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基于MatlabSimulink的电力变换电路仿真论文


中国石油大学(华东)毕业设计(论文)

基于 Matlab/Simulink 的电力 变换电路仿真

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2008 年 6 月 20 日

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要<

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MATLAB 是一种科学计算软件,它是一种以矩阵为基础的交互式程序计 算语言。SIMULINK 是基于框图的仿真平台,它挂接在 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。 本文主要以 MATLAB/SIMULINK 仿真软件为基础,完成了对整流电路、斩 波电路和交流调压电路的建模与仿真,并且给出了仿真结果波形,同时根据 仿真结果进行了分析和计算。 证实了该方法的简便直观、高效快捷和真实准 确性。 本研究还设计并建立了图形用户界面 (GUI) 以方便打开各个仿真模型。 ,

关键词:Matlab/Simulink;建模;仿真;整流电路;斩波电路;交流 调压电路

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ABSTRACT
MATLAB is a soft ware for scientific computation, which is a matrix-based interactive language for programming and calculating. SIMULINK is a simulation platform based on block diagram, which articulates in the MATLAB environment and is based on the powerful computing capabilities. SIMULINK completes the simulation and calculation using the intuitionist block diagram. This paper mainly introduces the modeling and simulating of the rectifier circuit, chopper circuit and AC voltage-modulating circuit, based on MATLAB /SIMULINK simulation software, and the waves of simulating result and the analog and calculation of the waves is discussed, which all show the simplicity, intuition, efficiency, quickness, and the accuracy of this method. This study also design and build a graphical user interface (GUI) for opening the simulation model easily.

Keywords: Matlab/Simulink; Modeling; Simulation Rectifier circuit; Chopper circuit; AC voltage-modulating circuit

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第 1 章 前言···································· ···································· ···································1 1.1 MATLAB/SIMULINK 仿真的目的与意义·················· ·················1 ················· 1.2 本课题的研究内容··························· ··························· ··························1 1.3 本课题的研究意义···························2 ··························· ··························· 第 2 章 MATLAB/SIMULIK 基础知识························ ·······················3 ······················· 2.1 MATLAB 介绍······························· ······························· ······························3 2. MATLAB 的主要组成部分······················ 1.1 ·····················4 ····················· 2.1.2 MATLAB 的系统开发环境······················ ·····················4 ····················· 2.2 SIMULINK 仿真基础··························· ··························· ··························6 2.2.1 SIMULIN 启动···························· ···························7 ··························· 2.2.2 SIMULINK 的模块库介绍······················ ·····················7 ····················· 2.2.3 电力系统模块库的介绍······················ ·····················7 ····················· 2.2.4 SIMULINK 简单模型的建立····················9 ···················· ···················· 2.2.5 SIMULINK 功能模块的处理····················9 ···················· ···················· 2.2.6 SIMULINK 线的处理························ ·······················11 ······················· 2.2.7 SIMULINK 仿真的运行······················11 ······················ ······················ 2.3 MATLAB 的 GUI 程序设计························ ························ ·······················15 2.3.1 控件对象及属性·························15 ························· ························· 2.3.2 GUI 开发环境··························· ··························16 ·························· 2.3.3 GUI 程序设计··························· ··························· ··························17 第 3 章 整流电路的仿真····························· ····························19 ···························· 3.1 单相整流电路的仿真························· ························· ························19 3.1.1 单相半波可控整流电路····················· ····················· ····················19 3.1.2 单相桥式可控整流电路····················· ····················· ····················21

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3.2 三相整流电路的仿真························· ························· ························23 3.2.1 三相半波可控整流电路····················· ····················· ····················24 3.2.2 三相桥式全控整流电路····················· ····················· ····················26 第 4 章 直流斩波电路的仿真·························· ·························31 ························· 4.1 降压斩波电路·····························31 ····························· ····························· 4.2 升压斩波电路·····························34 ····························· ····························· 第 5 章 三相交流调压器的仿真························37 ························ ························ 5.1 三相交流调压器仿真基础······················37 ······················ ······················ 5.2 无中线星型联结调压器························ ·······················39 ······················· 5.3 支路控制三角形联结调压器····················· ····················· ····················40 第 6 章 结论···································42 ··································· ··································· 致谢········································ ·······································43 ······································· 参考文献····································· ····································· ····································44

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第1章





1.1 MATLAB/SIMULINK 仿真的目的与意义
在电力电子电路如变流装置的设计过程中, 需要对设计出来的初步方案 (电路)及有关元件参数选择是否合理, 效果如何进行验证。 如果通过实验来 检验, 就要将设计的系统用元件安装出来再进行调试和试验, 不能满足要求 时,要更换元件甚至要重新设计、安装、调试,往往要反复多次才能得到满 意的结果。这样将耗费大量的人力和物力,且使设计效率低下、耗资大、周 期长。 采用计算机进行仿真试验,则可大大地节约开支,提高设计效率,缩短 设计周期。 但是用其它计算机高级语言(如 C 语言, BASIC 语言或仿真语言) 编程实现, 对电力变流电路来说, 由于大功率开关器件开关转换电流换相动 态过程十分复杂,过渡过程一个接一个,一个未完,新的一个又开始了要分 析输出电压、 电流(带感性负载时)波形, 特别是如大功率开关管关断时承受 的尖峰电压大小形状, 即阻容保护电路的保护效果如何, 就要建立等效电路 的数学模型。而这样的数学模型是很复杂的,即使建立起来了,用计算机编 程实现得到真实的仿真结果也需要花大量的时间精力来编程和调试。 然而采 MATLAB/SIMULINK 可视化图形化仿真环境来对电力电子电路进行建模仿真 则可使之变得直观,简单易行,效率高,真实准确[1]。

1.2 本课题的研究内容
本课题主要研究的是利用 MATLAB/SIMULINK 建立电力电子电路仿真模 型并进行仿真。现将仿真的主要内容加以介绍: 单相整流电路和三相整流电路主要研究其半波可控和桥式全控整流电 路,分别建立其 Simulink 仿真模型,进行系统仿真,对其仿真波形进行对 比分析,并与理论结果进行对比。 直流斩波电路用于调整直流电的电压,它有多种类型,这里主要对降压
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(Buck)变流器、升压(Boost)变流器进行建模仿真,根据其降压和升压 要求设计,确定电容电感值,并通过仿真结果来确认设计效果。 三相交流调压器有星型连接和三角形联结的多种方案。 其中星型联结又 有无中线和有中线两种电路, 三角形联结有线路控制,支路控制和中点控制 的不同电路。 这里主要研究两种常用的无中线星形联结和支路控制三角形联 结线路,建立其 Simulink 模型,分别对其电阻负载和电感负载在不同触发 角度时进行仿真,分析其仿真波形。

1.3 本课题的研究意义
利用 Simulink 中的模块库建立单相/三相整流、直流斩波、三相交流调 压等电力变换电路,进行仿真后,对仿真波形进行比较分析。证实了该方法 的简便直观、高效快捷和真实准确性。由于计算机中修改参数方便,可以通 过改变方针参数就可观察各种现象,加深了对其电路原理的理解。 通过对本课题的研究最终能够熟悉并掌握 Matlab /Simulink 的应用环 境,熟练应用 Simulink 模块库中模块建立电力电子电路的系统仿真模型, 设定系统仿真参数,进行系统仿真。

