电力电子电路仿真技术的应用.docx
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电力电子电路仿真技术的应用
毕业设计说明书
课题名称：
电力电子电路仿真技术的应用
电力电子电路仿真技术的应用
摘要
针对MATLAB实现电力电子有关电路的计算机仿真的毕业设计。
论文给出了单相半波可控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相半波可控整流电路、三相半波有源逆变电路、三相桥式全控整流电路的实验原理图、MATLAB系统模型图、及仿真结果图。
实验过程和结果都表明：
MATLAB在电力电子有关电路计算机仿真上的应用是十分广泛的。
尤其是电力系统工具箱－PowerSystemBlockset（PSB）使得电力系统的仿真更加方便。
电力电子技术是一门实用性很强的学科，但是由于电力电子器件本身的非线性以及其组合变换电路的拓扑结构、工作过程、器件开关模式等都比较复杂，如果采用传统实验研究方法，很难兼顾横向（同一时刻，不同器件）与纵向（不同时刻）电路的工作情况，故采用MATLAB这样一个通用的仿真平台，可展现整个工作情况，动态演示开关过程，不仅能使我们巩固基础理论知识，而且可培养我们的动手能力以及发现、解决问题的能力。
在实际应用中，也可以取代繁琐的人工分析，降低设计成本，缩短研制周期。
研究概况及发展趋势：
MATLAB是由Mathworks公司推出的当前国际上最流行的数学分析软件。
基于其强大的绘图功能以及公司在1992年推出的仿真环境simulink，使得人们对电力电子系统层面的仿真变得十分容易。
一直以来，电力电子电路应用于能源变换，过程控制，它其实是一个年轻的交叉学科。
而近年来，电力电子学科形成了能源电子学科，除了学科基础内容以外，还要考虑管理、环境、材料、可靠性等等方面。
由此可见，如此复杂的系统工程，单凭人工分析并不实际，必须依靠计算机综合所有信息作出分析结果，因而，采用计算机仿真技术成为实现电力电子应用的必要趋势。
作为仿真专用软件之一的MATLAB中提供的SimPowerSystenms是进行电力电子仿真的理想工具，经过多年不断的扩展，现已成为风靡全球的科学技术软件，在工业、能源、交通、国防等各个领域发挥着越来越重要的作用。
关键词：
电力电子；MATLAB；SIMULINK；PSB；
目录
摘要I
第1章绪论1
1.1引言2
1.2MATLAB软件介绍3
第2章利用仿真软件实施的虚拟实验6
2.1单相半波可控整流电路6
2.2三相半波有源逆变电路9
2.3三相桥式半控整流电路14
第3章利用仿真软件实施的辅助设计......................20
3.1三相异步电机调压调速系统的仿真……………………………………20
第4章结论30
参考文献31
致谢32
附录....................................................33
第1章绪论
MATLAB是“矩阵实验室”（MatrixLaboratory）的缩写，它是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言，着重针对科学计算、工程计算和绘图的需要。
在MATLAB中，每个变量代表一个矩阵，可以有n*m个元素，每个元素都被看做复数摸索有的运算都对矩阵和复数有效，输入算式立即可得结果，无需编译。
MATLAB强大而简易的做图功能，能根据输入数据自动确定坐标绘图，能自定义多种坐标系（极坐标系、对数坐标系等），讷讷感绘制三维坐标中的曲线和曲面，可设置不同的颜色、线形、视角等。
如果数据齐全，MATLAB通常只需要一条命令即可做图，功能丰富，可扩展性强。
