【導(dǎo)讀】理以及控制方法。分析了相控角α的大小以及直流側(cè)負(fù)載情況和變換器的工作狀態(tài)。采用開環(huán)相控觸發(fā)方式，在Matlab/Simulink下建立了三相全控橋式變。器直流測(cè)輸出平均電壓絕對(duì)值的反電動(dòng)勢(shì)，使之工作在有源逆變的狀態(tài)。得到了較為理想的波形結(jié)果，仿真結(jié)果證明了理論分析的正確性。變換成交流電能的過程則稱之為逆變，它是整流的逆過程。在逆變電路中，按照負(fù)

　　

【正文】 量角 39。? 是十分必要的，當(dāng)變流器工作在逆變狀態(tài)時(shí)，由于種種原因，會(huì)影響逆變角，若不考慮裕量，勢(shì)必破壞 min??? 的關(guān)系，導(dǎo)致逆變失敗。例如，在三相橋式逆變電路中，觸發(fā)器輸出的 6 個(gè)脈沖，其相位角間隔不可能完全相等，有的比中心線偏前，有的偏后，這種脈沖的不對(duì)稱程度一般可達(dá) 5 ，偏后的那些脈沖就可能進(jìn)入 min? 范圍內(nèi)，所以應(yīng)該考慮一個(gè)裕量角 39。? 。根據(jù)中小型可逆直流拖動(dòng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)， 39。? 值約取 10 。這樣，最小 ? 一般可取 30 ~35 。設(shè)計(jì)逆變電路時(shí)，必須保證 min??? ；因此常在觸發(fā)電路中附加一套保護(hù)線路，保證控制脈沖不進(jìn)入 min?區(qū)域內(nèi)。解決這一問題的方法本來是很容易的，即從可靠關(guān)斷的角度出發(fā)，限制最大的控制角 max? ，盡量吧 max? 選得小些；但是過低的 max? 值將使有源逆變電路的功率因數(shù)過分下降，從而使電路的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)惡化，這對(duì)大功率電路時(shí)不能容忍的。 還須指出，在配合控制的有環(huán)流可逆直流拖動(dòng)系統(tǒng)中 （ I II??? ），由于限制逆變控制角不得小于 min? ，為此整流控制角也必須限制在不得小于 min? 的范圍內(nèi)，一般取 min min??? ，以保證系統(tǒng)由整流狀態(tài)轉(zhuǎn)換到逆變工作狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)逆變角能使變流器直流側(cè)輸出的最大逆變電壓和電機(jī)電樞電勢(shì)的最大值相平衡，滿足 dEU? 的條件，避免主回路發(fā)生過電流。如果把 min? 、 min? 的確定，既要滿足變流器工作的可靠性，又要滿足變流器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，須根據(jù)具體情況認(rèn)真研究確定 [19]。 有源逆變的應(yīng)用 隨著電力電子技術(shù)的 發(fā)展，有源逆變電路的工程應(yīng)用將會(huì)更加普遍。下面介紹有源逆變電路的幾個(gè)典型應(yīng)用實(shí)例。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 高壓直流輸電 高壓直流輸電在跨越江河、海峽和大容量遠(yuǎn)距離的電纜輸電、聯(lián)系兩個(gè)不同頻率的交流電網(wǎng)、同頻率兩個(gè)相鄰交流電網(wǎng)的非同期并聯(lián)等方面發(fā)揮著重要作用。隨著電力技術(shù)的發(fā)展，高壓直流輸電獲得迅速的發(fā)展 [20] [21]。 圖 為直流輸電原理圖。兩組晶閘管變流器的交流側(cè)分別與兩個(gè)交流系統(tǒng)u u2連接，變流器的直流側(cè)相互關(guān)聯(lián)，中間的直流環(huán)節(jié)雖未接有負(fù)載，但可以起著傳遞功率的作用。通過分別控制兩個(gè)變流器的工作狀態(tài)， 就可控制功率的流向。例如，控制左邊變流器工作于整流狀態(tài)，得到 200kV? 電源，然后通過兩線（兩極）輸電線路送到目的地，經(jīng)右邊變流器你變成交流電接入電力系統(tǒng)，達(dá)到將功率從 u1傳向 u2的目的 ?？傊?，在送電端，變流器工作于整流工況，在受電端變流器工作于逆變工況。 圖 高壓直流輸電系統(tǒng) 繞線式異步電動(dòng)機(jī)晶閘管串極調(diào)速 繞線式異步電動(dòng)機(jī)晶閘管串極調(diào)速，是在繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中串聯(lián)晶閘管逆變器，借以引入附加可調(diào)電勢(shì)，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的一種調(diào)速方法 。由于它具有良好的調(diào)速特性，并能將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差功率回饋電網(wǎng)，效率較高，價(jià)格較低；因此在風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載方面獲得廣泛的應(yīng)用。