6]MATLAB在電力系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用. 許允之. 2007.01

[7]基于MATLAB的大功率直流電源仿真研究.楊鳳彪. 2008.04

[8]Ma t l ab/PSB在電路仿真分析中的應(yīng)用.黃祖洪. 2005.06