中南大学工厂供电课程设计报告16.docx

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中南大学工厂供电课程设计报告16

中南大学

工程训练报告

课题名称：

基于MATLAB的电力电子系统仿真

专业班级：

自动化0801班

学号：

******0211

*****

指导老师：

桂武鸣老师

（一）交流.直流变流器

交流-直流变流器又称整流器、AC-DC变流器，其作用是将交流电转变为直流电，一般也称整流，并且在整流的同时还对直流电压电流进行调节，以符合用电设备的要求。

常用的整流器有单相和兰相整流器，从控制角度区分，有不控、半控和全控整流电路之分，从输出直流的波形来区分，又有半波和全波整流之分。

二极管、晶闸管是常用的整流器件，现在采用全控型器件的PWM方式整流器也越来越多。

整流电路的仿真可以用powersys模型库中的二极管和晶闸管等模块来构建，对三相整流电路模型库中有6-pulsediodebridge、6-pulsethyristorbridge、universalbridge等模块可以调用，使用这些模块可以使仿真更方便。

复杂的大功率多相整流器可以在三相桥的基础上构建。

这里主要介绍常用的单相和三相的相控整流电路的仿真。

1.1单相桥式全控整流电路仿真

单相桥式全控整流电路如图1-1所示，电路由交流电源U1、整流变压器T、晶闸管VT1-VT4、负载电阻R以及触发电路组成。

在变压器二次电压的的正半周触发晶闸管VT1和VT3，在剧的负半周触发晶闸管VT2和VT4，在负载上可以得到方向不变的直流电，改

变晶闸管的控制角可以调节输出直流电压和电流的大小。

该电路的仿真过程可以分为建立仿真模型（或称为绘制仿真电路），设置模型参数和观测仿真结果图1-1单相桥式全控整流原理电路

等几个主要阶段，现分步叙述如下。

1.建立仿真模型

（1）首先建立一个仿真模型的新文件。

在MATLAB的菜单栏上点击File，选择New，再在弹出菜单中选择Model，这时出现一个空白的仿真平台，在这平台上可以绘制电路的仿真模型。

同时也可以在File菜单下给文件命名，在本例的文件名为rectifierl。

（2）提取电路元器件模块。

在仿真模型窗口的菜单栏上点击圄图标调出模型库浏览器，在模型库中提取适合的模块放到仿真平台上（见图1-2）。

组成单相桥式整流电路的主要元器件有交流电源、晶闸管、RLC负载等，提取元器件模块的路径见表1-1。

表1-1元器件名称及路径

图1-2提取整流电路元器件

（3）将电路元器件模块按单相整流的原理图连接起来组成仿真电路。

首先将元器件移动到合适的位置，将光标箭头指向需移动的元器件，按住鼠标左键将元器件移动到指定位置。

单相桥需要4个晶闸管模块，这可以使用模块的复制办法，以鼠标左键单击晶闸管模型图标，模型图标的四角出现四个小黑块（.），表明该模块已被选中，这时同时按住键盘中的Ctrl键以及鼠标的左键，移动鼠标则可以将晶闸管模块复制到其他位置。

同时点击元器件模块的名称可以修改模块的名称，如将thyristor改名为VT1等。

连接模块只需要以光标移向模块的输出端，以左键点住并移动鼠标即可拖拉出一条连线，将连线拉到另一元器件的输入端，松开鼠标即完成一条接线。

在本例中，需要将电源AC的输出端和晶闸管模块VT4的输出端k，同时连接晶闸管模块VTl的输入端a，这需要使用T形接头，同样v'口的输入端a与V白的输出端k和电源的负极端的连接也要使用T形接头。

为了连接T形接头1'2与交流电源负极的两个输入端，使用了中性节点（Neutraloutput）。

在SIMULINK模型库中没有专门的单相桥式整流器触发模型，这里使用了两个脉冲发生器来分别产生VTl和VT3、VT2和VT4的触发脉冲。

整流器的负载选用了RLC串联电路，可以通过参数设置来改变电阻、电感和电容的组合。

连接完成的单相桥式整流电路模型如图1-3所示，为了简化仿真过程，在本例中省略了整流变压器。

模型中使用了两种测量仪器，示波器（Scope）和多路测量器（Multimeter）。

示波器可以观测它连接点上的波形，多路测量器（Multimeter）可以接收一些模块发送出来的参数信号并通过示波器观测，接上观测器后的仿真电路如图1-4所习亏。

图1-3单相桥式整流电路模型

图1-4连接了示波器的单相整流电路模型

2.设置模型参数。

设置模型参数是保证仿真准确和顺利的重要一步，有些参数是由仿真任务规定的，如本例仿真中的电源电压、电阻值等，有些参数是需要通过仿真来确定的。

设置模型参数可以双击模块图标弹出参数设置对话框，然后按框中提示输入，若有不清楚的地方可以借助Help帮助。

在本例中，参数设置如下:

（1）交流电压源u2，（即图1-4中u2）电压为220V，频率为50Hz，初始相位为0°。

在电压设置中要输入的是电压峰值，在该栏中键入"220xsqrt

（2）"。

在对话框最后的测量选择选中电压"volt唔e，"这样，u2数据可以送入多路测量器（Multimeter）。

（2）晶闸管VTl-VT4直接使用了模型的默认参数，也可以另外设置。

（3）负载RLC，R的值2n，L的值0，C的值为inf，并在参数页最后的测量选择中选择，"voltageandcurrent"，这样负载R的电压和电流可以通过多路测量器（Multimeter）观测o

（4）本例晶闸管的触发采用简单的脉冲发生器（PulseGenerator）来产生，脉冲发生器的脉冲周期T必须和交流电源u2同步。

晶闸管的控制角α以脉冲的延迟时间t来表示，t=αT/360°，其中，α为控制角，T=11/,/为交流电源频率。

本例在α=30。

时的脉冲发生器参数设置见表1-2。

表1-2脉冲发生揭参数设置

3.模型仿真

在模型开始仿真前还必须首先设置仿真参数。

在菜单中选择Simulation，在下拉菜单中选择Simulationparameters，在弹出的对话框中可设置的项目很多，主要有开始时间、终止时间、仿真类型（包括步长和解电路的数值方法），以及相对误差、绝对误差等。

步长、解法和误差的选择对仿真运行的速度影响很大，步长太大计算容易发散，步长太小运算时间太长，在难于确定时一般可选可变步长（variable一step），仿真数值计算方法可选odel5，ode23,ode45等，误差选择111∞0对于电力电子电路的仿真精度来说是足够了。

本例的仿真参数设置如图1-5所示。

在参数设置完毕后即可开始仿真。

在菜单Simulation下选择Sta此，或直接点击工具栏上的"~"图标仿真立即开始，在屏幕下方的状态栏上可以看到仿真的进程。

若要中途停止仿真可以选择Stop或工具栏上的"III"图标。

在仿真计算完成后即可以通过示波器来观察仿真的结果。

我们已经在需要观测的点上放置了示披器，双击示波器图标，即可弹出示波器窗口显示输出波形。

图1-5仿真参数设置对话框

图1-6电源电压u2波形

（1）电阻性负载时的仿真波形。

图1-6、图1-7和图1-8分另If是仿真参数设置对话框中设置的仿真时间o-0.065内，电源u2的电压波形和晶闸管VTl和VT3、V'口和VT4的触发脉冲。

图1-9上部和图1-9下部分别为α=30°、R的值为2.0时负载两端的电压和通过负载的电流波形，该电压和电流都是脉动的直流，反映了电源的交流电经过整流器后成为了直流电，实现了整流。

因为是电阻负载，整流后的电压和电流波形相同，但是纵坐标的标尺不同，电压的幅值Um=311V，电流的幅值1m=155A，与计算的结果1m=Um/R相同。

图1-10下部和图1-10上部分别为晶闸管VT1两端的电压和通过晶闸管VT1的电流波形，通过晶闸管的电流仅是负载电流的一半，只在半个周期内有电流通过晶闸管VTl。

并且通过比较可以看到在晶闸管导通时晶闸管两端电压为零，在4个晶闸管都不导通时（0.01-0.0125,0.02-0.0225区间），每个晶闸管承受u212电压，且晶闸管承受的最高反向电压为电掠电压的峰值311V，根据该电压和电流可以选择晶闸管的额定参数。

图1-7品闸管VTl和川3的触发脉冲

图1-8晶闸管VT2和V刊的触发脉冲

图1-9α=30。

时负载电阻两端的电压波形和电流波形

如果要观察在其他控制角下，整流器的工作情况，只需修改脉冲触发器的延迟时间，重新启动仿真即可。

图1-11上部和下部分别为α=60。

时负载电阻两端的电压和通过负载的电流波形。

图1-12下部和上部分别为α=60。

时晶闸管VT1两端的电压和通过晶闸管VTl的电流波形。

图1-10α=30。

时晶闸管的电流派形和晶闸管的电压波形

（2）电阻电感（RL）负载时的仿真。

如果要研究电感性负载时整流器的工作情况，只需重新设置负载参数。

设RL负载，R的值为2.0.，L的值为O.OIH，再次启动仿真，得到图1-13和图1-14所示的波形。

如图所见，电感中电流在启动时，有一上升过程（图1-13下部），一个周期后进入稳态，电流是连续的，对应的电压波形出现负半周（图1-13上部），使整流平均电压较纯电阻负载时减小。

