首页资源分类应用技术工业控制 > 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真

电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真

已有 445510个资源

下载专区

上传者其他资源

    文档信息举报收藏

    标    签:电力拖动

    分    享:

    文档简介

    电机控制MATLAB仿真的入门书籍

    文档预览

    MATLAB/Simulink/C++等编程援助,请访问我的博客 编程博客:http://matlabsite.blog.hexun.com/64145658_d.html 我的QQ、Email、MSN等,点击联系方式,即可查看 联系方式:http://matlabsite.blog.hexun.com/64150144_d.html 有编程问题的朋友,请直接联系我。如果我QQ/MSN不在线,请将问题 直接发到我的邮箱,或者在我的博客留言,第一时间答复! 非常荣幸能够成为大家的QQ好友,博客内容不断更新中,欢迎大家持 续访问! 声明:本资料整理于网络,仅限交流使用,切勿用做商业用途! 电力电子和电力拖动控制 系统的 MATLAB 仿真 5共乃刚 等编著 。 机械工业出版社 本书介绍了 MATLAB 及其图形仿真界面 SIMULINK 的应用基础知 识,详细介绍了 SIMUUNK 模型库的电力电子和电机模块的功能和使 用,并通过大量实例介绍了电力电子电路和交直流调速系统的仿真方 法和技巧。 本书可以作为高等学校电力电子技术和电力拖动自动控制系统类 课程的教学辅助或选修课教材,也可供相关专业研究生和工程技术人 员学习与参考 O 图书在版编目( CIP) 数据 电力电子和电力拖动控制系统的 MATLAB 仿真/洪乃刚等编著←北 京:机械工业出版社, 2∞6. I ISBN 7-111-18042-9 I 电. . . II. 洪. . 皿.电力传动-控制系统-计算机仿真计算机辅助计算 软件包, MATLAB IV. TM921.5 中国版本图书馆 err 数据核字 (2∞5) 第 146011 号 机械工业出版社(北京市自万庄大街22 号 邮政编码 l ∞037) 责任编辑:林春泉徐明短版式设计:张世琴 责任校对:李秋荣 封面设计:陈沛责任印制:杨曦 北京机工印刷厂印刷 2006 年 1 jJ 第 l 版第 l 次印刷 lOOOmm x 1400mm B5·8.625 印张 '333 于字 0001-4ωo 册 定价 23.00 兀 凡购本书,如有缺页、倒页、脱页,由2f q.士发行部调换, 本社购书热线电话 (010) 68326294 封面元防伪标均为盗版 士 目。 一 同 20 世纪 60 年代发展起来的电力电子技术,使电能可以变换和控制,产生了 现代各种高效、节能的新型电源和交直流调速装置,为工业生产,交通运输, 楼宇、办公、家庭自动化提供了现代化的高新技术,提高了生产效率和人们的 生活质量,使人类社会生产、生活发生了巨大变化。随着新型电力电子器件的 研究和开发以及先进控制技术的发展,电力电子和电力拖动控制装置的性能也 不断优化和提高,这种变化的影响将越来越大 O 电力电子技术和电力拖动控制系统综合了电子电路、电机拖动、自动控制 理论、微机原理和应用等多学科的知识,并且是两门实践性和应用性很强的课 程。由于电力电子器件自身的开关非线性,给电力电子电路和系统的分析带来 了一定的复杂性和困难,一般常用波形分析和分段线性化处理的方法来研究电 力电子电路 O 现代计算机仿真技术为电力电子电路和系统的分析提供了崭新的 方法,可以使复杂的电力电子电路、系统的分析和设计变得更加容易和有效, 也是学习电力电子技术和电力拖动控制系统的重要手段。 仿真是在计算机平台上虚拟实际的物理系统。早在 20 世纪 50 年代,人们就 研究利用计算机的高速计算能力来帮助设计人员进行复杂的设计,以数学模型 代替实际的物理器件和装置。到 20 世纪 60 年代随着数字计算机的出现和普及、 数值算法的完善,出现了大量通用的数字仿真语言及软件,并产生了控制系统 计算机辅助设计软件包( CADCS) , CADCS 的出现对控制系统的研究起了巨大的 作用。但是使用软件包仿真对大多数用户来说还是件不容易的事情,它需要编 写调用软件包的程序,要熟悉各种子程序的功能,对非专业人员来说是困难的。 现代的仿真软件,各种功能的子程序已经模块化,利用这些模块就可以方便地 连接成给定系统的仿真模型,使它更适合广大工程技术人员的使用,成为科研、 设计人员以及学生学习的必备工具和好助手。 现在用于电力电子电路和电力拖动控制系统的仿真软件已有多种,其中最 具影响的当推回PICE 和 MATLAB o PSPICE 是美国加州大学伯克利分校推出的集 成电路分析程序 SPICE 的微机版,广泛应用于电子电路的设计。早期的 MATLAB 主要用于控制系统的仿真和分析,经过不断扩展已经成为包含通信、电气工程、 优化控制等诸多领域的科学计算软件。这两个软件都有很好的人机对话图形界 面和内容丰富的模型库,在近几年的版本中已经都包含了电力电子器件和电机 的模型,可以用于电力电子电路和电力拖动控制系统的仿真。笔者认为,这两 个软件在电力电子电路和电力拖动控制系统的仿真方面各有特点, PSPICE 的电 N 子元器件模型种类齐全,模型精细,使用它可以从事复杂精巧的大规模集成电 路的设计和制造 o MATLAB 的电力电子器件使用的是宏模型,主要只是反映器件 的外特性,但是它有强大的控制功能,用于系统的仿真更方便。这两者可以说 是各有千秋,现在这两种软件也在互相渗透和融合,即 PSPICE 可以连接 MAT­ LAB , MATLAB 也可以连接 PSPICE 。本书仿真是在 MATLAB 的基础上进行的,主 要考虑是 MATLAB 在科技界使用广泛和在系统仿真上的优势。 笔者在电力电子技术和电力拖动控制系统课程的教学中逐步引入了仿真, 对于加深学生对这两门课程的理解,引导学生对电力电子电路和调速控制系统 的兴趣方面都起到了良好的作用 O 掌握了仿真的方法,当学生有一些想法和创 造的灵感时,马上可以通过仿真来验证,对培养学生的创新能力无疑是很有意 义的,并且可调动学生学习的积极性 O 实验是这两门课程的重要组成部分,学 校实验室的条件毕竟是有限的,也受到学时的限制,我们在仿真的基础上开发 了虚拟实验,不足的实验通过虚拟仿真来补充,仿真不受空间、时间和物质条 件的限制,学生可以在课外自行上机。电力电子电路和电力拖动控制系统课程 设计的结果,我们也由学生自己通过仿真来验证 O 仿真在促进教学改革、加强 学生能力培养方面起到了积极的推动作用,仿真对广大科技工程技术工作者来 说也是重要的研究和设计方法。 在这里需要指出的是,仿真也不是一域而就的,尽管现在有了很好的仿真 软件,但要获得正确的仿真结果,需要对仿真对象有正确的理解,也就是仿真 的电路和系统模型要正确,参数设计要合理,并要选择恰当的数值计算方法。 在仿真中出现计算不收敛,仿真中断和不能完成模型的初始化过程的情况是常 有的事,这时要仔细检查模型是否正确,参数是否合适,有时还需要对模型作 一定的调整和修改 O 出错时软件会给出一定的参考提示,但是这种提示不一定 是准确的,仿真的技巧需要在实践中不断积累和提高。 为了节省篇幅,本书对 MATLAB 主要只介绍与电力电子电路和电力拖动控 制系统仿真有关的内容,关于 MATLAB 的详细知识请阅读其他文献资料,有关 电力电子技术和电力拖动控制系统的原理等本书也仅作简要介绍 O 本书在写作过程中得到上海大学的陈伯时教授和西安交通大学的王兆安教 授的关心和支持 O 上海交通大学的杨喜军博士后为本书撰写了第 8 章"提高功 率因数的电力变流电路仿真",将他在研究工作中使用 MATLAB 的成果和经验介 绍给大家,为本书增色不少。安徽工业大学的黄松清副教授提出了许多宝贵的 建议。在此谨表衷心的感谢 O 作者 2005 年 8 月 于安徽工业大学 目 录 前言 第 1 章 MATLAB 基础….. 1 1.1 MATLAB 介绍……………….. 1 1. 2 MATLAB 的安装和启动...... 3 1.3 MATLAB 环境………………… 3 1. 3.1 MATLAB 的主菜单 ………… 4 1. 3.2 MATLAB 的工具栏 ………… 5 1.3.3 MATLAB 的命令窗 υ ……… 6 1. 3 .4 MATLAB 的工作间 ………… 6 1 .4 MATLAB 的计算基础 …… 7 1. 4.1 常量和变量……………….. 8 1.4 .2 数组和矩阵的表示和赋 值………………………..… 9 1.4 .3 MATL胞的算术运算……… 10 1.4.4 MATLAB 的关系运算……… 10 1. 4.5 MATLAB 的逻辑运算……… 10 1.4 .6 MATLAB 的特殊运算符…... 11 1. 4.7 MATLAB 常用的函数…… ·11 1. 5 MATLAB 程序设计基础…… 12 1. 5.1 表达式、表达式语句和赋 值语句…………………….. 13 1. 5.2 流程控制语句 ………… H 1. 5.2.1 if 语句……………….. 13 I .5 . 2 .2 while 循环语句………… 13 1.5.2.3 for 循环语句…………… M I .5 . 2 .4 switch- case 语句 ……… 14 1.6 MATLAB 常用的其他命 /之r队 … … … … … … … … … … … 15 1. 7 MATLAB 的绘图功能……… M 1. 7.1 直角坐标中的二维曲线…… 16 1. 7.2 多条曲线的绘制………….. 18 1. 7.3 曲线的线型和颜色………… 20 1. 7 .4 MATLAB 的图形窗口……… 20 1. 7 .4 .1 设置图形画面参数…… 20 1. 7 .4 .2 在图形上添加箭头、 线段和文字……….. 23 1. 8 电力电子电路波形图的绘 制......……........………….. 24 第 2 章 SIMULINK 环境和模型 库……………………… 30 2.1 系统仿真 (SIMULINK) 环境................................. 30 2. 1 . 1 SIMULINK 的工作环境 …… 31 2 . 1. 1 . 1 SIMULINK 环境的进 入……………………… 31 2. 1. 1. 2 SIMULINK 窗口菜单命 令……………………… 32 2. 1. 2 模型库浏览器……………. 35 2. I .2. 1 SIMULINK 模型库的打 开…………………….. 35 2. 1. 2.2 有关模块的基本操 作…………………… 36 2. 1. 3 SIMULINK 的仿真步骤 …… 40 2. 1. 4 系统模型的保存和调用…… 46 2. I .5 SIMULINK 的仿真算法 ….. 46 2. 1. 5.1 可变步长类算法…-… 46 2. 1. 5.2 固定步长类算法……… 47 2. 1. 6 示波器的使用和数据保 存…......………………….. 48 2. 1. 7 建立子系统和系统模型的封 装………………………….. 52 2. 1. 7.1 建立子系统………….. 52 飞4 2. 1. 7.2 子系统模型的封装…… 53 2.2 SIMULINK 模型库中的 模块………………….......…. 54 2.2.1 连续系统模块库…………… 54 2.2.2 离散系统模块库 ……….. 55 2.2.3 函数与表格模块库………… 55 2.2 .4 数学运算模块库………….. 56 2.2.5 非线性系统模块库………… 58 2.2.6 信号与系统模块库………… 59 2.2.7 仪器仪表模块库…………… 60 2.2.8 信号源模块库……………… 61 2.2.9 子系统模块库…………….. 62 2.3 电力系统模型库…………. 62 2.3.1 电源模块库………………... 63 2.3.2 电器元件模块库…………… 64 2.3.3 电机模块库……………… 65 2.3 .4 电力电子元件模块库……… 67 2.3.5 连接件模块库……………… 68 2.3.6 测量仪器模块库…………… 69 2.3.7 其他电气模块库…………… 70 2.3.7.1 控制模块子集………… 70 2.3.7.2 测量模块子集………… 71 2.3.7.3 三相模型子集…………刀 第 3 章 电力电子器件模型……·η 3.1 二极管模型…….......…….. 76 3.2 晶闸管模型…………......... 77 3.3 可关断晶闸管模型………… 78 3 .4 电力场效应晶体管模型…… 79 3.5 绝缘栅双极型晶体管模 型……………………………… 80 3.6 理想开关模型……………… 82 3.7 三相桥式整流电路模型…... 82 3.7.1 三相桥式不可控整流电路 模型………………………… 83 3.7.2 三相桥式可控整流电路 模型………………………·盯 3.8 多功能桥式电路模型……..盯 3.9 驱动模型…….......………….. 86 3.9.1 同步 6 脉冲发生器………… 86 3.9.2 12 脉冲发生器……………… 88 3.9.3 PWM 脉冲发生器 ………… 88 第 4 章 变压器和电动机模型…… 91 4.1 变压器模型……………….. 91 4. 1. 1 单相变压器模型…………… 91 4. 1. 2 三相变压器模型…………. 93 4. 1. 3 互感线圈………………… 94 4.2 直流电机模型…………...... 94 4.3 交流电机模型……………... 100 4.3.1 兰相交流异步电机模型 … Iω 4.3.2 交流永磁同步电机模型… 103 4.3.3 交流同步电机模型(基本 型)…………………….. 105 4.3 .4 交流电机测量单元……… 108 第 5 童 电刀电子变流电路的的 真……..............………… 110 5.1 交流.直流变流器…......… 110 5. 1. 1 单相桥式全控整流电路 仿真……………………… 111 5. 1. 2 三相桥式全控整流电路 仿真……………………… 119 5. 1. 3 带电容性负载的三相不 可控桥式整流电路仿 真………………………… 126 5.2 直流.直流变流器........…. 129 5.2.1 5.2.2 5.2.3 直流降压变流器设计…… 129 直流升压变流器设计…… 131 桥式直流 PWM 变流器仿 真………………………… 133 5.3 直流-交流变流器………… 136 5.3.1 三相电压源型 SPWM 逆变 器仿真…………………… 136 5.3.2 电流跟踪型逆变器仿真… 140 5.3.2.1 单相跟踪控制逆变器 的仿真 ……………… 142 5.3.2.2 三相电流跟踪逆变器 仿真 ………………… 143 5 .4 交流.交流变流器………… 144 5 .4 .1 单相交流调压器仿真 ….. 144 5 .4 .2 三相交流调压器仿真…… 148 5 .4 .3 交.交变频电路仿真……… 151 第 6 章直流调速系统的伯真…… 156 6.1 直流电动机开环调速系统 仿真……………….......…. 156 6.2 转速闭环控制的直流调速 系统仿真……..............…. 159 6.2.1 带转速负反馈的有静差直 流调速系统仿真....……… 160 6.2.2 带电流截止负反馈的转速 单闭环调速系统仿真…… 162 6.3 转速电流双闭环控制的直 流调速系统仿真…………… 163 6.3.1 按直流双闭环系统动态结 构图仿真………………... 164 6.3.2 使用 Power System 模块的直 流双闭环系统仿真……… 167 6 .4 直流可逆调速系统仿真… 169 6 .4 .1 a = 卢配合控制的有环流直流 可逆调速系统仿真……… 170 6 .4.1. 1 α= 卢配合控制的有环流 直流可逆调速系统工作 原理 ………………… 170 6 .4 .1.2 α= {3配合控制的有环 流直流可逆调速系统 的仿真模型 ………… I 刀 6.4.1. 3 α= 卢配合控制的有环流 直流可逆调速系统仿真 波形和分析 ……… I 刀 6 .4.2 逻辑控制无环流直流可逆 四 调速系统仿真…………… 177 6.4 .2.1 逻辑控制元环流直流 可逆调速原理和仿真 模型 ……………….. 177 6 .4 .2.2 逻辑控制器 ………… 178 6.5 H 型主电路和直流 PWM- M 可逆调速系统的仿 真…….......….........…........ 183 6.5.1 6.5.2 H 型主电路仿真 ………· 184 直流 PWM-M 可逆调速系统 仿真……………………… 187 第 7 章交流调速系统的伯真……190 7.1 交流电动机减压软起动系 统仿真........................... 190 7.2 转速开环恒压频比控制的 交流异步电动机调速系统 仿真......................