1、项目一项目一 电力电子概论电力电子概论【学习目标】1.能说出电力电子技术的基本概念。2.能说出电力电子技术的应用范围。3.会用MATLAB/Simulink仿真软件搭建简单仿真电路。提问：1 生活用电电压是多少？交流电还是直流电？2 手机电池充电电压是多少？交流电还是直流电？5V左右，直流充电生活生产生活生产中常用到中常用到不同电压不同电压电流的电电流的电源，那么源，那么如何实现如何实现电源之间电源之间的相互转的相互转换？换？220V交流电交流电任务任务1 认识电力电子技术认识电力电子技术【项目引入】在生产生活中，经常会遇到需要进行电能变换的场合：如供电电源一定，而不同的用电器有些需要交流，有
2、些需要直流，有些则对电源电压、电流或频率有特殊要求。电力电子技术就是专门用于实现电能的有效变换和控制的一门学科。1.1了解电力电子技术的定义与发了解电力电子技术的定义与发展展模拟电子技术模拟电子技术电子技术电子技术信息电子技术信息电子技术电力电子技术电力电子技术数字电子技术数字电子技术电力电子学(Power Electronics)，该名称20世纪60年代出现。1 9 7 4 年，美 国Dr.Newell用图1的倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受。图1-1电力电子技术与其他学科的关系1.1.2电力电子技术的发展概况电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。电力电子技术的
3、发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。晶闸管问晶闸管问世世(电力电子电力电子元年元年)IGBT及及功率集成器功率集成器件出现和发件出现和发展时代展时代晶闸管晶闸管时代时代水银水银（汞弧）（汞弧）整流器整流器时代时代电子管电子管问世问世全控型器全控型器件迅速发件迅速发展时期展时期史前期史前期（黎明（黎明期）期）19041930194719571970198019902000t(年年)晶体管晶体管诞生诞生1.1.2电力电子技术的发展概况 1.第一代电力电子器件 第一代电力电子器件是半控器件，最早问世的晶闸管是第一代电力电子器件。快速晶闸管、逆导晶闸管（RCT）、双向晶闸管(TRIAC）、不对称晶闸
4、管（ASCR）等等均为其衍生器件。2.第二代电力电子器件 第二代电力电子器件具有自关断能力,器件有电力晶体管（GTR）、可关断晶闸管（GTO）、电力场控晶体管（功率MOSFET）、静电感应晶体管（SIT）、MOS控制晶闸管（MCT）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）。3.第三代电力电子器件 电力电子器件的高频化、硬件结构的标准模块化是今后电力电子技术发展的必然趋势。1.2认识电力电子技术的应用认识电力电子技术的应用 电力电子变流电路是以电力半导体器件为核心，通过不同电路的拓扑和控制方法来实现对电能的转换和控制。主要有以下几种类型：可控整流：把交流电压变换成为固定或可调的直流电压。有源逆变：把直流电
5、压变换成为频率固定或可调的交流电压。交流调压：把交流电压变为电压大小可调或固定的交流电压。变频（周波变换）：把固定或变化频率的交流电变换成频率可调的或恒定的交流电。直流斩波：把固定或变化的直流电压变化成为可调或固定的直流电压。1.2认识电力电子技术的应用认识电力电子技术的应用图1-2电能形式变换的四大类型示意图1.2认识电力电子技术的应用认识电力电子技术的应用轧钢机数控机床冶金工业电解铝1 1）工矿企业）工矿企业1.2认识电力电子技术的应用认识电力电子技术的应用2 2）家用电）家用电器器1.2认识电力电子技术的应用认识电力电子技术的应用133）交通及交通及运输运输1.2认识电力电子技术的应用认
6、识电力电子技术的应用4）电力系统电力系统高压直流装置HVDC柔性交流输电FACTS1.2认识电力电子技术的应用认识电力电子技术的应用5 5）航空航天和）航空航天和军事军事大型计算机的UPS（Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply，不间断电源）航天技术新型能源1.2认识电力电子技术的应用认识电力电子技术的应用6）通信通信程控交换机微型计算机任务任务2 认识认识MATLAB/Simulink仿真仿真软件软件 2.1了解了解MATLAB/Simulink仿真软件仿真软件 MATLAB 是矩阵实验室（Matrix Labora
