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1、第五章 电力电子变流电路的仿真,电力电子变流电路的仿真,所谓变流就是指交流电和直流电之间的转换，对交直流电压、电流的调节，和对交流电的频率、相数、相位的变换和控制。而电力电子变流电路就是应用电力电子器件实现这些转换的线路，一般这些电路可以分为四大类。 (1) 交流-直流变流器 (2) 直流-直流斩波调压器 (3) 直流-交流变流器 (4) 交流-交流变流器，其中，又分为交流调压器和交-交变频器。,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-2,电力电子变流电路的仿真,5.1 交流-直流变流器5.2 直流-直流变流器5.3 直流-交流变流器5.4 交流-交流变流器,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-3
2、,5.1 交流-直流变流器,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。,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-4,5. 1. 1 单相桥式全控整流电路仿真,单相桥式全控整流电路,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-5,5. 1. 1 单相桥式全控整流电路仿真,第5章
3、电力电子变流电路的仿真,5-6,5. 1. 2 三相桥式全控整流电路仿真,三相桥式全控整流电路,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-7,三相桥式全控整流电路带电阻负载=30时的波形,5. 1. 2 三相桥式全控整流电路仿真,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-8,5.2 直流-直流变流器,直流-直流变流器也称直流斩波器(DC Chopper) 或 DC-DC 变流器。 直流-直流变流器用于调整直流电的电压，它有多种类型，这里主要介绍降压( Buck)变流器、升压 (Boost) 变流器和桥式 (H 型)直流变流器的仿真。,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-9,5.2 直流-直流变流器,5.2
4、.1 直流降压变流器设计 在开关器件VT导通时有，电流经电感 L向负载供电，在VT 关断时，电感 L 释放储能，维持负载电流，电流负载和二极管VD 形成回路。负载侧输出电压的平均值为 式中 T 为 VT 开关周期，ton 为 VT 导通时间， 为占空比。,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-10,a）电路图 b）电流连续时的波形 c）电流断续时的波形,5.2 直流-直流变流器,5.2.1 直流降压变流器设计,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-11,5.2 直流-直流变流器,5.2.2 直流升压变流器设计 在电路中 IGBT 导通时，电流由电源 E 经升压电感L 和 VT 形成回路，电感 L
5、的电流增加，电感储能;当 IGBT关断时，电感产生的反电动势和直流电源电压串联共同向负载供电，由于在 IGBT 关断时电感的反电动势和直流电源电压方向相同互相叠加，从而在负载侧得到高于电源的电压。稳态时，一个周期T内电感L积蓄的能量与释放的能量相等输出电压为：,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-12,升压斩波 a）电路图 b）波形,5.2 直流-直流变流器,5.2.2 直流升压变流器设计,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-13,5.2 直流-直流变流器,5.2.3 桥式直流PWM 变流器仿真 又称H 型变流器和四象限直流.直流变流器，其原理电路如图 5-34 所示。1.双极式调制 四个开关
6、器件 VTl和VT4 , VT2和 VT3 两两成对 VTl和 VT4 导通，电压输出为正 VT2和 VT3 导通，电压输出为负 控制开关器件的通断时间(占空比)可以调节输出电压的大小。,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-14,5.2 直流-直流变流器,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-15,仿真参数设定电源电压：200V负载：R=2 L=1mH E=50V锯齿波周期: 3e-4s延迟环节： 导通点 1e-4 关断点 -1e-4 导通值 1 关断值 0,5.2 直流-直流变流器,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-16,5.2 直流-直流变流器,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-17,5
7、.3 直流-交流变流器,5.3.1 三相电压源型SPWM 逆变器仿真5.3.2 电流跟踪型逆变器仿真,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-18,5.3.1 三相电压源型SPWM 逆变器仿真,PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-19,5.3.1 三相电压源型SPWM 逆变器仿真,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-20,面积等效原理 PWM控制技术的重要理论基础。 原理内容：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基
8、本相同。 冲量即指窄脉冲的面积。 效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。 如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。 实例 将图7-1a、b、c、d所示的脉冲作为输入，加在图7-2a所示的R-L电路上，设其电流i(t)为电路的输出，图7-2b给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形。,图7-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲,图7-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形,5.3.1 三相电压源型SPWM 逆变器仿真,用PWM波代替正弦半波 幅值顶部是曲线且大小按正弦规律变化的脉冲序列组成的。 利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波
