直流交流调速系统仿真实验.docx
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直流交流调速系统仿真实验
目录
第1章MATLAB基础………………………………………………………………2
第2章SIMULINK环境和模型库………………………………………………3
第3章三相桥式全控整流电路基本原理原理………………………………6
第4章三相逆变桥原理…………………………………………………………7
第5章PWM控制技术原理………………………………………………………10
第6章脉冲触发器……………………………………………………………13
第7章直流调速系统的仿真…………………………………………………14
第8章交流调速系统的仿真………………………………………………………18
主要参考文献……………………………………………………………………23
第一章MATLAB基础
1.1MATLAB介绍
MATLAB是一种科学计算软件。
MATLAB是MatrixLaboratory（矩阵实验室）的缩写，这是一种以矩阵为基础的交互式程序计算语言。
早期的MATLAB主要用于解决科学和工程的复杂数学计算问题。
由于它使用方便、输入便捷、运算、高效、适应科技人员的思维方式，并且有绘图功能，有用户自行扩展的空间，因此特别受到用户的欢迎，使它成为在科技界广为使用的软件，也是国内外高校教学和科学研究的常用软件。
MATLAB由美国Mathworks公司于1984年开始推出，历经升级，到2001年已经有了6.0版，现在MATLAB6.1、6.5、7.0版都已相继面世。
早期的MATLAB在DOS环境下运行，1990年推出了Windows版本。
1993年，Mathworks公司又推出了MATLAB的微机版，充分支持在MicrosoftWindows界面下的编程，它的功能越来越强大，在科技和工程界广为传播，是各种科学计算软件中使用频率最高的软件。
MATLAB比较易学，它只有一种数据类型（即64位双精度二进制），一种标准的输入输出语句，它用解释方式工作，不需要编译，一般人门后经过自学就可以掌握。
如果有不清楚的地方，可以通过它的帮助（help）和演示（demo）功能得到启示。
学习MATLAB的难点在于，它有大量函数，这些MATLAB函数仅基本部分就有700多个，其中常用的有200-300个，掌握和记忆起来都比较困难。
1993年出现了SIMULINK，这是基于框图的仿真平台，SIMULINK挂接在MATLAB环境上，以MATLAB的强大计算功能为基础，以直观的模块框图进行仿真和计算。
SIMULINK提供了各种仿真工具，尤其是它不断扩展的、内容丰富的模块库，为系统的仿真提供了极大便利。
在SIMULINK平台上，拖拉和连接典型模块就可以绘制仿真对象的模型框图，并对模型进行仿真。
在SIMULINK平台上，仿真模型的可读性很强，这就避免了在MATLAB窗口使用MATLAB命令和函数仿真时，需要熟悉记忆大量M函数的麻烦，对广大工程技术人员来说，这无疑是最好的福音。
现在的MATLAB都同时捆绑了SIMULINK，SIMULINK的版本也在不断地升级，从1993年的MATLAB4.0/SIMULINK1.0版到2001年的MATLAB6.1/SIMULINK4.1版，2002年即推出了MATLAB6.5/SIMULINK5.0版。
MATLAB已经不再是单纯的"矩阵实验室"了，它已经成为一个高级计算和仿真平台。
SIMULINK原本是为控制系统的仿真而建立的工具箱，在使用中易编程、易拓展，并且可以解决MATLAB不易解决的非线性、变系数等问题。
它能支持连续系统和离散系统的仿真，支持连续离散混合系统的仿真，也支持线性和非线性系统的仿真，并且支持多种采样频率（Multirate）系统的仿真，也就是不同的系统能以不同的采样频率组合，这样就可以仿真较大、较复杂的系统。
因此，各科学领域根据自己的仿真需要，以MATLAB为基础，开发了大量的专用仿真程序，并把这些程序以模块的形式都放入SIMULINK中，形成了模块库。
SIMU-LINK的模块库实际上就是用MATLAB基本语句编写的子程序集。
现在SIMULINK模块库有三级树状的子目录，在一级目录下就包含了SIMULINK最早开发的数学计算工具箱、控制系统工具箱的内容，之后开发的信号处理工具箱（DSPBlocks）、通信系统工具箱（Comm）等也并行列入模块库的一级子目录，逐级打开模块库浏览器（SIMULINKLibraryBrowser）的目录，就可以看到这些模块。
从SIMULINK4.1版开始，有了电力系统模块库（PowerSystemBlockset），该模块库主要由加拿大HydroQuebec和TECSIMIr阳口lational公司共同开发。
