单相桥式全控整流及有源逆变电路的实现研
究与仿真设计
摘要
本文以单相桥式全控整流及有源逆变电路为研究对象，介绍了单相桥式全控整流及有源逆变电路的工作原理，并对MATLAB/Simulink模块中电力电子仿真所需要的电力系统模块做了简要的说明，介绍了单相桥式全控整流及有源逆变电路的主要环节整流及有源逆变的工作原理，并且分析了几种常见的触发角，在此基础上运用MATLAB软件分别对电路的仿真进行了设计；实现了对单相桥式全控整流及有源逆变电路的仿真。
关键词：Simulink；单相桥式全控整流及有源逆变电路；仿真设计
Abstract
In this paper, single-phase bridge controlled rectifier and inverter circuit for the active study, described single-phase bridge controlled rectifier and active inverter circuit works, and matlab / simulink module needed to power electronic simulation power system module to do a brief description of the single-phase bridge controlled rectifier and active inverter main components - the active rectifier and inverter works, and analyzed several common trigger angle On this basis, the use of matlab software simulation were carried out on the circuit design; implementation of single-phase bridge controlled rectifier and active inverter system.
Keywords simulinksingle-phase bridge controlled rectifier and active invertercircuit
simulation design目录
摘要 (2)
Abstract (3)
目录 (4)
1 绪论 (6)
1.1 整流技术的发展概况 (6)
1.2 系统仿真概述 (6)
2 单相桥式全控整流及有源逆变的工作原理 (7)
2.1 整流电路概述 (7)
2.2有源逆变概述 (7)
2.3 单相桥式全控整流电路的工作原理 (8)
2.3.1 工作原理 (8)
2.3.2 参数计算 (10)
2.4 单相桥式全控有源逆变的工作原理 (11)
2.4.1 工作原理 (11)
2.4.2 换相重叠角 (12)
2.4.3 逆变颠覆的概述 (12)
2.4.4 最小逆变角限制 (12)
2.5 晶闸管整流电路的触发控制 (13)
3 单相桥式全控整流及有源逆变电路的设计 (16)
3.1 选择整流电路 (16)
3.2 计算整流变压器的参数 (16)
3.3 选用冷却系统 (16)
3.4 开关元件的选用与计算 (16)
3.5 保护系统的设计 (16)
3.6 主要部件和器件的计算及选用 (16)
3.7 单相桥式全控整流及有源逆变电路的设计 (17)
4 单相桥式全控整流及有源逆变现象的观察 (18)
4.1 单相桥式全控整流的观察 (18)
4.2 单相桥式有源逆变的观察 (18)
4.3 逆变颠覆现象的观察 (18)
5 单相桥式全控整流及有源逆变的仿真 (19)
5.1 Matlab软件简介 (19)
5.2 Simulink简介 (20)
5.3 单相桥式全控整流及有源逆变的仿真模型 (21)
5.3.1仿真模型模块介绍 (21)
5.3.2 仿真模型的设计 (23)