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第2章
2.1 MATLAB 介绍

MATLAB/SIMULINK 基础知识

Matlab(Matrix Laboratory)是美国 MathWorks 公司开发的一套高性能 的数值分析和计算软件,用于概念设计,算法开发,建模仿真,实时实现的理 想的集成环境,是目前最好的科学计算类软件之一。 MATLAB 将矩阵运算、数值分析、图形处理、编程技术结合在一起,为 用户提供了一个强有力的科学及工程问题的分析计算和程序设计工具, 它还 提供了专业水平的符号计算、 文字处理、 可视化建模仿真和实时控制等功能, 是具有全部语言功能和特征的新一代软件开发平台。 MATLAB 已发展成为适合众多学科, 多种工作平台、 功能强大的大型软件。 在欧美等国家的高校,MATLAB 已成为线性代数、自动控制理论、数理统计、 数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具。 成为攻读学位的本科、硕士、博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位 和工业开发部门,MATLAB 被广泛的应用于研究和解决各种具体问题。在中 国,MATLAB 也已日益受到重视,短时间内就将盛行起来,因为无论哪个学 科或工程领域都可以从 MATLAB 中找到合适的功能[2]。 2.1.1 MATLAB 的主要组成部分 MATLAB 系统由 5 个主要的部分构成: (1) 开发环境(Development Environment):微 MATLAB 用户或程序编 制员提供的一套应用工具和设施。由一组图形化用户接口工具和组件集成: 包括 MATLAB 桌面、命令窗口、命令历史窗口、编辑调试窗口及帮助信息、 工作空间、文件和搜索路径等浏览器。 (2) MATLAB 数学函数库(Math Function Library):数学和分析功能在 MATLAB 工具箱中被组织成 8 个文件夹。 elmat 初步矩阵,和矩阵操作。
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elfun 初步的数学函数。求和、正弦、余弦和复数运算等 specfun 特殊的数学函数。矩阵求逆、矩阵特征值、贝塞尔函数等; matfun 矩阵函数-用数字表示的线性代数。 atafun 数据分析和傅立叶变换。 polyfun 插值,多项式。 funfun 功能函数。 sparfun 稀疏矩阵。 (3) MATLAB 语言:(MATLAB Language)一种高级编程语言(高阶的矩阵 /数组语言) ,包括控制流的描述、函数、数据结构、输入输出及面对对象编 程; (4) 句柄图形:(Handle Graphics) MATLAB 制图系统具有 2 维、三维 的数据可视化,图象处理,动画片制作和表示图形功能。可以对各种图形对 象进行更为细腻的修饰和控制。允许你建造完整的图形用户界面(GUI), 以及建立完整的图形界面的应用程序。制图法功能在 MATLAB 工具箱中被组 织成 5 个文件夹:二维数图表(graph2d)、三维图表(graph3d)专业化图 表(specgraph)、制图法(graphics)、图形用户界面工具(uitools)。 (5) 应用程序接口:(Applied Function Interface) MATLAB 的应用程 序接口允许用户使用 C 或 FORTRAN 语言编写程序与 MATLAB 连接。 2.1.2 MATLAB 的系统开发环境(System Developing Environment) 1.操作桌面(Operating Desktop) (1)桌面布局:6 个窗口 命令窗口(Commend Window) 、工作空间窗口(Workspace) 、当前目录 浏览器(Current Directory ) 、命令历史窗口( Commend History ) 、启 动平台 (Launch Pad) 、帮助窗口(Help) 文件优化器(Profiler) 、M 。 (2)菜单和工具栏;(Menu and toolbar) 操作桌面上有 6 个菜单和带 有 9 个快捷按钮的工具栏组。
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(3)改变桌面设置:(Setting) File 菜单中 Preference 对话框中设 置。 2.命令窗口:(Command window)MATLAB 的主要交互窗口。 用于输入 MATLAB 命令、函数、数组、表达式等信息,并显示图形以外 的所有计算结果。 还可在命令窗口输入最后一次输入命令的开头字符或字符 串,然后用↑键调出该命令行。 3.工作空间窗口:(Workspace Window) 用于储存各种变量和结果的空间,显示变量的名称、大小、字节数及数 据类型,对变量进行观察、编辑、保存和删除。临时变量不占空间。 为了对变量的内容进行观察、 编辑与修改,可以用三种方法打开内存数 组编辑器。 双击变量名; 选择该窗口工具栏上的打开图标; 鼠标指向变量名, 点击鼠标右键,弹出选择菜单,然后选项操作。 欲查看工作空间的情况,可以在命令窗口键入命令 whos(显示存在工 作空间全部变量的名称、大小、数据类型等信息)或命令 who(只显示变量 名) 。 4.当前目录浏览器:(Current Directory) 用于显示及设置当前工作目录, 同时显示当前工作目录下的文件名、文 件类型及目录的修改时间等信息。 只有在当前目录或搜索路径下的文件及函 数可以被运行或调用。 设置当前目录可以在浏览器窗口左上角的输入栏中直接输入, 或点击浏 览器下拉按钮进行选择。还可用 cd 命令在命令窗口设置当前目录,如: cd c:\mydir 可将 c 盘上的 mydir 目录设为当前工作目录。 5.命令历史窗口:(Command History) 记录已运行过的 MATLAB 命令历史,包括已运行过的命令、函数、表达 式等信息,可进行命令历史的查找、检查等工作,也可以在该窗口中进行命 令复制与重运行。
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6.启动平台:(Launch Pad) 帮助用户方便地打开和调用 MATLAB 的各种程序、函数和帮助文件。 平台列出了系统中安装的所有的 MATLAB 产品的目录,可以通过双击来 启动相应的选项。 7.MATLAB 的搜索路径:(Searching Path) MATLAB 定义的一系列文件路径的组合,缺省状态下包括当前路径和已 安装的全部工具箱的路径。 搜索目录的设置通过选择主菜单 Set Path 菜单项进行。 用 Add Folder?按钮可以将某一目录加入搜索路径,选择 Add with Subfolder?按钮可将选中目录的子目录也包括在搜索路径中。 8.内存数组编辑器:(Array Editor) 提供对数值型或字符型二维数组的显示和编辑功能, 对其他数据类型都 不能编辑。通过工作空间窗口打开所选的变量时,该编辑器启动。

