北京交通大学 电气工程学院 计算机仿真 大作业.docx

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北京交通大学电气工程学院计算机仿真大作业

学院电气工程学院班级电气班学号姓名

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北京交通大学2012-2013学年第二学期考试试题

课程名称：

计算机仿真技术

北京交通大学

电气班

姓名：

学号：

题目：

12脉波整流电路仿真

三相桥式全控整流电路是应用广泛的整流电路，完整的三相桥式全控整流电路由整流变压器、晶闸管整流桥、负载、脉冲触发器和同步环节等组成。

传统的6脉波全控整流电路交流侧存在较大的谐波电流。

为了获得较好的谐波特性，可以采用多脉波整流电路，如下图中所示的典型12脉波全桥整流电路。

电路基本参数：

三相电网电压10kV；整流变压器变比10kV/380V50Hz，副边两个绕组的相位相差30度；两组整流桥输出正端各接5mH电感后并联；负载为阻感性负载，电阻R＝1欧姆，电感L＝50mH；仿真时间1s。

1、12脉波整流电路建模（10分）

根据题目给出的主电路和基本参数，建立完整的12脉波整流电路的模型，即包括主电路、同步电路、触发脉冲电路、仿真结果测量及显示电路等，给出建模思路说明和主要元器件参数设置说明。

解：

在1000KW以上的大功率系统中，常采用双十三桥构成的十二相整流电路。

对于晶闸管-直流电动机系统，为了克服电压或电流脉动对生产机械造成的损害，也常常采取增加整流电路的相数，而采用十二相整流电路。

仿真电路图如下所示。

电源选择线电压10kV，频率50Hz。

三相变压器2绕组选择Y接，3绕组选择D1接。

在这里要注意，要和触发器的D1选择相同，不然会出现触发错误的现象。

变压器的变比为10kV/380V/380V，为了忽略电感带来的换向重叠，使直流电压下降，所以将绕组的电感设为0。

2、12脉波整流电路开环仿真（15分）

（1）要求输出的负载平均电压为300V，根据直流电压平均值与触发角的关系，估算触发角，给出估算依据和说明。

（2）设置整流桥的触发角，进行仿真。

给出两组整流桥A相下桥臂晶闸管触发脉冲、A相同步电压信号的波形，要求在同一示波器下显示。

（3）采用POWERGUI模块（或其他模块）对三相电网中的电流、一个整流桥的三相电流进行分析，分别记录从0.5s开始的一个基波周期的电流波形及FFT分析图，分析比较12脉波整流电路与6脉波整流电路的谐波电流及THD特性。

解：

（1）由于电源并联输出电压不变，所以输入电压与输出电压的关系可以用三相全控整流桥公式得出，即

，所以

，实际仿真中测试的角度为

，当角度为

时，输出电压平均值为300V，以下的仿真均是在角度为

时的运行的。

负载R上的电压波形如图所示。

可以看出，负载R上的电压平直，为300V，并且基本无波动，说明副边的电流也基本为恒定，等效为直流源。

12脉波整流电路的直流侧输出电压Ud（R+L的电压）如下图所示。

输出电压波动范围为200V—400V，约有200V的电压波动。

直流侧输出电压的细节如下所示。

输出电压平均值为300V。

对比三相全控整流桥，三相全控整流桥的直流侧输出波形如下所示。

输出电压波动范围为50V—490V，约有440V的电压波动。

下图为三相全控整流电路输出电压的细节图。

由图可以看出，带平衡电抗器的12脉相控整流电路的电压脉动明显小于三相全控整流电路，电压的谐波分量明显减小，适合带对电压质量要求高的负载。

不接平衡电抗器时L时，同双反星形电路一样，两组桥不能同时向负载供电，而只能交替地向负载供电，不过交替的间隔是π/6。

接入平衡电抗器L后，当1组桥的瞬时电压高于2组桥的瞬时电压，并同时伴有整流电流输出时，会在平衡电抗器的两端产生感应电动势，其一半减小1组桥的电动势，另一半则增加2组桥的电动势，通过电抗器的平衡作用，同时维持两组桥都工作在三相全控桥相控整流状态。

