大学毕业论文---电力电子电路仿真技术的应用论文.doc

浙江机电职业技术学院毕业设计说明书毕业设计说明书课题名称：电力电子电路仿真技术的应用学生姓名 学 号 二级学院（系） 电气电子工程学院 专 业 机电一体化技术 班 级 机电0934 指导教师 起讫时间：2012年2月13日2012年4月6日32电力电子电路仿真技术的应用摘 要 本文是用MATLAB/SIMULINK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Power System Blockset（PSB）使得电力系统的仿真更加方便。关键词 MATLAB SIMULINK PSB 电力电子相关电路The Calculator Really Imitate Of ElectricPower Electronics Technique Abstract This text really is a calculator to realizes with the MATLAB/ SIMULINK relevant electric circuit in electronics in electric power to imitate graduate design。The thesis gave single mutually the half wave can control to commutate the electric circuit、Single mutually bridge all of the types control to commutate the electric circuit、Three mutually the half wave can control to commutate the electric circuit、Three mutually half wave contain source 逆 change the electric circuit、Three mutually bridge all of the types control to commutate the electric circuits Experiment principle diagram,MATLAB system model diagram,And imitate the true result the diagram.Experiment process with result all express:MATLAB in relevant electric circuit calculator in electric power electronics imitating truely of the application is very extensive. particularly the Power System Blockset(PSB) make electric power system imitated really more convenient.Keywords MATLAB SIMULINK PSB Related electric circuit in electronics in electric power目 录引言1第一章MATLAB软件介绍11.1MATLAB基础知识11.2MATLAB环境11.3Simulin利用仿真软件实施的虚拟实验k简介1第二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.22.2单相桥式全控整流电路102.3三相半波可控整流电路132.4三相半波有源逆变电路162.5三相桥式半控整流电路20第三章利用仿真软件实施的辅助设计3.1直流升压变换器设计.23小 结26参考文献27致 谢27附录1 附录2 引言 MATLAB是由Math Works公司出版发行的数学计算软件，为了准确建立系统模型和进行仿真分析，Math Works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。这种做法使一个复杂系统模型建立和仿真变得十分容易。42 在1998年，MathWoIks推出了电力系统仿真的电力系统工具箱Power System Blockset（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。45由于本文是对基本电路一个个进行仿真，采用实验报告的方式会比较简单，明了，所以格式会和一般的论文有所不同。