【文章內容簡介】 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，則形成兩個電源短路的情況。 綜上所述 ,可得出以下結論： (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， 應當避免發(fā)生這種情況。 （ a）提升重物； (b)放下重 物 圖 直流卷揚系統(tǒng) （ 1）整流工作狀態(tài) （ 0＜ α ＜π /2） 圖 所示為直流卷揚系統(tǒng) ，對于單相全控整流橋， 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， 當控制角 α 在 0～π /2 之間的某個對應角度觸發(fā)晶閘管時，上述變流電路輸出的直流平均電壓為 Ud=Udo cosα ，因為此時 α 均小于π /2，故 Ud為正值。在該電壓作用下，直流電機轉動，卷揚機將重物提升起來，直流電機轉動產生的反電勢為 ED，且 ED略小于輸出直流平均電壓 Ud，此時電樞回路的電流為 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） 當卷揚機將重物提升到要求高度時，自然就需在某個位置停住，這時只要將控制角 α 調到等于π /2的位置，變流器輸出電壓波形中，其正、負面積相等，電壓平均值Ud為零， 電動機停轉 ，反電勢 ED也同時為零。此時，雖然 Ud為零，但仍有微小的直流電流存在 。注意，此時電路處于動態(tài)平衡狀態(tài)，與電路切斷、電動機停轉具有本質的不同。 （ 3） 有源逆變工作狀態(tài)（π /2＜ α ＜π ） 上述卷揚系統(tǒng)中，當重物放下時，由于重力對重物的作用， 必將牽動電機使之向與重物上升相反的方向轉動，電機產生的反電勢 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關系不難看出，此時將發(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)，因為當 α ＞π /2時，其輸出直流平均電壓 Ud 為負，出現(xiàn)類似圖 (b)中兩電源極性同時反向的情況，此時如果能滿足 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，這時電動機為發(fā)電狀態(tài)運行， 對外輸出電能，變流器則吸收上述能量并饋送回交流 電網(wǎng)去，此時的電路進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時是否能夠工作？如何理解此時輸出直流平均電壓Ud為負值的含義 ? 上述晶閘管供電的卷揚系統(tǒng)中，當重物下降，電動機反轉并進入發(fā)電狀態(tài)運行時，電機電勢 ED實際上成了使晶閘管正向導通的電源。當 α ＞π /2時，只要滿足 Ed＞ |u2|，晶閘管就可以導通工作，在此期間，電壓 ud大部分時間均為負值， 其平均電壓 Ud自然為負，電流則依靠電機電勢 ED及電感Ld 兩端感應電勢的共同作用加以維持。正因為上述工作特點，才出現(xiàn)了電機輸 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 務必要有一個極性與晶閘管導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回饋交流電網(wǎng)的源泉，其數(shù)值應稍大于變流器直流側輸出的直流平均電壓。 （ 2） 內部條件 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輸出一個負的平均電壓，以實現(xiàn)直流電源的能量向交流電網(wǎng)的流轉。 第 16 頁 共 49 頁 上述兩個條件必須同時具備才能實現(xiàn)有源逆變。 對于半控橋或者帶有續(xù)流二極管的可控整流電路， 因為它們在任何情況下均不可能輸出負電壓，也不允許直流側出現(xiàn)反極性的直流電勢，所以不能實現(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。時依次觸發(fā)晶閘管，其輸出電壓波形如圖黑實線所示。因負載回路中接有足夠大的平波電感，故電流連續(xù)。對于 α =30176。的情況，輸出電壓瞬時值均為正，其平均電壓自然為正值。對于在 0＜ α ＜π /2范圍內的其它移相角，即使輸出電壓的瞬時值 ud有正也有負，但正面積總是大于負面積，輸出電壓的平均值 Ud也總為正，其極性如圖為上正下負，而且 Ud略大于ED。此時電流 Id從 Ud的正端流出，從 ED的正端流入，能量的流轉關系為交流電網(wǎng)輸出能量， 電機吸收能量以電動狀態(tài)運行。 （ 2） 電路的逆變工作狀態(tài)（π /2＜ α ＜π ） 假設此時電動機端電勢已反向，即下正上負，設逆變電路移相角 α =150176。