在SIMU-LINK环境下用电力系统模块库的模块，可以方便地进行RLC电路、电力电子电路、电机控制系统和电力系统的仿真。
本书中电力电子和电力拖动控制系统的仿真就是在MATLAB/SIMULINK环境下，主要使用电力系统模块库和SIMULINK两个模块库进行。
通过电力电子电路和电机控制系统的仿真，不仅展示了MATLAB/SIMULINK的强大功能，并且可以学习控制系统仿真的方法和技巧，研究电路和系统的原理和性能。
由于SIMULINK和MATLAB的密切依存关系，在介绍SIMULINK之前，必须首先介绍MATLAB。
MATLAB的一些基本命令和函数，尤其是MATLAB的绘图功能，是在电力电子电路和电力拖动控制系统的仿真中要经常使用的。
但是本书主要是介绍电力电子电路和电力拖动控制系统的仿真，因此对MATLAB只介绍与本书有关的内容。
MATLAB功能强大，有关MATLAB的书刊已经很多，对MATLAB更深入的要求，可以阅读其他介绍MATLAB的书籍。
第2章SIMULINK环境和模型库
MATLAB的SIMULINK是很有特色的仿真环境，在此环境中，用户可以用点击拖动鼠标的方式绘制和组织系统或电路，并完成对系统和电路的仿真O原来的MATLAB仿真编程是在文本窗口中进行的，编制的程序是一行行的命令和MATLAB函数，不直观也难以与实际的物理系统或电路建立形象的联系。
在SIMULINK环境中，系统的函数和电路元器件的模型都用框图来表达，框图之间的连线则表示了信号流动的方向。
对用户来说，只要学习图形界面的使用方法和熟悉模型库的内容，就可以很方便地使用鼠标和键盘进行系统和电路的仿真，而不必去记那些复杂的函数，这无疑是受欢迎的。
MATLAB的工具箱已经有极其丰富的内涵，现在结合本书的内容，主要介绍SIMULINK工作环境和系统仿真（SIMULINK）和电力系统（PowerSystemBlock）两个模理库。
2.1系统仿真（SIMULINK）环境
系统仿真（SIMULINK）环境也称工具箱（Toolbox），是MATLAB最早开发的，它包括SIMULINK仿真平台和系统仿真模型库两部分，主要用于仿真以数学函数和传递函数表达的系统，是20世纪70年代开发的连续系统仿真程序包（CCS）的继续，现在的系统仿真（SIMULINK）包括了连续系统、非线性系统和离散系统的仿真。
由于SIMULINK的仿真平台使用方便、功能强大，后来拓展的其他模型库也都共同使用这个仿真环境，成为MATLAB仿真的公共平台。
SIMULINK是Simulation和Link两个英文单词的缩写，意思是仿真链接，MATLAB模型库都在此环境中使用，从模型库中提取模型放到SIMULINK的仿真平台上进行仿真。
所以，有关SIMULINK的操作是仿真应用的基础。
SIMULINK作为面向系统框图的仿真平台，它具有如下特点:
（1）以调用模块代替程序的编写，以模块连成的框图表示系统，点击模块即可以输入模块参数。
以框图表示的系统应包括输入（激励源）、输出（观测仪器）和组成系统本身的模块。
（2）画完系统框图，设置好仿真参数，即可启动仿真。
这时，会自动完成仿真系统的初始化过程，将系统框图转换为仿真的数学方程，建立仿真的数据结构，并计算系统在给定激励下的响应。
（3）系统运行的状态和结果可以通过波形和曲线观察，这和实验室中用示波器观察的效果几乎一致。
（4）系统仿真的数据可以用以.mat为后缀的文件保存，并且可以用其他数据处理软件进行处理。
（5）如果系统框图绘制不完整或仿真过程中出现计算不收敛的情况，会给出一定的出错提示信息，但是这提示不一定准确，这是软件还不够完备的地方。
（6）以框图形式对控制系统进行仿真是SIMULINK的最早功能，后来在SIMULINK的基础上叉开发了数字信号处理、通信系统、电力系统、模糊控制等数10种模型库，但是SIMULINK的窗口界面是其他工具箱共用的平台，在此平台上可以进行控制系统、电力系统、通信系统等各种系统的仿真。
2.2SIMULINK模型库中的模块
在模型浏览器中属于SIMULINK名下的模型有9大类，其中激励源模型库（Sources）和仪器仪表库（Sinks）是比较特殊的，这两个模型库里面的模块前者只有输出端口，后者只有输入端口。
其他模型库的模块都同时有输入和输出两种端口，这些模块用来组成仿真系统的本体，而激励源模型库的模块则用来为仿真系统提供各种输入信号，仪器仪表库的模块则用于观测或记录系统在输入信号作用下产生的响应。
以下分别介绍各模型库中包含的典型环节模块。
2.2.1连续系统模块库
连续系统（Continuous）模块库包含的模块中，各模块主要功能见表2-7。
该模块库主要用来构建连续控制系统的仿真模型，模块的详细使用方法可以查看帮助文件。
2.2.2离散系统模块库