……· 192 7.3 空间矢量的坐标变换…… 196 7.3.1 三相静止坐标系和两相静 7.3.2 7.3.3 止坐标系的变换………… 197 两相静止坐标系和两相旋 转坐标系的变换………… 197 三相静止坐标系和两相旋 转坐标系的变换………… 198 7.3 .4 矢量变换的仿真………… 199 7 .4 交流异步电动机的磁链 观察 ……………………….. 2ω 7 .4 .1 转子磁链计算的电流模 型……………………… · 200 7 .4.1. 1 在两相静止坐标系上的 转子磁链电流模型 … 2ω 7 .4.1. 2 按转子磁链定向两相 旋转坐标系上的转子 磁链电流模型 ……… 201 7.4.2 转子磁链的电压模型 …… 202 7 .4 .3 转子磁链模型的仿真…... 203 回 7.5 交流异步电动机矢量控制 调速系统仿真……………… 2臼 7.5.1 转差频率控制的异步电动 机矢量控制系统仿真…… 205 7.5.2 带转矩内环的转速、磁链 闭环矢量控制系统仿真… 209 7.5.3 元速度传感器的矢量控制 系统仿真……………… 212 第 8 章提高功率因数的电刀 变流电路的真…………… 216 8.1 谐波污染与电能质量 管理………………………… 216 8.2 高功率因数的单相无源 AC-DC 变流器……………… 218 8.2.1 单相元源功率因数校正的 电路型式………………… 219 8.2.2 谐振电抗器在单相无源PFe 中的仿真分析…………… 220 8.2.3 其他单相元源 PFe 电路的 仿真分析………………… 222 8.2.3.1 桥前采用电抗器的串 联谐振元源 PFe 电 路…………………… 222 8.2.3.2 桥后采用电抗器的串 联谐振无源、 PFe 电 路......……………… 223 8.3 高功率因数的三相无源 AC-DC 变流器…….......….. 224 8.3.1 三相无源功率因数校正的 电路型式………………… 225 8.3.2 基于三相移相电抗器的12 脉波整流器 ……………... 226 8.3.2.1 移相电抗器在三相无源 PFe 中的使用原理…… 226 8.3.2.2 移相电抗器在三相元源 PFe 中的仿真分析…… 227 8.3.3 其他三相元源 PFe 电路的 仿真分析………………… 229 8.3.3.1 桥后采用单电抗器的 三相元源 PFe 电路 … 229 8.3.3.2 桥前 Le 滤波的三相 无源 PFe 电路 ……… 231 8.3.3.3 3 次谐波注入的三相 无源 PFe 电路 ……… 232 8.3.3 .4 基于移相变压器的 12 脉波整流电路 ……… 233 8 .4 单位功率因数单相有源 AC-DC 变流器………......... 235 8 .4 .1 单相有源功率因数校正的 电路型式 ………………… 236 8 .4 .2 传统单相有源功率因数校 正电路…………………. 239 8.4 .2.1 传统单相有源 PFe 电 路的工作原理 ……… 239 8.4 .2.2 传统单相有源 PFe 电 路的仿真分析 ……… 240 8 .4 .3 其他单相有源 PFe 的仿真 分析……………………… 242 8 .4 .3.1 低端半控桥的单相有源 PFe 电路……………… 242 8.4 .3.2 双向开关前置的单相 有源 PFe 电路 ……… 243 8 .4.3.3 单向开关前置的单相 有源 PFe 电路 ……… 243 8.5 有据电力滤波器与单位功 率因数可控整流器........…. 244 8.5.1 并联型 APF 与电压源型 可控整流器的电路型式… 245 8.5.2 并联型有源电力滤波器 技术……………………… 246 8.5.2.1 并联型有源电力滤波 器的工作原理 ……… 246 85.2.2 单相并联型有源电力滤 波器的仿真分析 …… 247 8.5.3 其他并联型 APF 和整流器 的仿真分析…………….. 249 8.5.3.1 单位功率因数的单相 可控整流器 ………… 249 8.5.3.2 单位功率因数的三相 并联型 APF ……….. 250 8.5.3.3 单位功率因数的三相 可控整流器 …-…… 252 8.6 输入电流位移因数可调的 矩阵式整流器…….......….. 253 8.6.1 矩阵式整流器的开关函数 E 算法...………...……….. 253 8.6.2 矩阵式整流器的输入电流 空间矢量算法 ………….. 256 8.6.3 矩阵式整流器的仿真 分析……………………… 257 8.6.3.1 基于开关函数算法的 矩阵式整流器 …….. 258 8.6.3.2 基于输入电流空间矢量 算法的矩阵式整流器… 262 参誓文献…….................………….264 第 1 章 MATLAB 基础 1.1 MATLAB 介绍 MATLAB 是一种科学计算软件。 MATLAB 是 Matrix Laboratory (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 MATLAB 6.1 、 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 Microsoft Windows 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 7∞多个,其中常用的有 200 - 3∞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 MATLAB 4.0/SIMULINK 1.0 版到 2001 年的 MAT- 2 LAB 6. 1/SIMULINK 4. 1 版, 2002 年即推出了 MATLAB 6. 5/SIMULINK 5.0 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 O 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 (DSP Blocks) 、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 (SIMULINK Library Browser) 的目录,就可以看到这些模块。 从 SIMULINK 4. 1 版开始,有了电力系统模块库 (Power System Blockset) ,该 模块库主要由加拿大 HydroQuebec 和 TECSIM Ir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 MAT­ LAB/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 0 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。 现在因特网上有大量的 MATLAB 资源,如有关 MATLAB 的新消息,免费的 工具箱下载,合关 MATLAB 的讨论和讲座等,读者可以进入这些网站,以获取 更多的信息。有关 MATLAB 的网站很多,下面列举部分网站供读者参考,其中 包括 http://matlab.netsh . net 、 http://www.mathworks.com 、 http://mathtools . net 、 http://matlab.myrice . com (MATLAB 大观园)、 http: Ilwww.hirain.com (恒润科技, MATLAB 国内代理)、 http://matlab.netsh. net 等。 3 1.2 MATLAB 的安装和启动 MATLAB 6.1 版有两张光盘,将其中的 A 盘(程序盘)插入计算机的光驱, 启动光驱,如果操作系统是 Windows 98 或 Windows 2000 ,就会自动进入和运行安装 IMATLAB'⑨ 程序,出现图 1-1 所示的 MATLAB 启动界 i 面,并随后出现图 1-2 所示的安装对话框, 按照对话框的提示,点击 Next 键,即可完 成 MATLAB 的安装过程。在安装过程中, 需要输入用户名称、公司及产品注册码等。 在安装过程中,可以选择安装组件,如果 计算机磁盘空间不足,可以减少一些暂时 不用组件的安装。 且 」 C匈申唱..'咽&组圃.......制阳、'‘凰 在 MATLAB 安装结束时,可以选择 图 1-1 MATLAB 启动界丽 "立即重新启动计算机"或"暂不重启计算机"。安装完成后,在 Windows 桌面上 会自动生成 MATLAB 的快捷方式图标圃'。 阳一-一一一 WJ 二二十一二 时〉四. k_ol 图 1-2 MATLAB 安装对话框 不同版本的 MATLAB 安装过程会略有差异,但大体是相同的。 1.3 MATLAB 环境 在桌面上双击 MATLAB 快捷方式图标,或者在开始菜单里点击MATLAB 的 选项,即可进入 MATLAB 环境。进入 MATLAB 环境,即打开了 MATLAB 窗口 4 (见图 1-3 )。环境包括 MATLAB 标题栏、主菜单栏和常用工具栏。在默认显示状 态时,在工具栏下有三个子窗口,左边上方窗口显示 MATLAB 联机说明书目录 或工作间的内容,两者可以通过子窗口下方的Launch Pad 和 Workspace 键切换。 左边下方窗口将显示己执行的命令 (Command Histo巧)。右方窗口是 MATLAB 的 命令子窗口,这是 MATLAB 的主要工作窗口,在这个窗口中,在提示符" » 后逐行输入 MATLAB 命令,回车后,命令就能立即得到执行。 4血 '唱队 C~1mlc.hons Toolbox 唱队 Control SY'J: ltlll Toolbox 陀唱队 Bah ACqUI 51 hon Toolb阳 、‘~D.tab.u Toolbox ?咱~ nah.fud TOO1bOI 唱队 PiltV' DUtenτ叫b.. 岳、 .'inuu:i al D.r1 nlu·u Toolbox 唱队 'Ina.nc: ul Tl.. Suus T叫box • ~11nan口u. Toolbox 价 .Fuu)' loCH Toolhox 令唱队 GA1'£H T叫b" -ta.r.". 叶, fro c: usinc Toolbox A To eet shrhd. nle c: t -MATW Help" 仕幅山. Hdp ..ma... > 图 1-3 MATLAB 的工作环境 1. 3.1 MATLAB 的主菜单 MATLAB 的主菜单有 File 、 Edit、 View、 Web 、 Window 和 Help 六项。点击菜 单命令,就会显示下拉子菜单的内容。这些菜单的内容与其他应用程序的菜单 区别不大,因此只选择一些主要内容进行说明。 1. File (文件)菜单 (1) "New" 创建一个新文件,有三种文件,即"M-file" 、 "Figure" 、 "Model" 可选。选择 "Model" 即可进入 SIMULINK 环境,以绘制仿真模型方式对电路和 系统仿真,这是本书介绍的主要仿真方式。 (2) "Open" 打开一个名为 "work" 的文件夹,这是 MATLAB 默认的保存文 5 件的地方。只要文件保存时没有另外指定文件保存的路径, MATLAB 系统就将文 件保存在 "work" 文件夹中。 (3) "Close Commmand Window" ,点击该项可以切换窗口显示。 (4) 叮mport Data" 为打开 MATLAB .. work" 文件夹中带有 .mat 后缀的数据文 件,并将数据放到工作间( Workspace) 中备用。 (5) .. Save workspace As …"为保存工作间( Workspace) 中的数据。 (6) "Set Path …"为打开 MATLAB 的路程浏览器,搜索 MATLAB 所有文件的 路径。 (7) .. Preferences …"可以打开一个 MATLAB 的参数设置对话框,供用户改变 工作环境的外观和相关操作的属性。 (8) "Print …"为打印。 2. Edit (编辑)菜单 Edit (编辑)菜单中包括了撤消(Undo) 、恢复 (Redo) 、剪切( Cut) 、复制 (Copy) 、粘贴( Paste) 、特殊帖贴 (Paste Special"') 、全选 (Select All) 、清除 ( Delete) 等命令,这些命令都要在选中目标后才能操作。另外还有窗口命令,其 中包括清除命令窗口 (Clear Command Window) 显示的内容、清除历史命令 ( Clear Command History) 窗口内容以及清空工作间 (Clear Workspace) 。 3. View (查看)菜单 View (查看)菜单中的命令主要用来改变桌面上 MATLAB 子窗口打开的个数 和排列,如选择 Desktop Layout/Default 默认方式,贝 U MATLAB 的窗口就如图 1-3 所示,读者只要试验几次就知道了。 4. Web (万维网)菜单 Web (万维网)菜单保存了 Mathworks 公司的三个网址,点击其中之一,即 可进入该公司的相应网站。 5. Window (视窗)菜单 用来查看 MATLAB 已经打开的窗口,并选择其中某一窗口或在不同窗口之 间进行切换。 6. Help (帮助)菜单 Help (帮助)菜单用于打开 MATLAB 的帮助窗口,用鼠标点击窗口中的帮助 主题或浏览器,可以得到帮助的内容。 1.3.2 MATLAB 的工具栏 在 MATLAB 的工具栏上有九个按钮,为用户提供了常用命令的快捷方式, 其功能如下: (I)自用于打开MATLAB 的 M 文件 (M-file) 编辑器,用编辑器编辑一个M 6 文件的新文件。 (2) I量用于打开一个已经存在的文件,它的默认方式是打开MATLAB work 文件夹中的模型文件。 (3)愣用于将选中的文档剪切下来,井放到粘贴板上。 (4) 黯用于复制选定的文档,并放到粘贴板上备用。 (5) 董事用于将保存在粘贴板上的文档粘贴到指定的位置上。 (6) fi的1 用于撤消最近的一次操作。 (7) r;;用于恢复最近的一次操作。 (8) 前|用于打开 SIMULINK模块库浏览器,进入SIMULINK仿真环境。 (9) '1 用于打开 MATLAB 帮助文件。 1.3.3 MATLAB 的命令窗口 MATLAB 的命令窗口 (Command Window) 是 MATLAB 的主要工作区,是人机 对话的主要环境。在命令窗口中键入各种命令,可以得到相应的结果。1图-4 所 示为在命令窗口中键入了一个简单的代数计算式:10.5 + 3 x 4 x (2.1 + 3 .4 )12 , 回车后得到的计算结果是 43.5 。关于 MATLAB 的命令和基本运算将在后面作相 应的介绍。 ... =..;;;: :; : ; l.i1o ldi t ~i... '.k lind... H.lp :;善 D~ ? j Clnlll1伪叫什 D: \onal胁\work Itr. 阳叫"……-占~ MATLIJl 生← 4队 C otMIunication军 T 叫box ,、'‘ 阴阳[Btl Ready 图 1-4 MATLAB 命令窗口 1.3.4 MATLAB 的工作间 MATLAB 的工作间(Workspace) 是暂时存放 MATLAB 命令或程序的运行结 果,以及程序(或命令)中出现的常数和变量的一个空间。在进入 MATLAB 环 境时, MATLAB 工作间(Workspace) 就自动同时打开。在运行MATLAB 程序时, 7 程序中的变量就会存放到工作间中,程序运行的结果也以变量的形式保存在工 作间中。 工作间的变量可以在窗口中看到,也可以用命令 who 或 whos 查看当前工作 间中的所有变量。其中,命令 who 只给出变量名,命令 whos 不仅给出变量名, 还同时给出变量的大小和数据类型。用命令 clear 可以清空工作间中的变量和数 据。如图 1-5 所示,右边窗口给出 A 、 Al 、 A2 三个变量的赋值,最后用命令 who 查看工作间的变量。将左上窗口切换到 "Workspace" ,通过此窗口可以显示工作 间的变量及变量大小和类型。在左下窗口则给出了在命令窗口中已经执行过的 历史命令。 三 hE卧 » A= [1 2;3 4) ‘By .sl C1ass A= 2><2 321 double array 1 2 肌 中 2x2 32 I doubl e U-T ay 3 4 2x2 3哩 4 。咱bI. array » AI=H5 AI = Launch Pad Workspace ?平甲干'{i!5t 6 7 日 9 ,,'才 » A2=HIO A2= II 12 13 14 » wh。 Your variables are Command History I Current Dlrecto Ready 图 1-5 通过窗口和命令查看工作间变量 工作间中的变量和数据可以用 "File" 菜单中的" Save Workspace As …"命 令进行保存。 1.4 MATLAB 的计算基础 MATLAB 的计算主要是数组和矩阵的计算,并且定义的数值元素是复数,这 8 是 MATLAB 的重要特点。函数是计算中必不可少的, MATLAB 函数的变量不需要 事先定义,它以在命令语句中首次出现而自然定义,这在使用中很方便。