有源逆变电路的MATLAB仿真分析

■ 武汉理工大学自动化学院 蔡光军 罗慧谦

0 引言

在电力电子技术中, 通常把交流电能变成直流电源的过程称为整流，而把直流电能变换成交流电能的过程则称之为逆变，它是整流的逆过程。在逆变电路中，按照负载性质的不同，逆变电路可以分为有源逆变和无缘逆变。如果把该电路的交流侧接到交流电源上，把直流电能经过直—交变换，逆变成与交流电源同频率的交流电返回到电网中，称之为有源逆变。相应的设备就称之为有源逆变器，控制角大于90的相控整流器为常见的有源逆变器。

Mat lab软件是一种用于科学工程的高级语言，也是当今控制系统设计与仿真中重要的工具软件，Mat lab提供的仿真工具箱Simulink是一个功能十分强大的仿真软件，可以根据用户的需要方便地为系统建立模型，并且十分直观，仿真精度高，结果准确。

本文主要对有源逆变电路进行讨论,并应用Mat lab的可视化仿真工具Simulink对三相半波有源逆变电路进行建模,并对仿真结果进行了分析, 并得出了正确的仿真结果。采用Mat lab来仿真电力电子技术课程中的传统实验,和传统的硬件实验对比,此实验方法有很大优越性。

1 Ma t l ab简介

Mat lab语言最初是在1980年由美国的CleVeMoler博士研制的,最初目的是为线性代数等课程提供一种方便可行的实验手段。MathWorks公司在80年代发行使之成为著名数值型计算软件。Mat lab具有编程效率高、程序设计灵活、图形处理功能强大等优点。为准确建立系统模型和进行仿真分析, Mat lab提供了系统模型图形输入工具——Simul ink工具箱。通过鼠标在模型窗口中画出研究的系统的模型,直接对系统进行仿真。Simul ink提供了用方框图进行建模的模型窗口,与传统的用微分方程和积分方程建模相比,更直接,更方便灵活。

在Mat lab中的电力系统模块库PSB以Simul ink为运算环境,涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统仿真模型。它由以下6个子模块组成:电源模块库、连接模块库、测量模块库、基本元件模块库、电力电子模块库、电机模块库。在这6个基本模块库的基础上,根据需要还可以组合出常用的、复杂的其它模块添加到所需的模块库中,为电力系统的研究和仿真带来更多的方便。

2 有源逆变电路工作原理

三相半波有源逆变电路实质上是三相半波可控整流电路工作的一个特定状态，三相半波逆变电路原理图如图1所示。要使整流电路工作于逆变状态，是必须有两个条件的：

(1)变流器的输出Ud能够改变极性。因为晶闸管的单向导电性，电流Id不能改变方向，为了实现有源逆变，必须去改变Ud的电极性。只要使变流器的控制角α>90°即可。

(2)必须要有外接的直流电源E，并且直流电源E也要可以改变极性，并且|E|>|Ud|。

当这两个条件都满足的前提下，就可以实现有源逆变。

3 逆变电路的建模与仿真

3.1三相半波可控整流及有源逆变电路的建模和参数设置

(1)建立一个新的模型窗口，命名为SXYYNB；

(2)打开电源模块组,分别复制三个交流电压源到SXYYNB模型中,重命名为Ua、Ub、Uc。打开参数设置对话框,按三相对称正弦交流电源要求设置参数(Um=50V、f=50Hz、初相位依次为0°、-120°、-240°)；

(3)打开电力电子模块组，复制一个晶闸管模块到SXYYNB模型窗口中；

(4)打开晶闸管对话框，参数设置如下：Ron=0.001Ω、Lon=0H、Uf=0.8V、Rs=10Ω、Ic=0A、Cs=4.7e-06F；然后把设置好参数的晶闸管进行复制，得到另外两个有相同参数的模块，分别命名为Thyristor、Thyristor1、Thyristor2；

(5)打开连器接模块组，复制一个Bus Bar(thin horit)模块到SXYYNB模块窗口中，命名为B1，并把输入路数设置为3，输出路数设置为1；

(6)打开信号与系统模块组，复制一个Demux模块到SXYYNB模型窗口中，打开参数设置对话框，将输入的路数设置为3路；，再复制一个信号选择器Selector模块到SXYYNB模型窗口中，Selector设置为[1]，输入端设置为2；

