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

目 录

1 整流电路 ............................................................................ 3

1.1整流电路概述 ........................................................ 3 1.2三相半波可控整流电路 ................................................ 3 1.2.1电阻性负载 ...................................................... 3 1.2.2阻感性负载 ...................................................... 4 1.3三相桥式全控整流电路 ................................................ 5 1.3.1电阻性负载 ...................................................... 5 1.3.2阻感性负载 ...................................................... 6 1.3.3 UVT1触发脉冲丢失 ............................................... 7

2 逆变电路 ............................................................................ 8

2.1.逆变电路概述 ...................................................... 8 2.2三相有源逆变电路仿真分析 .......................................... 8 2.3 逆变失败 .......................................................... 9

3 高压直流输电 ....................................................................... 10

3.1 十二脉冲桥式整流电路 ............................................. 10 3.1.1仿真分析 ....................................................... 10 3.1.2频谱分析 ....................................................... 10 3.1.3加滤波改善波形 ................................................. 11 3.2 闭环控制电路 ..................................................... 11 3.2.1整流阶段 ....................................................... 11 3.2.2逆变阶段 ....................................................... 12 3.2简单直流输电系统 ................................................. 13

4 总结与改进 ......................................................................... 14

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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

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1 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：

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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a>30°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a<30°时每个晶闸管的导通角为120°，当当a>30°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

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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：

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③=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：

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②=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° 。 1.3.3 UVT1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，

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Ud=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Em>Ud.

（2）晶闸管导通角α<90°

（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：

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①β=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：

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3 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， 4.9 ，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

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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,所以在这个截止频率下，可以有效的保留输出电压的信息），可以得到如下波形。

和未加滤波器的频谱图对比，在低频阶段，有效滤掉了幅值相当大的谐波，主要是能把5次谐波滤除，并将频谱图中的旁瓣衰减到最小。下图为改善之后的Vd 的波形图

3.1.3加滤波改善波形

改善之后的输出电压12脉冲波形

从Vd的波形看出，在一个周期内波动12次，频率为原来的12倍，为600Hz。而且变压器一次侧波形也呈现为12脉冲阶梯状的脉动波形。Id的波形趋于平稳，可以将其看做直流。

3.2 闭环控制电路 3.2.1整流阶段 电路搭建如下：

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整流阶段：将比较器的上下限设置为（0,1），在忽略变压器漏抗，及线损时，得到以下波形：

考虑变压器漏抗及线损时

3.2.2逆变阶段

逆变阶段，将电压比较器的上下限设置为（-1,0），考虑变压器漏抗及线损时得到如下波形：

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3.2简单直流输电系统 1、未带反馈的直流输电系统

直流输电系统输出电压及输出电流波形：

逆变失败的波形图如下：

在调节β取值之后波形能够得到有效改善，得到如上波形示意图。

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2、带反馈的直流输电系统 仿真电路图如下

输出电压及电流波形仿真如下：

4 总结与改进

4.1复杂电路的模块化

以十二脉冲电路为例，将复杂电路模块化，如下为封装前后的电路：

使用封装好的模块搭建直流输电系统如下：

仿真电路右侧模块为6脉动的逆变电路，左侧为12脉动的整流模块，调试左侧整理模块的输入幅值，使其整流输出电压平均值大于右侧逆变输出电压的幅值，得到如下波形。

直流侧的输出波形如下：

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从图中波形可以看出Vd波形出现负值，与电流反向，向交流侧输出功率。而且波形比较多，波形比较平齐。

4.2总结：

1、当波形出现畸变的原因

【1】首先查看触发脉冲是否出错，在看变压器二次侧波形是否良好，将变压器的参数设置为理想参数，看是否出现理论输出波形；

【2】若在电压采集时添加低通滤波器，要注意截止频率的选取，若发现波形失真严重，可能是由于低通滤波器截止频率过低导致信号信息丢失太严重，这时可以采取增大截止频率或者去掉低通滤波器；

【3】整流和逆变加在一起时，可能出现逆变失败。这时要注意逆变测的直流电源的值一定要大于Ud的平均电压，也就是大于直流电源的参数。

-2.34U2cos，当改变时就得同时改变

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