整流逆变电路的原理与仿真-(PSIM软件)

三相整流及逆变电路仿真分析1目录1整流电路............................................................................31.1整流电路概述........................................................31.2三相半波可控整流电路................................................31.2.1电阻性负载......................................................31.2.2阻感性负载......................................................41.3三相桥式全控整流电路................................................51.3.1电阻性负载......................................................51.3.2阻感性负载......................................................61.3.3UVT1触发脉冲丢失...............................................72逆变电路............................................................................82.1.逆变电路概述......................................................82.2三相有源逆变电路仿真分析..........................................82.3逆变失败..........................................................93高压直流输电.......................................................................103.1十二脉冲桥式整流电路.............................................103.1.1仿真分析.......................................................103.1.2频谱分析.......................................................103.1.3加滤波改善波形.................................................113.2闭环控制电路.....................................................113.2.1整流阶段.......................................................113.2.2逆变阶段.......................................................123.2简单直流输电系统.................................................134总结与改进.........................................................................142整流逆变电路分析与仿真摘要:本文以相控整流电路为研究对象，介绍了三相整流电路、逆变电路的工作原理，基于PSIM软件搭建电路，分析了在几种常见的触发角下整流电路的工作情况，并以12脉冲整流电路为例，通过FFT比较了电路有无滤波两种情况输出电压谐波的的不同。通过负反馈的闭环控制方式使得整流电路电压、电流更加平稳。通过两个三相桥搭建出了十二脉动整流电路。最后综合了十二脉动整流、逆变电路，以及闭环控制对高压直流输电进行了仿真，并尝试将复杂电路模块化。关键词：整流逆变电路;PSIM仿真，十二脉动，高压直流输电，闭环控制31整流电路1.1整流电路概述电力变换的基本形式包括整流（AC-DC）、逆变（DC-AC）、斩波（DC-DC）、交流电力控制（AC-AC）。整流是电力变换的基本形式之一，相控整流电路是整流电路的一种，广泛应用于电力电子系统中。由晶闸管组成，通过控制触发延迟角控制触发脉冲相位来调节输出电压。整流电路按照电源相数可分为单相、三相、多相，按照接线形式可分为半波、桥式，按照组成器件可分为不可控、全控、半空，按照负载性质可分为电阻、阻感、反电动势整流电路。1.2三相半波可控整流电路1.2.1电阻性负载三相半波整流仿真电路图如下：①a=0°时的工作情况：由电路分析可知三个晶闸管采用共阴极接法，当某一个晶闸管阳极所对应的电压值最大，则触发其导通，自然换向点就是各相电压正向的交点，并且总是换到相电压最高的一相上去。三个晶闸管分别在一个周期内各导通120°。将阻感原件电感调低到可以忽略不计，触发延迟角设置为0°，仿真波形如下：4由图可知，整流电压输出的波形为三相交流电压正半周的包络线，是一个周期内3次脉动的直流电压。②a=30°时的工作情况：由电路分析可知，当经过自然换向点时，触发脉冲未到，因此晶闸管不能导通，上一状态导通的晶闸管继续导通，直到a=30°时脉冲到来对应的晶闸管导通，上一状态的晶闸管承受反压而关断，负载电流换相。以后各相依次轮流导通。触发延迟角设置为30°，波形如下：③触发延迟角设置为60°，图像如下：由图可见，当a30°时输出电压和电流出现断续。这是因为前一相的晶闸管由于交流电压过零变负而关断，后一相的晶闸管未到触发时刻，此时晶闸管都不导通，输出电压为零，直到后一相的晶闸管被触发导通，输出电压为一相电压，此时晶闸管的导通角小于120°。