7、tory）的缩写，MATLAB的集成开发环境可应用于数学统计与优化、控制系统、信号处理与通信、图像处理与计算机视觉、计算机金融和计算机生物等多个领域。MATLAB具有以下几个特点：1.运算功能强大 2.编程效率高 3.强大而智能化的作图功能 4.Simulink动态仿真功能 5.功能丰富，可扩展性强2.2了解了解MATLAB/Simulink仿真软仿真软件基本操作方法件基本操作方法图1-3 MATLAB开发环境的工作界面2.3认识认识MATLAB/Simulink仿真软仿真软件电器元件库件电器元件库图1-4模块库浏览器2.3认识认识MATLAB/Simulink仿真软仿真软件电器元件库件电器元
8、件库图1-5 SimPowerSystems模块库2.3认识认识MATLAB/Simulink仿真软仿真软件电器元件库件电器元件库 Series RLC branch模块：Series RLC branch模块是RLC负载，在SimPowerSystems模块库中的Elements子模块库，双击该模块可以打开设置参数的窗口。图1-6 Series RLC branch模块的参数设置界面【例1-1】创建一个简单的电路模型，采用示波器(Scope)观察电路中电压电流输出波形。1.创建空白模块 2.添加模块 3.添加信号线元件名称提取路径直流电源SimPowerSystems/Electrical
9、Sources/DC Voltage source示波器Simulink/Sinks/Scope电压表SimPowerSystems/Measur e m e n t s/V o l t a g e Measurement电流表SimPowerSystems/Measur e m e n t s/C u r r e n t Measurement负载RLCSimPowerSystems/Elements/Series RLC Branch表1-1仿真模块提取路径图1-7仿真模型图4.设置各模块参数各模块的参数设置如下：(1)电源DC Voltage source：电压设置为100V。(2)电阻
10、负载：负载为纯电阻，电阻值为10。(3)示波器：双击示波器模块，点击第二个图标Parameters，设置Number of axes为2，如图1-8所示。(4)电压表与电流表：采用默认参数设置。5.设置仿真参数图1-9仿真参数设置图6.运行仿真模型运行仿真模型，单击模型窗口工具栏中的图标，或者选择菜单“Simulation”“Start”，开始仿真，Simulink默认的仿真时间是10s。然后双击模型窗口中的“Scope”模块，则出现示波器显示 图1-10 示波器图示1.3搭建简单仿真电路搭建简单仿真电路【例1-2】建立如图所示的感应电机的等效电路，输入的交流电压源为220V，50Hz，电路中
11、R1=0.428，L1=L2=1.926mH，R2=1.551，R3=1.803，L3=31.2mH。采用示波器观察其输出电路电压和电流波形。图1-11感应电机的等效电路图 1.参考电路图建模元件名称提取路径交流电源SimPowerSystems/Electrical Sources/AC Voltage source示波器Simulink/Sinks/Scope电压表SimPowerSystems/Measurements/Voltage Measurement电流表SimPowerSystems/Measurements/Current Measurement负载RLCSimPowerSy
12、stems/Elements/Series RLC Branch用户界面分析模块Powergui表1-2仿真模块提取路径 2.设置各模块参数 各模块的参数设置如下：(1）电源AC Voltage source：电压设置为220V，频率设为50Hz。(2）电阻负载：负载为RL串联电路，根据题目要求设定各个电阻电感值。(3）示波器：双击示波器模块，点击第二个图标Parameters，设置Number of axes为2。(4）电压表与电流表：采用默认参数设置。3.设置仿真参数 由于电源频率是50Hz，因此设置仿真时间为0.06s，可以使用默认的ode45法。4.波形分析 从上到下分别是负载电流Id
13、、负载电压Ud波形。可以看出，仿真波形符合理论结果。可以从横坐标上看到仿真模型运行的时间，从纵坐标上看到具体数值。图1-12感应电机的输出波形图图1-13动态电路模型 1.参考电路图建模 该系统由交流电流源、电阻电感负载、开关、触发信号等组成，根据电路图搭建的仿真模型如图1-13所示，各模块的提取路径如表1-3所示。元件名称提取路径交流电流源SimPowerSystems/Electrical Sources/AC Current source示波器Simulink/Sinks/Scope电流表SimPowerSystems/Measurements/Current Measurement负载
