单相桥式全控整流及有源逆变电路的实现研究与仿真毕业设计Word格式文档下载.docx
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Keywords:
Simulink,Single-phasebridgerectifyingandactiveallcontrolcircuit,Simulationdesign
第1章绪论
1.1课题背景
在电力电子技术中，可控整流电路是非常重要的章节，整流电路是将交流电变为直流电的电路，其应用非常广泛。
工业中大量应用的各种直流电动机的调速均采用电力电子装置；
电气化铁道（电气机车、磁悬浮列车等）、电动汽车、飞机、船舶、电梯等交通运输工具中也广泛采用整流电力电子技术；
各种电子装置如通信设备中的程控交换机所用的直流电源、大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源都可以利用整流电路构成的直流电源供电，可以说有电源的地方就有电力电子技术的设备。
由于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。
1.2整流技术的发展概况
整流技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其发展先后经历了整流器时代，并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。
大功率的工业用电由工频（50Hz）交流发电机提供，但是大约20%的电能是以直流形式消费的，其中最典型的是电解（有色金属和化工原料需要直流电解），牵引（电气机车，电传动的内燃机车，地铁机车，城市无轨电车等）和直流传动（轧钢，造纸等）三大领域。
大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电，因此在六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。
当时国内曾经掀起了一股各地大办硅整流器厂的热潮，目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。
七十年代出现了世界范围的能源危机，交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。
变频调速的关键技术是将直流电逆变为0～100Hz的交流电。
在七十年代到八十年代，随着变频调速装置的普及，大功率逆变用的晶闸管，巨型功率晶体管（GTR）和门极可关断晶闸管（GT0）成为当时电力电子器件的主角。
类似的应用还包括高压直流输出，静止式无功功率动态补偿等。
这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变，但工作频率较低，仅局限在中低频范围内。
进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，为现代电力电子技术的发展奠定了基础。
将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，出现了一批全新的全控型功率器件，首先是功率M0SFET的问世，导致了中小功率电源向高频化发展，而后绝缘门极双极晶体管（IGBT）的出现，又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。
MOSFET和IGBT的相继问世，是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。
据统计，到1995年底，功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步，而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。
新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率，使其性能更加完善可靠，而且使现代电子技术不断向高频化发展，为用电设备的高效节材节能，实现小型轻量化，机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。
1.3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。
系统的仿真，起源于自动控制技术领域。
从最初的简单电子、机械系统，逐步发展到今天涵盖机、电、液、热、气、电、磁等各个专业领域，并且在控制器和执行机构两个方向上飞速发展。
仿真软件，在研究控制策略、控制算法、控制系统的品质方面提供了强大的支持。
随着执行机构技术的发展，机、电、液、热、气、磁等驱动技术的进步，以高可靠性、高精度、高反应速度和稳定性为代表的先进特征，将工程系统的执行品质提升到了前所未有的水平。
相对控制器本身的发展，凭借新的加工制造技术的支持，执行机构技术的发展更加富于创新和挑战，而对于设计、制造和维护高性能执行机构，以及构建一个包括控制器和执行机构的完整的自动化系统也提出了更高的要求。
电力系统数字仿真是系统仿真的一个分支。
在电力系统领域，人们很早就采用系统仿真的方法研究电力系统，从直流计算台、交流计算台、电力系统动态模型和模拟计算机等物理仿真到电力系统数字仿真。
电力系统的科学研究和试验从来都离不开系统仿真技术。
在某种意义上，电力系统仿真的技术水平代表了电力系统科学研究水平。
电力系统工作者一般把在物理模型上的仿真称为动态模拟，而在数字计算机上数学模型的试验称为数字仿真。
第2章单相桥式全控整流及有源逆变的工作原理
2.1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。
2.2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。
2.3单相桥式全控整流电路的工作原理
2.3.1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id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ud=0，id=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，ud=u2，id=iVT1=iVT3=i2=ud/R。
由于VT1和VT3导通，忽略管压降，uVT1=uVT2=0，而承受的电压为uVT2=uVT4=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，ud=0，id=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，ud=u2，id=iVT2=iVT4=i2=ud/R。
由于VT2和VT4导通，VT2和V
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