MATLAB软件包括基本部分和专业扩展部分，基本部分包括矩阵的运算和各种变换、代数和超越方程的求解、数据处理和傅立叶变换及数值积分风，可以满足大学理工科学生的计算需要，扩展部分称为工具箱，它实际上使用MATLAB的基本语句编成的各种子程序集，用于解决某一方面的问题，或实现某一类的新算法。
现在已经有控制系统、信号处理、图象处理、系统辨识、模糊集合、神经元网络及小波分析等多种工具箱，并且向公式推倒、系统仿真和实时运行等领域发展。
MATLAB语言的难点是函数较多，仅基本部分就有七百多个，其中常用的有二三百个。
MATLAB在国内外的大学中，特别是数值计算应用最广的电气信息类学科中，已成为每个学生都应该掌握的工具。
MATLAB大大提高了课程教学、解题作业、分析研究的效率。
电力电子技术是电气工程及其他相关专业的重要专业基础课，该课程通过分析各类电力电子器件的导通、关断情况来理解整流、逆变、调压等典型电路的工作原理，是一门实践性很强的课程。
Math-works公司推出的基于MATLAB平台的Simu1ink是动态系统仿真领域中广为应用的仿真集成工具之一，它在各个领域得到广泛的应用。
在对电力电子实验进行仿真过程中，主要用到了Simu1ink里的特殊工具箱-一电力系统工具箱，它专门用于解决电路、电力电子、电机等系统的仿真和分析，功能十分强大.本课题基于MATLAB仿真软件对典型电力电子电路进行了仿真分析，对电力电子理论和实验教学具有较高的参考价值。
本课题设计的主要目的是：
1. 培养学生综合运用所学过的基础理论、基础知识和基本技能进行分析和解决实际问题的能力。
2.培养学生的设计计算、工程画图、实验方法、数据处理、文字表达、文献查阅、计算机应用、工具书使用等基本实践能力及中外文资料查阅的基本技能，使学生初步掌握科学研究的基本方法。
3.培养学生严谨、负责、实事求是、刻苦钻研、勇于探索、具有创新意识、善于与他人合作的工作作风。
4.培养学生利用MATLAB仿真软件对典型电力电子系统开发的能力，掌握仿真电力电子电路的一般方法和步骤。
1.1引言
随着电力电子技术的各种装置在国民经济各行各业中广泛应用。
从电能转换的观点，电力电子的各种装置涵盖交流—直流变换、直流—交流变换、直流—直流变换、交流—交流变化。
电力电子应用技术的学科类，包括各种形式电源技术应用、电力拖动技术的应用、电网电能质量提高技术与大功率电能输送技术的应用等等。
数学计算软件不断发展，为了准确建立系统模型和进行仿真分析，MathWorks在MATLAB中提供了系统模型图形输入与仿真工具一SIMULINK。
其有两个明显功能：
仿真与连接，即通过鼠标在模型窗口画出所系统的模型，然后可直接对系统仿真。
在1998年，MathWoIks推出了电力系统仿真的电力系统工具箱－PowerSystemBlockset（PSB）。
其中包括了电路仿真所需的各种元件模型，包括有电源模块、基础电路模块、电力电子模块、电机模块、连线器模块、检测模块以及附加功率模块等七种模块库。
每个模块库中包含各种基本元件模型，如电源模块中有直流电压、电流源，交流电压源、电流源，受控电压源、电流源等五种电源模型。
电力电子模块库包含了理想开关元件、晶闸管、功率场效应管、可关断晶闸管等多种功率开关元件模型；电机模块库中包含了各种电机模型。
如异步电动机、同步电动机、永磁同步电动机等。
只需将模块中的元件拖到SIMULINK窗口中，通过参数设置对话框设置参数就可以实现电路和电力系统的仿真了。
1.2MATLAB软件介绍
一、MATLAB基础知识
MATLAB软件语言系统是当今流行的第四代技术机语言，由于他在科学计算、数据分析、系统建模与仿真、图形图像处理、网络控制、自动控制、通信系统、DPS处理系统、航天航空、生物医学、财务、电子商务等不同领域的广泛应用以及自身的独特优势，目前MATLAB受到各领域的推崇和关注。
学习一种软件，首先需要了解他的特点、使用环境、最基本的使用方法和重要的操作技巧。