14、RLCSimPowerSystems/Elements/Series RLC Branch开关SimPowerSystems/Elements/Breaker触发信号Simulink/Sources/Step用户界面分析模块Powergui表1-2仿真模块提取路径 1.参考电路图建模元件名称提取路径交流电流源SimPowerSystems/Electrical Sources/AC Current source示波器Simulink/Sinks/Scope电流表SimPowerSystems/Measurements/Current Measurement负载RLCSimPowerSystem
15、s/Elements/Series RLC Branch开关SimPowerSystems/Elements/Breaker触发信号Simulink/Sources/Step用户界面分析模块 Powergui表1-2仿真模块提取路径 2.设置各模块参数 各模块的参数设置如下：(1)电流源AC Current source：Simullink没有专门的直流电流源，因此使用交流电流源(AC Current source)将其相角（Phase）设置为90，频率（Frequency）设置为0，以此来代替直流电流源。因此该器件参数设置为电流设置为1A，相角为90，频率设为50Hz，如图1-14所示。图1
16、-14AC Current source参数设置 3.设置仿真参数 设置仿真时间为0.06s，仿真算法使用默认的ode45。4.波形分析 点击仿真运行，则示波器显示负载电流如图1-15所示，在电压施加到电感L1上之后该支路电流产生波动，电感阻碍电路中电流变化，过一段时间后该支路电流趋向稳定。图1-15示波器波形项目二项目二 单相可控整流电路单相可控整流电路制制作简单调光灯电路作简单调光灯电路【学习目标】1.能说出功率二极管工作原理。2.能说出晶闸管导通、关断条件。3.能说出单相半波、桥式可控整流电路工作原理。4.能画出单相半波、桥式可控整流电路输出波形图 5.会用MATLAB分析并检测单相半波
17、可控整流电路、单相桥式可控整流电路的电路输出波形。6.能说出晶闸管触发电路要求。7.能说出单结晶体管伏安特性。【项目引入】调光台灯可以根据应用的场合不同自由调节光照亮度，在日常生活中应用非常广泛。图2-1（a）是常见的调光台灯，如图2-1（b）是调光台灯的电路原理图，本项目中将制作简单调光台灯电路。（a）实物图 （b）电路原理图图2-1调光台灯任务任务1 认识功率二极管认识功率二极管 功率二极管（Power Diode）又称电力二极管，是指可以承受高电压、大电流具有较大耗散功率的二极管，常作为整流元件，属于不可控型器件。它不能用控制信号控制其导通和关断，只能由加载元件上电压的极性控制其通断。可
18、用于不需要调压的整流、感性负载的续流以及用作限幅、钳位、稳压等。1.1认识功率二极管的伏安特性认识功率二极管的伏安特性 1.器件结构 功率二极管内部是一个结面积较大的PN结，在PN结的两端各引出一个电极，分别称为阳极A和阴极K。a）功率二极管结构图 （b）功率二极管外形电气符号 2.伏安特性 功率二极管两极所加电压与流过电流的关系特性称为功率二极管的伏安特性，如图2-3所示。图2-3功率二极管伏安特性曲线1.2了解功率二极管的参数和选型了解功率二极管的参数和选型 2.参数选择 1)型号 国产普通功率二极管的型号规定如下：任务任务2 认识晶闸管认识晶闸管 晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管
19、的简称，又称可控硅整流器，或简称为可控硅，是一种能够承受高电压、大电流的半控型电力电子器件。1.晶闸管的结构 晶闸管是一种大功率半导体器件，是四层三端结构，内部具有P1N1P2N2四层，外部有三个电极，从P1层和N2层分别引出阳极A（Anode）和阴极K（Cathode），由P2层引出门极G（Gate）如图2-4所示。（a）结构示意图（b）电气符号图2-4晶闸管的结构和电气图形符号 2.晶闸管的导通和关断条件 由以上实验现象，可以得到晶闸管的导通条件是：阳极加正向电压，且同时在门极与阴极之间加正向电压，则晶闸管导通，两项条件缺一不可。晶闸管一旦导通，门极将失去作用。晶闸管的关断条件：需要使流过