目前，國(guó)際上許多著名的電氣公司都生產(chǎn)串極調(diào)速系列的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)也生產(chǎn)有系列產(chǎn)品，如西安整流器廠的 TJC~TJC3系列，上海成套電器廠的 KGJA~KGJF 系列等 [22] [23]。 繞線式異步電動(dòng)機(jī)晶閘管串極調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的工作原理如圖 所示。轉(zhuǎn)子在不同的轉(zhuǎn)速下感應(yīng)出轉(zhuǎn)差頻率的電壓，經(jīng)一組不控的三相橋式變流器變成直流電壓，此電壓再經(jīng)一組全控橋式變流器實(shí)現(xiàn)有源逆變，把電能（轉(zhuǎn)差功率）饋送回電網(wǎng)中去，改變逆變角的大小，即可改變饋送回電網(wǎng)電能的多少，從而達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 圖 晶閘管串極調(diào)速系統(tǒng)主回路接線原理圖 在理想條件下，轉(zhuǎn)子回路經(jīng)三相不控橋式整流后輸出的直流電壓平均值為 sE? ? （ ） 式中， s——轉(zhuǎn)差率； E20——轉(zhuǎn)子不動(dòng)，即轉(zhuǎn)差率 s=1 時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組開路線電勢(shì)。 三相 全控橋式有源逆變器輸出的直流電壓平均值為 5 39。 cosUU? ?? （ ） 式中， 2139。U ——逆變變壓器副邊繞組線電壓有效值。 逆變電壓可看作加于異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中的附加電勢(shì)，只要改變逆變角 β，就可以改變回路中的附加電勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。 串極調(diào)速系統(tǒng)直流回路存在如下的電壓平衡關(guān)系，即 dUU?? 即 20 5 5 39。 c ossE U ?? ； （ ） 因?yàn)檗D(zhuǎn)差率 11nns n?? ， 所以電機(jī)轉(zhuǎn)速 2111 2039。 c o s(1 ) (1 )Un s n n E ?? ? ? ? （ ） 由此可見，改變逆變角 β，就可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng) β 下降， cos? 增加， n邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 下降；反之 β 增加， cos? 下降， n 上升。當(dāng) max 90? ? 時(shí)， cos? =0， 0U??，相當(dāng)于整流器的直流側(cè)短接，也即轉(zhuǎn)子短接，電動(dòng)機(jī)在自然特性上運(yùn)轉(zhuǎn)。 其調(diào)節(jié)過程是：如果電機(jī)原來穩(wěn)定運(yùn)行于某一轉(zhuǎn)速 n，當(dāng)減小 β 時(shí)，則 U?加大，直流回路電流 Id 減小，轉(zhuǎn)子電流 I2隨之減小，電機(jī)轉(zhuǎn)矩 M 減小，形成 fMM? ，電機(jī)減速；而一旦 n 下降，轉(zhuǎn)差率 s 增大，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì) E2便增大 ，導(dǎo)致電流 IId 回升；當(dāng)重新獲得 fzMM? 時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速不再下降，即在低于原來轉(zhuǎn)速的新轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行；反之，如增大逆變角 β，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升。 兩組變流器反并聯(lián)的直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng) 很多生產(chǎn)機(jī)械，如可逆軋機(jī)，礦井提升機(jī)、電梯、龍門刨床等，在生產(chǎn)過程中都要求電動(dòng)機(jī)頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)、反向和調(diào)速。為了加快過渡過程，它們的拖動(dòng)電機(jī)都具有工作于四象限的機(jī)械特性。如在電機(jī)減速換向的過程中，使電動(dòng)機(jī)工作于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，將機(jī)械能變成電能回送到交流電網(wǎng)中去 [24]。 控制 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)可逆運(yùn)轉(zhuǎn)的方法有兩種，一種是改變勵(lì)磁電壓方向 ，另一種是改變電樞電壓的方向。