使用 MATLAB/SIMULINK 进行仿真, MATLAB 的计算大部分已经模块化了,但是掌握 一些必要的计算知识和定义还是很有必要的。 1.4.1 常量和变量 MATLAB 数值计算的数据有常量和变量两种,变量和常量都可以用标识符来 表示和辨别,这些标识符也就是变量名,变量在数值计算前必须先赋值。 (1)常量。 MATLAB 的常量有实数和复数两类,复数又有实部和虚部两部 分, MATLAB 定义的数值元素是复数,因此实数是复数虚部为零的特殊情况。常 量可以是十进制数,也可以是其他进制的数值。 = 在 MATLAB 中,虚数的单位为 "i" (i v=-!),复数的生成话句为 z = a + bi 式中, α 、 b 为实数 ; z 为复数名。 或 z=r 并 exp(e 提i) 式中 , r 为复数的模 ; e 为复数的辐角( rad) 。 MATLAB 常数的存储格式是 16 位长型格式,数值的有效范围是 10- 308 - --nAu+ 308 0 (2) 变量。 MATLAB 变量的命名规则如下: 1)变量名以英文字母开始,即首字符必须是26 个英文字母之一。 2) 变量名可以由英文字母、数字和下划线组成, MATLAB 能区分字母的大 小写。 3) 变量名长度不超过 31 个字符长度。 4) 如果在变量名前添加了关键词 "global" ,该变量就成为全局变量,全局 变量不仅在主程序中起作用,并且在调用的子程序和函数中起作用。定义全局 变量必须在主程序的首行,这是惯例。 MATLAB 有一些规定的常量和变量,这些常量和变量见表1-1 0 表 I-I MATLAB 规定的常量和变量 常量和变量名 ANS( 或 an.) i或j P' eps 说明 默认变量名,用于应答最近一次的操作、运算结果 虚数单位 圆周率 π 浮点数的相对误差 常量和变量名 realmax. realmin INF( 或 inf) NaN( 或 nan) n盯gtn nargout 最大的实正数 最小的实正数 无穷大 表示不定值(即 0/0) 函数实际输入的参数个数 函数实际输出的参数个数 说 明 9 (续) 1. 4.2 数组和矩阵的表示和赋值 数组是指按一定次序排列的数,矩阵是由m X n 个数,按 m 行和 n 列排列 而成的"表"。数组可以是一维的,也可以是 n 维的,因此一维数组可以看成是 一行多列的矩阵,是矩阵的特殊情况,一般也称为行矢量,而→列多行的矩阵 称为列矢量。 n 维数组一般也就是矩阵了。单个的数或标量则可以看成是 1 X 1 的矩阵,所以数、数组都可以用矩阵表示, MATLAB 也以矩阵作为运算的基本单 元。 MATLAB 既支持数组的运算,也支持矩阵的运算,但是数组与矩阵的运算有 很大的不同,数组的运算对数组中每个元素都执行相同的操作,而矩阵的运算 则按线性代数的法则进行。 (1)一维数组的表示和赋值。一维数组(行矢量)是用方括号括起的一组元 素(或数) ,元素之间用空格或逗号分隔,组成数组的元素可以是具体的数值、 变量名或算式。举例如下: x= [l 23456] x 为数组名, 1 , 2 , 3 、4 , 5 、 6 为组成数组的元素j 元素之间以空格分隔。 = y [7 , 8 , 9 , 1 + 2i , 3 千 4i] 数组元素包含复数,元素间以逗号分隔。 z= [1 ,2 , 3 , a , b ,c] 包含变量的数组,a , b 、 c 为变量名。 = p [pi , 2 铃 pi , 1. 3 并 sqrt(3) , (l + 2)/5 兴 4J 以算式表示的数组。 (2) n 维数组和矩阵的表示和赋值。 n 维数组或矩阵的表示和赋值的规则是 矩阵或数组的元素列入方括号()中,每行的元素间用空格或逗号分隔,行与行之 间用分号或回车键隔开。举例如下,即 A=[123;456;789J A 为矩阵名,方括号内表示一个3x3 的矩阵。 矩阵内的元素可以是数值、变量或者表达式。如 10 B=[1 ,2, 3;a, b, (a+b)l2] 1.4.3 MATLAB 的算术运算 MATLAB 的算术运算符见表1-2 。 表 1-2 MATI础的算术运算符 算术运算符 + '晤 '‘ A A 说明 力日 减 矩阵乘 数组乘 矩阵乘方 数组乘方 算术运算符 1 .\ / .I , 说明 矩阵左除 数组左除 矩阵右除 数组右除 矩阵转置 数组转置 1.4.4 MATLAB 的关系运算 所谓关系运算是指两个元素之间的比较,关系运算的结果只可能O是或 1 0 0 表示该关系式不成立,即为"假" ; 1 表示该关系式成立,即为"真 "0 MATLAB 的关 系运算有六种,见表 1-3 。 襄 1-3 MATLAB 的关系运算符 关系运算符 -= > 说 明 等于 不等于 大于 关系运算符 < >= <= 说 明 小于 大子等于 小于等于 1.4.5 MATLAB 的逻辑运算 逻辑量只有 O( 假)和 1 (真)两个值,逻辑量的基本运算有与(&)、或( I )和非 ( - )三种。有时也包括异或运算 (xor) ,异或运算可以通过三种基本运算组合而 成。基本逻辑运算的真值见表 1-4 。 表 1-4 基本逻辑运算的真值衰 逻辐运算 A&B AlB -A xor(A , B) B=O 。 。 1 。 A=O B=l 。 1 1 1 B 窍。 。 1 。 l A= 1 B=l 1 。 。 11 1. 4.6 MATLAB 的特殊运算符 MATLAB 有一些特殊运算符在命令和计算中使用,这些特殊运算符见表1-5 。 要特别指出的是,这些特殊运算符在英文状态下输入有效,在中文状态下输入则 无效。 褒 1-S MATLAB 的特殊运算符 特殊运算符 : ; , () [] II % 说 明 冒号,输入行矢量,从矢量、数组、矩阵中取指定元素、行和列、大矩阵中取小矩阵 分号,用于分隔行 逗号,用于分隔列 圆括号,用于表示数学运算中的先后次序 方括号,用于构成矢量和矩阵 大括号,用于构成单元数组 小数点或域访问符 父目录 用于语句末端,表示该行未结束 用于注释 用于调用操作系统命令 用于赋值 1. 4.7 MATLAB 常用的函数 MATLAB 的函数极为丰富,一些常用的数学函数见表 1-6 。 表 1-6 MATLAB 常用的戴学函戴 分类 角 函 数 函数 sm cos Ian asm acos sec esc col asec 说明 正弦 余弦 正切 反正弦 反余弦 正部l 余割 余切 反正割 分类 角 函 数 函数 alan alan2 (x , y) sinh cosh lanh asinh acosh alanh acol sese 反余割 sech 说明 反正切 四象限反正切 双曲正弦 双曲余弦 双曲正切 反双曲正弦 反双曲余弦 反双曲正切 反余切 双曲正割 12 分类 三角 函数 指数 函数 复数 函数 csch coth asech acsch acoth exp log log2 log lO pow2 呵d Nextpow2 abs angle 说明 双曲余割 双曲余切 反双曲正割 反双曲余tll 反双曲余切 以 e 为底的指数 自然对数 以 2 为底的对数 以 10 为底的对数 2 的客 求平方根 求比输入数大而最近 2 的幕 求绝对值和复数模 求相角 分类 复数 取整 函数 函数 real lmag con] isreal unwrap cplxpair round fix l100r 回 il SIgn 而m(a , b) mod(x , m) (续) 说明 实部 虚部 求共辄复数 是实数时为真 去掉相角突变 安共辄复数对排序 四舍五人取整数 向 0 方向取整数 向 国方向取整数 向+∞方向取整数 符号函数 a 整除 b ,求余数 x 整除 m ,取正余数 1.5 MATLAB 程序设计基础 MATLAB 是一种解释性高级程序设计语言,对程序中的语言边解释边执行。 MATLAB 与其他高级语言一样,是由顺序、选择和循环三种基本控制结构组成。 MATLAB 语句包括表达语句、控制语句、调试语句和空语句等。控制语句还包括条 件、循环和一些转移语句。 MATLAB 的语句键入后按回车键即可执行,因此一般也 把语句称为命令。 MATLAB 程序的基本结构如下,即 % 说明 清除命令 定义变量 逐行执行的命令 循环和转移 逐行执行的命令 end 逐行执行的命令 13 1.5.1 表达式、表达式语旬和赋值语旬 1.表达式 由运算符连接的常量、变量和函数就构成了MATLAB 的表达式,因此在 MAT­ LAB 中有算术表达式、函数表达式、关系表达式和逻辑表达式等。MATLAB 中的数 组可以进行这四种运算,而短阵只能进行前两种运算。 2. 表达式语句 单个的表达式就是表达式语句,一行可以只有一个表达式语句,也可以有多 个表达式语句,这时语句间用分号(; )或逗号( , )分隔。语句以回车换行结束。以 分号结束的语句执行后不显示运行结果,以逗号和回车键结束的语句执行后即显 示运行结果。如果一条语句需要占用多行,这时需要使用连续符(…)。 3. 赋值语句 将表达式的值赋予变量就是赋值语句。 A=3+7 祷 8 = x 10 铸 sin(2 祷 pi 祷 f 关 t) z=2 祷 x+5 祷 y 1.5.2 流程控制语旬 MATLAB 语句一般是逐条执行的,如果需要中途改变执行的次序,就需要流程 控制语句a MATLAB 的流和推制语句有if、 while 和 for 三种。在 MATLAB 5.0 版后 又增加了 switch - case 语句。 1.5.2.1 if 语旬 if 语句有三种形式,分别为 if (表达式) ,语句组 A , end if (表达式) ,语句组 A , else 语句组 B , end if (表达式1),语句组 A , else if (表达式 2) 语句组 B , else 语句组 C , end 三种形式都以"if" 开始,以 "end" 结束。最后的"end"是必不可缺的,否则在if 语句执行完后,就会找不到后续程序的入口。语句中的表达式的值,即真(1)和假 (0) 指示语句转移的条件。 if 语句三种形式的程序结构如图1-6 所示。 1.5.2.2 while 循环语旬 while 语句的格式为 while (表达式) ,语句组, end while 循环语句的流程如图 1-7 所示 O 语句的执行规则是,当表达式的值为真 (1)时,则执行循环体的语句组,并再次计算表达式的值,如果表达式的值还是为 真,则继续循环,直到表达式的值为假(0) 后,才结束循环,继续向下执行。 14 假 (O)else a) b) c) 图 1-6 if 语句的三种形式 1.5.2.3 for 循环语旬 for 语句的格式为 for k =初始值:增量:终止值,语句组, end for 语句将循环体中的语句组循环执行N 次,每执行一次, k 值就增加一个增量,所以循 环的次数 N 为 N = 1 + (终值-初值)/增量 当 k 值等于终止值后,循环结束,程序转向 end 以后的语句。 for 语句可以嵌套使用。在循 环(语句 while 和 for) 执行中,如果满足一定条件 需要结束循环,可以使用 break 命令终止循环。 1.5.2.4 switch-case语旬 switch-case 语句是一种多分支语句,语句的 格式为 switch 表达式(标量或字符串) 图 1-7 case 值 1 语句组 A case 值 2 语句组 B while 假 (0) 循环结束 while 语句流程图 otherwise 语句组 N end 在 switch-case 语句中,当表达式的值(或字符串)与某个 case 值(或字符串)相 15 同时,就执行该 case 值以下的语句组。如果表达式的值(或字符串)与任何一个 case 值都不相同,则执行 otherwise 后的语句组 N 。 1.6 MATLAB 常用的其他命令 MATLAB 的命令很多,前面介绍的数学运算和流程控制都是MATLAB 的命令, 下面再介绍一些常用的一般命令,见表1-7 0 表 1-7 MATLAB 的常用命令 命令 简要说明 demo 打开 MATLAB 的示范 help 线上查寻指令 info 显示 MATLAB 的有关信息 lookfor path 利用关键词查找相关指令 显示路径 type 显示 MATLAB 文件的内容 what 显示 MATLAB 某一目录下的文件 which 显示某→文件的路径 clear clc 清除变量(内置的常数和变量除外) 清除命令窗口的显示 disp 显示一字符串 length 求出一个矢量的长度 load 装入程序的命令 save 保存程序 who 列出变量名 whos 列出变量的详细情况 cd delete 改变当前的工作目录 删去一个文件 di 田γ 存储在 MATLAB 环境卡的文字 dir 显示目录 UniX 用于运行 UNIX 的命令 用于运行 DOS 的命令 fonllat 设定输出格式 matlabrc MATLAB 启动文件 qUIt 退出 MATLAB 16 1.7 MATLAB 的绘图功能 MATLAB 计算的结果是数据,这些数据放在工作间(Workspace) 中,如果数据 量很大,则阅读这些数据是很困难的,习惯是用曲线和图形表示。MATLAB 可以根 据给出的数据,用绘图命令画出其图形,通过图形对计算结果进行描述,并且可以 对图形进行处理,如加上标题、坐标、网格线和颜色等。本书后面的仿真披形,除 小部分示波器画面是用屏幕复制方法截取的以外,主要都是通过MATLAB 的绘图 功能进行绘制的。绘图功能的处理能力,尚有一定限制。因此,图形中的文字符 号,与通常规范尚有一些差距。 MATLAB 有很强的绘图功能,可以绘制二维图形、三维图形、直方图和饼图等, 这里仅介绍一些常用的基本绘图命令和方法,见表1-8 0 亵 1-8 MATLAB 常用的绘图命令 plot 线性 X-y 坐标图 loglog 双对数坐标图 基本 X-y 图形 semilogx semilogy 半对数 (X 轴)坐标图 半对数 (y 袖)坐标图 plotyy 双 Y 轴坐标图 polar 极坐标图 axIS 坐标分度、范围 坐标控制 hold 保持当前图形 subplot 拆分子图 title 标上图名 text 图上标注文字 萨id 加上网格线 图形注释 gtext 用鼠标定位文字 xlabl X 轴文字标注 ylabl Y 轴文字标注 Legend 标注图例 1.7.1 直角坐标中的二维曲线 在 x-v 直角坐标系上画平面曲线是最常用的绘图方法,MATLAB 绘制平面曲 线的基本命令是plot 命令。在平面上画一条曲线时plot 命令的用法如下: 1. plot( A) 在 x-v 平面上画一维数组 A 的图形。命令中 A 是一维数组的变量名。键入 17 命令,在 X-f 平面上画出的曲线,其 X 轴表示数组 A 中元素的下标, f 轴表示数组 A 中对应元素的值。 【例 1.1] 用随机函数画出 20 个随机数的曲线。 » A =rand(l ,20) A= Columns 1 through 7 0.9501 0.2311 0.6068 0.4860 0.8913 0.7621 0.4565 Columns 8 through 14 0.0185 0.8214 0.4447 0.6154 0.7919 0.9218 0.7382 Columns 15 through 20 0.1763 0.4057 0.9355 0.9169 0.4103 0.8936 » plot(A) 画得的曲线如图 1-8 所示, rand 函数产生的随机数最大值为 1 ,最小值为 0 , 20 个随机数的值之间用折线连接。 -An AUAUAUAUAUAUhUAUAU v n y o o 『 , r o ,、J A 斗 ' 3 9 & ' t o 2 4 6 8 10 12 14 画了20 图 1-8 随机数曲线 2. plot(A , B) 18 画二维数组 A 和 B 组成的曲线。二维数组 A 和 B 组成的曲线是以数组 A 的 元素为 X 轴 , Y 轴上是对应的数组 B 的元素。 A 和 B 之间要用逗号","分隔。 [例 1-2] 画一条按正弦衰减的曲线。 » t = 0:0.2:6 关 PI; = » b exp( - 0.1 祷 t) .赞 sine t) ; » plot ( t , b) 命令执行后得到如图1-9 所示的曲线,图中 X 轴是时间 t , Y 轴是衰减函数值 b。 1.0 o 0.8 1,. 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 图 1-9 正弦衰减曲线 1.7.2 多条曲线的绘制 如果要在一张图上绘制多条曲线,使用plot 语句的格式如下: 1. plot(x1 , y1 , x2 , y2 ,…, xn , yn) 该语句中 xl , y1 , x2, y2 ,…, xn , yn 为 n 组数据,每对数据可以画出一条曲线, 一对数据必须有相同的长度,各对数据的长度可以不同。 [例 1-3 ] 在一张图上画一条幅值为 10 的正弦曲线和一条幅值为 8 的余弦曲 线。 命令如下,即 t=0:0.1:4 提 pi; = y1 10 祷 sine 1) ; y2 =8 * cos( t) ; plot ( t , Y1 , t , y2) plot 命令回车执行后,得到两条正余弦曲线如图1-10 所示。 