本章的目的在于使MATLAB软件的初学者，能够借助本章的学习，为深入理解后续章节的内容，奠定必要的知识与方法基础
二、MATLAB环境
MATLAB既是一种语言，又是一个编程环境。
这一节将集中介绍MATLAB提供的编程环境。
作为一个编程环境，MATLAB提供了很多便于用户管理变量、输入输出数据以及生成管理M文件的工具。
所谓M文件，就是用MATLAB语言编写的、可在MATLAB中运行的程序。
单击MATLAB的桌面快捷方式，可以直接启动MATLAB软件，启动后的MATLAB操作界面默认情况。
MATLAB最常用的窗口有命令窗口、历史命令窗口、工作空间器、内存数组编辑器，M文件编辑/调试器、帮助导航系统和开始按钮。
三、Simulink简介
SIMULINK是Mathworks公司开发的MATLAB仿真工具之一,其主要功能是实现动态系统建模﹑仿真与分析.SIMULINK支持线性系统仿真和非线性系统仿真;可以进行连续系统仿真,也可以进行离散系统仿真,或者两者混合的系统仿真;同时也支持具有多种采样速率的采样系统仿真.利用SIMULINK对系统进行仿真与分析,可以对系统进行适当的实时修正或者按照仿真的最佳效果来调试及确定控制系统的参数,以提高系统的性能,减少设计系统过程中反复修改时间,从而实现高效率地开发实际系统的目标.
SIMULINK最早出现在MATLAB4.0版的核心执行文件中.在MATLAB4.2版以后,SIMULINK则以MATLAB的工具包形式出现,需要单独安装.在MATLAB5.0版中,SIMULINK为2.0版,在MATLAB5.3版中,SIMULINK升级为3.0版,而在MATLAB6.1版中,SIMULINK则升级为4.1版.本书只对SIMULINK4.1版进行介绍.
SIMULINK4.1版是用来建模﹑分析和仿真各种动态系统的交互环境,包括连续系统﹑离散系统和混杂系统.SIMULINK提供了采用鼠标拖动的方法建立系统框图模型的图形交互界面.
SIMULINK提供了大量的功能模块以方便拥护快速地建立系统模型.建模时只需要使用鼠标拖动库中的功能模块并将它们连接起来.使用者可以通过将模块组成字子系统来建立多级模型.SIMULINK对模块和连接的数目没有限制.SIMULINK还支持Stateflow,用来仿真事件驱动过程.
SIMULINK框图提供了交互性很强的非线性仿真环境,可以通过下拉菜单执行仿真,或使用命令进行批处理.仿真结果可以在运行的同时通过示波器或图形窗口显示.
SIMULINK的开放式结构允许用户扩展仿真环境的功能.如用MATLAB﹑FORTRAN和C代码生成自定义块库,并拥有自己的图标和界面,或者将用户原来由FORTRAN或C语言编写的代码连接起来.
由于SIMULINK可以直接利用MATLAB的数学﹑图形和编程功能,用户可以直接在SIMULINK下完成数据分析﹑优化参数等工作.工具箱提供的高级的设计和分析能力可以通过SIMULINK的屏蔽手段在仿真过程中执行.SIMULINK的模型库可以通过专用元件集进一步扩展
图1-1Simulink6.3模块库浏览器17类基本模块库
第2章利用仿真软件实施的虚拟实验
2.1单相半波可控整流电路
仿真过程：
1.建立仿真模型
（1）首先我们新建一个仿真模型的文件。
方法跟实验一样。
文件名自己给定。
（2）提取电路元件模块。
组成单相半波可控整流电路的主要元器件有交流电源、晶闸管、RLC负载等。
提取路径基本上跟我们做的第一个实验是相同的，只是我们这里用到了交流电源（SimPowerSystems/ElectricalSources/ACVoltageSource）。
图2-1单向半波可控整流器原理图
图2.2单项半波可控整流的仿真模型
（3）将电路元件模块按单相半波可控整流的原理图连接起来组成仿真电路。
