【文章內(nèi)容簡介】 2( a )R IE 1 E 2( b )R IE 1 E 2( c )第 14 頁 共 49 頁 REEI 21 ?? (3) 此時(shí)電源 E1和 E2均輸出電能，輸出的電能全部消耗在電阻 R 上。 如果電阻值很小，則電路中的電流必然很大；若 R=0，則形成兩個(gè)電源短路的情況。 綜上所述 ,可得出以下結(jié)論： (1) 兩電源同極性相連，電流總是從高電勢流向低電勢電源， 其電流的大小取決于兩個(gè)電勢之差與回路總電阻的 比值。如果回路電阻很小， 則很小的電勢差也足以形成較大的電流，兩電源之間發(fā)生較大能量的交換。 (2) 電流從電源的正極流出，該電源輸出電能；而電流從電源的正極流入，該電源吸收電能。電源輸出或吸收功率的大小由電勢與電流的乘積來決定，若電勢或者電流方向改變，則電能的傳送方向也隨之改變。 (3) 兩個(gè)電源反極性相連，如果電路的總電阻很小，將形成電源間的短路， 應(yīng)當(dāng)避免發(fā)生這種情況。 （ a）提升重物； (b)放下重 物 圖 直流卷揚(yáng)系統(tǒng) （ 1）整流工作狀態(tài) （ 0＜ α ＜π /2） 圖 所示為直流卷揚(yáng)系統(tǒng) ，對(duì)于單相全控整流橋， 從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度稱為控制角， 當(dāng)控制角 α 在 0～π /2 之間的某個(gè)對(duì)應(yīng)角度觸發(fā)晶閘管時(shí)，上述變流電路輸出的直流平均電壓為 Ud=Udo cosα ，因?yàn)榇藭r(shí) α 均小于π /2，故 Ud為正值。在該電壓作用下，直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，卷揚(yáng)機(jī)將重物提升起來，直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的反電勢為 ED，且 ED略小于輸出直流平均電壓 Ud，此時(shí)電樞回路的電流為 REUI Ddd ?? （ 4） V 1V 2V 3V 4＋－u dL d I dM－＋E DRa重物( a )V 1V 2V 3V 4＋－u dL d I dM－＋E DRa重物( b )n n第 15 頁 共 49 頁 （ 2） 中間狀態(tài)（ α =π /2） 當(dāng)卷揚(yáng)機(jī)將重物提升到要求高度時(shí)，自然就需在某個(gè)位置停住，這時(shí)只要將控制角 α 調(diào)到等于π /2的位置，變流器輸出電壓波形中，其正、負(fù)面積相等，電壓平均值Ud為零， 電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn) ，反電勢 ED也同時(shí)為零。此時(shí)，雖然 Ud為零，但仍有微小的直流電流存在 。注意，此時(shí)電路處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，與電路切斷、電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)具有本質(zhì)的不同。 （ 3） 有源逆變工作狀態(tài)（π /2＜ α ＜π ） 上述卷揚(yáng)系統(tǒng)中，當(dāng)重物放下時(shí)，由于重力對(duì)重物的作用， 必將牽動(dòng)電機(jī)使之向與重物上升相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)產(chǎn)生的反電勢 ED的極性也將隨之反相。如果變流器 仍工作在 α ＜π /2 的整流狀態(tài)，從上面曾分析過的電源能量流轉(zhuǎn)關(guān)系不難看出，此時(shí)將發(fā)生電源間類似短路的情況。為此，只能讓變流器工作在 α ＞π /2的狀態(tài)，因?yàn)楫?dāng) α ＞π /2時(shí)，其輸出直流平均電壓 Ud 為負(fù)，出現(xiàn)類似圖 (b)中兩電源極性同時(shí)反向的情況，此時(shí)如果能滿足 ED＞ Ud，則回路中的電流為 RUEI dDd ?? （ 5） 電流的方向是從電勢 ED的正極流出，從電壓 Ud的正極流入，電流方向未變。