2. plot ( t , [ y1 , y2 ,…, yn]) 19 。 2 4 6 8 10 12 14 图 1-10 两条曲线的绘制 如果多条曲线有共同的 X 轴变量,则多个 Y 轴变量可以用方括号括起来。该 语句中的 "t" 是矢量, y = ,[ y1 , y2 ,…, ynJ 是矩阵,若"t" 是歹tl( 或行)矢量,则"y" 的 列(或行)长度应与"t" 的长度相同,"y" 的行(或歹。)数就是曲线的根数。 3. plot( 址, y1) , hold , plot (泣, y2) 该语句组是将曲线逐条画到一张图上。在画了第一条曲线后,用命令 hold 保 持第一条曲线,然后在同一张图上再画上第二条曲线。 4. plotyy 使用这条命令,可以用两种 Y 轴比例画图,但是 X 轴的比例仍是一个。现仍 以例 1-3 进行说明。但在例题中将正弦曲线幅值放大 50 倍,显然这两条曲线画在 一张图上是不合适的。这时,可以使用 plotyy 命令,用两个比例来画图。 t=0:0.1:4 并 pi; = y1 10 祷 sin( 1) ; = y2 8 祷 cos( t) ; y4 = 50 铃 y1 ; plotyy( t , y4 , t , y2) 10 。 , AU AUILAV J、 2 4 6 8 10 12 图 1-11 以不同的 Y 轴比例尺画曲线 14一 10 20 画得的波形如图 1-11 所示,图中正弦曲线的 Y 轴比例尺在左边,余弦曲线的 比例尺在右边。 1.7.3 曲线的线型和颜色 多条曲线绘图时,MATLAB 会自动地以不同颜色标出曲线,以便区分。如果对 曲线的颜色和线型另有要求,可以在绘图命令中指出,命令的格式为 plot ( xl , y 1 , , <线型标识符> <颜色标识符>' ,边, y2 , ' <线型标识符> <颜 色标识符>'…) 线型标识符和颜色标识符见表 1-9 0 亵 1-9 线型标识符和颜色 颜色标识符 颜色 线型标识符 线型 y 黄 点 四1 品红 o 小圆圆 c 青 × 叉号 r 红 + 加号 g 绿 实线 b 蓝 w 臼 k 黑 ,峰 星号 . 虚线 -. 点划线 t主划线 1.7.4 MATLAB 的图形窗口 在 MATLAB 6.1 版中,图形都画在图形窗口中,键入命令"fi伊re" ,则可弹出图 形窗口。实际上运行命令plot 后,图形窗口就已经自动打开了,不过图形窗口有时 在屏幕的下层,这时看屏幕下方的提示栏,有一个Fi伊犯1 No.1 文件,点击该文件, 图形窗口就移到上层,图形窗口的画面如图1-12a 所示。 图形窗口上方是标题、主菜单和快捷键工具栏。菜单中的文件打开、保存、复 制、帖贴、打印等功能与其他Windows 菜单功能相类似,这里介绍一些绘图中常用 的特殊功能。 1.7.4.1 设置固形画面参数 用 MATLAB 绘图命令 plot 画出的是简单的曲线和波形,为了使图形画面更说 明问题,画面更美观,往往需要在画面上添加一些内容,如标题、物理量、单位、网 格线和文字等。在主菜单Edit 下提供了两个选项,可以使图形进入编辑状态。这 两个选项是: ( 1) "Figure Properties …"为图面参数设置。 21 圃lID圃MM,__……………………………………… _I 口Ixll a) b) 图 1-12 图形窗口 (2) "Axes Properties …"为坐标参数设置。 1.改变图面背景颜色 图形窗口图形区的原始背景是暗淡的灰色(见图 1-12a) .可以用 "Figure Properties …"选项改变背景颜色。在点击 "Figure Properties …"后,弹出图 1-13 所示的对 话框。对话框里有四页,第一页"style" 下有背景颜色一栏 (Background color) .在该 栏下拉菜单中有各种颜色可以选择(见图 1-13 )。对黑白文档一般可以选择白色 (White) .反自后的图形窗口如图1-12b 所示。 2. 设置标题和坐标轴物理量等 点击 "Axes Properties …"选项、弹出(见图 1-14 )对话框。对话框内有7 页,其 22 .,_..,.. lD!l!!III Edit Properties for: !fieur. 1 叮叮J吨:1 Renderln!t"建苟 II Background color 圆圆 Yellow Menu bar Magenta Cyan II Red Figure copy shor Green Use this to app,", Blue R雪雪雪~雪 ~:Change tempi Black , Noe 口 lor (none) Custom color . 牛、 , ' 『 ,-- 同 :zt 主Ji画 • 2 k ..面. 。κ 1R;;d; 1rCane uf 句附 |吃1 1m叫仙 P附 图 1-13 图面参数对话框 叫 Help ‘ ' O-wURE -Rae 图 1-14 坐标参数对话框 HelP -I 23 中常用的是"Scale"和"Labels" 两页。 在坐标参数页(Scale) 中(见图 1-14) ,可以设置 X 、 Y 、 Z 三个轴的参数有坐标 的范围 (μmits) 、坐标的分度(Ticks) 、选择需要标示的分度值(Labels) 、坐标类型选 择( Scale) 和网格线 (Grid) 等。这些项系统默认的是"自动(Auto) "方式,即软件会 根据输入的图形,自动选定坐标范围,适当的分度和标注。如果要另行设定,只需 要点击该项后面的小方框,将小方框中的 可以进行新的参数设置。 坐标的类型有线性(Line缸)和对数(Log) ,标准 (Normal)和反置( Reverse)可选。 网格线可以选择显示或者隐藏。 "Axes Properties …"选项的标签页(Labels) 如图 1-15 所示。在该页中可以给图 形标注图形名称 , X 轴向和 Y 轴向物理量名称和单位等。 laiiB_巾-- Edit Properties for: I 1 Scale Style ~. Labels Aspect I Ug阳 I Vie咐。Int J Info I 回回固自 Tille 图名,幽锐的名称等 主I Edit Xlabel 时l司 (0 单位( s) 些JII Edit.. Ylabel 电流( A) 电压 (v 】 些JHt Ed 比.. Zlabel 坐.'!.-J~ Immediate ap附 Help 图 1-15 图形标签页 1. 7 .4 .2 在图形上添加箭头、钱段和文字 如果需要在图形画面上添加箭头、线段和文字,只需要使用图形窗口的工具 栏 , 使 用 这 些 工 具 可 以 画 面 上 插 入 箭 头 、 直 线 和 文 字 。 这 些 工 具 的 含 义 ~1表-10 。 选定工具后,拖拉光标就可以在图形上添加箭头和线段,并且可以键入文字。如 24 果对箭头、线段和文字的位置不满意,可以用光标将该箭头、线段和文字点击选 中,拖拉移动到恰当位置,如果拖拉箭头、线段两端的小黑块,可以调整箭头线段 的长度和方向。 表 1·10 图形窗口工具栏 图形 q~.. 民 1万 22 I~ ~, 确川 含义 图形编辐 插入文字 插入箭头 插入线段 图形放大 图形缩小 旋转(3 D 图形) 在选中箭头和线段后,点击鼠标右键,则弹出选项框,在选项框中可以选择箭 头和线段的线型和磅值。可以选择的线型和磅值如图 1-16 所示。 file 'Idit yi.... Insert 100b lind帽 Help Cl~困e;U~:J1 A .1' / f Jt> ~ () \ \ \ \ \ \ \ \ 箭头 线型 线的粗细 图 1-16 箭头和线型 1. 8 电力电子电路波形图的绘制 利用 MATLAB 的命令和函数可以绘制电力电子电路的电压、电流等的波形, 下面举例说明,并通过此例题进一步介绍 MATLAB 的绘图过程。对于电力电子电 路的分析,使用 SIMULINK 仿真可以得到更好的效果,这将在后面进行介绍。 [例 1-4 ] 单相半波不控整流电路(见图 1­ ld 17) ,已知交流电源电压 220V ,负载电阻为 20 。画 出交流电源电压、整流输出电压和电流的波形。 v, MATLAB 命令窗口键入命令如下(命令前的行 lid R 号是为说明而另加的) : 1 »V =220 ; %交流电压有效值 图 1-17 单相半波不控整流电路 25 2 »R = 2; 3 » dth = pi/360 ; 4 » th = 0:dth:2 祷 pi; 5 » vs = V 祷 sqrt(2) 赞 sine th) ; 6 » ud=vs. 祷 (vs> = 0); 7 »id=ud/R; 8 »plot( th , vs) , hold %电阻值 %导通角增量 %一周期中导通角 %交流电压 %整流输出电压 %整流输出电流 9毛画交流电压波形 Current plot held 9 »plot( th ,时, th , id) %画整流电压电流波形 命令中, 1 -7 行为赋值命令,第8 行命令画交流电压电压的波形,回车执行命 令,则画出交流电压电压的波形如图1-18a 所示。在该行中使用了"hold"命令,目 的是在画下面波形时,交流电压的波形还会保留,不会被清除掉。执行9第行命 令后,电源电压、输出电压和输出电流三条曲线就出现在同一幅图上(见1图­ 18b) 。在图形窗口这三条曲线是以不同颜色来区分的,但是如果将这图形复制到 黑白文档上时,有的颜色线条就显示不出来,图中的处理方法是将这三条曲线都 置成黑色(见图 1-18c) ,然后用文字和不同的线型来区分这三条曲线。标注符号或 文字可以用工具栏上的重重键,改变线型和颜色,可以将光标指向曲线,点击右键, 400 6 400 400 2 3 4 5 6 7 一-"4v0V0!6 a) 400 2 34 5 6 7 c) 一4 日飞 1 吵缸00 2 34 5 6 7 一400 0 b) \ / Vo/\ / / \ 、、 -~ / / 2 3456 7 d) 图 1-18 单相不控半波整流电路波形 26 在弹出的对话框中选择。加上文字和改变线型后的图如图1-18d 所示。 图 1-18 所示的波形图还可以进一步美化,使其具有更好的可读性。使用图形 窗口 Edit 菜单下的"Axes Properties …"选项,设置 X-y 坐标轴和名称。在图1-19 所 示的页面上,对 X 轴参数作了修改,并选择了网格线。在图1-20 所示的页面上, 键入了图名和坐标参数名称和单位。经过以上步骤后,波形图的效果如1图-21 所 刁亏。 EdltProp8刷8S 做 Jues .b ...酌矿…1-3-矿 -- 问 ­ 图 1-19 坐标轴设置一 [例 1.5] 单相桥式全控整流电路如图 1-22 所示,交流电源电压 120V ,阻感 负载。画出控制角为 π/6 时,整流电路负载侧的电压波形。 » VS = 120; » Ud=0.9 长 VS 於 cos( alpha) ; » th = 0:delta:2 祷 pi + alpha; » vs = 120 祷 sq此 (2) 并 sine th); » thl = pil6:delta:pi + pi/6;udl = 120 铸 sq民 (2) 祷 sin (th l) ; » udl = 120 铃 sqrt(2) 并 sine th l) ; » th2 = pi + pi/6: delta: 2 祷 pi + pi/6; » ud2 = 120 * sq且 (2) * sine th2) ; 27 图 1-20 坐标轴设置二 400 三 100十元兴 γ乙 气寸U Z正以 / ld \~! 飞 Of 一一一一一一一--一--一--气、 豆 " |\, 证-!O°r 一一-- - l气 j v,/气\/ -200 卡 一 一一- 一一一一一-一-一|一一-:>..一--------/--一 |\/ |\\// -300~ 一一一一一一一一一一一一一一一一|一一一一一一A三T-tff干一一一一一 6 -400 PI 2pi 电角度 lrad 图 1-21 修改后的图形画面 » th3 =0: delta: pi/6; = » ud3 120 祷 sqrt(2) 祷 sin( th3) ; 28 » plot(th , vs , th1 , udl) % VT1 和 VT3导通区间 VTl » p1ot (th , vs , th3 , - ud3 , th2 , - ud2) % VT2和 VT4 导通区间 K Ud > plot ( th , vs , th3 , - ud3 , th1, ud1, th2 , - ud2) %整流器输出电压 » plot( th , VS , th3 , - ud3 , th1 , ud1 , th2 , - VT4 图 1-22 单相桥式全控整流电路 ud2) 图 1-23 所示为晶闸管 VT1、 V口导通区间的整流器输出电压波形,交流电源电 压以点线标出。图 1-24 所示为晶闸管 VT2、 VT4 导通区间的整流器输出电压波形, 图 1-25 所示为整流器一个周期输出电压波形,图 1-26 所示为加上图注后的整流电 压波形。 200 100 ,, ,/ , J AU 一 100 一200 11 J / / / / / / / / \/ \/ \/ \_.-/ 2 3 4 5 6 7 图 1-23 晶闸管 VT1、 VT3导通区间的整流器输出电压波形 200 // / / / 100 / JJ ,J ,/ nuvk 一 100 一200 11 \ \ \ 、 、 、 、、 、 , 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、\ \飞 2 3 4 \\///// ,, ,f ,r / / / / 5 6 7 图 1-24 晶闸管 VT2、 VT4 导通区间的整流器输出电压波形 29 200 100 / / / 。" -100 6 -200 、 、\ \ \ \ ,,, ,, , ,,J ,, / / / / J 2 3 4 5 6 7 图 1-25 整流器一个周期整流电压波形 200 pi/6 pi 7pi/6 2pi 图 1-26 加上图注后的整流电压波形 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 (Power System Block) 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(怡SI如MM町 f 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 31 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. 1. 1 S卧fULINK 的工作环境 2.1.1.1 SIMULINK环境的进入 从 MATLAB 窗口进入 SIMULINK 环境有以下几种方法(见图2-1) : 巳臼声 息的 3 .J 叫队 IATUJl 亨卜侬 E叩uni cali ons T叫 box ‘@队 Co。n盹t叫 r s匀y.t蛐 T 叫M ‘@队 D阳ala AC Q.ui si t1 on T 叫box t 侬川 ..t Toolbox 似 natafud T叫box 叫叫Launch Pad r百EFZ丁 '‘,-- 2 11 PU 2/2'2 1fJ; --l\ ‘ ~-- 8 37 AId 2/24/05 --. l\-- 10 12 m 21241fJ; --1 '‘-- ‘W, 9 2 31041 囚'‘ '‘-- II 11 >JJ 3f08lfJ; --1‘ 白 .ullM '‘一 II 咽W, 3/08/fJ; --l\ '‘-- 3 36 PM 3/08/fJ; --I‘ ,To .t starte d. sel.ct "IIATUB Xelp'" fr幅飞 h. Help _en也 » SI.u1. i 叫 二J 川一13 』主j CommandH陆tory I Current DI陪川 Ready 图 2-1 从 MATLAB 窗口进入 SIMULINK 环境 (1)在 MATLAB 的菜单栏上选择 File ,在下拉菜单中的 New 选项下选中 Model 。 (2) 在 MATLAB 的工具栏上点击按钮簿,然后在打开的模型库浏览窗口菜 单上点击按钮口。 32 (3) 在 MATLAB 的文本窗口中键入 "simulink" 后回车,然后在打开的模型 库浏览窗口的菜单上点击按钮目。 完成上述操作之一后,屏幕上出现SIMULINK 的工作窗口(见图 2-2) 。在 SIMUUNK 工作窗口上方标题栏上, "untitled" 表示一个尚未命名的新文件,在 其上方右侧是最小化、最大化和关闭三个按钮。标题栏下方是菜单栏,这里有 File (文件)、 Edit (编辑)、 View (查看)、 Simulation (仿真)、 Format (格式)、 Tools (工具)和 Help (帮助) 7 项主要功能菜单。第三栏是菜单命令的等效按 钮。窗口下方有仿真状态的提示栏,在启动仿真后,在该栏中可以提示仿真的 进度和使用的仿真算法。窗口中部的空白部分是绘制仿真模型框图的空间,这 是对系统仿真的主要工作平台。 