当1组桥的瞬时线电压等于2组桥的瞬时线电压时，两组桥并联运行，此时在平衡电抗器上产生的感应电动势为零。

之后当2组桥的瞬时线电压大于1组桥的瞬时线电压时，则平衡电抗器上产生的感应电动势极性相反，继续维持两桥正常导通。

（2）从上到下依次为：

绕组2的A相电压，绕组2的AB线电压，绕组2对应整流桥的A相下管触发信号，绕组3的AB线电压，绕组3对应整流桥的A相下管的触发信号。

可以看出，D1接绕组比Y接绕组滞后了30度，同时对应的触发信号也比Y接的触发信号滞后了30度。

（3）使用powergui进行FFT分析图，设置为离散模式，取样时间为0.00005s。

下列仿真波形依次为：

1带平波电抗器的12脉波全控整流电路绕组2（副边Y接绕组）的a相电流

2三相全控相控整流电路的交流侧A相电流

3带平波电抗器的12脉波全控整流电路高压侧A相电流

①下图为绕组2的A相的电流波形。

与三相全控的一相电流波形相似，只是在最高点有波动。

傅立叶频谱分析如下。

最低次谐波为300Hz，是基波的6倍频。

THD=31.42%。

2三相全控相控整流电路的交流侧A相电流波形图如下所示。

为阶梯波，在最点无抖动。

傅立叶分析如下图所示。

最低次谐波为300Hz，是基波的6倍频。

THD=31.12%。

其频谱和带平波电抗器的12脉波全控整流电路绕组2（副边Y接绕组）的a相电流相似，高频谐波下降的速率较慢，所占成分比较多，对电路谐波干扰更大。

3带平波电抗器的12脉波全控整流电路高压侧A相电流波形图如下所示。

可以看出，A相电流波形已经和正弦波形基本类似，电流的纹波明显变小。

傅立叶分析图如下所示。

对A相电流进行分析：

假设直流侧为大电感负载，电流恒定，则

的傅立叶级数表达式为

绕组a、b的相电流

、

为

由于三项对称，

绕组c相电流

故

则

由于

若一次绕组

则一次测A相电流应为

由此可得

所以，带平衡电抗器的双三相桥式12脉波整流桥电路交流电源中只含有12K

1次谐波电流，最低次谐波电流为11次，而三相桥6脉波整流电路交流电源中含有6K

1次谐波电流，最低次谐波电流为5次。

从图中也可以明显看出，最低次谐波出现在550Hz，THD=6.54%明显变小，谐波的次数增大并且比重变小，变得更容易滤除，对设备的干扰更小。

所以12脉波整流电路可以明显改善电流波形，提高了电流的质量。

3、12脉波整流电路闭环仿真（10分）

采用电流闭环控制，使两组整流桥输出的电流都为100A。

说明相关参数，分别给出两组整流桥的电流输出波形、交流侧输入电流波形、10kV电网电流波形。

电流闭环控制框图如下图所示。

解：

闭环仿真电路图如下所示。

不加PI控制前，假设两路的输出电流为100A时，总输出电流为200A，输出电压为200V，通过计算得出，控制角度为67度。

则以67度为基准值进行仿真。

则设计思路为：

使指令电流信号为100A，与反馈叠加，通过PI控制器后，添加67度的偏移量（即两组电路的基准值。

如果不加基准值，运行仿真后，系统也可以自动找到平衡的触发角，也可以完成仿真波形，加入67度是初始给系统一个角度定位，使系统仿真速度更快，其余波形没有差别），完成控制环节。