5.3.3 仿真模型模块的参数设置 (24)
5.4 模型仿真及仿真结果 (32)
5.5 仿真过程中问题的解决及一些技巧 (38)
5.5.1 如何根据原理建立仿真模型 (38)
5.5.2 调试中参数设置方法 (38)
5.5.3 创建模型的一些技巧 (39)
6 总结 (40)
6.1 论文主要内容总结 (40)
6.2 实验过程总结 (40)
6.3 仿真过程总结 (40)
6.4 设计和开发方面的不足 (41)
参考文献 (42)
致谢 (43)
绪论
整流技术的发展概况
整流电路广泛应用于工业中。整流与逆变一直都是电力电子技术的热点之一。桥式整流是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的电路，常用来将交流电转变为直流电。从整流状态变到有源逆变状态，对于特定的实验电路需要恰到好处的时机和条件。其基本理论与方法已成熟十几年了，随着我国交直流变换器市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。
系统仿真概述
所谓系统仿真，就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。它是一种对系统问题求数值解的计算技术。尤其当系统无法通过建立数学模型求解时，仿真技术能有效地来处理。仿真是一种人为的试验手段。它和现实系统实验的差别在于，仿真实验不是依据实际环境，而是作为实际系统映象的系统模型以及相应的“人造”环境下进行的。这是仿真的主要功能。仿真可以比较真实地描述系统的运行、演变及其发展过程。仿真的过程也是实验的过程，而且还是系统地收集和积累信息的过程。尤其是对一些复杂的随机问题，应用仿真技术是提供所需信息的唯一令人满意的方法。对一些难以建立物理模型和数学模型的对象系统，可通过仿真模型来顺利地解决预测、分析和评价等系统问题。通过系统仿真，可以把一个复杂系统降阶成若干子系统以便于分析。)通过系统仿真，能启发新的思想或产生新的策略，还能暴露出原系统中隐藏着的一些问题，以便及时解决。
单相桥式全控整流及有源逆变的工作原理
整流电路概述
整流电路是把交流电压变换为单极性电压的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电
路之间的电隔离（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响）。整流电路是电力电子电路中最早出现的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式各种各样。按其组成器件可分为不控整流电路、半控整流电路和全控整流电路。其中，半控整流电路和全控整流电路按其控制方式又可分为相控整流电路和斩波整流电路。相控整流电路由于采用电网换相方式，不需要专门的换相电路，因而电路简单、工作可靠，得到广泛应用。但相控整流电路在控制用α较大时，功率因数较低，网侧电流谐波含量较大。因而在大功率调速传动中，低速运行时，采用斩控整流电路可解决功率因数变坏的问题。按电路结构可分为桥式电路和零式电路，按交流输入相数分为单相电路和多相电路，按变压器二次侧电流的方向是单相或双相，又分为单拍电路和双拍电路；实用电路是上述的组合结构。
有源逆变概述
逆变与整流相对应，直流电变成交流电。交流侧接电网，为有源逆变。交流侧接负载，为无源逆变。逆变电路的分类，根据直流侧电源性质的不同，直流侧是电压源：电压型逆变电路，又称为电压源型逆变电路，直流侧是电流源：电流型逆变电路，又称为电流源型逆变电路，电压型逆变电路，输出电压是矩形波。电流型逆变电路，输出电流是矩形波。电压型逆变电路的特点：直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。交流侧输出电压为矩形波，输出电流和相位因负载阻抗不同而不同。阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。电流型逆变电路主要特点：直流侧串大电感，电流基本无脉动，相当于电流源。交流侧输出电流为矩形波，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。直流侧电感起缓冲无功能量的作用，