D~ 的"‘ ? On..曲由yf山乱呻阳‘ 3 .J llIJUIt @ε_",:oh-.T叫 >u III T... ,时叫 nIoel "IAJ'W Kup· fr_ 山1Co1, .血 "C_trolS"田 hωu III"......呻 4血 D.hAc~lI ltUfl r.dtol 41'.呻 u.T叫>.. 号 duu. r..l'OOIt 1.. .llll.1I‘}I!..IS..I_h! h帽Ir..,l....t It..I 1. μI, I回…………………………………·画 a :::::::;;1乙:::::::J D ~ g • If', '- _ If III 、曲二. I.orlltl 一古 41' ,.町111 TI..SUI t1 11 41'.. 刷 lu To olh. ·41'- 嚣 Y L.,IC t..u,.. • 唱队队!ol hdh• .l. ~. ‘"军~ ~:Il,')';:‘ ‘?目1'11 <:11<;; 晴在 '‘ n ra ::,'::':,lJ5 .‘ , ''‘‘ w n 1011.;;':::.‘'"导‘ ‘",. ~..:‘。电--、 ,. 9 2~ 翩 3'。‘'(1';‘ " 1111 届"侃J侨唱 '‘ .d ,础 '‘ 1149 蛐 1/ !le.'Q'i -雀 、‘同 J/~ , F ‘ 图 2-2 SIMUUNK 工作窗口 2. 1.1. 2 8Th饥JLINK 窗口菜单命令 1. File 文件菜单 File 文件菜单见表 2-1 。 2. Edit 编辑菜单 Edit 编辑菜单见表 2-2。 选项 New Open Close Save Source control Model properties Preference Save 田 Print Print Setup Exit MATLAB 快捷键 Ctrl + N Ctrl + 0 Ctrl + W Ctrl + S Ctrl + P Ctrl + Q 33 表 2-1 File 文件菜单 选项含义 创建新的 SIMUUNK 工作窗口 打开已经存在的 SIMULINK 模型文件 关闭当前的 SIMULINK 工作窗口 保存当前的仿真模型文件,文件的路径和文件名保持不变 登记编辑文件的文件名及路径等到源系统中 模型属性 选项 将当前的仿真模型文件按新的路径、文件名保存 打印模型文件 1J 印设置 退出 MATLAB 表 2-2 Edit 编辑菜单 选项 Undo Add Redo Cut Copy Past Clear Select all Copy model to clipboard Find Block parameters Block properties 快捷键 Ctrl + Z Ctrl + Y Ctrl + X Ctrl + C Ctrl + V Delete Ctrl + A Ctrl + F 选项含义 撤消前一次操作 恢复前一次操作 剪切选定的内容,并放到剪贴板上 复制选定的内容,并放到剪贴板上 将剪贴板上的内容,粘贴到光标所在位置 清除选定的内容 全部选定整个窗口的内容 将窗口的模型复制到剪贴板上 寻找目标的位置 显示选定模块的参数 显示选定模块的属性 Create subsystem Ctrl + C 创建分支模块,将选定的部分系统模型打包,以一个 模块表示 Mask subsystem Look under mask Link options Update diagram Ctrl + M Ctrl + U Ctrl + D 封装分支模块 显示分支模块的内容 链接选择 更新模型框图的外观 3. View 查看菜单 View 查看菜单见表 2-3 。 34 选项 T∞ lb 町 Statebar mm仙Mom d·业w el t o'bH Iro oE u町 wboseM p1 rsbn m wser b h m m Fit system to view Nonnal 表 2-3 View 查看菜单 选项含义 显示或隐藏工具栏 显示或隐藏状态栏 显示模型浏览器 显示模型内部数据 显示模型库 放大模型显示比例 缩小模型显示比例 自动选择合适的显示比例 标准的显示比例( I ∞%) 4. Simulation 仿真功能菜单 Simulation 仿真功能菜单见表2-4 0 表 2-4 Simulation 仿真功能菜单 选 项 Start ( Pause) Stop Parameters Normal Accelerator External 快捷键 Ctrl + T Ctrl + E 选项含义 启动(或暂停)仿真 停止仿真 仿真参数设置 用标准模式仿真 仿真加速器 外部模式仿真 5. Format 模块格式菜单 Format 模块格式菜单见表2-5 0 表 2-5 Format 模块格式菜单 选项 Font Text alignment Flip name Hide (show) name f1ip block Rotate block Show (Hide) drop sbadow Show (Hide) port I必els Foreground color Background color Screen color Sample time color 快捷键 Ctrl + I Ctrl + R 选项含义 字体设置 标题定位 移动模块名 隐藏(或显示)模块名 水平反转模块 模块旋转 90。 显示(隐藏)模块的阴影 显示(隐藏)了系统标签 设置前景颜色 设置背景颜色 设置屏幕颜色 为不同采样时间序列添加颜色 选项 Wide nonscalar lines Signal dimensions Port data types Storage class Execution order 快捷键 选项含义 以宽线表示非标量信号 标出信号维数 标上端口的数据类型 存储类型 执行次序 6. Tools 工具菜单 Tools 工具菜单见表 2-6 0 表 2-6 Tools 工具菜单 选项 Data explorer SIMUUNK debugger Data class designer Model differences Profiler Coverage settings Real- time workshop External mode control panel Fixed-point Linear analysis Report generator Requirements management interlace 选项含义 数据输出选择 SIMUUNK 调试程序 数据类型设计 模型比较 优化 M 文件的工具 模型设置 实时工作间选择 外部模式控制板 定点运算 线性分析设置 模型文件设置清单 外部模式控制设置 35 (续) 2. 1. 2 模型库浏览器 模型库是 SIMULINK 的重要内容,模型库中保存了控制系统中常用的典型环 节的模型,在系统仿真时,只要调用这些典型环节就可以很方便地组成系统的 仿真模型。 SIMULINK 工具箱的模型都可以通过模型库浏览器 (SIMULINK Library Browser) 来查找。在模型库浏览器上有 20 余种模型库,包括电力系统模型库、 通信系统模型库、数字信号模型库、定点处理模型库等。本节主要介绍模型库 的打开,模型库的内容和有关模块的一些常用操作。 为了叙述方便,本书将模型库中以图标形式表示的典型环节模型称为模块, 将用典型环节模块组成的系统仿真模型简称为模型。 2. 1.2.1 日MULINK 模型库的打开 打开 SIMULINK模型库的方法有如下几种: (1)在 MATLAB 窗口的工具栏上点击按钮盖章。 36 (2) 在 MATLAB 的文本窗口中键入 "simulink" 。 (3)在 SIMULINK 窗口上点击按钮'A'。 完成上述操作之一,即可弹出模型库浏览器 (Simulink) 窗口(见图 2-3 )。 窗口左部的树状目录是各分类模型库的名称。在分类模型库下还有二级子模型 库,点击模型库名前带" + "的小方块则可展开二级子模型库的目录,点击模型 库名前带" "的小方块则可关闭二级目录。 模型库浏览器窗口的右部是用图标表示的二级子目录,图标前带" + "的 小方块表明该图标下还有三级目录,在这里点击或直接点击图标则可以在窗口 中展现三级目录下的模型图标。图 2-4 所示为打开 SIMULINK 的连续系统 ( Continuous) 子模型库后的窗口。在窗口右边展现了 Continuous 子模型库中的 8 个典型环节的模块。 IWIIlI!II!III…q~----------一 .1口 Ixl [.10 Ielit ri 帽 H.lp .D~ 川广 e..li.... ,,: si.'lll!础 31'臼nhntlO'Qs '_m..........m 一一一一一一.1口t 川| 二 ' 圃 队. .1. 由 ~ Continuous 纠 Ducrttt ~ 'tmch ons .. Tablu ~..由 如Ifonllnur tb 5. C"山 "S~l.s ~5. 血 主 S阳'" ~5由S}"S l.S I i +' CIIA E., ferinc t: Bloclts t: l .. I副 E闹剧 CltlOnS Bl。但 H Control 51st.. Toolbox 胳r Bl ockut Dt"tlop.r' s Itt for T1眩, ~ Dlus .. Ga'吨IS Shckut 'iud-Polnt 8locknt huy Lo,IC hoI 'll四 捕陀 810cks .0\01' 01& ItSP Blo c.kul Ift:D 1Il0c.kut I t'llt al If, twork Bloekul l..dy 图 2-3 模型库浏览器窗口之一 回 ~ ~Dlser.h 2坦 ran巾。ns .. hblu ~"th 囚 回 ~ lonhnur 当 SlpltlS l Syst..s 回 各 5ude outpul 二J 阴阳 f叩(1 图 2-12 仿真参数设置 图 2-13 仿真结果 步骤 4: 启动仿真并观察结果。在仿真参数设置完成后,点击按钮"~"启 动仿真,然后双击示波器模块打开示波器,打开示波器后可以看到一阶惯性环 节对单位阶跃给定的响应曲线如图2-13 所示,其中上图为单位阶跃给定的曲线, 下图为一阶惯性环节的输出响应,可以看到在阶跃给定下,一阶惯性环节的输 44 出是按指数曲线上升的,并且仿真从0.8- 1. 65 。 [例 2-2] 转速反馈有静差直流调速系统的稳态结构如图2-14 所示,仿真 该系统的稳态特性。已知直流电动机额定参数为220V、 55A、 1 ∞o rlmin , 电动 势常数 C. = 0.193V· minh,晶闸管整流器放大倍数K. = 44 ,电枢回路总电阻 R=I D., 转速反馈系数 α= 0.0116 。 U; n -Un α 图 2-14 转速反馈直流调速系统稳态结构图 仿真该系统稳态特性,首先在仿真平台上构建仿真模型,如图 2-15 所示, 该模型与系统的结构图基本相同,电流 Id 的加载过程用斜坡函数 (Ramp) 模块 Ud Ks 整流器 放大倍数 时 Ce 电势常数 's…;n『…t回h国.…,。"『l bL....J RIDηp 力日辈辈 巳ι」 Saturation R 主妇← 转速反馈 ,.k~ 咐'西缸,马;二三;SRi-J豆二茹硅 图 2-15 直流转速闭环调速系统稳态特性仿真筷型 Ud n IdL 45 表示,也可以使用例 2-1 中的阶跃函数模块,设定斜坡函数的起始时间和上升斜 率,可以控制系统加载时刻和加载速度,用饱和模块(Saturation) 限制负载电流 的大小。模型中取加载起始时间为O.ls ,上升斜率为 1 ∞。模型中用示波器观察 整流器输出电压、转速和负载电流3 项。 在模型中按已知条件代入模块参数,首次取放大器放大倍数民=20 ,在设 定仿真时间为 0.7s 后启动仿真(其他仿真参数保持默认值),然后打开示披器可 以观察电压、转速和负载电流的稳态曲线如图2-16a 所示。在系统空载时 (0 .ls 加载前)整流器输出电压为220V ,转速为 10∞ r/min。随着负载电流的增加,转 速略有下降,在O.64s 时,电流达到额定值,这时的转速为997 .4r/min ,系统的 转速降为 6. n = 20∞r/ min - 997 .4r/ min = 2.6r/min 。图 2-16b 所示为取民= 40 时系 统的特性,从转速曲线可以看到,随着放大倍数的增加,系统的转速降减小, 静特性的硬度增加,抗负载扰动的能力提高。 b) 图 2-16 单闭环有静差直流调速系统稳态特性 a) K p =20 = b) K p 40 上图一整流器输出电压 中图一转速下图一负载电流 46 2. 1. 4 系统模型的保存和调用 画好的仿真模型可以保存起来,以便下次需要时可以直接调用,这可以使 用 Fi呻单下的 Save 命令或工具栏上的按钮圄。如果是一个新的尚未命名的仿 真模型,这时系统会提示给模型命名,模型名的后缀为. mdl o 模型一般保存在 MATLAB 下的 work 文档中,当然也可以保存到其他地方。如果要调用一个已经 存在的模型可以使用 File 菜单下的 Open 命令或菜单上的按钮匾。当然已经存在 的模型或者修改后的模型也可以另外保存,这可以使用 File 菜单下的 Save 部命 令,这时可以给模型定一个新的名字并保存起来。 2. 1. 5 SIMUL剧K 的仿真算法 在 SIMULINK 的仿真过程中选择合适的算法是很重要的,仿真算法是求常微 分方程、传递函数、状态方程解的数值计算方法,这些方法主要有欧拉法 ( Euler) 、阿达姆斯法 (Adams) 、龙格·库塔法 (Rung-Kutta) ,这些算法都主要建 立在泰勒级数的基础上。欧拉法是最早出现的一种数值计算方法,它是数值计 算的基础,它用矩形面积来近似积分计算,欧拉法比较简单,但精度不高,现 在已经较少使用。阿达姆斯法是欧拉法的改进,它用梯形面积近似积分计算, 所以也称梯形法,梯形法计算每步都需要经过多次迭代,计算盘较大,采用预 报.校正后只要迭代一次,计算盘减少,但是计算时要用其他算法计算开始的几 步。龙格,库塔法是间接使用泰勒级数展开式的方法,它在积分区间内多预报几 个点的斜率,然后进行加权平均,用作计算下一点的依据,从而构造了精度更 高的数值积分计算方法。如果取两个点的斜率就是二阶龙格·库塔法,取四个点 的斜率就是四阶龙格.库塔法。 SIMULINK 汇集了各种求解常微分方程数值解的方法,这些方法分为两大 类,可变步长类算法和固定步长类算法。 2. 1.5.1 可变步长类算法 可变步长(Variable- step) 类算法是在解算模型(方程)时可以自动调整步 提,并通过减小步长来提高计算的精度。在 SIMULINK 的算法中可变步长类算法 有如下几种: 1. ode45 (Dormand-Prince) 基于显式 Rung- Kutla (4 , 5) 和 Dormand- Prince 组合的算法,它是一种一步解 法,即只要知道前一时间点的解 r (t. _I ) ,就可以立即计算当前时间点的方程 解 r (t.) 。对大多数仿真模型来说,首先使用 ode45 来解算模型是最佳的选择, 所以在 SIMULINK 的算法选择中将 ode45 设为默认的算法。 47 2. ode23 (Bogacki-Shampine) 基于显式 Rung-Kutta (2 , 3) 、 Bogacki 和 Shampine 相结合的算法,它也是一种 一步算法。在容许误差和计算略带刚性的问题方面,该算法比 ode45 要好。 3. ode113 ( Adams) 这是可变阶数的 Adams-Bashforth-Moulton PECE 算法,在误差要求很严时, odel13 算法较 ode45 更适合。 odel13 是一种多步算法,也就是需要知道前几个时 间点的值,才能计算出当前时间点的值。 4. ode15s (Stiff/NDF) 一种可变阶数的 Numerical Differentiation Formulas (NDFs) 算法,它相对 Backward Differentiation Formulas 算法(简称 BDFs 算法,也称Gear 算法)较好。它 是一种多步算法,当遇到带刚性( Stiff) 问题时或者使用 ode45 算法不行时,可 以试试这种算法。 5. ode23s (Stiff/Mod. Rosenbrock) 这是一种改进的二阶 Rosenbrock 算法。在容许误差较大时, ode23s 比 ode15s 有效,所以在解算一类带刚性的问题时用 ode15s 处理不行的话,可以用 ode23s 算法。 6. ode23 t (Mod. Stiff/Trapezoidal) 一种采用自由内插方法的梯形算法。如果模型有一定刚性,又要求解没有 数值衰减时,可以使用这种算法。 7. ode23tb (stiff/ TR- BDF2) 采用 TR-BD F2算法,即在龙格.库塔法的第一阶段用梯形法,第二阶段用二 阶的 Backward Differentiation Formulas 算法。从结构上讲,两个阶段的估计都使用 同一矩阵。在容差比较大时, ode23tb 和 ode23t 都比 ode15s 要好。 