两个PI控制器参数相同，设置如下：

Kp为0.7，Ki为10。

运行仿真，负载R上通过的电流如图所示。

可以看到电流在0.1s左右有超调尖峰，然后平滑下降，稳定在200A。

两路输出电流（L1、L2上流过的电流）如图所示。

电流在0.2s就达到稳定，在100A附近波动，波动范围是80A—120A。

下图为两路输出电流互补，叠加以后流过负载，可以看到，输出到负载上的电流维持在200A不变。

输出电流的平均值如下所示，两路电流的平均值均在100A左右，说明调节基本达到要求。

下图为没有经过PI调节的通过L1、L2的电流，可以看到，电流在3s时仍然不稳定，L1路仍然有下降的趋势，L2路有上升的趋势。

从两路的输出电流平均值可以看出，两路电流并不是100A和100A的关系，而是69.96A和130.4A的关系，两路所承担的电流值不想等，这会使绕组3上承担更多的电流负担，并且减少了绕组2利用率。

下面对比有PI和无PI控制时的三项绕组原边和两个副边的相电流。

下图为添加PI控制器的相电流波形。

从上到下的电流依次为原边A相电流IA，绕组2a相流过的电流Ian_w2，绕组3a端输出电流Ian_w3。

下图为三个相电流的细节图。

可以看出，绕组2a相流过的电流Ian_w2和绕组3a端输出电流Ian_w3的波形基本相同，幅值一致，两绕组承担的电流负担相同。

下图为没有添加PI控制器的相电流波形。

从上到下的电流依次为原边A相电流IA，绕组2a相流过的电流Ian_w2，绕组3a端输出电流Ian_w3。

可以看出，绕组2和绕组3的电流波形在3s还未稳定，绕组2相电流有减小趋势，绕组3电流有增大趋势。

从细节图可以看出绕组2和绕组3的相电流的幅值相差很多，峰值绕组2为90A，绕组3为140A。

通过相电流波形也可以看出，绕组2和绕组3的电流负担不同，一个承担了过多的负担，一个利用率不足。

对控制角度进行跟踪，可以看到触发角度，并不是稳定不动，而是不断在变化。

这说明角度随着输出的变化，也在调节中，才使得两路的输出电流各保持在100A。

可以看到，触发角也基本互补变化，变化角度在65度—95度。

角度的平均值都为79度左右。

不用PI控制直接将角度设为79度，直流侧L1、L2输出波形如下。

电流已经非常不平均。

L1支路（即绕组2电流）基本上承担了所有的电流量，L2支路基本没有电流流过。

由以上仿真结果可以看出，加入PI控制后，可以实现对触发角的动态控制，从而控制了直流侧两路电流的平均值，使电流更均匀，保证了两绕组的利用率。

4、总结与体会（5分）

总结仿真中遇到的问题，以及对本门课程的心得体会等。

答：

我认为计算机仿真是一门非常实用的课程，我们学习计算机仿真的同时，正好也同时在学习电力电力课程，最直接的收益就是，做完了计算机仿真，对电力电子技术的理解就加深了，理解起来也更加容易了。

计算机仿真最重要的事情，就是一定要亲自动手去做。

这些仿真模型的建立、参数的设定、波形的分析能力，都是需要亲自去搭建、去设置、去计算才能学会的，平时不努力，只靠拷贝别人的仿真结果，是不可能学会、学好学一门课程的，最重要的学不会这样一个实用的、对以后都有帮助的仿真技术。

仿真的过程中，总是遇到各种各样的问题。

就拿大作业来说，刚开始仿真显示的平均值总是不对，和理论计算的结果总是有很大差距，我抱着电力电子课本研究了一下午，也找不出来问题。

最后终于发现，是平均值的模块Inmean选择错误，应该选择Discrete离散模块。

使用离散模型后，结果就准确的显示了出来。

有时候遇到问题，而老师不在身边，我也会利用XX等工具，更加深入的了解simulink的一些仿真功能，完成所需的仿真。

最后感谢老师对我们耐心的指导，除了上课之外，在周三下午答疑时会耐心的在机房给我们解答问题，使我们可以快速准确的完成仿真。

我相信学习的这门技术，一定会陪伴我走很远，在我以后的学习工作中，一定会经常和它见面的。

这门课学的很开心，也很有意思。

再次谢谢老师的指导。