不必给开关器件反并联二极管。
单相桥式全控整流电路的工作原理
工作原理
单相桥式全控整流电路图如下图所示：
图2.1 单相桥式全控整流电路
该电路的特点是：要有电流通过阻感性电阻RL，必须有晶闸管VT1和VT3或VT2和VT4同时导通，由于晶闸管的单向导电性能，尽管u2是交流，但是通过阻感性电阻RL的电流i d始终是单方向的直流电，其工作过程可分如下几个阶段：阶段1（0～ωt1）：这阶段u2在正半周期，A点电位高于B点电位，晶闸管VT1和VT2反向串联后与u2连接，VT1承受正向电压为u2/2，VT2承受u2/2的方向电压；同样VT3和VT4方向串联后与u2连接，VT3承受u2/2的正向电压，VT4承受u2/2的反向电压。虽然VT1和VT3受正向电压，但是尚未触发导通，负载没有电流通过，所以u d=0，i d=0。
阶段2（ωt1～π）：在ωt1时同时触发VT1和VT3，由于VT1和VT3受正向电压而导通，有电流经A点→VT1→R→VT3→变压器B点形成回路。在这段区间里，u d=u2，i d=i VT1=i VT3=i2=u d/R。由于VT1和VT3导通，忽略管压降，u VT1=u VT2=0，而承受的电压为u VT2=u VT4=u2。
阶段3（π～ωt2）：从ωt=π开始u2进入了负半周期，B点电位高于A点电位，VT1和VT3由于受反向电压而关断，这时VT1～VT4都不导通，各晶闸管承受u2/2的电压，但VT1和VT3承受的是反向电压，VT2和VT4承受正向电压，负载没有电
流通过，u d=0，i d=i2=0。
阶段4（ωt2～2π）：在ωt2时，u2电压为负，VT2和VT4受正向电压，触发VT2和VT4导通，有电流经B点→VT2→R→VT4→A点，在这段区间里，u d=u2，
i d=i VT2=i VT4=i2=u d/R。由于VT2和VT4导通，VT2和VT4承受u2的负半周期电压，至此一个周期工作完毕，下一个周期重复上述过程，单相桥式整流电路两次脉冲间隔为180°。
如果整流电路的负载电感较大，id波形将连续，电路的工作情况可分为电流上升和电流稳定两个阶段。
在电流上升阶段，ωt1（ωt=α）时，触发VT1和VT3导通，id从0开始上升，由于电感较大，到ωt2（ωt=π+α）时，由于u2已经进入负半周期，VT2和VT4承受正向电压，有脉冲即导通。VT2和VT4导通后，电路P点电位将高于A点，Q点电位低于B点，VT1和VT3承受反向电压而关断，原来经由VT1和VT3的电流i d改经VT2和VT4通过，这就是VT1和VT2换流，同时VT3和VT4换流，使电路进入第二个导通区间（ωt2～ωt3）。在第二个导通区间i d将从VT1和VT3关断和VT2和VT4
开通时的电流继续上升，电感的储能增加。u2进入第二个周期，VT1和VT3承受正向电压，受触发即导通，使电路的P点电位高于B点，Q点电位低于A点，使VT2和VT4承受反向电压而关断，实现VT1和VT3与VT2和VT4的换流。如此经过几个导通周期，电感储能达到饱和，即每个导通周期开始时的电流与终止时的电流相当，在第三个导通周期ωt3～ωt4，负载电流i d进入了稳定阶段。在大电感情况下，i d进入稳定阶段后电流的波动很小。在稳定工作阶段，两组晶闸管交替导通，每组导通角为180°，通过晶闸管的电流是宽为180°，高为I d的矩形方波。在一周期的正负半周中变压器副边都有电流i2通过，变压器的利用率较半波整流提高，并且i2中不含直流分量，不易产生变压器发热问题。晶闸管承受的电压波形在晶闸管导通时
U VT=0，在晶闸管关断时，则承受的电压u2，因此承受的最高正反电压均为U2。