2.2 SIMULINK 仿真基础
SIMULINK 是 MATLAB 软件的扩展, 它是实现动态系统建模和仿真的一个 软件包,它与 MATLAB 语言的主要区别在于,其与用户交互接口是基于 Windows 的模型化图形输入, 其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系 统模型的构建,而非语言的编程上[3]。 1. 所谓模型化图形输入是指 SIMULINK 提供了一些按功能分类的基本的 系统模块, 用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能, 而不必考察 模块内部是如何实现的, 通过对这些基本模块的调用, 再将它们连接起来就 可以构成所需要的系统模型 (以.mdl 文件进行存取) 进而进行仿真与分析。 , 2.Simulink 可将系统分为从高级到低级的几个层次,每层又可以细分 为几个部分,每层系统构建完成后,将各层连接起来构成一个完整系统。模 型创建完成后, 可以启动系统的仿真功能分析系统的动态特性, 其内置的分 析工具包括各种仿真算法、系统线性化、寻求平衡点等。仿真结果可以以图
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形方式在示波器窗口显示, 也可将输出结果以变量形式保存起来, 并输入到 MATLAB 中以完成进一步的分析。 3. Simulink 可以仿真线性和非线性系统,并能创建连续时间、离散时 间或二者混合的系统。支持多采样频率系统。 2.2.1 SIMULINK 启动 在 MATLAB 命令窗口中输入 simulink,结果是在桌面上出现一个称为 Simulink Library Browser 的窗口,在这个窗口中列出了按功能分类的各 种模块的名称。 也 可 以 通 过 MATLAB 主 窗 口 的 快 捷 按 钮 来 打 开 Simulink Library Browser 窗口。 2.2.2 SIMULINK 的模块库介绍 整个 Simulink 模块库是由各个模块组构成, 标准的 Simulink 模块库中, 包括:信号源模块组(Source)、仪器仪表模块组(Sinks)、连续模块组 ( Continuous)、离散模块组(Discrete)、数学运算模块组(Math)、非线性 模块组(Nonlinear)、函数与表格模块组(Function&Tables )、信号与系统 模块组(Signals&Systems)和子系统模块组(Subsystems)几个部分,此外还 有和各个工具相与模块集之间的联系构成的子模块组, 用户还可以将自己编 写的模块组挂靠到整个模型库浏览器下。 2.2.3 电力系统模块库的介绍 进入 MATLAB 系统后打开模块库浏览窗口, 用鼠标左键双击其中的 Power System Blocks 即可 弹出电 力系 统工 具箱 模块库 ,它 包括 连接 元件库 (Connectors),电源库(Electrical Sources),基本元件库(Elements),元 件库(Extra Library), 电机元件库(Machines), 测量元件库(Measurements) 和电力电子元件库(Power Electronics)。这些模块库包含了大多数常用电 力系统元件的模块。利用这些库模块及其它库模块,用户可方便、直观地建 立各种系统模型并进行仿真。
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(1)电路元件模型 该部分包括断路器(Breaker)、分布参数线(Distribute Parameter Line)、线性变压器(Linear Transformer)、并联 RLC 负荷(Parallel RLC Load) , II 型 线 路 参 数 (II Section Line) 、 饱 和 变 压 器 (Saturable Transformer)、串联 RLC 支路(Series RLC Branch)、串联 RLC 负荷(Series RLC load)、过电压自动装置(Surge Arrester)。这部分可以仿真交流输电 线装置。 (2)电力电子设备模型 此部分含有二极管(Diode)、GT0、理想开关(Ideal Switch)、MOS 管 (Mosfet)、可控晶闸管(Thyristor)的仿真模型。这些设备模型不仅可以单 独进行仿真而且可以组合在一起仿真整流电路等直流输变电的电力电子设 备。 (3)电机设备模型 此部分有异步电动机(Asynchronous Machine)、励磁系统(Excitation System)、 水轮电机及其监测系统(Hydraulic Turbine and Governor(HTG))、 永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine)、简化的同步电 机(Simplified Synchronous Machine)、同步电机(Synchronous Machine)。 这些模型可以仿真电力系统中发电机设备,电力拖动设备等。 (4)接线设备模型 这一部分包括一些电力系统中常用的接线设备。如接地设备、输电线母 线等。 (5)测量设备模型 该部分模型是用来采集线路的电压或电流值的电压表和电流表。这 一 部分还起着连接 SIMULINK 模型与 POWERLIB 模型的作用。 (6)Powerlib 扩展库 扩展模块组包含了上述各个模块组中的各个附加子模块组用户可以根
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据自己的电力系统结构图使用 POWERLIB 和 SLMULINK 中相应的模型来组成仿 真的电路模型。 2.2.4 SIMULINK 简单模型的建立 1.简单模型的建立 (1)建立模型窗口。 (2)将功能模块由模块库窗口复制到模型窗口。 (3)对模块进行连接,从而构成需要的系统模型。 2.模型的特点 (1)在 SIMULINK 里提供了许多如 Scope 的接收器模块,这使得用 SIMULNK 进行仿真具有像做实验一般的图形化显示效果。 (2)IMULINK 的模型具有层次性,通过底层子系统可以构建上层母系 统。 (3)SIMULINK 提供了对子系统进行封装的功能,用户可以自定义子系 统的图标和设置参数对话框。 2.2.5 SIMULINK 功能模块的处理 功能模块的基本操作,包括模块的移动、复制、删除、转向、改变大 小、模块命名、颜色设定、参数设定、属性设定、模块输入输出信号等。 1.模块库中的模块可以直接用鼠标进行拖曳(选中模块,按住鼠标左 键不放)而放到模型窗口中进行处理。 2.在模型窗口中,选中模块,则其 4 个角会出现黑色标记。此时可以 对模块进行以下的基本操作。 (1)移动:选中模块,按住鼠标左键将其拖曳到所需的位置即可。若 要脱离线而移动,可按住 shift 键,再进行拖曳。 (2)复制:选中模块,然后按住鼠标右键进行拖曳即可复制同样的一 个功能模块。 (3)删除:选中模块,按 Delete 键即可。若要删除多个模块,可以同
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时按住 Shift 键,再用鼠标选中多个模块,按 Delete 键即可。也可以用鼠 标选取某区域,再按 Delete 键就可以把该区域中的所有模块和线等全部删 除。 (4)转向:为了能够顺序连接功能模块的输入和输出端,功能模块 有时需要转向。 在菜单 Format 中选择 Flip Block 旋转 180 度, 选择 Rotate Block 顺时针旋转 90 度。 或者直接按 Ctrl+F 键执行 Flip Block, Ctrl+R 按 键执行 Rotate Block。 (5)改变大小:选中模块,对模块出现的 4 个黑色标记进行拖曳即 可。 (6)模块命名:先用鼠标在需要更改的名称上单击一下,然后直接 更改即可。名称在功能模块上的位置也可以变换 180 度,可以用 Format 菜单中的 Flip Name 来实现,也可以直接通过鼠标进行拖曳。Hide Name 可以隐藏模块名称。 (7)颜色设定:Format 菜单中的 Foreground Color 可以改变模块的 前景颜色,Background Color 可以改变模块的背景颜色;而模型窗口的颜 色可以通过 Screen Color 来改变。 (8)参数设定:用鼠标双击模块,就可以进入模块的参数设定窗口, 从而对模块进行参数设定。参数设定窗口包含了该模块的基本功能帮助, 为获得更详尽的帮助,可以点击其上的 help 按钮。通过对模块的参数设 定,就可以获得需要的功能模块。 (9)属性设定:选中模块,打开 Edit 菜单的 Block Properties 可 以对模块进行属性设定。 包括 Description 属性、 Priority 优先级属性、 Tag 属性、Open function 属性、Attributes format string 属性。其中 Open function 属性是一个很有用的属性,通过它指定一个函数名,则当 该模块被双击之后,Simulink 就会调用该函数执行,这种函数在 MATLAB 中称为回调函数。
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(10)模块的输入输出信号:模块处理的信号包括标量信号和向量信 号;标量信号是一种单一信号,而向量信号为一种复合信号,是多个信号 的集合,它对应着系统中几条连线的合成。缺省情况下,大多数模块的输 出都为标量信号,对于输入信号,模块都具有一种“智能”的识别功能, 能自动进行匹配。 某些模块通过对参数的设定, 可以使模块输出向量信号。 2.2.6 SIMULINK 线的处理 SIMULINK 模型的构建是通过用线将各种功能模块进行连接而构成的。 用鼠标可以在功能模块的输入与输出端之间直接连线。 所画的线可以改变粗 细、设定标签,也可以把线折弯、分支。 1.改变粗细:线所以有粗细是因为线引出的信号可以是标量信号或向 量信号,当选中 Format 菜单下的 Wide Vector Lines 时,线的粗细会根据 线所引出的信号是标量还是向量而改变, 如果信号为标量则为细线, 若为向 量则为粗线。选中 Vector Line Widths 则可以显示出向量引出线的宽度, 即向量信号由多少个单一信号合成。 2.设定标签:只要在线上双击鼠标,即可输入该线的说明标签。也可 以通过选中线,然后打开 Edit 菜单下的 Signal Properties 进行设定,其 中 signal name 属性的作用是标明信号的名称, 设置这个名称反映在模型上 的直接效果就是与该信号有关的端口相连的所有直线附近都会出现写有信 号名称的标签。 3.线的折弯:按住 Shift 键,再用鼠标在要折弯的线处单击一下,就 会出现圆圈,表示折点,利用折点就可以改变线的形状。 4.线的分支:按住鼠标右键,在需要分支的地方拉出即可以。或者按 住 Ctrl 键,并在要建立分支的地方用鼠标拉出即可。 2.2.7 SIMULINK 仿真的运行 构建好一个系统的模型之后,接下来的事情就是运行模型,得出仿真 结果。运行一个仿真的完整过程分成三个步骤:设置仿真参数,启动仿真和
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仿真结果分析。 1.设置仿真参数和选择解法器 设置仿真参数和选择解法器,选择 Simulation 菜单下的 Parameters 命令, 就会弹出一个仿真参数对话框, 它主要用三个页面来管理仿真的参数。 Solver 页,它允许用户设置仿真的开始和结束时间,选择解法器,说 明解法器参数及选择一些输出选项。 Workspace I/O 页,作用是管理模型从 MATLAB 工作空间的输入和对它 的输出。 Diagnostics 页,允许用户选择 Simulink 在仿真中显示的警告信息的 等级。 (1)Solver 页 此页可以进行的设置有:选择仿真开始和结束的时间;选择解法器,并 设定它的参数;选择输出项。 ① 仿真时间:注意这里的时间概念与真实的时间并不一样,只是计算 机仿真中对时间的一种表示, 比如 10 秒的仿真时间, 如果采样步长定为 0.1, 则需要执行 100 步,若把步长减小,则采样点数增加,那么实际的执行时间 就会增加。一般仿真开始时间设为 0,而结束时间视不同的因素而选择。总 的说来, 执行一次仿真要耗费的时间依赖于很多因素, 包括模型的复杂程度、 解法器及其步长的选择、计算机时钟的速度等等。 ② 仿真步长模式: 用户在 Type 后面的第一个下拉选项框中指定仿真的 步长选取方式,可供选择的有 Variable-step(变步长)和 Fixed-step(固 定步长)方式。变步长模式可以在仿真的过程中改变步长,提供误差控制和 过零检测。 固定步长模式在仿真过程中提供固定的步长, 不提供误差控制和 过零检测。 用户还可以在第二个下拉选项框中选择对应模式下仿真所采用的 算法。 变步长模式解法器有: ode45, ode23, ode113, ode15s, ode23s, ode23t,
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ode23tb 和 discrete。 a) ode45:缺省值,四/五阶龙格-库塔法,适用于大多数连续或离散 系统,但不适用于刚性(stiff)系统。它是单步解法器,也就是,在计算 y(tn)时,它仅需要最近处理时刻的结果 y(tn-1)。一般来说,面对一个仿 真问题最好是首先试试 ode45。 b) ode23:二/三阶龙格-库塔法,它在误差限要求不高和求解的问题 不太难的情况下,可能会比 ode45 更有效。也是一个单步解法器。 c) ode113:是一种阶数可变的解法器,它在误差容许要求严格的情况 下通常比 ode45 有效。ode113 是一种多步解法器,也就是在计算当前时刻 输出时,它需要以前多个时刻的解。 d) ode15s:是一种基于数字微分公式的解法器(NDFs) 。也是一种多步 解法器。适用于刚性系统,当用户估计要解决的问题是比较困难的,或者不 能使用 ode45,或者即使使用效果也不好,就可以用 ode15s。 e) ode23s:它是一种单步解法器,专门应用于刚性系统,在弱误差允 许下的效果好于 ode15s。 它能解决某些 ode15s 所不能有效解决的 stiff 问 题。 f) ode23t:是梯形规则的一种自由插值实现。这种解法器适用于求解 适度 stiff 的问题而用户又需要一个无数字振荡的解法器的情况。 g) ode23tb:是 TR-BDF2 的一种实现, TR-BDF2 是具有两个阶段的隐 式龙格-库塔公式。 h) discrete:当 Simulink 检查到模型没有连续状态时使用它。 固定步长模式解法器有:ode5,ode4,ode3,ode2,ode1 和 discrete。 i) ode5:缺省值,是 ode45 的固定步长版本,适用于大多数连续或离 散系统,不适用于刚性系统。 j) ode4:四阶龙格-库塔法,具有一定的计算精度。 k) ode3:固定步长的二/三阶龙格-库塔法。
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l) ode2:改进的欧拉法。 m) ode1:欧拉法。 n) discrete:是一个实现积分的固定步长解法器,它适合于离散无连 续状态的系统。 ③ 步长参数:对于变步长模式,用户可以设置最大的和推荐的初始步 长参数,缺省情况下,步长自动地确定,它由值 auto 表示。 a) Maximum step size(最大步长参数) :它决定了解法器能够使用的 最大时间步长,它的缺省值为“仿真时间/50”,即整个仿真过程中至少取 50 个取样点,但这样的取法对于仿真时间较长的系统则可能带来取样点过于 稀疏,而使仿真结果失真。一般建议对于仿真时间不超过 15s 的采用默认值 即可,对于超过 15s 的每秒至少保证 5 个采样点,对于超过 100s 的,每秒至 少保证 3 个采样点。 b) Initial step size(初始步长参数) :一般建议使用“auto”默认 值即可。 ④ 仿真精度的定义(对于变步长模式) a) Relative tolerance(相对误差) :它是指误差相对于状态的值,是 一个百分比,缺省值为 1e-3,表示状态的计算值要精确到 0.1%。 b) Absolute tolerance(绝对误差) :表示误差值的门限,或者是说在 状态值为零的情况下,可以接受的误差。如果它被设成了 auto,那么 simulink 为每一个状态设置初始绝对误差为 1e-6。 2.启动仿真 设置仿真参数和选择解法器之后,就可以启动仿真而运行。 选择 Simulink 菜单下的 start 选项来启动仿真,如果模型中有些参数 没有定义, 则会出现错误信息提示框。 如果一切设置无误, 则开始仿真运行, 结束时系统会发出一鸣叫声。