20、晶闸管的电流降到接近于零的某一数值（称为维持电流）以下，因此一般采用去掉晶闸管的阳极电压，或者给晶闸管阳极加反向电压的方式来关断晶闸管。2.2了解晶闸管工作原理了解晶闸管工作原理图2-7晶闸管等效电路图晶体管V1、V2处于放大状态，Eg产生的门极电流Ig就是V2的基极电流Ib2，V2的集电极电流Ic2=2Ig。而Ic2又是晶体管V1的基极电流Ib1，V1的集电极电流Ic1=1Ic2=12Ig。电流IC1又流入V2的基极，再一次被放大。这样循环下去，形成了强烈的正反馈，使两个晶体管很快达到饱和导通，这就是晶闸管的导通过程。导通后，晶闸管上的压降很小，电源电压几乎全部加在负载上，晶闸管中流过的电流
21、即负载电流。正反馈过程如下：IgIb2Ic2(Ib1)Ic1Ib2 晶闸管导通后，它的导通状态完全依靠管子本身的正反馈作用来维持，即使门极电流Ig=0，IB2仍足够大，晶闸管仍将处于导通状态。要想关断晶闸管，必须将阳极电流减小到使之不能维持正反馈的程度。2.3了解晶闸管伏安特性了解晶闸管伏安特性 晶闸管伏安特性是指晶闸管阳、阴极间电压UA和阳极电流IA之间的关系特性 第象限为晶闸管的正向特性，第象限为晶闸管的反向特性。当门极断开Ig=0时，在器件两端施加正向电压，则晶闸管处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过。随着正向阳极电压的增大，漏电流也相应增大。当正向电压超过临界极限即正向转折电压U
22、bo时，漏电流急剧增大，晶闸管由断态转入通态。导通状态时晶闸管特性和二极管的正向特性相似，即通过较大的阳极电流，而器件本身的压降很小。晶闸管正向导通后，要使晶闸管回复阻断状态，只有逐步减少阳极电流，当阳极电流降至维持电流IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。晶闸管加反向阳极电压时，晶闸管的反向特性与一般二极管的伏安特性相似。2.4了解晶闸管的参数及选型了解晶闸管的参数及选型 1.晶闸管的主要参数 1)断态重复峰值电压UDRM 当门极断开，晶闸管结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压为晶闸管的断态重复峰值电压，用UDRM表示。2)反向重复峰值电压URRM 规定当门极断开，晶闸管结温为额
23、定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压为反向重复峰值电压，用URRM表示。3)额定电压UTn 为防止晶闸管损坏，厂家通常取晶闸管的实际测定值UDRM和URRM中较小的值U，然后将小于U 且最接近的电压等级，标为晶闸管的额定电压。2.5完成常用电路电子器件完成常用电路电子器件MATLAB仿真分析仿真分析 2.5.1常用电力电子元件模型 1.电力二极管模块（Diode)2-9电力二极管模块 图2-10 Diode参数设置2.晶闸管模块（Thyristor）3.绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块 【例2-1】将二极管Diode模块串联在电路中，测试系统模型图如图2-14所示，从示波器中观察二极管的
24、电流iV、电压UV以及电路中负载的电流id和电压Ud波形。图2-14二极管测试电路1.参考电路图建模元件名称提取路径交流电源SimPowerSystems/Electrical Sources/AC Voltage source示波器Simulink/Sinks/Scope接地端子SimPowerSystems/Elements/Ground信号分解模块 Simulink/Signal Routing/Demux电压表SimPowerSystems/Measurements/Voltage Measurement电流表SimPowerSystems/Measurements/Current M
25、easurement负载RLCSimPowerSystems/Elements/Series RLC Branch二极管Simpowersystems/Power Electronics/Diode用户界面分析模块Powergui表2-4仿真模块提取路径 2.设置各模块参数 各模块的参数设置如下：（1）电源AC Voltage source：电压设置为220V，频率设为50Hz。（2）二极管：采用默认参数设置。（3）电阻负载：负载为纯电阻电路，电阻值为1。（4）信号分解模块Demux：Demux模块将一路输入信号分解为多路输出信号，根据输出检测信号多少将Number of outputs设置为