离散系统（Discrete）模块库中包含的模块见表2-8，模块主要功能见表2-9。
离散系统模块库功能基本上与连续系统模块库相对应，只不过离散系统模块库是对离散信号的处理。
2.2.3函数与表格模块库
使用函数与表格（Functions&Tables）模块库内的模块可以在系统模型中插入M函数、S函数，以及各种方式建立的表格，使系统的仿真功能更强大。
库中包含的模块见表二10，模块的主要功能说明见表2-11a该模块库还不断有所增加。
2.2.4数学运算模块库
数学运算（Math）模块库中的模块用来完成各种数学运算，包括加、减、乘、除以及复数计算、逻辑运算等等。
模块图标与名称见表2-12，模块主要功能见表2-13。
2.2.5非线性系统模块库
非线性系统（Nonlinear）模块库中的模块用于模拟各种非线性环节，模块图标与名称及其主要功能分别见表2-14和表2-15
2.2.6信号与系统模块库
信号与系统（Signals&System）模块库的模块图标与名称及其主要功能见表2-16和表2-17。
该模块岸有强大的功能，使用该模块库模块，可以进行复杂系统的仿真。
2.2.7仪器仪表模块库
仪器仪表（Sinks）模块库有九种显示和记录仪器仪表，用于观察信号波形或记录信号。
仪器仪表模块库中的模块图标与名称及其主要功能见表2-18和表2-19。
2.2.8信号源模块库
信号源（Sources）模块库提供了多达14种的信号发生器，用于产生系统的激励信号，并且可以从工作间或.mat文件读入信号数据。
信号掠模块库的模块图标与名称及其主要功能分别见表2-20和表2-21。
2.2.9子系统模块库
子系统（Subsystem）模块库包括了许多按条件判断执行的模块，这里就不详细叙述了。
2.3电力系统模型库
电力系统模型库（PowerSystemBlockset）是专用于RLC电路、电力电子电路、电机传动控制系统和电力系统仿真用的模型库。
模型库中包含了各种交直流电源、大量电气元器件和电工测量仪表等。
利用这些模型可以模拟由电阻、电感、电容组成的电路，含电力电子器件的开关、整流和逆变、变频等装置，以及电力系统运行和故障的各种状态。
在电力电子电路和电力拖动控制系统的仿真中将主要使用该模型库的模型。
电力系统模型库模块的使用与SIMULINK模块的使用不同，电力系统模型库的模块必须连接在回路中使用，因此每个模块都有输入端和输出端，在回路中流动的是电流，并且电流通过每个电气元器件时产生电压降。
SIMULINK模块组成的是信号流程，流入流出模块的信号没有特定的物理含义，其含义要视仿真模型的对象而定。
由电力系统模型库模块组成的电路和系统可以和SIMULINK模型库中的控制单元连接、组合成控制系统，研究和观察在不同控制方案下系统的稳态和动态响应，为系统的设计提供依据。
电力系统模型库中包含了7个子模型库（见图2-26），其中ExtraLibrary（其他电气子模型库）还包含了六个二级子模型库（见图2-27）。
以下分别介绍各模型库中的模块及其简要功能。
2.3.1电源模块库
电源（ElectricalSources）模块库包含了电路和电力系统中使用的交流、直流电源，并且还有两个受控源，受控源输出的电压或电流可以受输入信号的控制。
电源模块库中的模块图标与名称及其主要功能见表2-22和表2-23。
2.3.2电器元件模块库
电器元件（Elements）模块库包含了各种常用的电器和电路元件的模型，如开关、变压器、电阻、电感和电容等。
其中电阻、电感和电容以串联或并联的组合形式给出，可以通过参数的设置得到单个的或者两、三个电阻、电感或电容的组合，并且电阻、电感和电容的串并联模块元件的参数还有两种。
变压器有普通线性变压器和带饱和特性的变压器，三相、单相变压器等多种形式模块，可供不同的仿真要求选用。
电器元件库中的模块图标与名称及其主要功能分别见表2-24和表2-25。
2.3.3电机模块库
电机（Machines）模块库提供了9种直流电机、交流异步电机和同步电机的模型，电机的参数单位有标么值单位和标准单位制两种。
并且如果电机的负载转矩大于电磁转矩，则电机则工作于发电状态;如果电机的负载转矩小于电磁转矩，则电机则工作于电动状态，所以电机模块既可以用作电动机，也可以作发电机用。
电机模型库中还有励磁模块，汽轮机和水轮机的模型，以便组成同步机系统使用。
电机模型库中有一个测量单元，测量单元是通用的，用来观测同步机和异步机的运行参数。
电机模块图标与名称及其主要功能分别见表2-26和表2-27。
2.3.4电力电子元件模块库
电力电子元件（PowerElectronics）模块库包含了常用的晶闸管、可关断晶闸管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管等模型，还有一个多功能桥模块。