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2.3 MATLAB 的 GUI 程序设计
GUI(Graphical User Interfaces):由各种图形对象组成的用户界面, 在这种用户界面下,用户的命令和对程序的控制是通过“选择”各种图形对 象来实现的。 基本图形对象分为控件对象和用户界面菜单对象,简称控件和菜单。 2.3.1 控件对象及属性 1.GUI 控件对象类型(The mode of controller object) 控件对象是事件响应的图形界面对象。当某一事件发生时,应用程序会 做出响应并执行某些预定的功能子程序(Callback) 。 2.控件对象的描述(Description of controller object) MATLAB 中的控件大致可分为两种,一种为动作控件,鼠标点击这些控 件时会产生相应的响应。一种为静态控件,是一种不产生响应的控件,如文 本框等。 每种控件都有一些可以设置的参数, 用于表现控件的外形、 功能及效果, 既属性。属性由两部分组成:属性名和属性值,它们必须是成对出现的。 (1)按钮(Push Buttons):执行某种预定的功能或操作。 (2)开关按钮(Toggle Button):产生一个动作并指示一个二进制状态 (开或关) ,当鼠点击它时按钮将下陷,并执行 callback(回调函数)中指 定的内容,再次点击,按钮复原,并再次执行 callback 中的内容。 (3)单选框(Radio Button):单个的单选框用来在两种状态之间切换, 多个单选框组成一个单选框组时,用户只能在一组状态中选择单一的状态, 或称为单选项。 (4)复选框(Check Boxes):单个的复选框用来在两种状态之间切换, 多个复选框组成一个复选框组时,可使用户在一组状态中作组合式的选择, 或称为多选项。 (5)文本编辑器(Editable Texts):用来使用键盘输入字符串的值,
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可以对编辑框中的内容进行编辑、删除和替换等操作。 (6)静态文本框(Static Texts):仅仅用于显示单行的说明文字。 (7)滚动条(Slider): 可输入指定范围的数量值。 (8)边框(Frames):在图形窗口圈出一块区域。 (9)列表框(List Boxes):在其中定义一系列可供选择的字符串。 (10)弹出式菜单(Popup Menus): 让用户从一列菜单项中选择一项作 为参数输入。 (11)坐标轴(Axes): 用于显示图形和图象。 3.控件对象的属性(Attributes of controller object)

