單相全波整流及有源逆變電路的仿真研究

李娜娜，李 瑤，唐芳芳，張 婷，肖林輝，榮 軍,2

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單相全波整流及有源逆變電路的仿真研究

李娜娜1，李 瑤1，唐芳芳1，張 婷1，肖林輝1，榮 軍1,2

（1.湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，湖南岳陽(yáng)414006；2. 復(fù)雜工業(yè)物流系統(tǒng)智能控制與優(yōu)化湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南岳陽(yáng)414006）

闡述了單相全波整流及有源逆變電路的工作原理，通過(guò)仿真軟件對(duì)其工作原理進(jìn)行了比較分析，仿真結(jié)果表明同一個(gè)電路當(dāng)滿足一定條件時(shí)，整流和有源逆變可以相互轉(zhuǎn)換。

單相全波 整流 有源逆變 仿真

0 引言

整流和逆變?cè)诠まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛，整流和逆變是變流裝置的兩種不同工作狀態(tài)，能在同一套變流裝置上實(shí)現(xiàn)。本文介紹單相全波整流及有源逆變電路之間的變流，通過(guò)仿真研究，了解發(fā)生有源逆變電路的條件。

1 單相全波整流及有源逆變電路的工作原理分析

單相全波整流以及有源逆變電路的工作電路及工作波形如圖1和圖2所示[1]。首先分析單相全波整流電路的工作原理。假設(shè)電動(dòng)機(jī)M做電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，全波電路應(yīng)工作在整流狀態(tài)，的范圍在0到2之間，直流側(cè)輸出U為正值，并且U>E，如圖1所示，才能輸出I，其值為I=(U-E)/R。一般情況下R值很小，因此電路經(jīng)常工作在的條件下，交流電網(wǎng)輸出電功率，電動(dòng)機(jī)則輸入電功率。

在圖2中，電動(dòng)機(jī)M作發(fā)電回饋制動(dòng)運(yùn)行，由于晶閘管器件的單向?qū)щ娦?，電?i>I的方向依然不變，欲改變電能傳輸方向，只能改變E的極性。為了防止兩電動(dòng)勢(shì)順向串聯(lián)，U的極性也必須反過(guò)來(lái)，即U應(yīng)為負(fù)值，而且|E|>|U|，才能把電能從直流側(cè)送到交流側(cè)，實(shí)現(xiàn)逆變。這時(shí)I為I=(|E|-|U|)/R。從上面分析可知：當(dāng)電路內(nèi)電能的流向與整流時(shí)相反，電動(dòng)機(jī)輸出電功率，電網(wǎng)吸收電功率。電動(dòng)機(jī)軸上輸入的機(jī)械功率越大，則逆變器的功率也越大，為了防止過(guò)電流。同樣應(yīng)滿足E≈U條件，E的大小取決于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的高低，而U可通過(guò)改變來(lái)調(diào)節(jié)。由于逆變狀態(tài)時(shí)U為負(fù)值，故在逆變時(shí)的范圍應(yīng)在2到之間。在逆變工作狀態(tài)時(shí)，雖然晶閘管的陽(yáng)極電位處于交流電壓為負(fù)的半周期，但由于有外接直流電動(dòng)勢(shì)E的存在，使晶閘管仍能承受正向電壓而導(dǎo)通。從上面分析中，可總結(jié)產(chǎn)生有源逆變的兩個(gè)條件，第一：要有直流電動(dòng)勢(shì)，其極性需要和晶閘管的導(dǎo)通方向一致，其值應(yīng)大于變流器直流側(cè)的平均電壓。第二：要求晶閘管的控制角，使U為負(fù)值。

(a) 工作電路

(b) 工作波形

圖1 單相全波整流電路帶電機(jī)負(fù)載的工作電路及波形

(a) 工作電路

(b) 工作波形

圖2 單相全波有源逆變電路帶電機(jī)負(fù)載的工作電路及波形

2 仿真結(jié)果及分析

為了便于比較分析單相全波整流以及有源逆變電路的工作原理，在MATLAB/Simulink對(duì)兩種電路進(jìn)行仿真分析，其仿真結(jié)果如圖3和圖4 所示[2-4]。其中圖3為單相全波整流電路的直流側(cè)輸出電壓和電流仿真波形，從圖3中清楚看到，負(fù)載兩端電壓和電流均為正值，說(shuō)明電動(dòng)機(jī)M吸收功率，電路處于整流狀態(tài)。圖4為單相全波有源逆變電路的直流側(cè)輸出電壓和輸出電流仿真波形，從圖4可以清晰地看出輸出電壓為負(fù)值，而電流為正值，與晶閘管流向相同，此時(shí)說(shuō)明電動(dòng)機(jī)M釋放功率，將能量反饋到變壓器中，電路處于有源逆變狀態(tài)。

圖3 單相全波整流電路輸出電壓和輸出電流波形

圖4 單相全波有源逆變電路輸出電壓和電流仿真波形

3 結(jié)束語(yǔ)

本文首先對(duì)單相全波整流以及有源逆變電路的工作原理進(jìn)行了介紹，然后通過(guò)仿真軟件對(duì)其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，得出以下結(jié)論，同一個(gè)電路當(dāng)改變觸發(fā)延遲角時(shí)，可以使單相全波整流電路變成有源逆變電路。就是當(dāng)觸發(fā)延遲控制角為時(shí)，電路處于整流狀態(tài)，直流電壓U與直流電流I是同一方向，電路將交流電能轉(zhuǎn)換成直流電能供給電動(dòng)機(jī)M。當(dāng)控制角為時(shí)，電路處于逆變狀態(tài)，由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，電?i>I方向不變而直流電壓U改變了極性，電路將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能輸向變壓器。

[1] 王兆安, 劉進(jìn)軍. 電力電子技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2000.

[2] 洪乃剛. 電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)MATLAB 的仿真[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.

[3] 李真貴, 胡楊昊, 佘海湘, 等. 三電平逆變器改進(jìn)型SVPWM研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化, 2014, 33(4): 49-54.

Simulation of Single-phase Full-wave Rectifier and Active Inverter Circuit

Li Nana1, Li Yao1,Tang Fangfang1, Zhang Ting1, Xiao Lihue1, Rong Jun1,2

（1. Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, Hunan, China; 2. Key Laboratory of Hunan Province on Intelligent Control and Optimization of Complex Industrial Logistics System, Yueyang 414006, Hunan, China)

TM46

A

1003-4862（2017）08-0073-02

2017-03-29

湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)資助（2016TP1021）和2016年岳陽(yáng)市科技計(jì)劃項(xiàng)目

李娜娜（1996-），女，本科在讀，自動(dòng)化專業(yè)。

榮軍（1978-），男，碩士，講師。專業(yè)方向：開(kāi)關(guān)電源、電機(jī)控制。E-mail: rj1219@163.com