26、2。（5）示波器：双击示波器模块，点击第二个图标Parameters，设置Number of axes为5。（6）电压表与电流表：采用默认参数设置。3.仿真参数的设置 由于电源频率是50Hz，因此设置仿真时间为0.06s，电力电子系统通常使用ode23th算法。4.波形分析 点击仿真运行，则得到示波器显示波形如图2-15所示。图2-15示波器显示波形 任务任务3认识单相可控整流电路认识单相可控整流电路 可控整流电路（Rectifier）是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电变为固定或可调的直流电供给直流用电设备，也称为AC/DC变换。整流电路按交流输入相数可分为单相、三相和多相整流
27、电路；按电路构成形式可分为半波、桥式（含全控桥式和半控桥式）整流电路；按组成的器件可分为不可控、半控、全控整流电路。3.1分析单相半波可控整流电路分析单相半波可控整流电路（电阻性负载）（电阻性负载）假设：开关元件是理想的，及开关元件（晶闸管）导通时，通态压降为零，关断时电阻为无穷大；变压器是理想的，及变压器漏抗为零，绕组的电阻为零、励磁电流为零。1.电路结构图2-16（a）所示为单相半波可控整流电路，由晶闸管VT、负载电阻R及单相整流变压器TR组成，图2-16（a）所示为单相半波可控整流电路输出波形图。图2-16单相半波可控整流电路（电阻性负载）波形【例2-3】如图2-16所示在单相半波可控整
28、流电路（电阻性负载）中，电源电压U2为220V,要求的直流输出平均电压为50V，直流输出平均电流为20A，试计算：晶闸管的控制角；输出电流有效值；电路功率因数；选择晶闸管型号规格（安全裕量取2倍）。3.2分析单相半波可控整流电路分析单相半波可控整流电路（电感性负载）（电感性负载）图2-17单相半波可控整流电路(阻感负载)及其波形图2-18带续流二极管的单相桥式整流电路3.3完成单相半波可控整流电路的完成单相半波可控整流电路的MATLAB仿真分析仿真分析 使用Simulink创建单相半波整流电路，并使用示波器观察晶闸管触发角与负载电路中的电流和电压波形。1.参考电路图建模元件名称提取路径脉冲触发
29、器Simulink/Sources/Pulse Generator交流电源SimPowerSystems/Electrical Sources/AC Voltage source示波器Simulink/Sinks/Scope接地端子SimPowerSystems/Elements/Ground信号组合模块Simulink/Signal Routing/Demux电压表SimPowerSystems/Measurements/Voltage Measurement电流表SimPowerSystems/Measurements/Current Measurement负载RLCSimPowerSys
30、tems/Elements/Series RLC Branch表2-5 仿真模块提取路径(3)晶闸管：采用默认参数设置。(4)电阻负载：当负载是电阻负载时，R=1,L=0,C=inf（无穷大）；当负载为阻感负载时，R1，L0.01，Cinf。（a）控制角0 （b）控制角60图2-21示波器图（电阻性负载）5带感性负载的仿真带感性负载的仿真与带电阻性负载的仿真方法基本上是相同的。（a）控制角0 （b）控制角60图2-22示波器图（带感性负载）任务任务4 认识单相桥式可控整流电认识单相桥式可控整流电路路 4.1分析单相桥式全控整流电路（电阻性分析单相桥式全控整流电路（电阻性负载）负载）图2-23单
31、相桥式全控整流电路带电阻型负载 4.2分析单相桥式全控整流电路（电感性分析单相桥式全控整流电路（电感性负载）负载）1.不接续流二极管 2OwtOwtOwtu2OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4ua）电路图 b）波形图 图2-24单相桥式全控整流电流带阻感负载不接续流二极管时的电路与输出波形2.接入续流二极管为了扩大移相范围，不让ud波形出现负值以及使输出电流更加平稳，可在负载两端并接续流二极管。（a）电路图 （b）波形图图2-25单相桥式全控整流电流带阻感负载接续流二极管 4.3分析单相桥式半控整流电路1.电路结构将单相全控桥电路中一对晶闸管换成两
32、个整流二极管，就构成了单相桥式半控整流电路。它与单控全桥相比，较为经济，触发装置也相应简单些，在中小容量的可控整流装置中得到了广泛应用。（a)电路图 （b）波形图图2-26单相桥式半控整流电路带续流二极管4.4完成单相桥式全控整流电路的完成单相桥式全控整流电路的MATLAB仿真分析仿真分析单相桥式全控整流电路是使用4个晶闸管VT1、VT2、VT3和VT4实现控制的，使用Simulink创建单相桥式全控整流电路，使用示波器观察晶闸管触发角与负载电路中的电流和电压的波形。1.参考电路图建模元件名称提取路径脉冲触发器Simulink/Sources/Pulse Generator交流电源SimPow