图1-11α=60。

时负载电阻两端的电压波形和电流波形

图1-12α=60°时品闸管的电流波形和电压波形

图1-13α=60°时电感负载整流器输出电压波形和电流波形

图1-14α=60°时电感负载整流器晶闸管的电流波形和电压波形

（二）三相桥式全控整流电路仿真

三相桥式全控整流电路是应用最广泛的整流电路，完整的三相桥式全控整流电路由整流变压器、6个桥式连接的晶闸管、负载、触发器和同步环节组成（见图1-15）06个晶闸管以次相隔60。

触发，将电源交流电整流为直流电。

三相桥式整流电路必须采用双脉冲触发或宽脉冲触发方式，以保证在每一瞬时都有两个晶闸管同时导通（上桥臂和下桥臂各一个）。

整流变压器采用三角形/星形联结是为减少3的整倍数次谐波电流对电源的影响。

图1-15三相桥式全控整流原理电路

三相桥式整流电路的仿真使用MATLAB模型库中的三相桥和触发器的集成模块是很方便的。

用模型库中元器件组成的三相桥式整流电路的仿真模型如图1-16所示。

仿真模型中主要使用的元器件模块和提取路径见表1-3，在模型的整流变压器和整流桥之间接入了一个三相电压.电流测量单元V-I是为观测方便。

整流器的输出电压和电流是通过多路测量器测量负载的电压和电流来实现的，当然也可以用电压和电流测量单元直接检测整流器输出单元和电流。

在整流器工作中保证触发脉冲与主电路同步很重要，仿真使用的6脉冲发生器是在同步电压过零时作为控制角α=0。

的位置，因此在整流变压器采用6./Y-11联结时，同步变压器也可以采用.6./Y-11联结，同步信号的连接如图1-16所示o在同步信号关系难以确定时，可以发挥仿真的特点，将三相同步电压信号以不同的顺序连接到6脉冲发生器的AB、BC，CA3个同步输入端，然后运行该模型，观察整流器输出电压波形，如果电压波形在一周期中6个披头连续规则，则该整流器的同步是正确的。

负载和控制角可以按需要设定。

图1-16兰相桥式整流电路的仿真模型

表1-3三相整流电路模型主要元器件

注:

因为本例中仅仿真了α=30"波形、这时整流电压只有正半周，所以可以使用方均根值计算模块来记录整流电压的平均值。

{例1.1]三相桥式全控整流电路，电源相电压为220V，整流变压器输出电压为l00V（相电压），观察整流器在不同负载，不同触发角时整流器输出电压、电流波形，测量其平均值，并观察整流器交流侧电流波形和分析其主要次谐波。

1.电阻负载（R的值为50、α=30°）

（1）设置模型参数如下:

1）电源参数设置:

三相电源的电压峰值为220Vxfi，可表示为"220祷sqrt

（2）"，频率为50日Z，相位分别为0°、-120°、-240°。

2）整流变压器参数设置:

一次绕组联结（winding1connection）选择Delta（Dll），线电压为=220Vxf3=380V;二次绕组联结（winding2connection）选择Y，线电压为lOOVxv'3=173V，在要求不高时变压器容量、互感等其他参数可以保持默认值不变。

3）同步变压器参数设置:

一次绕组联结（winding1connection）选择Delta（DI1），线电压为380V;二次绕组联结（winding2connection）选择Y，线电压为15V，其他参数可以保持默认值。

4）三相晶闸管整流器参数设置:

使用默认值。

5）RLC负载参数设置:

R的值为50，L的值为0，C的值为inf。

6）6脉冲发生器设置:

频率为50Hz，脉冲宽度取1°，选择双脉冲触发方式。

7）触发角设置:

给定alph设置为30°。

（2）仿真并观察结果。

设置的仿真参数如下:

仿真时间为0.06s，数值算法采用ode15。

仿真参数设置完成后即可启动仿真，得到的仿真结果如图1-17-图1-22所示。

将图1-17所示的三相电压波形与图1-18所示的整流电压（图上部）和电流波形（图下部）相比较，整流后的电压是直流，且波形与三相输入电压波形相对应。

整流电压平均值（见图1-19）与计算值Ud=2.34xlOOcos300V=202.6V相符o因为是电阻负载，整流后的电压和电流波形相同，但Y轴坐标不同。

图1-20-图1-22所示分别为整流器交流侧的电流波形。

改变控制角可以观察在不同控制角下整流器的工作情况。

图1-17整流器输入的三相线电压波形

2.电阻电感负载（R的值为50、L的值为O.Olh、α=60°）在图1-15中修改负载RLC参数，R的值为50，L的值为O.OlH，C的值为inf，同时将触发角设置为60°。