8. discrete (No Continuous States) 这是处理离散系统(非连续系统)的算法。 2. 1.5.2 固定步长类算法 固定步长类算法,顾名思义,是在解算模型(方程)的过程中步长是固定 不变的,在 SIMULINK 的算法中固定步长类算法有如下几种: 1. ode5 (Dormand-Prince) 采用 Do口nand-Prince 算法,也就是固定步长的ode45 算法。 2. ode4 (Rung- Kutta) 四阶的龙格·库塔法。 3. ode3 (Bogacki-Shampine) 采用 Bogacki-Shampine 算法。 4. ode2 (Heun) 48 一种改进的欧拉算法。 5. odel (Euler) 欧拉算法 6. discrete 'No Continuous States) 不含积分的固定步长解法,它适用于没有连续状态仅有离散状态模型的计 算。 在仿真过程中,用户要根据各种类型的模型的特点,各种数值积分方法的 计算特点和适用范围,才能正确地选择恰当的算法,而这一点往往是使用者难 以掌握的,现在还没有一种对所有模型都适用的算法,一个简单的办法是当一 种算法不能完成模型的计算时,选用另一种算法试试,毕竟SIMULINK 已经编入 了当今主要的各种数值计算方法,如果还是不行,那就要对模型或参数作一定 的修改了。在电力电子电路和调速控制系统仿真中一般都使用可变步长类算法。 2. 1. 6 示波器的使用和数据保存 Sinks 模型库中有各种仪器仪表模块用来显示和记录仿真的结果,在仿真的 模型图中必须有一个这样的模块,否则在启动仿真时会提示模型不完整。在这 些仪器中,示波器 (Scope) 是最经常使用的,示波器不仅可以显示波形,并且 可以同时保存波形数据。下面主要介绍示波器模块的使用。 双击示波器模块图标,即可弹出示波器的窗口画面(见图 2-17 )。在画面上 有一栏工具按钮,点击这些按钮就可以得到相应的功能。 区域放大 X 轴放大 Y 轴放大 自动尺寸 (复原) 浮动示波器 解锁 打印 示波器参数 信号选择 恢复铀的设定 保存轴的设定 图 2-17 示波器画面 49 1.示披器的参数 4 点击示波器参数按钮可以弹出示披器参数设置的对话框(见图 2-18) 。在参 数设置第一页( General) , " Number of 缸es" 项用于设定示波器的 Y 轴数量,即示 波器的输入信号端口的个数,其预设值为 "1" ,也就是说该示波器可以用来观 察一路信号,将其设为 "2" ,则可以同时观察两路信号,并且示波器的图标也 自动变为有两个输入端口,依次类推,这样一个示波器可以同时观察多路信号。 第二项 "Time range" (时间范围) ,用于设定示波器时间轴的最大值,这一般可 以选自动 (auto) ,这样 X 轴就自动以系统仿真参数设置中的起始和终止时间作 为示披器的时间显示范围。第三项用于选择标签的贴放位置。第四项用于选择 数据取样方式,其中 Decimation 方式是当右边栏设为 "3" 时,则每 3 个数据取 一个,设为 "5" 时,则是 5 中取 1 ,设的数字越大显示的波形就越粗糙,但是 数据存储的空间可以减少。一般该项保持预置值 "1" ,这样输入的数据都显示, 画出的波形较光滑漂亮。如果取样方式选 Sample time 采样方式,则其右栏里输 入的是采样的时间间隔,这时将按采样间隔提取数据显示。该页中还有一项 "Floating scope" 选择,如果在它左方的小框中点击选中,则该示波器成为浮动的 示波器,即没有输入接口,但可以接收其他模块发送来的数据。 --一回回一_______,..;101慎'| ...._&'.maaa _l tJl1匠' a) b) 图 2-18 示波器参数设置 a) 示波器设置第一页 b) 示波器设置第二页 示波器设置的第二页是数据页,这里有两项选择。第一项是数据点数,预 置值是 5000 ,即可以显示 50∞个数据,若超过 5∞0 个数据,则删掉前面的保留 后面的。也可以不选该项,这样所有数据都显示,在计算量大时对内存的要求 高一些。如果选中了数据页的第二项 "Save data to workspace" ,即将数据放到工 作间去,则仿真的结果可以保存起来,并可以用 MATLAB 的绘图命令来处理, 也可以用其他绘图软件画出更漂亮的图形。在保存数据栏下,还有两项设置, 50 第 τ 项是保存的数据命名(Variable name) ,这时给数据起一个名,以便将来调 用时识别。第二项是选择数据的保存格式(Fonnat) ,该处有 3 种选择 :Aη町格 式适用于只有一个输入变量的情况;Structure wi由tIme 和 Structure 这两种格式适 用于以矢量表示的多个变量情况,并且前者同时保存数值和时间,后者仅保存 数值。用 Arrary 格式保存的变量,为了 1&1田_SM 以后可以用 MATLAB 命令重画,同时 … … …I_I口 I xl 需要将时间也保存起来,这时可以在 模型平台上调用一个 Sources 模型库中 的时钟模块 (Clock) ,并将其连接一个 示波器,用示波器的 Save data to workspace 功能将时间作为一个变量同 时保存起来(见图 2-19 )。 2. 图形缩放 Clock 在示波器窗口菜单上有 3 个放大 镜,分别可以用于图形的区域放大、 X 。 dl 矿 轴向和 Y 轴向的图形放大。区域放大, 首先在菜单上点击区域放大镜,然后 图 2-19 时间的保存 在需放大的区域上按下鼠标左键并斜向拖拉,这时出现一个矩形框,用矩形框 框住需要放大的局部图形(见图 2-20a) ,松开鼠标这部分图形就被放大了(见图 2-20b) 0 X 轴向和 Y 轴向的放大,同样只要在选择菜单上的相应放大镜后按下鼠 标左键,并沿 X 轴方向或 Y 轴方向拖拉即可。如果要恢复原来的图形,只要点 击一下望远镜图标就可以了。 a) b) 图 2-20 图形的放大 a) 选取放大区间 b) 放大后的图形 51 3. 坐标轴范围 示披器显示的变量一般是时间的函数,所以图形的 X 轴一般是时间 , y 轴 是对应的变量值。 X 轴和 Y 轴的最大取值范围一般是自动设置的,利用放大镜 功能可以在 X 轴和 Y 轴的范围内选取其中的一部分显示,但有时需要将 Y 轴的 最大范围再扩大一些,以便使图形处于窗口的中间。这可以在 Scope 窗口的图形 部分点击鼠标右键,在弹出的功能菜单 ~_. - 中选择"缸es properties"'" 项,则可以 打开 Y 轴范围限制的对话框(见图二 2 1),在对话框中重新设置 Y 轴范围, 并还可以给显示信号命名。 4 浮动示波器 (fl础ng scope) 7"{-ZGFat剧内酬aced by 叩四 name~ I ~<5ignalLabel> I' • OK I -.E主U 一组 浮动示波器是示波器使用的一项特 殊功能,它不需要将示波器与外部模块 图 2-21 Y 轴范围设定 用线连接,就可以选择示波器的显示信号,使用是很方便的。将一个示波器变 为浮动示波器,只要在示波器参数页上选中 "floating scope" 选项(见图 2-18a) , 关闭参数对话框后,示波器图标的输入端口就没有了,这时该普通示波器就改 变为一个浮动示波器。也可以从 Sinks 模型库中直接调用 floating scope 模块,效 果是相同的。在仿真模型图上放置一个浮动示波器模块后,双击模块图标出现 示波器窗口,在窗口的图形区域用右键单击,在弹出的功能项中选择" Signal Selector" 栏,则可以打开信号选择对话框(见图2-22) ,对话框右边列出了可供 仁 MQ.....*--川凹 III ι- Model hierarchy 「直到 'W ωontents r州I sign盹 E←幅画 DCsystem 主H 飞hyri st 町 bridgo ~1 ~220V 主~ 6-Pul s: e Generator 主tJ DC Moch; no 主tI Ld 13础 主们 主tI NI 主tJ MS 主tI Romp 主tlob r thyristor bridge: 1 广 thyristor bridge: 2 r1 广 220V r 6-Pulse Generator r CI 口 ck r Constant r DC Machine: 1 r DC Machine: 2 E rp 剧 日 四到 日回 ­川 r DC Machine: 3 r Ramp r Demux: 1 广 Saturation r Demux: 2 广 Uc r Demux: 3 r ab 广 Demux: 4 r Fcn 广 Gain r Ld 13mh r RMS 广 bc 广 ca r ua rub 广 uc 130V 501 图 2-22 浮动示波器显示信号选择对话框 52 显示的信号名称,在信号名前的小方框(口)内打"v" ,则可以在示波器上观 察该信号。 2. 1. 7 建立子系统和系统模型的封装 2. 1.7.1 建立子系统 在 SIMULINK 的仿真中,一个复杂系统的模型将由许多基本模块组成,这么 多模块及连线会使模型的画面显得很凌乱,甚至在一个平台上难以表达。 SIMULINK 提供了一个建立子系统(Subsystem) 的功能,利用这项功能可以将模 型局部的模块及其连线打包后用一个模块图标来表示,使整个模型画面变得简 洁明了,下面以一个例子来说明这项功能的使用方法。 图 2-23 所示为直流电动机的传递函数模型,现在需要将直流电动机的传递 函数打包成为一个子系统模块。首先在模型平台上点下鼠标拖拉出一个虚线框, 将需要打包的模块都包含在虚线框内,松开鼠标,这时虚线框内的模块和线条 都被选中。然后在Edit 菜单中选 Create Subsystem (创建子系统)命令,选择后画 面则变为图 2-24 ,这时图 2-23 中虚线框内的模型部分就已经打包为一个子系统 模块,模块名为 Subsystem,它有两个输入端和一个输出端。创建子系统后的模 型可能不会如图 2-24 所示那样整齐,可以用移动模块和连线的方法,重新进行 调整。 ,~ lih 二一-----EE---E·E·----1口Ixl ldL Constant II 30 Beu,. '1αm 叫e45 反 图 2-23 创建子系统功能说明一 53 l-二 一 . IP'x, 1 1Io.-.01 二l Ud 220 Constant n D Scope Rudy 1∞'‘ 。 d.~5 及 图 2-24 创建子系统功能说明二 l iMI!lIlIIlIII田E回 ~ - …_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 1口 'xl Ie.々 10011 M 图 2-25 重新打开的子系统 建成的子系统模块可以重新命名,命名的方法与基本模块的命名方法相同。 如果需要打开这个子系统模块,只要双击该子系统模块图标即可。重新打开的子 系统如图 2-25 所示,打开子系统模块后,可以给子系统内的各模块设置参数,还 可以进行修改模块名称等操作。关闭子系统只要点击窗口右上角的关闭按钮即可。 子系统关闭时,对子系统内模块做的参数设置和名称修改等同时保存下来。 子系统模型是允许嵌套的,也就是说一个子系统内还可以包含有二级子系 统模块,多层嵌套,可以组成很复杂的子系统。 子系统模块可以复制,并转移到其他仿真模型中去使用,这和一般普通模 块的复制、粘贴和移动是一样的。 2. 1.7.2 子系统模型的封装 在建立子系统后,若要给子系统内的模块设置参数,必须首先打开子系统, 54 然后再逐个打开模块参数对话框输入参数。实际上给子系统赋值,往往只需要 修改其中几个模块的某几项参数,现在要一一打开,显得很麻烦,尤其是含有 嵌套的子系统。因此SIMULINK 提供了子系统的封装(Mask) 功能,也就是将子 系统巾各模块常要修改的参数集中在一张表上,方便子系统的使O用封装子系 统需要在选中该子系统模块后,在模型窗口Edit 菜单中选择 Mask subsystem 命 令,就会弹出 Mask 编辑器窗口,然后在编辑器窗口内输入相关信息,更详细的 操作请看帮助(Help) 文件。 实际上 SIMULINK模型库中的大量基本模块,如PID 模型等也是由底层的基 础模型组成的子系统,然后经封装后得到的模块。 2.2 SIMULINK 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。 表 2-7 连续系统模块主要功能 序号 模块名 Derivative (微分运算) 主要功能 对输入信号的微分运算 2 Integrator (积分运算) 对输入信号的积分分运算 3 Memory (记忆) 输出为上一步的输入值 4 State-space 状态方程 建立状态方程 5 Transfer Fen (多项式传递函数) 分子分母以多项式表示的传递函数 6 Transfer Delay (延迟) 7 Varible Transfer Delay (可变延迟) 输入信号延迟一个给定时间后输出 输入信号延迟输出的时间是可变的 8 Zero-Pole (零极点传递函数) 以零极点表示的传递函数 55 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。 表 2-8 离散系统模块库模块图标和名称 田 Discrete Transfer Fcn 离散传递函数 z石(Z一3l)3 •Discrete Zen Pole 离散零极点传递函数 i 1+65z-1 r Discrete Filter 离散滤波器 1 川川(n) x(n+ I)=Ax(n)+Bu(n) Discrete State-Space 离散状态方程 曰 Discrete-Time Integrator 囚 First-Order Hold 四 Zer仔-Order Hold E Unit Delay 离散时间积分器 一阶保持器 零阶保持器 单位延迟 序号 2 3 4 5 6 7 8 表 2-9 离散系统模块主要功能 模块名 主要功能 Discrete Transfer Fcn (离散传递函数) 表达一个离散的传递函数 Discrete Zero-Pole (离散零极点传递函数) 表达一个零极点形式的离散传递函数 Discrete Filter (离散滤波器) 建立一个离散的滤波器 Discrete State-Space (离散状态方程) 建立离散的状态方程 Discrete-time Integrator (离散时间积分器) 输出为输人信号的离散时间积分 First-Order Hold (一阶保持器) →阶保持器 Zero-ORDER hold (零阶保持器) 零阶保持器 Unit Delay (单位延迟) 信号采样后保持一个采样周期后再输出 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 2-11 a 该模块库还不断有所增 加。 56 f(u) Fcn 数学表达式 1M FunM ctioM n l MATLAB Fcn MATLAB 函数 表 2-10 函数与表格模块圈标与名称 国 Interpolation(n -D) using PreLook-Up 由 Table 内插查表 一维表格 1 且D(u) l O(P)=5 Polynomial 多项式估计 回 PreLook-Up Index Search 预置范围检索 1因 Look-UpD) Table(2- 二维表格 1 ~γI system S-Function s 函数程序 日P Table(n-D) n 维表格 E S-Function Builder 创建 S- 函数 表 2-11 函数与表格模块主要功能 序号 模块名 Fen (数学表达式) 主要功能 自定义数学表达式 Interpolation (n-D) using PreLOOK-Up (内插 根据输入,用内插的方式得到输出,插值的方 2 法查表) 法可选常数内插和线性内插 3 Look-up Table (一维表格) 4 Look叩 Table (2-D) (二维表格) 5 Look-up Table (n-D) (n 维表格) 7 MATLAB Fen (MATLAB 函数) 建立多种形式的表格,根据输入查表决定输出 调用 MATLAB 函数 7 Polynomial (多项式估计) 执行 MATLAB 的 Polyval 命令 对于一组间断的数据,采用均匀间隔、线性或 8 PreLook- Up Index Search (预置范围检索) 者二元检索的方法确定输出 9 S-Funetion (S 函数程序) 调用由 s 函数编写的程序 10 S-Funetion Builder (创建 S 函数) 词用一个打包的创建 S- 函数或 C 语言编制的文 件,并支持连续和离散的状态 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。 57 日 Abs 取绝对值 日 Relational Operator 比较运算 E 计算点积 。 信号综合 表 2-12 鼓学运算模块图标与名称 {?