用户可以在创建控件对象时,设定其属性值,未指定时将 使用系统缺省值。
两大类控件对象属性:第一类是所有控件对象都具有的公共属性,第 二类是控件对象作为图形对象所具有的属性。 2.3.2 GUI 开发环境(GUI Development Environment, GUIDE) MATLAB 提供了一套可视化的创建图形窗口的工具,使用用户界面开发 环境可方便的创建 GUI 应用程序, 它可以根据用户设计的 GUI 布局, 自动生 成 M 文件的框架,用户使用这一框架编制自己的应用程序。 MATLAB 提供了一套可视化的创建图形用户接口(GUI)的工具, 包括: 1.布局编辑器(Layout Editor)------在图形窗口中加入及安排对象。 布局编辑器是可以启动用户界面的控制面板, 上述工具都必须从布局编辑器 中访问, guide 命令可以启动, 用 或在启动平台窗口中选择 GUIDE 来启动布 局编辑器。 2.几何排列工具(Alignment Tool)-----调整各对象相互之间的几何关 系和位置 3.属性编辑器(Property Inspector)-----查询并设置属性值 4.对象浏览器 Object Browser)-----用于获得当前 MATLAB 图形用户
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界面程序中所有的全部对象信息, 对象的类型, 同时显示控件的名称和标识, 在控件上双击鼠标可以打开该控件的属性编辑器。 5.菜单编辑器(Menu Editor)-----建立窗口菜单条的菜单和任何构成 布局的弹出菜单 在 MATLAB 中, GUI 的设计是以 M 文件的编程形式实现的,GUI 的布局 代码存储在 M 文件和 MAT 文件中, 而在 MATLAB6 中有了很大的改变, MATLAB6 将 GUI 的布局代码存储在 FIG 文件中,同时还产生一个 M 文件用于存储调 用函数, M 文件中不再包含 GUI 的布局代码,在开发应用程序时代码量大 在 大减少。 2.3.3 GUI 程序设计(GUI Program design) 包括图形界面的设计和功能设计两个方面 设计一个简单的用户图形界面用于所设计的各种仿真电路的打开 1.设计步骤: (1)在布局编辑器中布置控件。 (2)使用几何位置排列工具对控件的位置进行调整。 (3)设计控件的属性。 (4)设置其他绘图属性。 2.设置控件的标识(Set the Tag of controller) 控件的标识(Tag)是对于各控件的识别,每个控件载创建时都会由开发 环境自动产生一个标识,在程序设计中,为了编辑、记忆和维护的方便,一般 为控件设置一个新的标识。 3.编写代码(Edit code) GUI 图形界面的功能,还是要通过一定的设计思路和计算方法,由特定 的程序来实现。为了实现程序的功能,还需要在运行程序前编写一些代码, 完成程序中变量的赋值、输入输出、计算及绘图等工作。

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4. 设计图形界面图形及所需程序如下:

图 2-1 GUI 图形界面

部分程序如下: function popupmenu1_Callback(hObject, eventdata, handles) val=get(handles.popupmenu1,'value'); switch val case 1 open case 2 open case 3 open end ab abb a

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第3章

整流电路的仿真

整流电路:出现最早的电力电子电路,将交流电变为直流电,电路形式 多种多样, 本章主要对单相和三相整流电路进行模拟方针, 并对其波形进行 分析[4]。

3.1 单相整流电路的仿真
3.1.1 单相半波可控整流电路 单相桥式半控整流电路原理图(图 3-1) 所示,电路由交流电源 u 1 、整流变压器 T、晶 闸管 VT、负载电阻 R 以及触发电路组成。在 变压器二次侧电压 u 2 的正半周触发晶闸管 VT, 则在负载上可以得到方向不变的直流电,改变
图 3-1 原理图

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, 设置模型参数和观测仿真结果等几个主要阶段,叙述 如下: 1. 建立仿真模型 (1)首先建立一个仿真的新文件,命名为 sanquan。 (2)提取电路与器件模块,组成上述电路的主要元件有交流电源,晶 闸管、RLC 负载等。
表 3-1 元器件名称及路径

元器件名称 交流电源 AC

提取元器件路径 Power system blockset/electrical sources /Acvoltage source

晶闸管 T RLC 串联电路 脉冲发生器

Power system blockset/power electronics/thyristor Power system blockset/elements/series RLC branch Simulink/source/pulse generator
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中性节点

Power system blockset/connectors/neutral

(3)将器件建立系统模型图如下

图 3-2 单相半波可控整流电路模型

2. 仿真参数的设置 电源电压为 220V(有效值)、频率 50Hz,晶闸管参数为默认值;选择 仿真终止时间为 0.08s,采用变步长算法 ode23tb(stiff/TR.BDF2)。负 载可以根据需要设成纯电阻、 纯电感、 阻感等, 此例中为电阻负载 R=10Ω 。 α =30° 3. 仿真结果及波形分析

图 3-3 晶闸管的电流(VTi)和电压(VTu)

图 3-3 反映了通过晶闸管的电流及其电压,VT 导通时,相当于短路其

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两端电压为零,有电流通过,VT 关断时,电流为零,所受电压最大值为电 源电压峰值。VT 的 a 移相范围为 180?。

图 3-4 输出电压、电流和平均值波形

由上图 3-4 波形可以看出电阻负载时: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后成为了直流电, 实现了整流。 因为是电阻负 载整流后,电压与电流成正比,两者波形相同。电压的幅值 U R =311V,电流 的幅值 I R =31.1A,与计算结果 I R = U R /R 相同。 其输出直流电压:
U d ? 0.45U 2 1 ? cos ? ? 0.45 ? 220 ? 1 ? cos 30 ? ? 2 ? 92.4V 2

?