，依次觸發(fā)相應的晶閘管，如圖 (b)在 ω t1時刻觸發(fā) a 相晶閘管 V1，雖然此時 ua=0，但晶閘管 V1因承受 ED 的作用，仍可滿足導電條件而工作，并相應輸出 ua相電壓。 V1被觸發(fā)導通后， 雖然 ua已為負值， 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 的感應電勢也仍可使 V1承受正向電壓繼續(xù)導通。因電感 L 足夠大，故主回路電流連續(xù)， V1導電 120176。后由于 V2的被觸發(fā)而截止， V2被觸發(fā)導通后，由于此時 ub＞ ua，故 V1承受反壓關斷，完成 V1與 V2之間的換流，這時電 路輸出電壓為 ub，如此循環(huán)往復。 為分析和計算方便，通常把逆變工作時的控制角改用 β 表示，令 β =π α ，稱為逆變角。規(guī)定α =π時作為計算 β 的起點，和 α 的計量方向相反， β 的計量方向是由右向左。變流器整流工作時，α ＜π /2， 相應的 β ＞π /2， 而在逆變工作時， α ＞π /2而 β ＜π /2。 逆變時，其輸出電壓平均值的計算公式可改寫成 )(c o s 2 ?? UUUU dodod ??? 三相半波時 （ 6） β 從π /2逐漸減小時，其輸出電壓平均值 Ud的絕對值逐漸增大，其符號為負值。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，對觸發(fā)脈沖就提出了格外嚴格的要求，其脈沖必須嚴格按照規(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）晶閘管導通情況 圖 相關波形 三相橋式逆變電路結構如圖 (a)所示。如果變流器輸出電壓 Ud與直流電機電勢 ED的極性如圖所示（均為上負下正）， 當電勢 ED略大于平均電壓 Ud時，回路中產生的電流 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，即電機向外輸出能量，以發(fā)電狀態(tài)運行；變流器則吸收能量并以交流形式回饋到交流電網(wǎng)，此時電路即為有源逆變工作狀態(tài)。 電勢 ED的極性由電機的運行狀態(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行狀態(tài)，顯然電機應以發(fā)電狀態(tài)運行，而變流器晶閘管的觸發(fā)控制角 α 應大于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)實線所示。此時，晶閘管導通的大部分區(qū)域均為交流電的負電壓， 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值。 三相橋式逆變電路一個周期中的輸出電壓由 6個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 在科學研究和工程應用中，往往要進行大量的數(shù)學計算，其中包括矩陣運算。這些運算一般來說難以用手工精確和快捷地進行，而要借助計算機編制相應的程序做近似計算。目前流行用 Basic、Fortran 和 c 語言編制計算程序 , 既需要對有關算法有深刻的了解，還需要熟練地掌握所用語言的語法及編程技巧。對多數(shù)科學工作者而言，同時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，并不斷更新和擴充。目前最新的 版本（ windows 環(huán)境）是一種功能強、效率高便于進行科學和工程計算的交互式軟件包。其中包括：一般數(shù)值分析、矩陣運算、數(shù)字信號處理、建模和系統(tǒng)控制和優(yōu)化 等應用程序，并集應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)學表達形式相同，不需要按傳統(tǒng)的方法編程。不過， MATLAB作為一種新的計算機語言，要想運用自如，充分發(fā)揮它的威力，也需先系統(tǒng)地學習它。但由于使用 MATLAB編程運算與人進行科學計算的思路和表達方式完全一致，所以不象學習其它高級語言 如 Basic、 Fortran 和 C 等那樣難于掌握。 MATLAB大大降低了對使用者的數(shù)學基礎和計算機語言知識的要求，而且編程效率和計算效率極高，還可在計算機上直接輸出結果和精美 的圖形拷貝，所以它的確為一高效的科研助手。自推出后即風行美國，流傳世界。 MATLAB產品可以用來進行數(shù)值分析、數(shù)值和符號計算、工程與科學繪圖、控制系統(tǒng)的設計與仿真、數(shù)字圖像處理技術、數(shù)字信號處理技術、通訊系統(tǒng)設計與仿真、財務與金融工程。 MATLAB的應用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設計、測試和測量、財務建模和分析以及計算生物學等眾多應用領域。附加的工具箱（單獨提供的專用 MATLAB函數(shù)集）擴展了MATLAB環(huán)境，以解決這些應用領域內特定類型的問題。