前者由于勵(lì)磁回路的電磁慣性大、快速性差，控制較復(fù)雜，一般用于大容量、快速性要求不高的可逆調(diào)速系統(tǒng)中，在快速可你系統(tǒng)中，多采用改變電樞電壓的極性來實(shí)現(xiàn)可你運(yùn)行。 圖 兩組變流器反并聯(lián)的可逆系統(tǒng) 圖 所示為電動(dòng)機(jī)電樞電壓極性可變的可逆拖動(dòng)系統(tǒng)的主回路典型接線。電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)方向不變，而電動(dòng)機(jī)電樞由兩組三相橋式變流器反并聯(lián)供電，這種結(jié)構(gòu)習(xí)慣上稱為反并聯(lián)可逆線路。對(duì)應(yīng)于四個(gè)象限，兩組變流器的工作方式和電動(dòng)機(jī)邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 的運(yùn)行 狀態(tài)，如圖 所示。 在圖 中，電機(jī)由電動(dòng)運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電制動(dòng)運(yùn)行，相應(yīng)的變流器由整流轉(zhuǎn)換成逆變，這一過程不是在同一組橋內(nèi)實(shí)現(xiàn)的。具體地說，由一組橋整流，使電機(jī)作電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，而通過反并聯(lián)的另一組橋來實(shí)現(xiàn)有源逆變，使電機(jī)制動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)能量的回饋。 第一象限，變流器 I 的控制角 90 ,I dIUE? ??，整流狀態(tài)，電機(jī)正轉(zhuǎn)電動(dòng)運(yùn)行； 第二象限，變流器 II 的控制角 90 ,II dI IUE? ??，有源逆變狀態(tài)，電機(jī)正轉(zhuǎn)發(fā)電制動(dòng)運(yùn)行； 第三象限，變流器 II 的控制 角 90 ,II dI IUE? ??，整流狀態(tài)，電機(jī)反轉(zhuǎn)電動(dòng)運(yùn)行； 第四象限，變流器 I 的控制角 90 ,I dIUE? ??，有源逆變狀態(tài)，電機(jī)反轉(zhuǎn)發(fā)電制動(dòng)運(yùn)行。 圖 兩組變流器的工作方式和電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)（無換流運(yùn)行方式） 在反并聯(lián)可逆線路中，存在著對(duì)環(huán)流（即不通過負(fù)載而在兩變流器中流過的電邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 流）的處理方式及兩組變流器之間的切換問題，這是可逆控制的關(guān)鍵技術(shù)。按照反并聯(lián)可你線路對(duì)環(huán)流的處理方式分為不同的控制方案，如配合控制的有環(huán)流可逆系統(tǒng)，邏輯控制的無環(huán) 流系統(tǒng)及錯(cuò)位控制無環(huán)流系統(tǒng)等。關(guān)于各種有環(huán)流或無環(huán)流的可逆調(diào)速系統(tǒng)。 小結(jié) 整理與逆變是晶閘管變流裝置的兩種工作狀態(tài)，在一定條件下可以互相轉(zhuǎn)化。逆變電路在工作原理、參量關(guān)系及分析方法等方面和整流電路時(shí)密切關(guān)聯(lián)的。但分析有源逆變電路時(shí)，應(yīng)著重區(qū)分同一變流器在什么條件下的工作在整流狀態(tài)，又在什么條件下工作在逆變狀態(tài)。必須掌握整流和逆變的電能流轉(zhuǎn)方向德變化，以及實(shí)現(xiàn)電能流轉(zhuǎn)方向變化的內(nèi)部和外部條件。逆變電路對(duì)觸發(fā)信號(hào)與主電路的可靠性要求更高，對(duì)最小逆變角 min? 必須加以限制。 變流裝置的功率因數(shù)是變流裝置電網(wǎng)側(cè)有功功率與視在功率之比。變流裝置的功率因數(shù)與滯后角、交流側(cè)的感抗、電流波形有關(guān)，前兩個(gè)因素用位移因數(shù) cos? 來反映，后一個(gè)因素用電流畸變因數(shù) ? 來表示。提高變流裝置的功率因數(shù)具有重大意義，而且提高功率因數(shù)的措施都是圍繞著點(diǎn)少電流波形畸變和輸入電流的相位滯后來進(jìn)行的。其措施有，增加整流電路的相數(shù)，采用串聯(lián)順序控制，強(qiáng)迫換相，脈寬控制，以及改進(jìn)整流電路的控制方法，等 等。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 3 三相有源逆變電路的仿真 前文詳細(xì)分析了有源逆 變 電路的工作原理，其中以三相有源逆變?yōu)橹攸c(diǎn)。