电力电子元件模块图标与名称及其主要功能见表2-28和表2-29
2.3.5连接件模块库
电力系统模型库中的模块连接有特殊要求，例如两个模块的输出端不能直接相连，需要使用连接件才能进行连接，连接件（Connectors）模块库则提供了组织电力电子仿真线路的各种连接件。
连接件模块图标与名称见表2-30，模块的主要功能见表2-31。
2.3.6测量仪自模块库
测量仪器（Measurements）模块库中的模块用于电压、电流和阻抗的测量。
与名称及其主要功能见表2-32和表2-33。
2.3.7其他电气模块库
其他电气模块库（ExtraLibrary）收入了没有包括在上述的6个模型库中的其他电气元器件模型，使用这些模型可以使电力系统仿真的功能更丰富O其他电下面主要介气模块库又包含了6个子库集，这6个子库的名称与内容见表2-34绍其他电气模块库中连续系统仿真的子模块，而离散化模块的功能与其相对应的连续系统模块的功能是基本相同的。
2.3.7.1控制模块子集
控制模块（ControlBlocks）子集中包含了6种驱动模块和信号模块。
控制模块子集中的模块图标与名称及其主要功能见表2-35和表2-36。
2.3.7.2测量模块子集
测量模块（Measurements）子集是对测量仪器库模块的扩充。
测量模块子集模块中的模块图标与名称及其主要功能见表2-37和表2-38。
2.3.7.3三相模型子集
三相模型（Three-phaseLibrary）子集的模块主要使用在三相电路中，其中包括了三相电阻、电感、电容、兰相断路器和各种三相变压器的模块，该子集中的模块图标与名称及其功能见表2-39和表2-40。
第3章三相桥式全控整流电路基本原理
3.1三相桥式全控整流电路基本原理
三相桥式全控整流电路图是应用最为广泛的整流电路，其电路图如下：
图3.1
三相桥式全控整流电路的特点：
一般变压器一次侧接成三角型，二次侧接成星型，晶闸管分共阴极和共阳极。
一般1、3、5为共阴极，2、4、6为共阳极。
①2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。
②对触发脉冲的要求：
1）按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。
2）共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。
3）同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。
③Ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。
④需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲，可采用两种方法：
一种是宽脉冲触发一种是双脉冲触发（常用）
⑤晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。
带电阻负载时的工作情况：
（1）当a≤60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续
波形图：
a=0（图1）、a=30（图2）、a=60（图3）
（2）当a>60时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不能出现负值
波形图：
a=90（图4）
（3）带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120
晶闸管及输出整流电压的情况如表1所示：
表1
时段
共阴级组中导通的晶闸管
VT1
VT1
VT3
VT3
VT5
VT5
共阴级组中导通的晶闸管
VT6
VT2
VT2
VT4
VT4
VT6
整流输出电压
ua-ub=uab
ua-uc=uac
ub-uc=ubc
ub-ua=uba
uc-ua=uca
uc-ub=ucb
第4章三相逆变桥原理
三相桥式逆变电路如图3-1所示，图中应用GTO作为逆变开关，也可用其它全控型器件构成逆变器，若用晶闸管时，还应有强迫换流电路。
图3-1
从电路结构上看，如果把三相负载看成三相整流变压器的三个绕组，那么三相桥式逆变电路犹如三相桥式可控整流电路与三相二极管整流电路的反并联，其中可控电路用来实现直流到交流的逆变，不可控电路为感性负载电流提供续流回路，完成无功能量的续流和反馈，因此D1～D6称为续流二极管或反馈二极管。
在三相桥式逆变电路中，各管的导通次序同整流电路一样，也是T1、T2、T3……T6、T1……各管的触发信号依次互差60。
根据各管的导通时间可以分为180导通型和120导通型两种工作方式，在180导通型的逆变电路中，任意瞬间都有三只管子导通，各管导通时间为180，同一桥臂中上下两只管子轮流导通，称为互补管。