如果控制角α=90°，整流输出电压u d的正负半周期面积相等，整流输出电压的平均值为0。并且若α＞90°，在u2的半周范围内，触发VT1和VT3或VT2和VT4，晶闸管能够导通，但是晶闸管的导通角减小，而u d的正负半周面积相等，u d的平均值都为0，因此电感性负载时，控制角的有效移相控制范围为0°≤α≤90°。
单相桥式全控整流电路波形如下图所示：
图2.2 单相桥式全控整流电路波形参数计算
输出平均电压U d：
输出平均电流I d：
变压器副边绕组电流有效值I2：
流过晶闸管的电流有效值I T：
单相桥式全控有源逆变的工作原理
工作原理
逆变是将直流电变换成交流电。如果逆变后的交流电是直接提供给负载，成为无缘逆变；如果逆变后的交流电是送到交流电网，则称为有源逆变。整流电路在满足一定条件情况时，可以将直流侧的电能经过整流器回送到交流侧电源。在RL负载中，在负载电流的上升阶段，交流电源经整流器向负载提供电能，在负载电流的下降阶段，i d与u d反方向，是电感释放储能，释放的储能一部分在电阻中消耗，一部分则经整流器回馈到交流电源。RL负载电感的储能是有限的，即使R=0、α=90°时，电感也只能使储存和释放的电能相等。但是如果整流器的负载中含有直流电动势E，情况就不同了，直流电动势可以源源不断的提供直流电能，并通过整流器转化为交流电回馈电网，这就是可控整流器的有源逆变工作状态。
在有源逆变状态，直流电源E要经整流器向交流电源回馈电能，由于整流器只能单方向输出电流，因此直流电源要输出电能，电动势E的方向必须和整流器输出电流的方向相同，同时为使整流器能从直流电动势E吸取电能，整流器输出电压
U d的极性也要与整流状态时相反。这就是说，如果整流器工作在整流状态时，U d
极性为上“﹢”下“﹣”，对RLE负载有α＜90°；在整流器工作于有源逆变状态时，U d极性应为上“﹣”下“+”，对RLE负载应有α＞90°，这样电流I d从E的“+”端流出，从整流器“+”流入，电能才能从直流电源输出，并经整流器回馈交流电网。因此整流器工作于有源逆变的条件可以归结如下：
整流器负载含有直流电动势，电动势E的方向与整流器电流I d的方向相同；整流器的控制角α＞90°，整流器输出电压反向，且U d应略小于直流电动势E。
半控桥式整流电路和负载侧带有续流二极管的整流电路，由于二极管短路了直流电动势E，故不能工作于有源逆变状态，因此需要工作于有源逆变状态的整流器必须是全控整流电路。并且如果在有源逆变时，整流器控制角α＜90°，则U d极性没有改变，U d和E将顺向连接，在负载回路将产生很大电流I d，I d=（E+U d）/R，这时直流电动势和整流器同时输出电能，不仅电流很大，并且该电能消耗在负载回路的电阻上，这种情况一般是不允许的，要防止这种状态出现。
为了反映整流电路的整流和逆变两种不同的工作状态，设置了逆变角β，且令β=180°－α。当整流电路工作于整流状态时，0°≤α≤90°，相应的90°≤β≤180°。当整流电路工作于逆变状态时，0°≤β≤90°，相应的90°≤α≤180°。
换相重叠角
在整流电路的分析中，认为晶闸管的导通和关断是瞬时完成的，实际上电力电子器件的导通和关断都需要一定的时间。整流交流电源如果来自整流变压器，变压器有漏抗；如果整流器直接连接电网，为了限制可能的短路电流，大功率整流器交流侧也需要连接进线电抗器。由于电流不能突变，这些电感的存在，限制了晶闸管在导通和关断时的电流上升和下降速度，使晶闸管之间换流需要一定时间来完成，在相控电路中，换流时间以换流重叠角γ来表示。在换流过程中，整流器输出电压为换流的二相交流相电压之和的二分之一。在重叠换流期间，整流输出电压较不考虑重叠换流时的输出电压要小些，即产生了换相中的电压降。
逆变颠覆的概述