(7)将三个晶闸管连接成三相半波可控整流器，通过连接器B1分别将三个晶闸管按共阴极连接起来，再通过信号分离器Demux将三路脉冲信号P加到对应的晶闸管门极上，Thyristor的输出端口“m”经过“选择开关”选择晶闸管Thyristor的输出电压Uak1作为输出；

(8)打开测量模块组，复制三个Vol tage Measurement模块到SXYYNB模型窗口中，将三相交流电源的相电压转换成同步线电压；

(9)打开Cont rol Blocks子模块组，复制一个6脉冲触发器到SXYYNB模型窗口中；

(10)打开信号与系统模块组，复制一个信号选择器Selector模块到SXYYNB模型窗口中；命名为Selector1，Selector1设置为[1 3 5]，输入端参数设置为6；

(11)打开数学运算模块组，复制一个Ga i n模块到SXYYNB模型窗口中，参数设置为10，使触发脉冲的功率满足晶闸管触发要求；

(12)打开输入源模块组，复制两个Constant到SXYYNB模型窗口中,分别命名为Constant和Constant1，Constant1的参数设置为0，作为同步六脉冲触发器的开关使能信号；Constant的参数根据要求改变；

(13)打开元件模块组,复制一个串联RLC元件模块到SXYYNB模型中作为负载,打开参数设置对话框,设置参数为:R=1Ω、L=0.01H、C=inf；

(14)打开电源模块组,复制一个直流电压源模块到SXYYNB模型窗口中,重命名为DC,将电压设置为50V；

(15)打开测量模块组,分别复制一个电压测量模块和电流测量模块到SXYYNB模型窗口中,用来测量负载电压和电流。另复制一个示波器,显示负载电压和负载电流以及A相晶闸管两端的电压；

(16)通过信号线的适当连接后,得到图2所示的三相半波可控整流及有源逆变电路的仿真模型。

3.2三相半波有源逆变电路的仿真

打开仿真参数窗口,选择ode23tb算法,相对误差设置为1e-03,开始仿真时间设置为0,停止仿真时间设置为0.08s,α=30°、90°、150°参数设置完毕后,启动仿真。图中Ud、Id为负载电压（V）和负载电流（A），Uak1为晶闸管Thyristor两端的电压（V）。

根据三相半波可控整流电路带阻感性负载时输出电压表达式=1.17cosα可知:当α≤90°时, ≥0。从仿真结果可以看到，α=30°时，变流装置工作在整流状态，负载电压为正值，变流电路输出电压波形正面积大于负面积,直流平均电压大于零。当α=150°时，变流装置工作在逆变状态，为负值；α=90°时，变流装置工作在中间状态，为0，而的方向不变，其值取决于主回路的电源和电阻。

4 结论

通过以上的仿真过程分析，得到三相半波有源逆变电路实质上是三相半波可控整流电路工作于移相控制角α>90°,且存在一个极性与晶闸管导通方向一致的反电动势时的特殊情况。利用Mat lab/Simul ink对三相半波可控整流及有源逆变电路的仿真结果进行了详细分析, 并且只需改变负载参数及移相控制角范围就可实现整流电路的仿真，验证了仿真结果的正确性。

采用Mat lab/Simul ink对三相半波有源逆变电路进行仿真分析,避免了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程,使得仿真运算更加方便快捷。同时,能用Scope随时地观察仿真波形，使得仿真更具有直观性，实时性。在教学中如果能采用适当比例的学时来做仿真实验和具体的硬件实验相结合的模式,这样不仅能激发学生学习本课程的兴趣,还提高了教学效果,应用Mat lab/Simulink进行仿真,在仿真过程中可以灵活改变仿真参数,并且能直观地观察到仿真结果随参数的变化情况,适合电力电子技术的教学和研究工作。

[1]张占松; 蔡宣三. 开关电源的原理与设计. 北京：电子工业出版社，2004.9

[2]《电力电子技术》王兆安,黄俊. 北京:机械工业出版社,2004.

[3]《交直流调速系统与MATLAB仿真》周渊深. 北京: 中国电力出版社,2003.

[4]《电力电子与MATLAB仿真》周渊深. 北京:中国电力出版社,2004.

[5]MATLAB在电力电子教学中的应用. 刘海昌. 2007.04.

[6]MATLAB在电力系统仿真实验中的应用. 许允之. 2007.01

[7]基于MATLAB的大功率直流电源仿真研究.杨凤彪. 2008.04

[8]Ma t l ab/PSB在电路仿真分析中的应用.黄祖洪. 2005.06