第一章MATLAB软件的介绍1.1MATLAB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1.2MATLAB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、当前目录浏览器、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。1.3Simulink简介 Sinulink是MATLAB的一个附件组件，为用户提供了一个建模与仿真的工作平台。由于他的许多功能都是基于MATLAB软件平台的，而且必须在MATLAB环境下运行，有恩也将Simulink称之为MATLAB的一个工具箱。他能够实现动态系统建模与仿真的环境集成，且可以根据设计及使用的要求，对系统进行修改与优化，以提高系统工作的性能，实现高效开发的目的。第二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实验目的：掌握单相半波可控整流电路MATLAB仿真方法，会设置各模块的参数。实验原理：图为单相半波可控整流器原理图及接电阻性负载和电感性负载时的原理图。电阻性负载的特点是电压和电流成正比，波形相同并且同相位，电流可以突变。负载端电压=0.45 (1+)/2.1式中，为变压器二次侧相电压，为晶闸管出发控制角。图2-1单向半波可控整流器原理图对电感性负载，当流过电感的电流变化时，电感两端产生感应电势，感应电势对负载电流的变化有阻止作用，使得负载电流不能突变。当电流增大时，电感吸收能量储存，电感的感应电势阻止电流增大；当电流减少时，电感释放出能量，感应电势阻止电流的减少，输出电压，电流有相位差。 通过改变触发角的大小，直流输出电压的波形发生变化，负载上的输出电压平均值发生变化。当=，由于晶闸管只在电源电压正半波（）内导通。输出电压为极性不变但瞬时值会变化 的脉动直流。所以称半波整流。触发延迟角与导通角触发延迟角也称触发角或延迟角，是指晶闸管从承受正向电压开始到刚导通时之间的点角度。导通角是指晶闸管在一周期内处于通态的电角度。出电压单相半波可控整流器在电阻性负载情况下，控制角与导通角的关系为+=1801移相与移相范围移相是指改变触发脉冲出现的时刻，即改变控制角的大小。移相范围是指触发脉冲的移动范围，它决定了输出电压的变化范围。单相半波可控整流器电阻性负载时的移相范围是0180。计算机仿真实验带电阻性负载的仿真实验启动MATLAB，进入SINMULINK后新建文档，绘制单相半波可控整流器结构模型图，如图2-2所示。双击各模块，在出现的对话框内设置相应的参数。晶闸管元件参数设置3（a） （b）图2-2 仿真模型图及可关断晶闸管元件的参数设置对话框双击晶闸管模块，元件参数设置对话框如下。晶闸管元件内电阻，单位为。晶闸管元件内电感，单位为。注意，电感不能设置为0。晶闸管元件的正向管压降,单位为。电流下降到10%的时间，单位为秒（s）。电流拖尾时间，单位为秒（s）。初始电流，单位为，与晶闸管元件初始电流的设置相同。通常将设置为0 。缓冲电阻，单位为，为了在模型中消除 缓冲电路，可将参数设置为inf。缓冲电容，单位为，为了在模型中消除 缓冲电路，可将缓冲电容设置为0。为了得到纯电阻，可将电容C参数设置为inf。仿真含有可关断晶闸管的电路时，必须使用刚性积分算法。通常使用ode23tb或ode15s，以获得较快的仿真速度。单个电阻，电容，电感元件的参数设置3双击RLC模块，单个电阻，电容，电感元件的参数设置对话框如下，本例中设置电阻R=10，电感L=0H，电容C为inf。串联RLC分支与并联RLC分支的设置方法如下表2-3 。 图2-3 单个电阻、电容、电感元件的参数设置对话框元 件 串联RLC分支 并联RLC分支 类 别电阻数值电感数值电容数值电阻数值电感数值电容数值单个电阻 R 0 inf R inf 0 单个电容 0 L inf inf L 0 单个电感 0 0 C inf inf C单个电阻.电容.电感元件的参数固定时间间隔的脉冲发生器参数设置3双击脉冲发生器模块(Pulse), 固定时间间隔的脉冲发生器参数设置对话框如下。本例中振幅设置为5，周期与电源电压设置的一致，为0.02s（即频率为50），脉冲宽度为2，初相位（控制角）为0.0025（45）图2-4固定时间间隔的脉冲发生器参数设置对话框电源电压的参数设置3双击电源电压的模块，参数设置对话框如下，本例中电源电压的幅值为100V，初相位为0，电源电压的周期与固定时间间隔的脉冲发生起的周期都为0.02s。图2-5电源电压的参数设置对话框仿真参数设置3选择“Simulation”菜单中的“Simulation parametes”命令，出现仿真参数设置对话框如下，本例选择ode23tb算法，将相对误差设置为0.001。开始仿真时间设置为0.0，停止仿真时间设置为0.1.