?

与仿真输出直流电压值相同。 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。 3.1.2 单相桥式可控整流电路 单相桥式全控整流电路带电阻感负载时的原理接线图如图 3-5 所示。 工作原理:
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VT1 和 VT4 组成一对桥臂,在 u2 正半 周承受电压 u2,得到触发脉冲即导通,当 U2 过零时关断。 VT2 和 VT3 组成另一对桥臂,在 u2 负 半周承受电压-u2,得到触发脉冲即导通, 当 u2 过零时关断。 1. 根据原理图利用 SIMULINK 中电力电子模块库建立相应的仿真模型如 图 3-6 所示。
图 3-5 原理图

图 3-6 单相桥式全控整流电路模型

2.其参数设置为 U AC =220V(有效值),R=10Ω , L=0.02H,晶闸管参数为 默认值。 3.启动仿真 选 择 仿 真 终 止 时 间 为 0.06s , 采 用 变 步 长 算 法 ode23tb(stiff / TR.BDF2), ? =30°。其波形如图 3-7 所示。

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图 3-7 输出电压、电流和电压平均值波形

从波形图 3-7 可知, 电感对电流变化有抗拒作用, 使得流过电感的电流 不发生突变,电感对负载电流起平波作用。U2 过零变负时,由于电感的作用 晶闸管 VT1 和 VT4 中仍流过电流 Id,并不关断。至 wt= ? +a 时刻,给 VT2 和 VT3 加触发脉冲, VT2 和 VT3 本已承受正电压, 因 故两管导通。 和 VT3 VT2 导通后,u2 通过 VT2 和 VT3 分别向 VT1 和 VT4 施加反压使其关断,流过 VT1 和 VT4 的电流迅速转移到 VT1 和 VT3 上,此过程称为换相,亦称换流。至下 一周期重复上述过程,如此循环下去,实现整流。其输出直流电压值由下可 得:

U d ? 0.9U 2 cos? ? 0.9 ? 220? cos30? ? 171.5V
与仿真结果相同。a 移相范围为 90?。因此改变晶闸管触发角度则可观 察不同触发角下到各种波形。

3.2 三相可控整流电路的仿真
当整流负载容量较大, 或要求直流电压脉动较小时, 应采用三相整流电 路。其交流侧由三相电源供电。三相可控整流电路中,最基本的是三相半波 可控整流电路, 应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路、 以及双反星形可 控整流电路、 十二脉波可控整流电路等, 均可在三相半波的基础上进行分析。

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本节主要对三相半波可控整流电路,三相桥式全控整流电路进行仿真分析。 3.2.1 三相半波可控整流电路 三相半波可控整流电路原 理图如图 3-8 所示。 a) 三个晶闸管分别接入 a、b、 c 三相电源,其阴极连接在一 起—共阴极接法。
图 3-8 原理图

根据原理图利用 SIMULINK 中电力电子模块库建立相应的仿真模型如图 所示。

图 3-9 三相半波可控整流电路模型

其 参 数 设 置 为 三 相 交 流 电 源 为 220V( 有 效 值 ) 相 位 互 差 120 ° , R=10Ω ,L=0.03H;晶闸管参数为默认值;选择仿真终止时间为 0.06s,采用 变步长算法 ode23tb(stiff/TR.BDF2),α =60°。 启动仿真,其波形如下

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图 3-10 输出电压、电流及电压平均值波形

从上图波形可以看出此电路特点:阻感负载,L 值很大,id 波形基本平 直。

? ? 30? 时:整流电压波形与电阻负载时相同。
? ? 30? 时(如 a=60?时的波形如图 3-10 所示) 。
当 u2 过零时,由于电感的存在,阻止电流下降,因而 VT1 继续导通,直 到下一相晶闸管 VT2 的触发脉冲到来, 才发生换流, VT2 导通向负载供电, 由 同时向 VT1 施加反压使其关断。这种情况下 ud 波形中出现负的部分,若 a 增大,ud 波形中负的部分将增多,至 a=90°时,u 波形中正负而积相等,ud 的平均值为零。可见阻感负载时 a 的移相范围为 90°。 可得本例中输出直流电压为:

U d ? 1.17U 2 cos? ? 1.17? 220? cos60? ? 129 V
与仿真结果相符合。

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3.2.2 三相桥式全控整流电路 三相桥式全控整流电路主回路 接线图如图 3-11 所示。 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。
图 3-11 原理图

六个晶闸管依次相隔 60°触发,将电源交流电整流为直流电。 三相桥式整流电路的仿真使用了 MATLAB 模型库中的三相桥和触发集成 模块, 建立该电路的仿真过程可以分为建立仿真模型,设置模型参数和观测 仿真结果等几个主要阶段,叙述如下: 1. 建立仿真模型 (1)首先建立一个仿真的新文件,命名为 sanquan。 (2)提取电路与器件模块,组成上述电路的主要元件有交流电源,晶 闸管、RLC 负载等。其元器件名称及提取路径如表 3-2 所示
表 3-2 三相整流电路模型主要元器件 元器件名称 交流电源 整流变压器 提取元器件路径

Electrical source/AC voltage source Element/Three-phase transformer(two windings) Element/Three-phase transformer(two windings) Measurements/Three-phaseV-I measurement

同步变压器
三相电压-电流测量 单元 三相晶闸管整流器

Extra

library/three-phase library/6-pulse thyristor bridge

RLC 负载 6 脉冲发生器

Elements/series RLC bridge Extralibrary/controlblocks/synchronized6-pulseg

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enerator
触发角设定 傅里叶分析模块

Simulink/sources/constans Extra library/ Measurements/Fourier

(3)建立三相桥式整流电路仿真模型

图 3-12 三相桥式整流电路仿真模型

2. 设置各项仿真参数 设定此电路为电阻负载(R 的值为 10Ω 、a=30°。) 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 220V× 2 ,可表示为 “220*sqrt(2)” ,频率为 50Hz,相位分别为 0、-120°、-240°。 2) 整流变压器参数设置:一次绕组联结(winding 1 connection)选择 Delta ( D11) , 线 电 压 为 =220V × 3 =380V ; 二 次 绕 组 联 结 (winding 2
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connection)选择 Y, 线电压为 100V× 3 =173V, 在要求不高时变压器容量、 互感等其他参数保持默认不变。 3)同步变压器参数设置:一次绕组联结(winding 1 connection)选择 Delta(D11),线电压为 380V;二次绕组联结(winding 2 connection)选择 Y,线电压为 15V,其他参数保持默认不变。 4)三相晶闸管整流器参数设置:使用默认值。 5)6 脉冲发生器设置:频率为 50Hz,脉冲宽度取 1°,取双脉冲触发 方式。 6) 触发角设置:给定 alph 设置为 30°。 3.仿真并观察结果。设置仿真时间 0.06s,数值算法采用 ode15。启动 仿真得到波形图如下。

图 3-13 输出电压、电流波形及其电压平均值

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图 3-14 整流器输入的三相线电压波形

将图 3-14 所示三相电压波形与图 3-13 所示的整流电压相比较, 整流后 的电压是直流,一个周期内有六个波头且波形与三相输入电压波形相对应。 整流电压平均值如图 3-13 所示与理论计算值:
U d ? 2.34 ? 100 ? cos 30 ? ? 202 .6V 相符。证明仿真波形是准确的。