> 回 Logical Operator 囚 Math FunctI on 〉曰 MinMax o Product 放大器 逻辑运算 数学函数 取极值 乘法运算 日 >E3 Complex to TrigonometTlc Magnitude-Angle Function 回 Complexto Real-Imag 四回 Magnitude-Angle Real-Imagto to Complex Complex 三角函数 取复数模 和复角 取复数的实 部、虚部 复数表示模 和复角 实部、虚部以 复数表示 f(zl,吼S叫ol=ve0 z Algobraic Constraint E Combinatorial Logic 抄〉 MatTIx Gain 代数环限制 逻辑真值表 矩阵增益 日 Gain 滑动增益 钞b Matrix Gain 矩阵放大器 自 Sign 取输入信 号的符号 表 2-13 数学运算模块主要功能 序号 模块名 Abs (取绝对值) 主要功能 取输入信号的绝对值或模 2 Dot Produ町t (计算点积) 3 Gain (放大器) 4 Lo@民cal Operator (逻辑运算) 5 Math Functi唰(数学函数) 6 MinM皿(取极值) 7 Produt (乘除运算) 8 Relational Operator (比较运算) 9 Sum (信号综合) 10 Trigonometric Function (三角函数) 输出 y=sum (c四Ij [u l]祷u2) 输出为输入信号乘增益 与、或、非等逻辑运算符 指数、对数、平方等数学运算 取输入信号的极大、极小值 多路输入信号的乘除运算 〈 一 综 「 三 、 一 合 一 角 〉 一 多 一 函 、 一 路 一 数 二 信 一 的 等 一 号 一 计 运 一 一 算 算 一 Complex to Magnitude-Angle (取复数模和复 11 角) 输出分别是复数的模和复角 12 Real-Imag Function (取复数的实部、虚部) 输出分别是复数的实部和虚部 M咿11叫叫ngle to Complex (模和复角以复 I3 数表示) 将输入模和复角写成复数形式输出 Real-Imag to Complex (实部、虚部以复数 14 表示) 将输入的实部和虚部写成复数形式输出 58 序号 15 16 17 18 19 20 模块名 Matrix Gain (矩阵增益) Algebraic Constraint (代数环限制) Combinatorial Logic (逻辑真值表) Slider Gain (滑动增益) Rounding Function (取整函数) Si伊(取输入信号的符号) (续) 主要功能 输入矩阵乘以放大倍数 通过代数环的限制,改良代数环路的计算 建立一张逻辑真值表,输出按输入查表 在一定范围内可以调节增益大小 输出为输入的整数部分 取输入信号的符号,输出为正或负 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 0 表 2-14 非线性系统模块圈标与名称 因 Dead Zone 死区 〉飞、>-) >-1:l →~y((EE)) Y} Assignment 输入信号重组 Bus Creator 总线输入 Bus Selector 曰 Memory 总线输出 数据存储器 国 Data Store Read 读数据 Horiz Cat 1口U Matnx Concatenation 将输入变为 矩阵输出 国 Data Store Write 写人数据 仔叫 Function-εall Generator 重复操作 jml Data Type ConversIOn 数据类型转换 Mux 信号合成 但 Goto 囚 Goto Tag Visibility 接收指定信 号并发送 连接 Golo 和 Fonn 模块 Demux 信号分解 因 Hit Crossing 信号穿越 值设定 8> From 接收信号 四 IC 初始值设定 回 Merge 汇合输入信号 Mo口Jρ、ei lm川舍fa Model Info 模型的提示 信息 i当jTS:[OOI ,C: O , 、护队~ Probe 取输入信 号特征 囚 改变输入 信号维度 P Selector 选择器 因 Width Inherit Signal Specification 取输入信号 的宽度 给定输入信 号的格式 序号 2 3 4 5 6 表 2-17 信号与系统模块主要功能 模块名 Assignmenl (重组) Bus Crealor (总线输入) Bus Selector (总线输出) Data Store Memory (数据存储器) Data Store Read (读数据) Date Store Write (写人数据) 主要功能 输入信号次序重新组合后输出 将多路信号输入总线输出 总线信号分解为多路输出 定义数据存储器 从数据存储器读出数据 将数据写入存储器 60 (续) 序号 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 模块名 主要功能 Matrix Concatenation (将输入变为矩阵输 出 Data Type Conversion (数据类型转换) 将输入信号转换为矩阵形式输出 将输入信号转换为十进制、一进制、八进制等 输出,并有自动方式 Mux (信号合成) 将输入的多路信号(标量、矢量、矩阵)汇入 总线输出 Demux (信号分解) From (接收指定信号) Merge (汇合输入信号) Function-call Generator (重复操作) 将总线信号分解后输出 从Goto 模块接收信号并输出 合并多路输入信号为单一输出 在指定的(采样)时间内,规定重复操作的次 数 Goto (接收指定信号并发送) Golo Tag Visibil即(连接和 Form 模块) HiI Crossing (信号穿越值设定) IC (初始置设定) Model Info (模型的提那信息) Probe (取输入信号特征) Reshape (改变输入信号维度) Seleclor (选择器) Width (取输入信号的宽度) 接收信号并发送到标签相同的 From 模块 定义GoIO 模块的标签 检测信号穿越设定值的点,穿越时输出置 "I" 为信号设置初始值 在仿真模型上用该模块写上模型和提示信息 取输入信号的宽度、维度、采样时间等信息 可以修改一个矢量或矩阵输入信号的维度 建立输入和输出信号之间的匹配连接关系 取输入信号的宽度 Signal specification (信号属性) 指定信号线的维度、采样时间、时间类型、信 号类型等属性 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2表-18 和表 2-19 。 表 2-18 仪器仪表模块圈标与名称 E Scope 示波器 uη~、Im out To Workspace 信号写入工作问 E Floating Scope 浮动示波器 自 XYGraph 函数记录仪 >G) Outl 分支系统输出 @ Stop Simulation 终止仿真 下目。 Display 信号终端 数字显示 untitled mat ToFile 时间和信号记入 .mat 文件 61 表 2-19 仪器仪表模块主要功能 序号| 模块名 Scope (示波器) 主要功能 观察输入信号波形 2 Floating Scope (浮动示波器) 可以选择显示的信号(基本同 Scope) 3 Outl (分支系统输出) 分支系统输出端子 4 Tenninator (信号终端) 用以封闭信号 5 Di6play (数字显示) 将信号以数字方式显示 6 To Work6pace (信号写入工作间) 将信号写入工作间,以便用 MATLAB 命令处理 7 XY Graph (函数记录仪) 将输入作为 XIY 铀变量绘图 8 Stop Simulation (终止仿真) 满足条件即终止仿真 9 To File (时间和信号记入 .mat 文件) 将输入的信号和时间记入后缀为 .mat 的文件 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 。 表 2-20 倍号源模块图标与名称 E Pulse Generator 脉冲发生器 因 Sine Wave 正弦波信号 。 Clock 时钟 因 Ramp 斜坡输出 E Step 阶跃信号 1句,,-.吗~‘丛A寸 、} Digital Clock 数字时钟 因 Signal Generator 信号发生器 圃 Repeating Sequence 锯齿波发生器 slmm From Workspace 从工作间 输出数据 哪咀 Band-Limited WhiteNoise 白噪声 E睡 Chirp Signal 调频信号 untitled.ill饵" From File 从 .mat 文件 输出数据 四 Random Number 标准的随机信号 四 Uniform Random Number 重复的随机信号 ED Inl Ground 接地端 分支系统 输入端 序号 l 表 2-21 信号源模块主要功能 模块名 主要功能 Pul6e Generation (脉冲发生器) 产生规则的脉冲信号 62 (续) 序号 2 3 4 5 6 7 8 9 模块名 Ramp (斜坡输出) Si伊al Generation (信号发生器) Band-limited White Noise (白噪声) Random Number (标准的随机信号) Sine Wave (正弦波信号) Step (阶跃信号) Repeating Sequence (锯齿波发生器) Chip Signal (调频信号) 主要功能 产生按一定斜率上升或下降的斜坡信号 产生正弦波、方波、锯齿波和随机信号 产生带宽限制的臼噪声 产生一个标准的、高斯分布的随机信号 产生幅值、频率、相位可设置的正弦信号 产生幅值、起始时间可调的阶跃信号 产生一个时基和高度可调的锯齿波序列 产生频率变化的正弦波信号 Uniform Random Number (均匀分布的随机 10 信号) 产生均匀分布的随机信号 II Clock (时钟) 12 Digital Clock (数字时钟) 13 From Workspace (从工作间输出数据) 14 From File (从 .mat 文件输出数据) 15 Ground (接地端) 16 Inl (分支系统输入端) 产生时间信号 按一定时间间隔,显示时间 从工作间读出数据 从 mat 文件读出数据 输入接地端 分支系统的输入端子 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 (Power System Blockset) 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 63 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 Extra Library (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。 且.lf. , [11. l也 to luw tllll 且c ‘ ‘ ‘ ‘ AUi i . . 1 '''~..1I; S.hc lh.. ulttal fOI lh. 11‘自bSTst_ blod l1'C !l ocks ... • lolorol. OSf' 810dtut 毛‘四 810ckut ·1iI菌t_al lotwork 810曲 H R Ii_圃'因圄圄 主t:f Connu'lors n_. 主tl n.clrl l;a1 Sow- en :t:J n. h 坠~ blr.. Llhrary ~I.由 m :t:j l.uur_咀U ~P_IlT!l.c:lroru c:s lI.ul-TI.. Ilndowll Tv ,.‘ !nl-TI.. Workshop ‘ Il.por Goner.lor d 国 S-fallclloll d..0I ... I I Slnll由 lalru s‘I.t.fi_ , 5,.,I l_ ID Blocks Vlrltal Rulll Illo1b o萃 1 . .4)' 图 2-26 电力系统模型库 ‘ ‘ 10 oroh OS!' Blockn 回CD Blockut I.审 al I.twork Blockstt ~ 画面 F …r S)"S t.. Blodtstt ~ Conn.ctors 主tl ll.cln叫 Sources ~ n _ ~. . e 主H 国固自- ., ~..也U 幅U I.chua. 1 ~Control 灿由 l 2:J Dlscrth I..四..Ultl I I 主tI Dls c:rth C 削 ro1 Blocks 剖 IoulV'"…... Il.. ~ Thr..-Phu l. LI br 町 l ~ """'... ....J S ….~幅幅 U , 主... Few_r ntclronlU &.&1-11.' Ilndows Yv _t 8..1-11.' lorkdl叩 i Bn4y .91 图 2-27 其他电气模型子库集 2.3.1 电源模块库 电源 (Electrical Sources) 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 。 表 2-22 电源模块图标与名称 命土〉 AC Current Source 交流电流源 仑土〉 AC Voltage Source 交流电压源 E Controlled Current Source 受控电流源 E Controlled Voltage Source 受控电压lJij(、 f±- >------j > DC Voltage Source 宣流电压源 序号 表 2-23 电源模块主要功能 模块名 主要功能 AC Current Source (交流电流源) 提供一个交流电流源 64 序号 2 模块名 AC Voltage Source (交流电压源) 3 DC Voltage Source (直流电源) 4 Controlled Current Source 可控电流源 5 Controlled AC Voltage Source 可控电压源 主要功能 提供一个交流电压源 提供一个直流电压源 输出电流受输入信号控制 输出电压受输入信号控制 (续) 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 。 表 2-24 电器元件模块固标与名称 回 Breaker >I I一仁=-1 >l 2-C二二二:::1-2 、 3-=一3 习 π PI Section Line 断路器 分布参数传输线 去; >-J ~> Saturable Transforme 〉卧 Parallel RLC Branch 饱和变压器 RLC 并联电路 π 型参数传输线 〉阻〉 Parallel RLC Load RLC 并联负载 >~]II重;二;~ Linear Transformer 单线性变压器 〉圳rrr叫忡 Series RLC Branch RLC 串联电路 >~> )-----'TIT'-一〉 >-一句τ1'-〉 Mutuallnductance 互感线圈 〉伽叫忡 Series RLC Load RLC 串联负载 〉斗IIIII←〉 Surge Arrester 压敏电阻 Bd C - ~3 Thre唱 -Phase Transformer (Three Windings) 三绕组三相变压器 ~i ~七! TThrraenesHfTooPrrnmha1esere (Two Windings) 二绕组三相变压器 65 表 2-25 电器元件模块主要功能 序号| 模块名 I I Bre此ere 断路器) 主要功能 模拟空气开关等 2 Distributed Parameters Line (分布参数传输 有分布电容、电感的传输导线 线) 3 PI Section Line ( TC 型参数传输线) 分布电容、电感为 π 型的传输导线 4 Parallel RLC Load (RLC 并联负载) 电阻、电感、电容并联,参数单位为 W( 瓦)、 Var (乏) 5 Series RLC Load (RLC 串联负载) 电阻、电感、电容串联,参数单位为 W( 瓦)、 Var (乏) 6 Parallel RLC Branch (RLι 并联电路) 电阻、电感、电容并联,单位为 O( 欧姆)、 H( 亨 利)、 F( 法拉) 7 Series RLC Branch (RLC 串联电路) 电阻、电感、电容串联,单位为 O( 欧姆)、 H( 亨 利)、 F( 法拉) 8 Li near Transformer(单相线性变压器) 9 Saturable Transformer (饱和变压器) 10 Mutual Inductance (互感线圈) ηrree-ph田e Transformer( Three Windin愣) (三 11 相三绕组变压器) Three-ph国e Transformer (Two Windings) (三 12 相二绕组变压器) 13 Surge Arrester (压敏电阻) 单相变压器,二次侧有一个或两组绕组 考虑饱和效应的单相变压器 有互感关系的线圈 三相变压器(二次侧有两组绕组) 三相变压器(二次侧有一组绕组) 金属氧化物压敏电阻,过电压保护 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2表-26 和表 2-27 。 