33、erSystems/Electrical Sources/AC Voltage source示波器Simulink/Sinks/Scope接地端子SimPowerSystems/Elements/Ground信号组合模块Simulink/Signal Routing/Demux电压表SimPowerSystems/Measurements/Voltage Measurement电流表SimPowerSystems/Measurements/Current Measurement负载RLCSimPowerSystems/Elements/Series RLC Branch表2-6仿真模块提取路径
34、图2-27单相桥式全控整流电路3.仿真参数的设置设置仿真时间为0.06s,仿真算法采用ode23tb。设置好后，点击开始仿真。（a）控制角0 （b）控制角60图2-28示波器图（带阻性负载）5.带电阻电感性负载的仿真带电阻电感性负载的仿真与带电阻性负载的仿真方法基本相同，但须将RLC的串联分支设置为电阻电感负载。（a）控制角0 （b）控制角60图2-29示波器图（带感性负载）任务任务5 认识单结晶体管触发电路认识单结晶体管触发电路 5.1了解晶闸管触发电路要求了解晶闸管触发电路要求 1.触发信号应该具有足够的触发功率。2.触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿要陡。3.触发脉冲与晶闸管阳极电压必须
35、同步。4.满足主电路移相范围要求。（a）正弦波 （b）尖脉冲（c）方脉冲（d）强触发脉冲（e）脉冲列图2-30常见触发脉冲电压波形5.2认识单结晶体管的结构认识单结晶体管的结构 单结晶体管又称双基极管，它有三个基极，但结构上只有一个PN结。9a）结构 （b）等效电路（c）图形符号 （d）外形管脚排列图2-31单结晶体管结构、等效电路及符号5.3认识单结晶体管的伏安特性认识单结晶体管的伏安特性5.4了解单结晶体管自激振荡电路了解单结晶体管自激振荡电路项目三项目三 三相可控整流电路三相可控整流电路安装安装三相全控整流电路三相全控整流电路【学习目标】1.能说出三相半波整流电路工作原理。2.能画出不同
36、控制角情况下的三相半波可控整流电路各电压、电流波形。3.能说出三相桥式全控整流电路工作的原理。4.能画出不同控制角情况下的三相桥式全控整流电路各段电压、电流波形。5.会用MATLAB仿真和分析三相半波可控整流电路、三相桥式全控整流电路的输出波形。【项目引入】单相可控整流电路元件少，线路简单调整方便，输出电压脉动大，当所带负载功率较大时，会因为单相供电而引起三相电网不平衡，故只适用于小容量的设备中。当容量较大、输出电压脉动要求较小、对控制的快速性要求时，则多采用三相可控整流电路。图3-1 三相桥式同相逆并联可控硅整流装置任务任务1 认识三相半波可控整流电认识三相半波可控整流电路路 三相整流电路的
37、交流侧由三相对称电源供电，可以带较大的负载容量，对电网影响小，并且输出功率比较大。在三相可控整流电路中，有多种类型的电路，如三相半波、三相全控桥、三相半控桥、双反星形可控整流电路以及适合较大功率应用的十二相可控整流电路等。1.1分析三相半波可控整流电路分析三相半波可控整流电路（电阻性负载）（电阻性负载）1.电路结构 电路中变压器二次侧接到三个晶闸管的阳极，阴极连接在一起，因此这种电路结构被称为共阴极接法。图3-2三相半波可控整流电路及波形图(电阻性负载)图3-2三相半波可控整流电路及波形图(电阻性负载)（3-1）56222633 22sin3 cos1.17cos22dUUtdtUUww当30
38、E2 （b)同极性连接E1Ud时，由于电路中接有大电感，符合有源逆变的条件，故电路可工作在有源逆变状态，变流器输出的直流电压为Ud=Ud0cos=-Ud0cos=-1.17U2cos 公式中输出电压为负，说明电压的极性与整流时相反。输出直流电流平均值的计算公式为Id=E-UdR 式中 R-回路的总电阻。2.三相全控桥有源逆变电路图为三相全控桥带电动机负载的电路，当90时，电路工作在逆变状态。晶闸管的控制过程与三相全控桥整流电路原理相同，只是控制角的移相范围为180，输出直流电压的计算公式分别为整流时：Ud=2.34U2cos（当90时）图4-10 三相桥式有源逆变电路及相关波形1.5完成三相桥
39、式有源逆变电路的完成三相桥式有源逆变电路的MATLAB仿真分析仿真分析 1.参考电路图建模元件名称提取路径信号发生器Simulink/Sources/DiscretePWM Generator交流电源SimPowerSystems/Electrical Sources/AC Voltage source示波器Simulink/Sinks/Scope直流电源SimPowerSystems/Electrical Sources/DC Voltage source信号组合模块 Simulink/Signal Routing/Mux电压表SimPowerSystems/Measurements/Vol