图2-6仿真参数设置对话框信号标签的传递3信号标签传递的方法有两种：选择信号线并双击，在信号标签编辑框中输入“”，在此括号中输入信号标签即可传递信号标签，然后选择“Edit”菜单中的“Update Diagram”命令来刷新模型。选择信号线，然后选择“Edit”菜单中的“Signal Properties”命令；或单击右键，选择弹出快捷菜单中的“Signal Properties”，出现对话框，在“Signal name”下写上信号线的名称。当一个带有标签的信号与Scope模块连接时，信号标签将作为标题显示。仿真 单击“Simulation”菜单下的“Start”命令进行仿真。双击示波器模块，得到仿真结果。 控制角为 控制角为示波器参数的设置3单击示波器工具栏的“Scope parameters”图标，出现“General”选项卡和Data history” 选项卡对话框。本例中设置的坐标系树木为6，显示时间为0.1（设置的是横坐标）坐标标签为all。单击右键，选择弹出快捷菜单中发“Axes properties”命令，出现示波器的纵坐标参数设置对话框。本对话框设置的是触发信号纵坐标。“General”和“ Data History”选项卡对话框示波器的纵坐标2.3.2带电阻电感性负载的仿真试验 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上是相同的。但是需要将RLC的串联分支设置为电阻电感性负载。在本例中，设置电阻R=1,L=0.01H,电容为inf。下图分别为控制角为0和45时的仿真结果。 控制角为 控制角为2.2单相桥式全控整流电路实验目的：掌握单相桥式全控整流负载电路MATLAB的仿真方法，会设置各模块的参数。实验原理：电路如图所示，图中DJK03是实验装置上的晶闸管出发控制电路，假设电路已工作在稳态。图2-7带电阻电感性负载的单相桥式全控整流试验原理图在正半周期，触发角处给 和加触发脉冲使其开通，=。负载中有电感存在是负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作用，假设负载电感很大，负载电流连续且波形近似为一水平线，过0边负时，由于电感的 作用晶闸管和仍流过电流，并不关断。至t=+时，给和加触发脉冲，因为和已经承受正电压，所以两管导通。和导通后，通过和分别想和施加反压是和关断，流过和的电流转移到和上，此过程为换相或换流。至下一周期重复上述过程，如此循环，其平均值为： =1实验仿真 带电阻电感性负载的仿真：启动MATLAB，进入SIMULINK后建文档，绘制单相桥式全控整流电路模型，如图，双击各模块，在出现的对话框内设置各模块。 图2-8 仿真模型图 注意：触发脉冲“Pulse”和“Pulse2”的控制角必须相同，“Pulse1”和“Pulse3”的控制角设置必须相同，否则会烧坏晶闸管。 设置好各模块参数，单击工具栏的按钮或“Simulation”菜单下的“Start”命令进行仿真。双击各模块，得到仿真结果。 控制角为 控制角为2.3三相半波可控整流电路实验目的： 掌握三相半波可控整流电路MATLAB的仿真方法，会设置各模块的参数。实验原理：三相半波可控整流电路实验原理如图所示，图中用了三个晶闸管，与单向电路比较，其输出电压脉冲小，输出功率大。不足之处是晶闸管电流即变压器的副边电流在一个周期内只有三分之一的时间有电流流过，变压器利用率较低。图2-9 三相半波可控整流电路试验原理图三相半波可控整流电压平均值的计算分两种情况：2.2.1 时，负载电流连续，有： = 2.2.2 时，负载电流断续，有： =1+=+ 负载电流的平均值为：= 晶闸管电流平均值：= 如果负载为电阻电感性负载，且L值很大，整流电流的波形基本是平直的，流过晶闸管的电流接近矩形波。 小于时，整流电压波形与电阻性负载时相同，因为在两种负载情况下，负载电流均连续。大于时，例如=，当过时，由于电感的存在，组织电流下降因而继续导通，直到下一相晶闸管的触发脉冲到来，才发生换流，由导通向负载供电，同时向施加反压使其关断。在这种情况下波形中出现负的部分，若变大，波形负的部分变多，若=时，波形中正负面积相等，的平均值为。所以电阻电感性负载时的移相范围为。3 负载电流连续 = 输出电流平均值 = 晶闸管电流有效值 = 晶闸管电流平均值 = 晶闸管通态平均电流 =（）2.3实验仿真：2.3.1带电阻性负载的仿真启动MATLAB，进入SIMULINK后新建文档，绘制三相半波整流系统模型如图。双击各模块，在出现的对话框内设置相应的参数。图2-10三相半波整流系统模型图 交流电压源的参数设置 打开参数设置对话框，按要求进行参数设置，主要的参数有交流峰值电压，相位和频率。三相电源的相位互差。设置交流峰值电压为，频率为。 