因为是电阻负载,整流后的电压和电流波形相同,但幅值不同。改变控 制角可观察在不同控制角下整流器的工作情况。

图 3-15 整流变压器二次侧各相电流波形

图 3-15 中整流变压器二次侧各相电流波反映了晶闸管中流过电流的波
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形,由此波形可以看出,晶闸管一周期中有 120°处于通态,240°处于断 态,由于负载为电阻,故晶闸管处于通态时的电流波形与相应时段的 ud 波 形相同。以变压器二次侧 a 相电流的波形为例,该波形的特点是,在 VT1 处于通态的 120°期间,ia 为正,若 ia 波形的形状与同时段的 ud 波形相同, 在 VT4 处于通态的 120°期间,ia 波形的形状也与同时段的 ud 波形相同,但 为负值。 变压器二次侧 b 相和 c 相电流的波形与变压器二次侧 a 相电流的波 形相同,只是相位不同,依次相差 120°。 a 角的移相范围是 120°,如果继续增大至 120°,整流输出电压 ud 波 形将全为零,其平均值也为零[5]。

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第4章

直流斩波电路的仿真

直流斩波电路(DC Chopper)是一种将直流电变为另一固定电压或可调 电压的直流电的电路。也称为直流--直流变换器(DC/DC Converter) 。它有 多种类型,这里主要介绍降压变流器、升压变流器的仿真[7]。

4.1 降压斩波电路
直流降压变流器用于降低直流电源的电压,使负载侧电压低于电源电 压,其原理电路如右图所示。 在开关器件 V 导通时, 有电流经电感 L 向负载供电, 在 V 关断时,电感 L 释放储 能,维持负载电流,电流经
图 4-1 原理图

负载和二极管 VD 形成回路。调节开关器件 V 的通断周期,可以调整负载侧 输出电流和电压的大小。负载侧输出电压的平均值为:

Uo ?

ton t E ? on E ? ?E ton ? toff T

(4-1)

式(4-1)中 T 为 V 开关周期, ton 为导通时间,为占空比。 根据对输出电压平均值进行调制的方式不同, 斩波电路可有三种控制方 式: (l) 保持开关周期 T 不变,调节开关导通时间 ton ,称为脉冲宽度调 制(Pulse Width Madula-tion,缩写为 PWM)或脉冲调宽型。 (2) 保持开关导通时间 ton 不变,改变开关周期 T,称为频率调制或调 频型。 (3) ton 和 T 都可调,使占空比改变,称为混合型。 降压变流器的主电路的设计除要选择开关器件和二极管外, 还需要确定
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电感 L 的参数,电感参数的计算是复杂的,但采用仿真很方便。仿真的模型 线路如下图所示。

图 4-2 降压斩波电路模型

在模型中采用了 IGBT,IGBT 的驱动信号由脉冲发生器产生, 设定脉冲发 生器的脉冲周期和脉冲宽度可以调节脉冲占空比。模型中连接多个示波器, 用于观察线路中各部分电压和电流波形, 并通过傅立叶分析来检测输出电压 的直流分量和谐波。 1. 设直流降压变流器电源电压 E=200V,输出电压 U R =100V,电阻负载 为 5Ω 。设计电感值。仿真步骤如下: (1) 在模型中设置参数, 设置电源 E 电压为 200V, 电阻的阻值为 5Ω , 脉冲发生器脉冲周期 T=0.2ms,脉冲宽度为 50%,IGBT 和二极管的参数可以 保持默认值。 (2)设置仿真时间为 0.02s,算法采用 ode15s。启动仿真,仿真波形 如下。
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图 4-3 二极管两端电压和电流

图 4-3 所示二极管两端电压(图上部) ,可也看到,在二极管关断瞬间 由于电感 di/dt 作用使二极管两端出现尖峰。 导通期间电感 L 释放储能, 维 持负载电流,电流下降(图下部) 。

图 4-4 输出电压、电流及直流电压波形
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图 4-4 所示为电阻两端的变换器输出的电压波形, 电流波形以及经傅立 叶分析得到的输出的电压直流分量。 由图可知所设参数满足降压要求但是电 压的波动很大。 修改电感参数进行多次仿真, 可发现增大电感可以减少输出 电压的脉动, 但电压达到稳定的时间被延迟。 可以采取的措施是提高斩波频 率和电容滤波。

4.2 升压斩波电路
直流升压变流器用于需要提升直流电压的场合,其原理图如图 4-5 所 示。 在电路中 IGBT 导通时,电流 由 E 经升压电感 L 和 V 形成回路, 电感 L 储能;当 IGBT 关断时,电 感产生的反电动势和直流电源电压 方向相同互相叠加,从而在负载侧
图 4-5 原理图

得到高于电源的电压, 二极管的作用是阻断 IGBT 导通是, 电容的放电回路。 调节开关器件 V 的通断周期, 可以调整负载侧输出电流和电压的大小。 负载 侧输出电压的平均值为:

Uo ?

ton ? toff T E? E toff toff

(4-2)

式(4-2)中 T 为 V 开关周期, ton 为导通时间, t ott 为关断时间。 升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压,关键有两个原因:一是 L 储能之后具有使电压泵升的作用, 二是电容 C 可将输出电压保持住。 在以上 分析中,认为 V 处于通态期间因电容 C 的作用使得输出电压 Uo 不变,但实 际上 C 值不可能为无穷大,在此阶段其向负载放电,U。必然会有所下降, 故实际输出电压会略低于理论所得结果,不过,在电容 C 值足够大时,误差 很小,基本可以忽略。
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直流升压变流器的电感和电容的值设计,可以通过仿真来确定。 已知直流电源 200V,要求将电压提升到 400V,且输出电压的脉动控制 在 5%以内,负载的等值电阻为 5Ω 。设计一个直流升压变流器,并选择电感 和电容参数值。 仿真设计步骤如下: 1. 根据直流升压变流器原理图建立变流器的仿真模型如图所示。

图 4-6 升压斩波电路模型

2. 在模型中设置仿真参数: (1)设置电源 E 电压为 200V,电阻的阻值为 5Ω 。 (2)脉冲发生器脉冲周期 T=0.2ms,脉冲宽度为 50%。 (3)IGBT 和二极管的参数可以保持默认值。 (4)初选 L 的值为 0.1ms,C 的值为 100?F。 3. 启动仿真 设置仿真时间为 0.03s,算法采用 ode15s。仿真波形如图 4-7 所示。

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图 4-7 输出电压波形

观察仿真结果, 可见在上述给定条件下输出电压幅值为 400V,符合公式 (4-2)的计算结果。说明构建的仿真模型的正确性。 从仿真结果还可以看出选择的参数基本满足要求, 只是输出电压存在波 动, 如果需要进一步减少输出电压波动, 可以提高脉冲发生器产生脉冲的周 期,并选择多组 LC 参数比较以得到更满意的结果。

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第5章

三相交流调压的仿真

5.1 三相交流调压仿真基础
交-交变流包括交流调压和交-交变频。 交流调压是指不改变交流电压的 频率而只调节电压的大小的方法。交-交变频是通过电力电子电路的开关控 制将工频三相交流电改变为其他频率的单相或三相交流电, 也称直接变频器 和周波变流器,一般交-交变频器在改变频率的同时也调节电压的大小[3]。 原理: 两个晶闸管反并联(图 5-1)后串联在 交流电路中,通过对晶闸管的控制就可控制 交流电力。 交流调压线路有采用晶闸管器件的相位
图 5-1 两个晶闸管反并联