40、tage Measurement电流表SimPowerSystems/Measurements/Current Measurement表4-2仿真模块提取路径图4-11 三相桥式逆变电路仿真模型 2.设置各模块的参数 各模块的参数设置如下：(1)电源AC Voltage source：电压设置为300V，频率设为50Hz。要注意初相角的设置，A相的电压源设为0，B相的电压源设为120，C相的电压源设为-120。(2)直流电源DC Voltage source：电压设置为100V。(3)脉冲触发器DiscretePWM Generator：载波频率设置为1000 Hz。占空比设置为0.6。输出电
41、压频率设置为50Hz。(4)负载：负载为阻感性负载，电阻R为1，电感为0.5H。3.仿真参数的设置 仿真参数设置步骤如下：首先点击仿真参数配置Configuration Parameters，打开设置窗口。然后设置Start time为0.0，Stop time为0.5，算法Solver选择ode23tb，相对误差Relative tolerance为le-3。图4-13 三相桥式有源逆变电路的MATLAB仿真波形任务任务2 认识无源逆变电路认识无源逆变电路 变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载，即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载的电路，称为无源逆变电路。逆变电路应用广
42、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。2.1了解无源逆变电路工作原理了解无源逆变电路工作原理 1.工作原理图4-14逆变电路原理图及其波形 如图所示为单相桥式逆变电路，四个开关S1、S2、S3、S4构成桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成，主电路S1、S2、S3、S4实际是各种半导体开关器件的一种理想模型。逆变电路中常用到的开关器件有快速晶闸管、可关断晶闸管（GTO）、功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（IGBT）等。在电路原理图中，输入直流电压Ud，当将开关S1、S4闭合，
43、S2、S3断开时,负载上得到左正右负的电压；间隔一段时间后将开关S1、S4打开，S2、S3闭合，负载上得到右正左负的电压。若以频率f交替切换S1、S4和S2、S3，在负载上就可以得到如图所示的电压波形。2.换流在该电路中随着电压的变化，电流也从一个支路转移到另一个支路，通常将这一过程称为换相或换流。换流方式主要分为以下几种1）器件换流（Device Commutation）指利用全控型器件的自关断能力进行换流。逆变器电路中采用IGBT、电力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的换流方式是器件换流。2）电网换流（Line Commutation）电网提供换流电压的换流方式。将负的电网电压施加
44、在欲关断的晶闸管上即可使其关断。在此电路中不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。3）负载换流（Load Commutation）将负载与其他换流元件接成并联或串联谐振电路，使负载电流的相位超前负载电压，且超前时间大于管子关断时间，就能保证管子完全恢复阻断实现可靠换流。4）强迫换流（Forced Commutation）逆变器中设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流。该换流方式通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流。2.2了解单相桥式无源逆变电路了解单相桥式无源逆变电路 单相桥式无源逆变电路包括半桥逆变电路和
45、全桥逆变电路两种。1.电路结构图4-15半桥逆变电路 3.全桥逆变电路图4-16全桥逆变电路 4.全桥逆变电路工作原理 该电路的工作过程为：t1时刻前V1和V4导通，uo=Ud。t1时刻V4截止，而因负载电感中的电流io不能突变，V3不能立刻导通，VD3导通续流，uo=0。在t2时刻V1截止，而V2不能立刻导通，VD2导通续流，和VD3构成电流通道，uo=-Ud，到负载电流过零并开始反向时，VD2和VD3截止，V2和V3开始导通，uo仍为-Ud。t3时刻V3截止，而V4不能立刻导通，VD4导通续流，uo再次为零，则改变就可调节输出电压。在该电路中两对桥臂交替导通180，其输出电压和电流波形与半