在考虑交流电源电抗后，在整流电路有源逆变时，如果β很小，则整流电路不能正常换相。由于交流电源电抗产生了重叠换流时间，使换流不能瞬时完成在ωt4时触发VT2，由于交流电源电抗产生了重叠换流时间，使换流不能瞬时完成，在重叠换流时间内已经有u a＞u b，因此在换流结束后仍应是VT1继续导通，VT2并不能导通，使换流不能成功。并且u a进入正半周后，直流电动势E和u a顺向串联，整流器输出电流迅速增加超过额定允许范围，轻则使过电流保护跳闸，重则烧坏晶闸管或快速熔断器，这就是“逆变颠覆”现象。
最小逆变角限制
为了避免逆变颠覆现象，不能使β太小，需要对最小逆变角进行限制，以确保电路能正常换流。一般取最小逆变角βmin为
βmin=δ + γ + θ'
式中：δ为晶闸管关断时间t q折合的电角度，γ为换流重叠角，θ'为安全裕量角，考虑以上因素，βmin一般在30°到35°左右，βmin太小，将影响整流器的安全运行；βmin太大，将使逆变时输出电压过低，影响有源逆变的效率。
逆变颠覆现象还可能发生在电源缺相，晶闸管或快速熔断器损害，晶闸管触发脉冲丢失等情况下，一旦发生这些情况，整流器在有源逆变时都不能正常换流而造
成逆变颠覆，因此工作在有源逆变状态时，整流电路的可靠性是需要重视的。
晶闸管整流电路的触发控制
晶闸管导通需要正向电压和触发脉冲两个条件，在整流电路中主要分析了正向电压条件，而对触发脉冲是认为召之即来挥之即去的，需要时就能有，实际上触发脉冲需要有相应的电路产生，这就是触发电路。对触发电路的基本要求是：能产生晶闸管触发信号，信号有一定强度，满足晶闸管门极驱动条件。触发脉冲的形状，能使晶闸管快速导通和可靠关断；触发信号能移相控制，即改变脉冲的控制角；触发信号在需要晶闸管导通时产生，即触发电路产生脉冲与整流电路的需要两者间要步调一致。满足这些要求的信号都可以用于晶闸管的触发，因此晶闸管的触发电路从简单的RC移相到复杂的电路都有。
锯齿波移相触发电路如下图所示：
图2.3 锯齿波移相触发电路
图2.4 触发电路各点波形
1.锯齿波的形成
在输入的同步电压u T负半周，D1导通，A点电位为负，钳制了T2基极电位，使T2截止，且电容C1充电。在u T变正时，D1截止，C1经R1反向充电，A点电位从负逐步上升，C1延缓了A点电位变正的时间，其目的是拓宽生成锯齿波的宽度，T2截止时C2充电生成锯齿波，选择R1、C1的参数可以使锯齿波宽度达到240°。
在T2截止时，电容C2经+15V→RP1→R3→T1充电，B点电位逐步提高，在T2导通时，C2经T2迅速放电，在B点形成锯齿波。稳压管DW1和T1组成恒流电路，从而调节锯齿波的斜率。锯齿波在u T过0变负，T2截止时开始上升，因此锯齿波和u T同步。T3，R5组成射极跟随器，以增强带动后级负载的能力。
2.移相控制
R6、R7、R8、T4组成移相控制电路，在移相控制电压U c=0时，负偏置电压U p 和锯齿波信号叠加，使锯齿波下移，调节了锯齿波的过零点，用以整定脉冲的初始相位。初始相位是整流电路输出电压U d=0时的控制角α大小。如果U c≠0，若U c
为正，锯齿波过零点前移，对应控制角α减小；若U c为负，则锯齿波的过零点后
移，对应控制角α增加，因此调节U c可以实现相位控制。该触发电路移相范围可达240°，一般只使用中间线性度较好的180°区间，就可以满足整流和逆变的脉冲移相控制要求。
3.脉冲形成
R9、C3、T4组成脉冲形成电路。在T4基极电位为负时，T4截止，D点呈高电平。在C点电位为正时，T4导通，钳制D点为零电平。D点电位的负跳变，经电容C3耦合，在T5基射极间形成一个负的尖脉冲，峰值约为-15V，负的尖脉冲使T5截止。在T5截止期间，T5基极呈高电平，在T5导通时，F点被钳制在约-15V，形成一个矩形脉冲，推动了后级功放输出。
4.脉冲输出
复合管T7、T8组成功放输出电路。T5输出的脉冲使T7、T8导通，脉冲变压器T p原边有脉冲电流产生，其副边感应相应的脉冲输出，去触发连接的晶闸管。脉冲变压器的作用是隔离触发电路和晶闸管主电路，使触发电路和晶闸管主电路没有电的联系。D7、R14用于吸收T7、T8关断时，变压器绕组产生的d i/d t。
D8、D9用于减少干扰信号对触发的影响，R16是限流电阻。