根據(jù)前文的分析使用 MATLAB R2020b 軟件，采用開環(huán)相控方式對(duì)三相全控橋式有源逆變電路進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究。 三相全控橋式有源逆變電路建模 （ 1） 在 Simulink 中新建一個(gè)模型窗口，命名為 “Threephases full controlled type active inverter”。 （ 2） 在 PSB（電力系統(tǒng)模塊庫）中選擇一個(gè) “ThreePhase Source”功能模塊作 為有源逆變電路的負(fù)載。將其設(shè)置為工頻 50Hz，相鄰相間電壓 380V，內(nèi)電阻，內(nèi)電感 0H。具體設(shè)置如圖 所示。 圖 三相電源的屬性參數(shù)對(duì)話框 （ 3） 選擇一個(gè)晶閘管器件，其參數(shù)設(shè)為默認(rèn)值不變。復(fù)制晶閘管器件，得到六個(gè)晶閘管，適當(dāng)連線構(gòu)成三相變換橋，并將它們分別命名為 T T T TT T2。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 （ 4） 選用 “Synchronized 6pulse Generator”（同步六脈沖發(fā)生器）模塊作為變換橋的觸發(fā)裝置。該模塊能為變換橋提供 6 個(gè)觸發(fā)脈沖，相位依次間隔 60176。將該模塊設(shè)置 為頻率 50Hz，脈沖寬度 10176。 （ 5） 使用三個(gè)電壓表模塊向脈沖發(fā)生器輸入三相電源的線電壓數(shù)據(jù)。選用兩個(gè)“Constant”模塊，其中一個(gè)用來輸入觸發(fā)角 α 的度數(shù)，將其命名為 α，并將 α 設(shè)定為 150176。（大于 90176。）；另一個(gè)用來輸入脈沖發(fā)生器的開關(guān)使能信號(hào)，將其命名為“Constant1”并設(shè)其值為 0。 （ 6） 打開信號(hào)與系統(tǒng)模塊組，選用一個(gè)個(gè) “Selector”（信號(hào)選擇器）模塊，將其命名為 Selector。 Selector 的輸入端參數(shù)設(shè)置為 6， “index”參數(shù)設(shè)置為 [1 3 5 4 6 2]，這樣該信號(hào)選擇器 將會(huì)把脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的 6 個(gè)脈沖信號(hào)按規(guī)定次序通過一個(gè) “Demux”模塊送給對(duì)應(yīng)序號(hào)的 6 個(gè)晶閘管。具體參數(shù)設(shè)置如圖 所示。 圖 信號(hào)選擇器的參數(shù)設(shè) 置 圖 （ 7） 選擇一個(gè)直流電壓源，命名為 E，設(shè)置其直流電壓為 500V，上負(fù)下正。 （ 8） 直流電源串聯(lián)一個(gè)電阻 R 和一個(gè)電感 L。 R=10Ω， L=1H。 （ 9） 引入兩個(gè) “Mean Value”模塊和兩個(gè) “Display”模塊用于計(jì)算和顯示直流側(cè)電壓和電流的平均值。然后添加 “Powergui”模塊，并將工作模式設(shè)置為連續(xù)（ Continuous） 。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 36 （ 10） 除上 述步驟外按原理正確連線，設(shè)定仿真時(shí)間為 。至此完成建模過程，建立仿真模型如圖 所示。 圖 三相全控橋式有源逆變電路建模圖 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 37 仿真結(jié)果分析 建模工作完成后，成功運(yùn)行了仿真模型得到了較為理想的仿真結(jié)果。 圖 仿真波形圖 圖 為仿真模型中示波器 Scope 得到的波形，自上而下分別為直流側(cè)電流Id 波形，直流側(cè)電壓 Ud 波形，晶閘管電流 IT1波形，晶閘管電壓 UT1波形。波形基邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 38 本符合前文對(duì)三相全控橋式有源逆變電路的理論分析， 其中可以很明顯看出直流側(cè)電每個(gè)周期有 6 個(gè)脈波，而晶閘管主要承受正向壓降。 圖 中 Display 和 Display1 分別顯示了直流側(cè)電壓 Ud 平均值為 V，直流側(cè)電流 Id 平均值為 A。根據(jù)前文所述的計(jì)算方法對(duì)這兩個(gè)平均值做理論計(jì)算有： 22 .3 4 c o s2 .3 4 2 2 0 c o s 1 5 0 4 4 5 .8 3dUUV??? ? ?? dd 5 0 0 4 4 5 .8 3= = = 5 .4 1 710EUIAR 可見，仿真數(shù)據(jù)和理論計(jì)算的理想值差距不大。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 39 4 結(jié)論 本文分析了有源逆變電路的工作原理，主要針對(duì)三相有源逆變電路進(jìn)行研究。采 用 Matlab/Simulink 對(duì)三相 全