为了观察整流器输入电流和输出电压的谐波，在仿真模型中增加了傅里叶（Fourier）分析模块，修改后的仿真模型如图1-23所示。

在仿真参数中设置仿真时间为0.16s，重新启动仿真，即可得到阻感负载时整流器输出电压和电流，如图1-24所示（图用MATLAB的绘图命令画出）。

由于电感是储能元件，电感中电流（见图1-24c）有一上升过程，在启动仿真0.08s以后电流进入稳定状态，电流的脉动很小。

通过傅里叶（Fourier）分析模块可以观察输出波形的各次谐波。

双击傅里叶分析模块即弹出分析模块对话框，这里要设置的参数有基波频率和需要分析的谐波次数。

傅里叶分析模块每次分析一种次数的谐波，如果需要分析多次谐波，则需要对模型进行多次重复仿真。

图1-25分别显示了整流器交流侧电流的基披幅值和相位，整流器交流侧电流的5次谐波的幅值;整流器输出电压的直流分量（设置傅里叶分析模块的谐波次数为O次），和整流器输出电压的6次谐波分量值。

图1-18整流器输出的电压波形以及电阻负

载时整流器输出的电流波形

图1-19整流输出电压平均值

图1-20整流变压器二次侧a相电流波形

图1-21整流变压器二次侧b相电流波形

图1-22整流变压器二次侧c相电流波形

图1-23三相桥式整流电路电阻电感负载（α=60°）

图1-24三相桥式整流电路电阻电感负载仿真结果

a）α=60ρ时整流器输出电压b）整流器输出电压平均值

c）整流器输出电流d）整流变压器二次侧a相输出电流

e）整流变压器二次侧b相输出电流f）整流变压器C相输出电流

（三）带电容性负载的三相不可控桥式整流电路仿真

在交-直-交电压源型变频器中，一般其AC-DC变换部分采用不控整流器，并且中间直流环节采用大电容滤搅，这是三相不控桥带电容性负载的电路。

这类电路的仿真既可以在可控整流的基础上设控制角α==0°，也可以使用不控的整流模块来仿真。

三相不控桥电容性负载的仿真模型如图1-26所示O模型由三相电源、三相电压主电流测量模块（V-I）、三相二极管桥（6-pulsediodedridge）和阻容负载组成。

模型中设电源电压为100V，阻容负载是R的值为2D、C的值为500μF，电阻近似表示了AC-DC-AC变换的逆变器及负载。

仿真结果（见图1-27）显示在整流器接电瞬时，有很大的冲击电流，这是因为电容的初始电压为零，在零状态充电，充电电流很大，电流的冲击在交流侧B、C相电流中也有相同反应，因此一般在电路中需要接入电阻或电感来抑制，过大的充电电流，在充电结束后再切除电阻。

从波形中也可以看到RC振荡引起的电流波动。

a）d）

b）e）

c）

图1-25整流器谐波分析

a）A相电流的基波嗣值的A相电流的基波相位

c）A相电流的5次i皆波帽值d）输出电压直流分量幅值

e）输出电压6次谐波幅值

图1-26三相不控桥电容性负载的仿真模型

a）b）

b）d）

e）f）

图1-27三相不控桥电容性负载电路仿真

a）三相电源电压b）负载侧电压c）负载侧电流d）A相电流波形

个人心得

这次工程训练，我们组的课程设计题目是三相桥式全控整流电路的设计和仿真。

因为三相桥式全控整流电路是电力电子技术的重点和难点，对于这个知识点我仔细学习了，算是比较了解。

所以工程训练题目的原理我们是理解了。

整个课程设计的过程中，重点和难点是原理图的绘制和电路的仿真。

因为知道电路的原理，所以我们就免去了设计电路这一步骤，要做的就是用MATLAB进行仿真。

首先Simulink搭建模块，然后根据要求设计相关参数，参数的设置是这次工程训练的关键之一；由于触发电路比较复杂，我们直接使用了Simulink里面原有的脉冲发生模块，通过调节触发角得到不同的波形即是仿真结果。

开始所得仿真波形与理论结果有很大差别的，是因为没有加滤波装置，加入了滤波装置，得到比较理想的波形。

如老师所说，我们无论是找工作或者考研，用Matlab仿真都是极为重要的。

通过此次工程训练，我基本学会了如何使用Matlab。

特别是掌握了Matlab对电力电子电路进行仿真，观察波形，调整参数等操作。

虽然离熟练掌握Matlab还有很大的距离，但这也给了我很大的信心。

在这次课程设计中，我遇到了不少的困难，第一大困难就是对基础知识及理论的不了解。

虽然通过自己查找资料和同学讨论学习，解决了问题，但也给我上了一课，让我更明白基础知识的重要性，在以后的学习或者工作中我将注意这个问题。