总结：1.单相半波可控整流电路带电阻性负载时，a=30°时输出电流和输出电压处于连续和断续的临界点。2.当a30°时每个晶闸管的导通角为120°，当当a30°发生断续后，每个晶闸管的导通角为（120-a）°。3.当a=150°时输出电压为0，所以三相半波可控整流电路带电阻性负载时的移相范围为0~150°。4.由仿真结果可知当a增大时，输出电压逐渐减小。1.2.2阻感性负载三相半波整流电路带阻感性负载时，电感的存在使得电流不能突变，当电感足够大时，会使整流电路稳态时基本平直，电感储能使得晶闸管在电源电压由零变负时依然导5通，直至承受反压为止，不同于电阻性负载，整流电压不会断续，但会进入负值，当a=90°时整流电压正负部分抵消，平均电压为0。所以阻感性负载移相范围为0~90°.下图为a=60°的仿真波形。1.3三相桥式全控整流电路1.3.1电阻性负载原理图如下：①=0°时，仿真结果如下：②=60°时，仿真结果如下：6③=90°时，仿真结果如下：④=120°时，理想的输出电压应为0，但实际上还有波形，但此时的波形幅值很小，在实际情况中可认为其为0.三相桥式整流电路6只晶闸管的导通顺序为V1-V2-V3-V4-V5-V6，且a=60°为输出电压波形断续的临界点。任何时刻都有两只管子导通，构成回路。带电阻性负载的工作特点为：1、为保证电路启动或者断续后能正常导通，触发脉冲的宽度应大于60。2、6只晶闸管每30°换相一次；3、输出脉动直流电压频率为电源频率的6倍，移相范围为0到120°，且随着a的增大，输出电压平均值减小；4、a=60°是电阻性负载电流连续和断续的分界点；5、和三相半波可控整流相比，变压器二次侧流过正负对称的交变电流，避免磁化，提高变压器的利用率。1.3.2阻感性负载①=0°时，仿真结果如下：7②=30°时，仿真结果如下：此时阻感性负载的工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压的波形、各晶闸管承受的电压波形等都一样。区别在于由于电感的存在，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流Id的波形不同，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大时，负载电流的波形可近似为一条水平线。③=90°时，仿真结果如下：阻感性负载的工作情况与电阻性负载时不同，电阻性负载时Ud波形不会出现负值，波形断续；而阻感性负载由于负载电感感应电动势的作用，Ud波形会出现负的部分。从仿真图可以看出，α=90°时Ud的波形正负对称，平均值为零。因此三相桥式全控整流电路带阻感性负载时，α的移相范围是0~90°。1.3.3UVT1触发脉冲丢失仿真波形：VT1触发脉冲丢失，大电感的存在使得之前导通的VT5，VT6不能关断，继续导通，8Ud=Ucb，在VT2触发脉冲到来时，VT2导通，VT6承受反压关断，由于VT1触发脉冲丢失，VT5继续导通，此时VT2，VT5导通，Ud=0。对于UVT1的波形，所变化的是VT1脉冲丢失，大电感的存在使得VT5不能关断，继续导通，直到VT3导通，UVT1=Uac。2逆变电路2.1.逆变电路概述在实际生活中，往往会出现需要将直流电能变换为交流电能的情况。相对于整流而言，逆变是它的逆过程。整流装置在满足一定条件下可以作为逆变装置应用。即同一套电路，既可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态，这样的电路统称为变流装置。变流装置如果工作在逆变状态，其交流侧接在交流电网上，电网成为负载，在运行中将直流电能变换为交流电能并回送到电网中去，这样的逆变过程就称为“有源逆变”。2.2三相有源逆变电路仿真分析逆变电路可以看做整流电路的另一种工作方式，所以电路的整体结构并没有发生变化，需注意：（1）此时应加入一个直流电源，使该电源电动势Em方向与晶闸管导通时方向一致，且EmUd.（2）晶闸管导通角α90°（3）逆变电路中Ud为负值，所以只能采用三相桥式全控电路，因为半控桥或者续流二极管电路不允许直流侧电动势为负。（4）为了使电流连续需要加入比较大的电感（平波电抗器）原理图：PSIM仿真电路如下：9①β=60°，即α=120°时的仿真结果如下：②β=30°，即α=150°时的仿真结果如下：从图中可以看出，Ua为标准正弦波，Ud值都在负轴，Id缓慢增加至稳定值，且Ud与I反向，说明此时功率是由直流侧输送到交流侧的。2.3逆变失败当角度小于最小逆变角时逆变失败，如下：103高压直流输电3.1十二脉冲桥式整流电路3.1.1仿真分析12脉冲桥式整流仿真电路图如下：12脉冲桥式整流仿真电路图主要思路为两个三相桥式整流电路的并联。整流变压器为三绕组变压器，二次绕组分别采用星形和三角形联结，联结组别为Y，y0,d11。目的是为了便于控制12个晶闸管的触发角度。由于12个晶闸管以此触发，各自的触发角之间互差30度。而在电压比较器从Uac采集电压，是因为自然换向点比Ua滞后30度，而Uac正好比Ua滞后，所以可以从Uac侧采集电压。在12脉冲电路中，第二个整流桥的初始脉冲比第一个整流桥滞后30度。同时，电压采集之后，通过二阶低通滤波器对波形进行改善。3.1.2频谱分析1、FFT分析在原电路不加滤波器时的频谱图根据傅里叶变换，分析谐波得出在以下频率阶段Vd的幅值很高45.65396，96.178162，146.70236，197.22657，247.75077，293.22255，404.37579，454.9，495.31936等，可以看出在未加二阶低通滤波器时，基波，2到6次谐波都存在，然而7次谐波没有，并从以后的频谱图中可以归纳得出，（6K+1）次谐11波都不存在，说明12脉波桥式整流电路自身带有滤波的作用，这是一个很好的性质。2、FFT分析有二阶低通滤波器时的频谱图但是为了得到更好的波形，我们选用二阶低通滤波器，并将滤波器的截止频率设置为600Hz（由于12脉波整流电路的频率为600Hz,所以在这个截