顯然，這時(shí)電動(dòng)機(jī)為發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行， 對(duì)外輸出電能，變流器則吸收上述能量并饋送回交流 電網(wǎng)去，此時(shí)的電路進(jìn)入到有源逆變工作狀態(tài)。 接下來 深入分析上述電路 ，電路在 α ＞π /2時(shí)是否能夠工作？如何理解此時(shí)輸出直流平均電壓Ud為負(fù)值的含義 ? 上述晶閘管供電的卷揚(yáng)系統(tǒng)中，當(dāng)重物下降，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)并進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)電勢 ED實(shí)際上成了使晶閘管正向?qū)ǖ碾娫?。?dāng) α ＞π /2時(shí)，只要滿足 Ed＞ |u2|，晶閘管就可以導(dǎo)通工作，在此期間，電壓 ud大部分時(shí)間均為負(fù)值， 其平均電壓 Ud自然為負(fù)，電流則依靠電機(jī)電勢 ED及電感Ld 兩端感應(yīng)電勢的共同作用加以維持。正因?yàn)樯鲜龉ぷ魈攸c(diǎn)，才出現(xiàn)了電機(jī)輸 出能量，變流器吸收并通過變壓器向電網(wǎng)回饋能量的情況。 （ 1） 外部條件 務(wù)必要有一個(gè)極性與晶閘管導(dǎo)通方向一致的直流電勢源。 這種直流電勢源可以是直流電機(jī)的電樞電勢，也可以是蓄電池電勢。它是使電能從變流器的直流側(cè)回饋交流電網(wǎng)的源泉，其數(shù)值應(yīng)稍大于變流器直流側(cè)輸出的直流平均電壓。 （ 2） 內(nèi)部條件 要求變流器中晶閘管的控制角 α ＞π /2， 這樣才能使變流器直流側(cè)輸出一個(gè)負(fù)的平均電壓，以實(shí)現(xiàn)直流電源的能量向交流電網(wǎng)的流轉(zhuǎn)。 第 16 頁 共 49 頁 上述兩個(gè)條件必須同時(shí)具備才能實(shí)現(xiàn)有源逆變。 對(duì)于半控橋或者帶有續(xù)流二極管的可控整流電路， 因?yàn)樗鼈冊谌魏吻闆r下均不可能輸出負(fù)電壓，也不允許直流側(cè)出現(xiàn)反極性的直流電勢，所以不能實(shí)現(xiàn)有源逆變。 三相半波有源逆變電路 圖 （ a）整流工作狀態(tài) （ b） 逆變工作狀態(tài) 圖 （ 1） 電路的整流工作狀態(tài)（ 0＜ α ＜π /2） 圖 (a)所示電路中， α =30176。時(shí)依次觸發(fā)晶閘管，其輸出電壓波形如圖黑實(shí)線所示。因負(fù)載回路中接有足夠大的平波電感，故電流連續(xù)。對(duì)于 α =30176。的情況，輸出電壓瞬時(shí)值均為正，其平均電壓自然為正值。對(duì)于在 0＜ α ＜π /2范圍內(nèi)的其它移相角，即使輸出電壓的瞬時(shí)值 ud有正也有負(fù)，但正面積總是大于負(fù)面積，輸出電壓的平均值 Ud也總為正，其極性如圖為上正下負(fù)，而且 Ud略大于ED。此時(shí)電流 Id從 Ud的正端流出，從 ED的正端流入，能量的流轉(zhuǎn)關(guān)系為交流電網(wǎng)輸出能量， 電機(jī)吸收能量以電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行。 （ 2） 電路的逆變工作狀態(tài)（π /2＜ α ＜π ） 假設(shè)此時(shí)電動(dòng)機(jī)端電勢已反向，即下正上負(fù)，設(shè)逆變電路移相角 α =150176。，依次觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管，如圖 (b)在 ω t1時(shí)刻觸發(fā) a 相晶閘管 V1，雖然此時(shí) ua=0，但晶閘管 V1因承受 ED 的作用，仍可滿足導(dǎo)電條件而工作，并相應(yīng)輸出 ua相電壓。 