将元件调整的到合适的位置，有些器件需要多次用到的，可以点击该模块，然后按住鼠标右键直接拖到想要放置的地方就可以实现复制了。
连接好的电路如图2.2所示。
2.设置模型参数。
根据实验一的方法我们可以双击模块图标弹出的对话框来设置参数，本例中所设置的参数如下。
（1）交流电压源，电压为220V，频率为50Hz，初始相位为0度。
在电压设置中要输入的是电压峰值，在该栏中键如“220*sqrt
（2）”。
如果在对话框最后的测量旋转选中电压“voltage”，这样电压的数据可以送入多路测量器（Multimeter）。
这里我们不用设置这个，因为我们直接用了示波器进行观察波形。
（2）晶闸管的参数我们采用了默认的参数，也可以另外设置。
（3）负载RLC，当负载是电阻负载时，R=1,H=0,C=inf（无穷大）
（4）负载RLC为电阻电感负载时，R＝1，H＝0.01，C＝inf,关于负载的参数，这里是没有一定的规定的，可以根据需要修改。
3.仿真参数的设置，本例中我们设置仿真的终止时间为0.1S，算法ode23tb.通过仿真，我们给出几个特殊角度的波形图。
电阻负载30度电阻负载60度电阻负载90度
电阻电感30度电阻电感60度电阻电感90度
图2.3单相半波可控整流电路仿真曲线
到这里，我们基本上可以把单相半波可控整流的各个波形仿真出来了，观察波形，跟我们在实验室用示波器看到的还是基本上一致的。
2.2三相半波有源逆变电路
电阻负载：
一、仿真步骤
1．启动MATLAB，进入SIMULINK后新建一个仿真模型的新文件。
并布置好各元器件。
如下图所示：
图2.4三相半波有源逆变电路仿真模型
图2.5三相半波有源逆变实验原理图
2．参数设置。
电源参数设置：
电压设置为380V，频率设为50Hz。
要注意初相角的设置，a相的电压源设为0，b相的电压源设为-120，c相的电压源设为-240。
负载参数设置：
电阻设为1，电感为0，电容无穷大inf。
脉冲参数设置：
触发信号的参数设置是本例的难点。
本例中有三个触发脉冲，由电路原理可知触发角依次相差120度。
因为电源电压频率为50Hz，故周期设置为0.02s，脉宽可设为2，振幅设为5。
延迟角的设置要特别注意，在三相电路中，触发延时时间并不是直接从a换算过来，由于a角的零位定在自然换相角，所以在计算相位延时时间时要增加30度相位。
因此当a＝0度时，延时时间应设为0.0033。
其计算可按以下公式：
t=（α+30）T/360。
触发角a＝0度时，延迟角依次设置为：
0.00167，0.00837，0.01507
触发角a＝30度时，延迟角依次设置为：
0.0033，0.01，0.0167
触发角a＝45度时，延迟角依次设置为：
0.00417，0.01087，0.01757
触发角a＝60度时，延迟角依次设置为：
0.005，0.0117，0.0184
图2.6晶闸管参数设置对话框
二、模型仿真
设置好后，即可开始仿真。
选择算法为ode23tb，stoptime设为0.1。
点击开始控件。
仿真完成后就可以通过示波器来观察仿真的结果。
以下是分别在0度，30度，45度，60度时的仿真结果。
0度：
30度：
45度：
60度：
图2.7三相半波整流电路仿真曲线
电阻电感负载：
带电阻电感性负载的仿真与带电阻性负载的仿真方法基本相同，但须将RLC的串联分支设置为电阻电感负载。
本例中设置的电阻R＝1，L＝0.01H，电容为inf。
电阻电感负载分别在0度，30度，45度，60度时的仿真结果：
0度：
30度：
45度：
60度：
图2.8三相半波整流电路仿真曲线
2.3三相桥式全控整流电路
电阻负载：
一、仿真步骤
1．启动MATLAB，进入SIMULINK后新建一个仿真模型的新文件。
并布置好各元器件。
如下图所示：
图2.9三相桥式全控整流电路仿真模型