46、桥电路形状相同，但幅值高出一倍，在这种情况下，要改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。2.3了解三相桥式无源逆变电路了解三相桥式无源逆变电路 2.3.1三相电压型逆变电路 直流侧是电压源的称为电压型逆变器。电压型逆变器直流侧一般接有大电容，直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗，相当于电压源。电压型逆变电路的工作特点有：1）由于直流电压源的恒压作用与负载阻抗角无关交流侧电压波形为矩形波，而交流侧电流波形及其相位因负载阻抗角的不同而异；2）当交流侧为电感性负载时，需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的能量提供通路，各臂都需并联反馈二极管；3
47、）逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动，必然由直流电流的脉动影响功率的脉动。1.工作原理电路用IGBT作为开关器件，可以看成是由三个半桥逆变电路组成。为了方便分析，画作串联的两个电容器并标出假想中点。三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是180导电方式，即每个桥臂的导电角度为180，同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导电，因为每次换相都是在同一相上下两个桥臂之间进行的，因此被称为纵向换流。6个管子控制导通的顺序为V1V6，控制间隔为60，这样在任一瞬间，将有三个臂同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。图4-18 三相电压型桥式逆变
48、电路的工作波形 2.3.2三相电流型逆变电路 直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。直流侧串接有大电感，使直流电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗，相当于电流源。电流型逆变电路主要特点有：1）交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关，输出电压波形和相位因负载不同而不同；2）直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电流不能反向，因此不必给开关器件反并联二极管；3）因逆变器输出直流电压的脉动引起从直流侧向交流侧传送的功率也是脉动的功率，因此直流电流无脉动；4）电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多，采用半控型器件的电路的换流方式有负载换流、强迫换流等。图4-19 电流型三相桥式逆变电路图及
49、输出波形2.4完成逆变电路的完成逆变电路的MATLAB仿真仿真分析分析 2.4.1完成单相无源逆变电路的MATLAB仿真分析 1.参考电路图建模元件名称提取路径脉冲触发器Simulink/Sources/Pulse Generator直流电源SimPowerSystems/Electrical Sources/DC Voltage source示波器Simulink/Sinks/Scope信号组合模块Simulink/Signal Routing/Mux测量模块SimPowerSystems/Measurements/Multimeter电流表SimPowerSystems/Measureme
50、nts/Current Measurement负载RLCSimPowerSystems/Elements/Series RLC BranchIGBTSimpowersystems/Power Electronics/IGBT表4-3仿真模块提取路径图4-20 单相无源逆变电路仿真模型2.设置各模块的参数各模块的参数设置如下：(1）直流电源DC Voltage source：电压设置为100V。(2）脉冲触发器Pulse Generator：模型中用到4个触发脉冲。因为电源电压频率为50Hz，故周期设置为0.02s，脉宽可设为0.01，振幅设为1。脉冲1和3设置是一致的，脉冲2和4延迟0.01s