V1被觸發(fā)導(dǎo)通后， 雖然 ua已為負(fù)值， 因 ED的存第 17 頁 共 49 頁 在，且 | ED |＞ |ua|， V1仍然承受正向電壓而導(dǎo)通， 即使不滿足 | ED |＞ | ua |，由于平波電感的存在，釋放電能， L 的感應(yīng)電勢也仍可使 V1承受正向電壓繼續(xù)導(dǎo)通。因電感 L 足夠大，故主回路電流連續(xù)， V1導(dǎo)電 120176。后由于 V2的被觸發(fā)而截止， V2被觸發(fā)導(dǎo)通后，由于此時(shí) ub＞ ua，故 V1承受反壓關(guān)斷，完成 V1與 V2之間的換流，這時(shí)電 路輸出電壓為 ub，如此循環(huán)往復(fù)。 為分析和計(jì)算方便，通常把逆變工作時(shí)的控制角改用 β 表示，令 β =π α ，稱為逆變角。規(guī)定α =π時(shí)作為計(jì)算 β 的起點(diǎn)，和 α 的計(jì)量方向相反， β 的計(jì)量方向是由右向左。變流器整流工作時(shí)，α ＜π /2， 相應(yīng)的 β ＞π /2， 而在逆變工作時(shí)， α ＞π /2而 β ＜π /2。 逆變時(shí)，其輸出電壓平均值的計(jì)算公式可改寫成 )(c o s 2 ?? UUUU dodod ??? 三相半波時(shí) （ 6） β 從π /2逐漸減小時(shí)，其輸出電壓平均值 Ud的絕對(duì)值逐漸增大，其符號(hào)為負(fù)值。逆變電路中，晶閘管之間的換流完全由觸發(fā)脈 沖控制，其換流趨勢總是從高電壓向更低的陽極電壓過渡。 這樣，對(duì)觸發(fā)脈沖就提出了格外嚴(yán)格的要求，其脈沖必須嚴(yán)格按照規(guī)定的順序發(fā)出，而且要保證觸發(fā)可靠，否則極容易造成因晶閘管之間的換流失敗而導(dǎo)致的逆變顛覆。 三相橋式有源逆變電路 圖 三相橋式有源逆變原理圖 TaV1bV3cV5udidV4V6V2LRM＋－ED＋－( a )第 18 頁 共 49 頁 （ b）輸出電壓 （ c）觸發(fā)脈沖 （ d）晶閘管導(dǎo)通情況 圖 相關(guān)波形 三相橋式逆變電路結(jié)構(gòu)如圖 (a)所示。如果變流器輸出電壓 Ud與直流電機(jī)電勢 ED的極性如圖所示（均為上負(fù)下正）， 當(dāng)電勢 ED略大于平均電壓 Ud時(shí)，回路中產(chǎn)生的電流 Id為 RUEI dDd ?? （ 7） 電流 Id的流向是從 ED的正極流出而從 Ud的正極流入，即電機(jī)向外輸出能量，以發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行；變流器則吸收能量并以交流形式回饋到交流電網(wǎng)，此時(shí)電路即為有源逆變工作狀態(tài)。 電勢 ED的極性由電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)決定，而變流器輸出電壓 Ud的極性則取決于觸發(fā)脈沖的控制角。欲得到上述有源逆變的運(yùn)行狀態(tài)，顯然電機(jī)應(yīng)以發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，而變流器晶閘管的觸發(fā)控制角 α 應(yīng)大于π /2，或者逆變角 β 小于π /2。有源 逆變工作狀態(tài)下，電路中輸出電壓的波形如圖 (b)實(shí)線所示。此時(shí)，晶閘管導(dǎo)通的大部分區(qū)域均為交流電的負(fù)電壓， 晶閘管在此期間由于 ED的作用仍承受極性為正的相電壓，所以輸出的平均電壓就為負(fù)值。 三相橋式逆變電路一個(gè)周期中的輸出電壓由 6個(gè)形狀相同的波頭組成，其形狀隨 β 的不同而不同。 該電路要求 6個(gè)脈沖，兩脈沖之間的間隔為π/3， 分別按照 1， 2， 3， ? ， 6的順序依次發(fā)出，其脈沖寬度應(yīng)大于π /3或者采用 “ 雙窄脈沖 ”輸出。 上述電路中， 晶閘管阻斷期間主要承受正向電壓， 而且最大值為線電壓的峰值。 由于三相橋式逆變電路相當(dāng)于兩組三相半波逆變電路的串聯(lián)， 故該電路輸出平均電壓應(yīng)為三相半波逆變電路輸出平均電壓的兩倍， 即 ?? ?? c o o 22 UUU d ????? （ 8） 式中， U2φ 為交流側(cè)變壓器副邊相電壓有效值。 