图2-10三相桥式全控整流电路试验原理图
2．参数设置。
电源参数设置：
电压设置为380V，频率设为50Hz。
要注意初相角的设置，a相的电压源设为0，b相的电压源设为-120，c相的电压源设为-240。
负载参数设置：
电阻设为1，电感为0，电容无穷大inf。
通用变换器桥的设置：
（1），模块的功能：
通用变换器桥模块是由6个功率开关元件组成的桥式通用三相变换器模块。
功率电子元件的类别和变换器的结构可通过对话框进行选择。
功率电子元件和变换器的类型有Diode桥、Thyristor桥、MOSFET-Diode桥、IGBT－Diode桥、IdealSwitch桥，桥的结构有单相、两相和三相。
（2），仿真模块的图标、输入和输出。
通用变换器桥模块的图标如右图所示。
模块的输入和输出取决于所选择的变换器桥的结构。
当A、B、C被选择为输入端，则直流DC（+，-）端就是输出端。
当A、B、C被选择为输出端，则直流DC（+，-）端就是输入端。
除二极管桥外，其它桥的“g（pulse）”输入端可接受来自外部模块的触发信号。
（3），通用变换器桥仿真模块的参数：
本例中个参数设置如下图。
图2.11参数设置对话框
（4），同步6脉冲触发器的参数设置
该模块有5个输入端，其图标如图所示。
“alpha_deg”是移相控制角信号输入端，单位为度。
该输入端可与“常数”模块相连，也可与控制系统中的控制器输出端相连，从而对触发脉冲进行移相控制。
输入端AB、BC、CA是同步线电压的输入端，同步线电压就是连到三相交流电压的线电压。
输入端Block为触发器模块的使能端，用与触发器模块的开通与封锁操作，当施加大于0的信号时，触发脉冲被封锁。
该模块为一个六维脉冲向量，它包含6个触发脉冲，移相控制角的起始点为同步电压的零点，pulses为输出触发信号端。
同步6脉冲触发器参数设置对话框如果所示，可以设置同步电压的频率跟脉冲宽度，如果勾选了“Doublepulsing”触发器就能给出间隔60度的双脉冲。
图2.12参数设置对话框
（5），常数模块参数设置：
常数模块图标如右图所示，该模块只有一个输出端，在本例中只要改变对话框中数值的大小，即可改变触发控制角的大小。
其参数对话框如下所示。
图2.13参数设置
二、模型仿真
设置好后，即可开始仿真。
选择算法为ode23tb，stoptime设为0.1。
点击开始控件。
仿真完成后就可以通过示波器来观察仿真的结果。
以下是分别在0度，30度，45度，60度时的仿真结果。
0度：
30度：
45度：
60度：
图2.14三相桥式全控整流电路仿真曲线
电阻电感负载：
带电阻电感性负载的仿真与带电阻性负载的仿真方法基本相同，但须将RLC的串联分支设置为电阻电感负载。
本例中设置的电阻R＝45，L＝1H，电容为inf。
电阻电感负载分别在0度，30度，45度，60度时的仿真结果：
0度：
30度：
45度：
60度：
图2.15三相桥式全控整流电路仿真曲线
第3章利用仿真软件实施的辅助设计
3.1三相异步电机调压调速系统的仿真
的变化范围不大，调速范围很小。
交流电机开环调速系统的稳速精度也不高，所以这种开环调压调速系统应用不多，只作为讨论闭环调压调速系统的仿真基础。
实验原理：
调压调速即通过调节通入异步电动机的三相交流电压大小来调节
转子转速的方法。
理论依据来自异步电动机的机械特性方程式:
其中,p为电机的极对数；w1为定子电源角速度；U1为定子电源相电压；R2’为折算到定子侧的每相转子电阻；R1为每相定子电阻；L11为每相定子漏感；L12为折算到定子侧的每相转子漏感；S为转差率。
图3.1异步电动机在不同电压的机械特性
由电机原理可知：
当转差率s基本保持不变时，电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比。