晶闸管的参数设置=，=，=，=，=-（） 负载的参数设置，。脉冲发生器模块（Pulse）的参数设置触发信号的参数设置是难点。打开脉冲发生器模块参数设置对话框，对Pulse，Pulse1，Pulse2进行参数设置。由于交流电压源的频率为，则Pulse，Pulse1，Pulse2的脉冲周期为，脉冲宽度设置为脉宽的50%，脉冲高度为5，脉冲移相角通过“相位角延迟”对话框进行设置。 本实验给出了为和时的工作情况，分别对应在整流状态，中间状态和逆变状态。三相半波电路的移相角零为定在三相交流电压的自然换流点，所以在计算相位角延迟逆变时间时，还必须再增加相位，在电源频率为时，这个角度对应的延迟时间为，另外，Pulse，Pulse1，Pulse2依次延迟。 打开仿真/参数窗，选择ode23tb算法，将相对误差设置为。开始仿真时间为0，停止时间设置为0.1。 设置好各模块参数时，单击工具栏的按钮，得到仿真结果。 重新设置Pulse模块的参数，模块中的其他参数不变，改变触发角，当=时，Pulse延迟，Pulse1延迟，Pulse2延迟。 单击工具栏的按钮，得到仿真结果。 控制角为 控制角为三相半波整流带电阻电感性负载 三相半波整流带电阻电感性负载也如上图，但负载设置，控制角设置如下。 ，Pulse延迟，Pulse1延迟，Pulse2延迟 单击工具栏的按钮，得到仿真结果。 =，Pulse延迟，Pulse1延迟，Pulse2延迟。 单击工具栏的按钮，得到仿真结果。2.4三相半波有源逆变电路实验目的：掌握三相半波有源逆变电路MATLAB的仿真方法，会设置各模块的参数。实验原理： 图2-11三相半波有源逆变实验原理图 图2-11为三相半波有源逆变实验原理图，假设电感很大，维持直流电流近似为一个三相桥式有源逆变电路恒定值，负载为一直流电源E。如果需要三相半波整流器运行在逆变状态，由于晶闸管具有单向导电性，使得电流方向不变，为实现有源逆变必须使控制角，为负，电源E的极性与图上的一致，且|E|，直流电源E输出功率，通过有源逆变送回电网。需要说明的是，无论在整流工作状态或在逆变工作状态，晶闸管总是受到正向电压才能被导通，晶闸管的导电顺序不变，逆变器运行时，输出电压的极性改变，为负值，处于关断状态停止导电的晶闸管承受反向电压 的时间明显比在整流器运行时缩短了很多。 整流和逆变的区别就是控制角的不同。当0时，电路工作在整流状态；当时，电路工作在逆变状态。 有关有源逆变状态时各电量的计算，归纳如下。逆变专题的控制角为逆变角，满足：=输出电压的平均值：输出直流电流的平均值为：每个晶闸管导通，故流过晶闸管的电流有效值为：晶闸管可选用实验装置上的正桥，电感=，电阻选用滑线变阻器。实验仿真 启动MATLAB，进入SIMULINK文档，绘制三相半波有源逆变系统模型。双击各模块，在出现的对话框设置相应的参数。图2-12 仿真模型图 交流电压源的设置 打开参数设置对话框，按要求进行参数设置，主要的参数有交流峰值电压、相位和频率。三相电源的相位互差，设置交流峰值电压为100V，频率为25。晶闸管的参数设置 负载的参数设置 将E设置为120V，大于晶闸管三相半波整流电压的峰值。 脉冲发生器模块（Pulse）的参数设置本例中，触发信号1与触发信号2的振幅设置为5V，周期与电源电压设置一致，为0.02s（即频率为50hz），脉冲宽度为2。本例中，当时，Pulse延迟0.01s，Pulse1延迟0.0233s，Pulse2延迟0.0366s。时，Pulse延迟0.0133s，Pulse1延迟0.0266S，Pulse2延迟0.0398s。当时，Pulse延迟0.0166s，Pulse1延迟0.0299s，Pulse2延迟0.0432s。 打开仿真/参数窗，选择ode23tb算法，将相对误差设置为，开始仿真时间为0，停止时间为0.1。设置好各模块参数后，单击工具栏的按钮，得到仿真结果 。 控制角为 控制角为控制角为2.5三相桥式半控整流电路 实验目的：掌握三相桥式半控整流电路matlab的仿真方法，会设置各模块的参数。实验原理：在中等容量的整流装置或要求不可逆的电力拖动中，可采用三相全控整流电路更简单，经济的三相桥式半控整流电路。它由共阴极接法的三相半波可控整流电路与共阳极接法的三相半波不可控整流电路串联而成，因此具有可控与不可控的特性。共阳极组三个整流二极管总是在自然换流点换流，使电流换到比阴极电位更低的一相，而共阴极组三个晶闸则要在触发后才能换到阳极电位高的一个。输出整流电压的波形是三组整流电压波形之和，改变共阴极组晶闸管的控制角，可获得的直流可调电压。具体电路如图所示，电阻用滑线变阻器，接成并联形式。图2-13三相桥式半控整流电路试验原理图实验仿真： 三相桥式半控整流电路供电给电阻电感性负载 启动matlab，进入simulink后新建文档，绘制三相桥式半控整流电路模型如图，双击各模块，在出现的对话框设置相应的参数。 