第 19 頁 共 49 頁 輸出電流平均值為 DBdDdRRRRUEI???? （ 9） 式中， RB為變壓器繞組的等效電阻； RD為變流器直流側(cè)總電阻。 輸出電流的有效值為 ??? 22 Nd III （ 10） 式中 ， IN為第 N次諧波電流有效值。 N的取值由波形的諧波分析展開式確定。 晶閘管流過電流的平均值為 dVV II 31? （ 11） 晶閘管流過電流的有效值為 IIV 31? （ 12） 第 20 頁 共 49 頁 3 有源逆變電路的 matlab 建模 與仿真 在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中，往往要進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)計(jì)算，其中包括矩陣運(yùn)算。這些運(yùn)算一般來說難以用手工精確和快捷地進(jìn)行，而要借助計(jì)算機(jī)編制相應(yīng)的程序做近似計(jì)算。目前流行用 Basic、Fortran 和 c 語言編制計(jì)算程序 , 既需要對(duì)有關(guān)算法有深刻的了解，還需要熟練地掌握所用語言的語法及編程技巧。對(duì)多數(shù)科學(xué)工作者而言，同時(shí)具備這兩方面技能有一定困難。通常，編制程序也是繁雜的，不僅消耗人力與物力 ,而且影響工作進(jìn)程和效率。為克服上述困難，美國 Mathwork 公司于 1967 年推出了“ Matrix Laboratory”（縮寫為 MATLAB）軟件包，并不斷更新和擴(kuò)充。目前最新的 版本（ windows 環(huán)境）是一種功能強(qiáng)、效率高便于進(jìn)行科學(xué)和工程計(jì)算的交互式軟件包。其中包括：一般數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、數(shù)字信號(hào)處理、建模和系統(tǒng)控制和優(yōu)化 等應(yīng)用程序，并集應(yīng)用程序和圖形于一便于使用的集成環(huán)境中。在此環(huán)境下所解問題的 MATLAB語言表述形式和其數(shù)學(xué)表達(dá)形式相同，不需要按傳統(tǒng)的方法編程。不過， MATLAB作為一種新的計(jì)算機(jī)語言，要想運(yùn)用自如，充分發(fā)揮它的威力，也需先系統(tǒng)地學(xué)習(xí)它。但由于使用 MATLAB編程運(yùn)算與人進(jìn)行科學(xué)計(jì)算的思路和表達(dá)方式完全一致，所以不象學(xué)習(xí)其它高級(jí)語言 如 Basic、 Fortran 和 C 等那樣難于掌握。 MATLAB大大降低了對(duì)使用者的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)語言知識(shí)的要求，而且編程效率和計(jì)算效率極高，還可在計(jì)算機(jī)上直接輸出結(jié)果和精美 的圖形拷貝，所以它的確為一高效的科研助手。自推出后即風(fēng)行美國，流傳世界。 MATLAB產(chǎn)品可以用來進(jìn)行數(shù)值分析、數(shù)值和符號(hào)計(jì)算、工程與科學(xué)繪圖、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真、數(shù)字圖像處理技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真、財(cái)務(wù)與金融工程。 MATLAB的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號(hào)和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測試和測量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨(dú)提供的專用 MATLAB函數(shù)集）擴(kuò)展了MATLAB環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。