9、部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，这就是PWM波形。 正弦波的负半周，用同样的方法得到。 脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM（Sinusoidal PWM）波形。,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-21,图7-3 用PWM波代替正弦半波,5.3.1 三相电压源型SPWM 逆变器仿真,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-22,双极性PWM控制方式 调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关器件的通断。 在ur的一个周期内，输出的PWM波只有Ud两种电平。 在ur的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。 当uruc时，V1V4导通，
10、uo=Ud。 当uruc时，V2V3导通，uo=-Ud。,图7-6 双极性PWM控制方式波形,图7-4 单相桥式PWM逆变电路,5.3.1 三相电压源型SPWM 逆变器仿真,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-23,图7-7 三相桥式PWM型逆变电路,图7-8 三相桥式PWM逆变电路波形,三相桥式PWM逆变电路 采用双极性控制方式。 U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波uc，三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120。,5.3.1 三相电压源型SPWM 逆变器仿真,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-24,5.3.2 电流跟踪型逆变器仿真,电流跟踪型逆变器使逆变器的输出电流
11、跟随给定的电流波形变化，这也是一种 PWM 控制方式。电流跟踪一般都采用滞环控制，即当逆变器输出电流与给定电流的偏差超过一定值时，改变逆变器的开关状态，使逆变器的输出电流增加或减小，将输出电流与给定电流的偏差控制在一定范围内，其工作原理如图,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-25,5.3.2 电流跟踪型逆变器仿真,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-26,5.3.2 电流跟踪型逆变器仿真,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-27,5.3.2 电流跟踪型逆变器仿真,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-28,5.4 交流-交流变流器,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-29,把两个晶闸管反并联后
12、串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可以控制交流输出。 交流电力控制电路 交流调压电路：在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，调节输出电压有效值的电路。 交流调功电路：以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断，改变通态周期数和断态周期数的比，调节输出功率平均值的电路。 交流电力电子开关：串入电路中根据需要接通或断开电路的晶闸管。应用 灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)。 异步电动机软起动。 异步电动机调速。 供用电系统对无功功率的连续调节。 在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变压器一次电压。,5.4.1 单相交流调压器仿真,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-30,图6-1 电阻
13、负载单相交流调压电路及其波形,电阻负载 工作过程 在交流电源u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角进行控制就可以调节输出电压。,5.4.1 单相交流调压器仿真,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-31,VT1,图6-2 阻感负载单相交流调压电路及其波形,阻感负载 工作过程 若晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为，当用晶闸管控制时，只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后。 设负载的阻抗角为 ，稳态时的移相范围应为。,5.4.1 单相交流调压器仿真,交流调压晶闸管控制角 的移相范围是 180 ， =0的位置定在电源电压过零的时刻。在阻感负载时按控制角与负载阻抗角 = arctan (U/R) 的关系，电路有两种工作状态。 1. 180 时 调压器输出电压和电流的正负半周是不连续的，在这范围内调节控制角，负载的电压和电流将随之变化。 2. . 0 时 调压器输出处于失控状态，即虽然控制角变化，但负载电压不变，且是与电源电压相同的完整正弦波。,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-32,5.4.1 单相交流调压器仿真,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-33,5.4.1 单相交流调压器仿真,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-34,5.4.1 单相交流调压器仿真,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-35,谢谢 ！,第5章 电力电子变流电路的仿真,5-36,