控制和采用全控元件的 PWM 控制两种方式, 这里主要介绍晶闸管控制的交流 调压电路。 由于电路建模中总是需要用到晶闸管反并联分支电路, 所以首先建立晶 闸管反并联分支电路模块并进行封装。

图 5-2 反并联晶闸管分支电路

交流调压晶闸管控制角 ? 的移相范围是 180°,? =0°的位置在电源电 压过零的时刻。在阻感负载时按控制角与负载阻抗角[φ =arctan(wL/R)]的 关系,电路有两种工作状态。
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1. ? ? ? ? 180? 调压器输出电压和电流的正负半周是不连续的,在这范围内调节控制 角,负载的电压和电流将随之变化。 2. 0 ? ? ? ? 时 调压器输出处于失控状态,即虽然控制角变化,但负载电压不变,且是 与电源电压相同的完整正弦波。 这是因为阻感负载电流滞后于电压, 因此如 果控制角较小, 在一个晶闸管电流尚未下降到零前, 另一个晶闸管可能已经 触发(但不能导通) ,一旦电流下降到零,如果另一个晶闸管的触发脉冲还 存在,则该晶闸管立即导通,使负载上电压成为连续的正弦波,出现失控现 象。 正因为如此交流调压器晶闸管必须采用后沿固定在 180°的宽脉冲触发 方式,以保证晶闸管能正常触发。根据要求设计的交流调压触发电路如下:

图 5-3 交流调压触发电路及分支模块

交流调压器的触发电路由同步、 锯齿波形成和移相控制等环节组成。 电 路的输入端 In1 是同步电压输入端, 同步电压经延迟 Relay 环节产生与同步 电压正半周等宽的方波, 该方波经斜率设定产生锯齿波, 锯齿波与移相控制 电压(输入端 In2)叠加调节锯齿波的过零点,再经延迟 Relay 产生前沿可 调,后沿固定的晶闸管触发脉冲。 三相交流调压器有星形联结和三角形联结的多种方案。 其中星形联结又 有无中线和有中线两种电路, 三角形联结有线路控制、 支路控制和中点控制 的不同电路。
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5.2 无中线星形联结调压器
无中线星形联结三相交流调压器 的原理图如图 5-4 所示。 建立其仿真模型,为了观察方便 在触发模块的移相控制端介入了一个 控制角与移相控制电压的变化函数。
图 5-4 原理图

图 5-5 无中线星形联结三相交流调压器仿真模型

在电阻负载时三相交流调压器的输出电压仿真结果如下图所示。

(a) 图 5-6 α =30°和 α =60°时输出

(b)

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从图 5-6(a) ? ? 30? 的三相波形中可以看到,在调压器三相的各相中 都有一个晶闸管导通区间,输出电压(相电压)应为导通两线电压的 1/2。 随着控制角的增加,同时有三个晶闸管导通的区间逐步减小,到 ? ? 60? 时, 如图 5-6(b)所示任何时间都只有两相有晶闸管导通,导通是输出相电压等 于导通两相电压的 1/2。

5.3 支路控制三角形联结调压器
由三个单相交流调压电路组成, 分别在不同的线电压作用下工作。输 入线电流(即电源电流)为与该线相 连的两个负载相电流之和。 控制 a 角可连续调节流过电抗器的 电流,从而调节无功功率,移相范围为 90°-180°。 建立其仿真模型。
图 5-7 原理图

图 5-8 支路三角形联结晶闸管控制电抗器仿真模型

对三相晶闸管控制的电感支路进行仿真,观察电感支路与晶闸管控制
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角的关系。

(a) (b) 图 5-9 三相交流调压器输出波形 α =120°

控制 a 角可连续调节流过电抗器的电流,从而调节无功功率。配以固 定电容器, 就可在从容性到感性的范围内连续调节无功功率, 称为静止无功 补偿装置(Static Var Campensator—SVC) ,用来对无功功率进行动态补偿, 以补偿电压波动或闪变。 这种装置在电力系统中广泛用来对无功功率进行动 态补偿,以补偿电压波动或闪变。 图 5-9(a)给出了 α 为 120°时输入线电流的波形, 图 5-9(b)给出了 α 为 120°时 TCR 电路的负载相电流波形。从图上可以看出电流滞后于电压 90°, 零状态启动时的电流冲击情况, 以及稳态电流波形。 随控制角的增加, 电流减小, 电抗器提供的感性无功减小,而无功补偿装置向电网提供的容性 无功量增加。通过仿真可以直观的研究线路无功补偿量与 LC 参数的关系和 控制相关的问题。

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第6章





从本文上述系统仿真结果波形可以看出,利用 SIMULINK 对系统建模及 仿真的结果(波形)具有真实性和极高的可信度。 利用该方法还能对非常复杂 的电路、电力电子变流系统、电力拖动自动控制系统进行建模仿真。 系统 的建模和实际系统的设计过程非常的相似,用户不用进行编程,也无需推导 电路、系统的数学模型,就可以很快得到系统的仿真结果。通过对仿真结果 分析就可以将系统结构进行改进或将 有关参数进行修改使系统达到要求的 结果和性能,这样就大大加快了系统的分析或设计过程[6] 。 本文还反映出利用 Matlab 提供的电力系统工具箱,可以方便、快捷地 对所研究的电力电子电路进行各种暂态和稳态仿真。 这对于电路工作状态分 析和电路设计指导都有很大帮助,尤其是 Simulink 在复杂的具有各种控制 策略的电力电子系统方面有很大潜力。仿真结果的可靠性主要取决于系统 Matlab 模型的正确程度 ,但 Simulink 不能直接解决具有不同电路初始状态 的仿真问题。随着仿真技术在电力科学研究中的普及和发展,使用基于图形 界面仿真建模方式的仿真软件 Matlab 适用范围极广,几乎可用于所有工程 领域的仿真[7]。 随着计算机通信技术、 网络技术、 数据库技术、 面向对象技术、 Internet 技术以及软件标准化技术的飞速发展,电力电子系统仿真软件将向网络化、 专业化、实时化和具有更高的开放性、可移植性和可扩展性方向发展。电力 电子系统仿真软件也将逐步向全过程动态仿真和大规模实时仿真系统方向 发展。

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本论文得以顺利完成, 首先得感谢我的指导老师颜艳的悉心指导。颜老 师具有深厚的理论功底、 渊博的知识层面、丰富的实践经验和严谨的治学态 度。 在本课题的研究过程中,颜老师给我提供了优良的学习和研究环境,教 给我许多有用的理论知识和研究方法。在整个毕业设计过程中,颜老师提出 了许多宝贵意见,并给予了认真的指导。在即将毕业之际,特别感谢颜老师 对我的关心和教导。谢谢颜老师,祝您身体健康,工作顺利! 在中国石油大学学习期间, 信息与控制工程学院的各位老师对我的精心 教诲和指导,同学们对我不吝鼓励和帮助,使我受益匪浅,在此一一作谢! 在四年的生活和学习中,感谢我的父母、家人和舍友,是他们在不断鼓 励我克服困难、积极上进、做好每一件事。 最后,对所有帮助和关心我的人表示感谢!

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参考文献
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