《電力電子技術(shù)第5版》課本仿真——逆變電路

電力電子仿真 2021-01-14 21:53 1561 閱讀 10 贊 8 收藏 14 評論

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逆變的概念:與整流相對應(yīng)，直流電變成交流電。交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變，交流側(cè)接負載，為無源逆變。

逆變與變頻，變頻電路：分為交交變頻和交直交變頻兩種。交直交變頻由交直變換（整流）和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變。

逆變電路的主要應(yīng)用:各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等,交流電機調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。

以單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理,S1~S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。

當(dāng)開關(guān)S1 、S4 閉合，S2 、S3 斷開時，負載電壓uo 為正；當(dāng)開關(guān)S1 、S4 斷開，S2 、S3 閉合時，uo 為負，這樣就把直流電變成了交流電。

改變兩組開關(guān)的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。電阻負載時，負載電流io 和uo 的波形相同，相位也相同。阻感負載時，io 相位滯后于uo ，波形也不同。

換流，電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換相，研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷，換流方式主要有以下幾種:

1.器件換流，即利用全控型器件的自關(guān)斷能力進行換流，在采用IGBT、電力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。

2.電網(wǎng)換流，電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。將負的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。

3.負載換流，由負載提供換流電壓的換流方式。負載電流的相位超前于負載電壓的場合，都可實現(xiàn)負載換流，如電容性負載和同步電動機。

4.強迫換流，設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強迫換流。通常利用附加電容上所儲存的能量來實現(xiàn)，因此也稱為電容換流。

根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同，可以分為兩類：電壓型逆變電路：直流側(cè)是電壓源；電流型逆變電路：直流側(cè)是電流源。

電壓型逆變電路的特點：直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動；由于直流電壓源的鉗位作用，輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同；阻感負載時需提供無功功率，為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。由于電壓型逆變電路應(yīng)用比較廣泛，故在此只針對電壓型逆變電路進行介紹。

demo4_2_1單相電壓型半橋逆變電路

半橋逆變電路在直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個電容的聯(lián)結(jié)點便成為直流電源的中點，負載聯(lián)接在直流電源中點和兩個橋臂聯(lián)結(jié)點之間。

工作原理：設(shè)開關(guān)器件V1和V2的柵極信號在一個周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏，且二者互補。輸出電壓uo 為矩形波，其幅值為Um =Ud /2。電路帶阻感負載，t2 時刻給V1 關(guān)斷信號，給V2 開通信號，則V1 關(guān)斷，但感性負載中的電流io 不能立即改變方向，于是VD2 導(dǎo)通續(xù)流，當(dāng)t3 時刻io 降零時，VD2 截止， V2 開通，io 開始反向，由此得出如圖所示的電流波形，仿真結(jié)果如下。

V1或V2通時，io和uo同方向，直流側(cè)向負載提供能量；VD1或VD2通時，io和uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋。VD1、VD2稱為反饋二極管,它又起著使負載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管。

半橋逆變電路優(yōu)點是簡單，使用器件少；其缺點是輸出交流電壓的幅值Um僅為Ud/2，且直流側(cè)需要兩個電容器串聯(lián)，工作時還要控制兩個電容器電壓的均衡；因此，半橋電路常用于幾kW以下的小功率逆變電源。工程上也對其拓撲進行拓展，采用級聯(lián)結(jié)構(gòu)來擴大容量，最常見的應(yīng)用為柔性直流輸電，具體可參考之前介紹。

demo4_2_1單相電壓型全橋逆變電路

全橋逆變電路，共四個橋臂，可看成兩個半橋電路組合而成，兩對橋臂交替導(dǎo)通180°。輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，但幅值高出一倍。該電路拓撲工程上應(yīng)用較多，多數(shù)也是級聯(lián)形式來擴展容量，最常見的為級聯(lián)SVG，目前混合拓撲的HVDC部分閥體也采用此種結(jié)構(gòu)，詳情也可參考之前案例。

移相調(diào)壓方式：V3 的基極信號比V1 落后θ（0＜θ＜180°）。V3 、V4 的柵極信號分別比V2 、V1 的前移180°-θ。輸出電壓是正負各為Ud的脈沖。

工作過程： t1 時刻前V1 和V4 導(dǎo)通，uo =Ud 。t1 時刻V4 截止，而因負載電感中的電流io 不能突變，V3 不能立刻導(dǎo)通，VD3 導(dǎo)通續(xù)流，uo =0。t2 時刻V1 截止，而V2 不能立刻導(dǎo)通， VD2 導(dǎo)通續(xù)流，和VD3 構(gòu)成電流通道，uo =- Ud 。到負載電流過零并開始反向時，VD2 和VD3 截止，V2 和V3 開始導(dǎo)通，uo 仍為-Ud 。t3 時刻V3 截止，而V4 不能立刻導(dǎo)通， VD4 導(dǎo)通續(xù)流，uo 再次為零。改變θ就可調(diào)節(jié)輸出電壓。仿真結(jié)果如下：