在120导通型逆变电路中，各管导通120，任意瞬间只有不同相的两只管子导通，同一桥臂中的两只管子不是瞬时互补导通，而是有60的间隙时间，当某相中没有逆变管导通时，其感性电流经该相中的二极管流通。
导通方式及基本参数在180导通型的三相逆变器中，每隔60的各阶段其等效电路及相应相电压、线电压数值如图3-2所示。
图3-2
根据图3-2中各阶段的相电压数值，可以得出任何一相的相电压波形为六阶梯波，各相互差120，如图3－3（a）所示。
而线电压可由相电压相减得出，其波形如图3－3（b）所示，为脉宽120的矩形波。
（a）相电压波形
（b）线电压波形
图3－3
初相角为零的六阶梯波，其基波可用付氏级数求得，如A相相电压可表示为：
其余两相各差120。
相电压中无余弦项、偶数项和三的倍数次谐波，电压中最低为五次谐波，含量为基波的20％。
对于基波无初相角的矩形波线电压，其一般表达式为：
根据图3－3可以算出六阶梯波的相电压和方波线电压的有效值分别为：
实际的电压波形与上面分析的结果略有误差，这是由于在分析中忽略了换流过程，也未扣除逆变电路中的电压降落的缘故。
当三相逆变器按120导通方式工作时，其输出电压波形如图3－4所示，与前面相反，这里相电压为矩形波，而线电压为六阶梯波。
（a）相电压波形
（b）线电压波形
图3－4
对180导通方式和120导通方式进行比较可知：
在120方式中，上下两管之间有60的间隙，对换流的安全有利，但是管子的利用率较低，并且若电机采用星形接法，则始终有一相绕组断开，在换流时会引起较高的感应电势，应采取过电压保护措施。
而180导通方式无论电动机在三角形还是星形接法时，正常工作都不会产生过电压，因此对于电压型逆变器，180导通方式应用较为普遍。
第5章PWM控制技术原理
面积等效原理是PWM控制技术的重要理论基础。
原理内容：
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。
冲量即指窄脉冲的面积。
效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。
如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。
实例将图3-5a、b、c、d所示的脉冲作为输入，加在图3-6a所示的R-L电路上，设其电流i（t）为电路的输出，图3-6b给出了不同窄脉冲时i（t）的响应波形。
图3-5形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
图3-6冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
用PWM波代替正弦半波。
将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲宽度为/N，但幅值顶部是曲线且大小按正弦规律变化的脉冲序列组成的。
把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，这就是PWM波形。
对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。
脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM（SinusoidalPWM）波形。
PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种，由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波。
基于等效面积原理，PWM波形还可以等效成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等。
图3-7用PWM波代替正弦半波
由于期望的逆变器输出是一个正弦电压波形，可以把一个正弦半波分作N等分。
然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。
这样，由N个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形为正弦的半周等效。
同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。
这一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出SPWM波形。
由于各脉冲的幅值相等，所以逆
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