图2-14 仿真模型图 交流电压源的参数设置打开参数设置对话框，按要求进行参数设置，主要的参数有交流峰值电压，相位和频率，三相电源的相位互差，设置交流峰值电压为，频率为。 晶闸管的参数设置=，=，=，=，=（）。 负载的参数设置，脉冲发生器模块（Pulse）的参数设置脉冲发生器模块（Pulse）的参数设置 是本例的难点，打开脉冲发生器模块的参数设置对话框，对Pulse,Pulse1,Pulse2模块进行参数设置。由于交流电压源的频率为25Hz，则Pulse,Pulse1,Pulse2模块中的脉冲通过“相位角延迟”对话框进行设置。 当控制角=0时，Pulse为0.0033s，Pulse1为0.0165s, Pulse2为0.0297s。当=60时，Pulse延迟0.01s，Pulse1延迟0.0233s，Pulse2延迟0.0366s。 打开仿真/参数窗周期为0.04s，脉冲宽度设置为脉宽的50%，脉冲宽度为5，脉冲移相角，选择ode23tb算法，将相对误差设置为3（1），开始仿真时间为0，停止时间设置为0.1。 设置好各模块参数后，单击工具栏的按钮，得到仿真结果。 控制角为 控制角为 第三章 利用仿真软件实施的辅助设计3.1直流升压变换器设计直流升压变换器（Boost Chopper）用于需要提升直流电压的场合，其原理电路如图3-1所示。图中IGBT导通时，电流由电源E经升压电感L和开关VT形成回路，电感L的电流增加，电感储能；当IGBT关断时，电感产生的反电动势和直流电源电压串联后共同向负载供电，由于在IGBT关断时电感的反电动势和直流电源电压串联方向相同互相叠加，从而在负载侧得到高于电源的电压。二极管的作用是阻断IGBT导通时，电容的放电回路。直流升压变换器的输出电压U0=1/1-aE，其电感和电容值选择，同样可以通过仿真来确定。已知直流电源24V，要求将电压提升到100V，且输出电压的脉动控制在10 %以内，负载的等值电阻为5。设计一个直流升压变换器并选择斩波频率、电感和电容参数。仿真设计步骤：1）根据直流升压变换器原理电路建立变换器的仿真模型，如图3-2所示。2）设置元器件参数。取脉冲发生器脉冲周期为Ts=0.2ms，脉冲占空比：a=U0-E/U0=100-24/100=0.76，取脉冲宽度为76%,初选L=0.1mH C=100uF。图3-1 直流升压斩波器仿真模型图3）设置仿真参数，取仿真时间为0.01s，仿真算法ode15.观察仿真结果，从图3-2可见，选择的参数以能满足要求，输出电压达到100V，脉动在10%以内。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。图3-2 图1图2 图3经过4种参数比较发现图3的仿真模型结果比较理想，因此得出结论周期要小点电容要大点。结 论通过本次毕业设计，成功完成了对电力电子技术中的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、三相桥式半控整流电路、三相半波有源逆变电路、直流升压变换器的计算机仿真实验。通过实践证明了MATLAB/SIMUINK在电力电子仿真上的广泛应用。尤其在数值计算应用最广的电气信息类学科中，熟练掌握MATLAB可以大大提高分析研究的效率。是理工科学生应熟练掌握的一门技术。 由于条件和作者水平有限，有关电力电子的其它方面，诸如直-直变换电路、直流电动机调速系统、自动控制原理等方面都没有涉及。这些方面有待进一步的探索和研究，也是作者在今后工作中的重点致 谢毕业设计已经完成，作者对电力电子和MATLAB都有了进一步的了解和掌握，尤其是MATLAB，在设计的过程中有了更好的掌握。 同时学习方法也在实验的过程中有了提高，认识到光掌握书本上的知识是远远不够的，那样在实际应用时很容易陷入无从下手的地步。还是要掌握技能，这样在实际应用时才能做到不慌乱。同时，实验中也经历了很多挫折，才真正体会到要想成功必须不怕困难，只要迎着困难而上才能克服它战胜它。 实验也得到了方建华老师的细心指导和时常的督促，才使我在实验的过程中没因为惰性和困难而退缩，更在我遇到解决不了问题的时候引导我，和我一起解决问题。参考文献1林飞，杜欣.电力电子技术与MATLABM仿真.中国电力出版社.2009年1月2 洪乃刚.电力电子，电机控制系统的建模和仿真M.机械工业出版社.2010年2月3王兆安 黄俊等 电力电子技术M（第四版）机械工业出版社4张晓华主编 控制系统数字仿真与CAD M 机械工业出版社5李传琦主编 电力电子技术计算机仿真实验M 电子工业出版社6 刘锦波等编著.电机与拖动.清华大学出版社. 2011年01月 7王沫然主编 MATLAB与科学计算M（第二版） 电子工业出版社