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第3章电力电子有源逆变仿真

在电力电子技术中，把交流电变换成直流电称为整流，而把直流电变换成交流电称为逆变。逆变又分为有源逆变和无源逆变两类，所谓有源逆变，交流侧是供电电源，就是该交流电与交流电网相连，将直流电逆变成与交流电网同频率的交流电输送给电网，例如可控整流电路供给直流电动机负载时，当电动机处于制动或发电状态，则这种逆变称为有源逆变。而无源逆变是指交流侧是具体的用电设备，逆变输出的交流电与电网无联系，交流电仅供给具体用电设备，这种逆变称为无源逆变。全控整流电路既能工作在整流方式，又能工作在有源逆变方式，即电路在一定条件下，电能从AC→DC，在另外条件下，电能又可以从DC→AC，现在讨论有源逆变的仿真。
由于晶闸管只能单向导电，无论变流器运行在整流状态还是工作在逆变状态，其电路的电流方向是不可能改变的，要使负载侧反过来通过变流器向交流电源供电而且电流流向保持不变，则在负载侧必须存在一个直流电源，这个电源可以是电池，也可以是直流发电机或直流电动机工作在发电机状态或制动状态，这个电源的极性与整流电压极性相反，这样，欲使负载中直流电源的能量返回到交流电源中，则要求变流器能产生一个与原整流电压极性相反的电压，称为逆变电压，且

Udβ<E(31)

式中，Udβ为逆变电压的平均值。由于希望在能量交换中能量损失尽可能地小，因此回路的电阻R均较小，这样Udβ较接近于E。
通过以上分析可知，有源逆变产生的条件是负载存在一个直流电源E，由它提供能量，其电动势与变流器的整流电压相反，对晶闸管为正向偏置电压； 变流器在其直流侧输出应有一个与原整流电压极性相反的逆变电压Udβ，其平均值Udβ<E，以吸收能量，并将其能量返回给交流电源。

3.1半波可控整流电路接电动势性负载仿真
半波可控整流电路接电动势性负载的仿真模型如图31所示。

图31半波可控整流电路接电动势性负载的仿真模型

1. 主电路建模和参数设置
主电路主要有交流电源、3个单独晶闸管、阻感性负载和直流电源组成，交流电源A的参数设置： 峰值电压为220V，相位为0°，频率为50Hz； 其他两相B、C除了相位相差120°外，其余参数设置与A相相同； 单个晶闸管的参数为默认值。
阻感性负载参数设置： 电阻为10Ω，电感为1H，直流电源模块为DC Voltage Source，其参数为200V，注意其电源极性是左负右正。

2. 单相桥式整流电路控制电路的仿真模型
单相桥式整流电路控制电路的仿真模型主要有3个脉冲触发器组成,Pulse Generator分别通向VT1、VT2、VT3 3个晶闸管，参数设置为： 峰值为1，周期为0.02s，脉冲宽度为10，相位延迟时间由触发延迟角决定，如表21所示。
仿真算法采用ode15s，仿真时间为1s，仿真结果如图32所示。

图32半波可控整流电路接电动势性负载的仿真结果

从仿真结果可以看出，当触发延迟角为α=30°时，晶闸管输出电压与式(224)相同，其平均电压值为157.64V，整流电路输出电压公式为

Ud=Ud0cosα=E IdR(32)

Ud0为α=0°时电路的输出平均值。为了求出Ud0，把α=0°进行仿真，得到Ud0=181V，又α=30°，根据式(32)得到Ud=156V，与图32仿真结果相同。
当触发延迟角为α=120°，α=150°时，晶闸管输出电压为电源负半周，由于存在一个与原来整流电压极性相反的电源E，逆变将产生，平均电压值公式为

Udβ=Ud0cosα，90°<α<180°(33)

将Ud0=181V，α=120°，α=150°代入式(33)得Udβ=-90.5V，Udβ=-156.75V。而从仿真结果(见图32)可以看出，当α=120°，α=150°时，逆变平均电压为-91.8V、-158.1V。
事实上，对于三相半波可控整流电路，如果α>90°，且负载端不存在与其整流电压极性相反的电源，则输出平均电压恒为零，而且输出波形不可能连续，见图246。
上面仿真是采用分立式脉冲，下面也可以用现成的模块Universal Bridge进行三相半波可控整流电路有源逆变仿真，仿真模型如图33所示。

负载参数保持不变，整流桥参数为默认值,仿真结果如图34所示。

可以看出仿真结果和前面相同。

图33三相半波可控整流电路有源逆变仿真模型

图34三相半波可控整流电路有源逆变仿真结果

图34(续)

3.2考虑交流电源存在电感的有源逆变仿真
在前面分析整流电路时，没有考虑电源侧电感的影响，认为换相是瞬时完成的。实际的交流供电电源，总存在电源阻抗，如电源变压器的漏电感、导线铜电阻以及为了限制短路电流加上交流进线电抗等，当存在电抗时，在电源相线中的电流不可能突变，换流时原来导通相电流衰减到零需要一段时间，而导通电流相电流的上升时间也需要一段时间，即电路的换流有一段换流时间。由于交流侧的感抗比它的电阻大很多，为了突出感抗的影响，把电阻忽略。考虑交流电源存在电感时三相半波可控整流电路逆变仿真模型如图35所示。

图35考虑交流电源存在电感时三相半波可控整流电路有源逆变仿真模型

从图35可以看出，其仿真模型与图31基本相同，只不过在电源侧加了电感，电感取值为0.01H,电阻为10Ω，电感为1H，α=120°,仿真算法采用ode15s，仿真时间为1s，仿真结果如图36所示。

图36考虑交流电源存在电感时三相半波可控整流电路有源逆变仿真结果

从图36可以看出，当考虑电源侧存在电感时，其输出的瞬时电压存在换流重叠角现象。
现把X轴放大，可以看出换流重叠角为λ=0.00032s，转换为γ=5.76°，将α=120°也即β=60°代入式(34)，即

Udβγ=-364πU2［cosβ cos(β-γ)］(34)

得Udβγ=-98.7V，而仿真结果为Udβγ=-99.2V。
用现成的模块Universal Bridge进行三相半波可控整流电路逆变仿真模型仿真，仿真模型如图37所示，整流桥参数为默认值，其他参数保持不变。

图37考虑交流电源存在电感时三相半波可控整流电路有源逆变仿真模型

仿真结果如图38所示。

图38考虑交流电源存在电感时三相半波可控整流电路有源逆变仿真结果

为了进一步观测考虑交流电源存在电感时三相半波可控整流电路逆变仿真情况，现把负载换成直流电动机，观测晶闸管逆变的负载两端波形，电源侧电感为0.01H,平波电抗器为0.001H，仿真模型如图39所示。

图39考虑交流电源存在电感时三相半波可控整流电路带电动机逆变仿真模型