因此，改变定子电压就可以得到不同的人为机械特性，从而达到调节电动机转速的目的。
1、调压电路
改变加在定子上的电压是通过交流调压器实现的。
目前广泛采用的交流调压器由晶闸管等器件组成。
它是将三个双向晶闸管分别接到三相交流电源与三相定子绕组之间通过调整晶闸管导通角的大小来调节加到定子绕组两端的端电压。
这里采用三相全波星型联接的调压电路。
图3.2调压电路原理图
2、开环调压调速
开环系统的主电路由触发电路、调压电路、电机组成。
原理图如下：
图3.3开环调压系统原理图
AT为触发装置，用于调节控制角的大小来控制晶闸管的导通角，控制晶闸管输出电压来调节加在定子绕组上的电压大小。
3、闭环调压调速
速度负反馈闭环调压调速系统的工作原理：
将速度给定值与速度反馈值进行比较，比较后经速度调节器得到控制电压，再将此控制电压输入到触发装置，由触发装置输出来控制晶闸管的导通角，以控制晶闸管输出电压的高低，从而调节了加在定子绕组上的电压的大小。
因此，改变了速度给定值就改变了电动机的转速。
由于采用了速度负反馈从而实现了平稳、平滑的无级调速。
同时当负载发生变化时，通过速度负反馈，能自动调整加在电动机定子绕组上的电压大小。
由速度调节器输出的控制电压使晶闸管触发脉冲前移，使调压器的输出电
压提高，导致电动机的输出转矩增大，从而使速度回升，接近给定值。
图4闭环调速结构图
图5闭环调速系统原理图
五、仿真内容
1、调压电路
（1）调压电器的仿真模型
图3.6（a）利用单个晶闸管元器件搭建的三相交流调压器的仿真模型
（b）图的封装模型
2）、调压电路的搭建
图3.7调压电路模型
（3）参数的设定
Frequencyofsynchronizationvoltages（hz）：
同步电压频率（赫兹）50Hz，Pulse，width（degrees）：
触发脉冲宽度（角度）10，Doublepulsing：
双脉冲出发选择。
RLC负载的参数设定：
电阻100Ω，电感0H，电容的值为inf，UA：
峰值220v,f为50Hz,初相位为0°UB：
峰值220v,f为50Hz,初相位为-120°UC：
峰值220v,f为50Hz,初相位为-240°
（4）电阻负载的仿真图形
（a）触发角α为45°（b）触发角α为60°
图3.8三相交流调压器的输出电压波形
在电阻负载时三相交流调压器的输出电压仿真结果如图8所示。
其中图8a为α=45°时调压器输出的波形，图8b所示为α=60°时调压器输出的波形。
通过比较a）和b）可以发现，随着触发角的增加，同时有三个晶闸管导通的区间逐步减小，到α>=60°时，任何晶闸管都只有两相晶闸管导通。
2、异步电动机带风机泵类负载开环调压调速模块
（1）参数设定
由公式Tz=kn²可推出k=Tz/n²电机参数额电压220v频率为60Hz极对数为2对，容量为2238VA同步转速为1800转/分钟可以计算k=0.000003665，UA：
峰值180v,f为60Hz,初相位为0°，UB：
峰值180v,f为60Hz,初相位为-120°，UC：
峰值180v,f为60Hz,初相位为-240°。
图3.9开环系统仿真模型
1）触发角α为60°时得到的转速
图3.10α=60°时电机转速变化的过程
由图中可以观察到当触发角为60°时，转速稳定在1712转/分钟，转速在0.9s时达到稳定状态。
2）触发角α为75°时得到的转速
图3.11α=75°时电机转速变化的过程
由图中可以观察到当触发角为75°时，转速稳定在1660转/分钟，转速在1.6s时达到稳定状态。
分析：
通过比较图3.10和图3.11的触发角α为60°和80°时可以发现：
随着α的增大，使得输出电压降低，使转速下降，从而达到调速的目的。
3）改变电源电压：
电源电压为150v,触
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