66 表 2-26 电机模块图标与名称 〈缸j Tm myu Asynchronous Machine pu Units 异步电机 (标么值单位) iuj Tm m SI Asynchronous Machine SI Units 异步电机 (标准单位) A :D~ myu Simplified Synchronous Machine pu Units A O~ E m SI Simplified Synchronous 岛1achine Sl Units 、ATF〈 L+-LU〉A广mkF- DC Machine 直流电机 同 Synchronous Machine pu Fundamental 同步电机 简化模型 (标么值单位) 用 Synchronous Machine SI Fundamental 同步电机 简化模型 (标准单位) 一 vref vd vq Vf vstab Excitation System |司步电机 基本模型 (标么值单位) 二 is abc vs abc e abc mthetam 、vm Pe MM」m "-cd-组PLHVM-hm-mm 」m写 Demux 同步电机 基本模型 (标准单位) 同步电机 励磁系统 电机测量单元 ~ Pennanent Magnet Synchronous Machine 永磁式问步咆机 PrD1i m Synchronous Machine pu Standard 同步电机 标准模型 (标么 ffi 单位) wret Pref Pm we Pρ~ gate dw HTG wrcdf w52 Pref Tr5-2 飞lVJT1 gate d theta Pm STG 水轮机和 调节器 汽轮机和 调节器 序与 2 3 4 模块名 表 2-27 电机模块主要功能 主要功能 Asynchronous Machine pu. Unite (异步电机)标么值单位 Asynchronous Machine SI Unite (异步电机)标准单位 交流异步电机模型,可以有绕线转子和笼型两 种转子形式,参数有标么值和标准化肉种单位 DC Machine (直流电机) Peranent Magnet Synchronous Machine (永磁式同步电机) 直流电机模型,可以用作电动机或发电机 交流同步电机,转子为永磁体 序号 5 模块名 Simplified Synchronous Machine pu. Unite (同步电机简单模型)标么值单位 Simplified Synchronous Machine SI Unite 6 (同步电机简化模型)标准单位 Synchronous Machine pu. Fundamental 7 (同步电机基本模型)标么值单位 Synchronous Machine pu Standard 8 (同步电机标准型)标么值单位 Synchronous Machine SI Fundamental 9 (同步电机基本模型)标准单位 Excitation System 10υ (同步电机励磁系统) Machines Measurement Demax 11 (电机测量单元) 12 HTG (水轮机和调节器) 13 STG (汽轮机和调节器) 主要功能 67 (续) 交流同步电机的五种模型,模型的复杂程度不 同,对模型参数要求不同,并且有标么值和标准 和l 两种单佼 为交流同步机提供励磁控制的模块 同步机和异步机通用的测量模块,将电机测量 端以矢量形式输出的多个运行参数分解为独主的 参数 和同步发电机配套的水轮机模型 和同步发电机配套的汽轮机和调节器模理 2.3.4 电力电子元件模块库 电力电子元件 (Power Electronics) 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 0 表 2-28 电力电子元件模块图标与名称 t雪 Detai led Thyristor F雪 Diode E Gto 曰 Ideal Switch 详细的晶闸管模型 二极管 可关断晶闸管 理想开关 m (续) 目 绝缘栅双极型晶体管 国 Mosfet 电力场效应管 t Thyristor 品闸管 B* + pCul Universal Bridge 多功能桥式电路 序号 2 3 4 5 6 7 8 表 2-29 电力电子元件模块主要功能 模块名 Detailed Thyristor (详细的品闸管模型) ηlyristor (晶闸管) Gto (可关断晶闸管) Ideal Switch (理想开关) IGBT (绝缘栅双极型晶体管) Mosfet (电力场效应晶体管) 主要功能 对参数要求不同的两种晶闸管模型 门极可关断的晶|阔管 一种通断可控制的开关 绝缘栅双极型晶体管,简称 IGBT 电力场效应晶体管的通用模型,不分 P 沟道和 N 沟道 Diode (二极管) 普通二极管模型 Universal Bridge (多功能桥式电路) 多功能桥可以设置为单相和三相,可以选择不 同的电力电子器件,并且可以用作整流器或逆变 器 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 。 表 2-30 连接件模块图标与名称 、J 、/ 、/ V > v Bus Bar (thin horiz) Bus Bar (horiz) > Bus Bar Bus Bar (thin ve时 (vert) 工 Ground (input) -l Ground ===- (output) 动 Neutral (input) 如 Neutral (output) J L connector r-l> T connector 水平公共母线 (细型、粗型) 垂直公共母线 (细型、粗型) 接地端 (输入、输出) 等电位接点 (输入、输出) L 型接点 T 型接点 序号 2 3 4 5 69 表 2-31 连接件模块主要功能 模块名 Bus Bar (母线) Ground (接地端 Neutral (等电位 接点) L connector (L 雪型接点) T connector (T!型! 接点) 主要功能 母线也称汇流排,其输入和输出的端点数可以 设置 接地端点 该接点可以编号,相同编号的接点是连接在一 起的,有相同的电位 连接两个模块的输出端 有两个输入和一个输出,用于连接两个模块的 输出端,并输出 2.3.6 测量仪自 模块库 曰 日 测量仪器 (Measurements) 模块库中的模块用于电压、电流和阻抗的测量。 测量仪器模块图桔与名称及其主要功能见表2-32 和表 2-33 。 表 2-32 测量仪器模块图标与名称 〉口 Current Measurement 电流测量模块 E Voltage Measurement 电压测量模块 Multimeter 多路测量仪 Impedance Measurement 阻抗测量 表 2-33 测量仪器模块主要功能 序号 模坊块名 主要功能 Current Measurerm芷 ent (电流测量) 用于检测电流,使用时串联在被测电路中,相当于电流 表的检测棒,其输出端 I 则输出电流信号 用于检测电床,使用时并联在被测电路中,相当于电压 2 Voltage Measurermr ent (电压测量) 表的检测棒,其输出端 "v" 则输出电压信号 3 Mullmeter (多路 测量仪) 4 Impedance (阻损抗测量) 如果 Power System 模块的参数对话框中带有测量的选项, 如电源模块的测量选项有电压、电流或电压电流的三种选 择,如果选择了选项,则多路测量仪可以接收到该模块的 电压、电流或电压电流信号并输出 用于测量一个电路某两点之间的阻抗 70 2.3.7 其他电气模块库 其他电气模块库 (Extra Library )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O富其他电 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 0 下面主要介 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。 表 2-34 其他电气模型库子库名称与内容 予库名称 Additional Machines Control Blocks Discrete Measurements 子库内容 提供了 2 个直流电机模块,其中 l 个是离散化的 控制模块,提供了 6 种驱动模块 提供了 13 种离散化的测量模块 Discrete Control Blocks Measurements 提供了 15 种离散化的控制模块 提供 [8 种测量模块 Three- Phase Library 提供了 18 种二相元器件模块 2.3.7.1 控制模块子集 控制模块 (Control Blocks) 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。 表 2-35 控制模块子集中的模块图标与名称 a~l.pha-deppgy ~~ JL CBlock PD 同 Synchronized 3 - phase 12- Pulse Generator Programmable Source Signal(s) Pulses PWM Generator alpha_deg ~AB pulses BCJL CA 口 Block Timer Synchronized 6 - Pulse Generator E TimerOLO 同步 12 脉冲 发生器 三相程序电源 PWM 发生器 同步 6 脉冲 发生器 民时逻辑信 号发生器 可控信号 发生器 序号 表 2-36 控制模块子集中的模块主要功能 模块名 主要功能 Synchronized 12- Pulse Generator 用于产生 12 相晶闸管整流电路(双二相桥)的触发 (同步 12 脉冲发生器) 脉冲 三相可编程电源可以使输出的电压和电流的幅值, 3-Pl剧e Programmable (三相可编 2 相位、频率在设定的时间发生变化,并且可以在基波 程电源) 的基础上叠加谐波 序号 3 4 5 6 71 (续) 模块名 主要功能 PWM Generator (PWM 驱动信号 发生器) 产生三相 PWM 驱动信号,其调帘l 信号有内部产生和 外部输入两种,使用内部产生,则为 SPWM 调制方式 Synchronized 6-Phase Generator (同 用于产生三相晶闸管桥式整流电路(全控型)的触 步 6 脉冲发生器) 发脉冲 Times (可编程阶跃信号) 在设定的时间上,使输出发生阶跃变化 用于理想开关和断路器的控制 (0 或 I) ,常 Times OLD 基本与 Times 模块相同 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。 表 2-37 测量模块子集中的模块图标与名称 Mag abc Phase 3 - Phase Sequence Analyzer abc dqO SIn cos abc_to_dqO Transformation dqO abc SIn COS dqO_to_abc Transfo口nation 日 Active & Reactive Power 三相相序分析 三相静止坐标系/两 相旋转坐标系变换 两相旋转坐标系/三 相静止坐标系变换 功率因素检测 magmu成 signal angle Fourier 副RMS A A B B C Vabc C labc Three -Phase V-I Measurement signal THO Total Harmonic Oistorsion 傅立叶分析 序号 有效值测量 三相电压电流测量 表 2-38 测量模块子集中的模块主要功能 模块名 主要功能 畸变因素分析 3-Phase Sequence Analyzer (三 相相序分析) 分析三相输入电压的正序、负序或零序分量的幅值和 相位,输入可以是平衡的三相电压或不平衡的三相电压, 甚至可以是带有谐波的 72 序号 模块名 主要功能 abc_ to_ dqO Transformation (功c 2 三相静止坐标系/两相旋转坐标系变换 坐标系 IdqO坐标系变换) (续) dqO一 to_ abc Transformation (dqO 3 两相旋转坐标系/三相静止坐标系变换 坐标系 I abc 坐标系变换) Active & Reactive Power (有功 根据输入的电压和电流(瞬时值)计算其中有功利无 4 功率和元功功率测量) 功分量 5 Fourier (傅里 H十分析) 对输入信号作傅里叶分析,可分析指定次谐波的幅值 和l 相位 6 RMS (有效值测量) 测量电压或电流的有效值 Three-Phase V-I Measurement 将模块串联在三相电路中,可以测量电路的三相电压 7 (三相电路电压电流测量) 和电流,并有两种单位制选择 8 Total Harmonic (畸变因素分析) 分析输入电压或电流信号的畸变因素 2.3.7.3 三相模型子集 三相模型(Three-phase Library) 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。 表 2-39 国 3-phase Parallel RLC 三相模型子集中的模块图标与名称 a 证3 3-Phase RLC Series Load 3 -Phase Series RLC 三相 RLC 并联电路 中点接地三相 RLι 串联负载 三相 RLC 串联电路 日 6-Pulse diode bridge 主相桥式二极管整流器 BA f C :T A pulses 6-pulse thyristor bridge 三相桥式品闸管整流器 回去 inductive source with neutral 带中点的三相电源 Al A2 8~ [>82 CI C2 YgD linear transfonner Yg/6.联结线性变压器 Al A 8Jι 月 CI C2 YgY linear transformer Yg/ Y 联结线性变压器 . 73 (续) Al JJi 8J忐 A3 Cl bBC33 YgYD Iinear transformer Yg/ Y- 6.联结线性变压器 闹 3-Phase RLC Parallel Load A A 8S~~:h8 ABC C C 3- Phase Breaker A 8 Fault ABC-G C 3- Phase Fault 中点接地三相 RLC 并联负载 任主 PI Line Section π 型参数传输线 三相断路器 Al A2 BI[> ~2 CI C2 DYg linear transfonner 6. /Yg 联结线性变压器 三相短路故障 AAll+棉 Bll + 、 CI+ Cl Three-phase Linear Transfonner 12-tenninails 12 端三相变压器 AI AAB22 BlA CI [>CA~32~ C3 YgYD linear transfonner Yg/Yg-6.联结线性变压器 BAIlιIl「AbLRC后B3 CI YgYgD saturable transfonner Yg/Yg- 6.联结饱和变压器 A-dAAf-A B --'00苍飞-8 c .J06O'- C ZI-ZO 三相互感线圈 序号 表 2-40 三相模型子集中的模块主要功能 模块名 主要功能 3-Ph皿e Parallel RLC (三相 RLC 并联电路) 三相对称的 RLC 并联电路 3-Phase Series RLC (兰相 RLC 串 2 三相对称的 RLC 串联电路 联电路) 74 序号 3 4 5 6 7 8 9 10 II 12 l3 14 15 16 17 18 模块名 3- Phase RLC Series Load (三相 RLC 串联负载) 3-Ph酷e RLC Parallel Load (三相 RLC 并联负载) 3-Ph回e Breaker (三相断路器) 3-Phase Fault (三相短路故障) 6-Pulse Diode Bridge (三相桥式 二极管整流器) 主要功能 中点接地的三相对称 RLC 串联负载 中点接地的三相对称 RLC 并联负载 三相断路器 可以模拟三相短路故障 即三相桥式不控整流器 (续) 6-Pulse Thyristor Bridge (三相桥 式品闸管整流器) 三相桥式晶闸管元件整流器 Inductive Source with neutral (带 中点的三相电源) PI Line Section (π 型参数传输 线) 有中点的三相电源,并且可以设定电源的内阻抗 三相有 π 型参数结构的传输线 DYg Linear Transformer (D. /Yg 联结线性变压器) 三次侧中点接地的 D. /Y 联络线性三相变压器 YgD Linear Transformer (Ygl D. 联结线性变压器) 一次侧中点接地的三相Y/ D. 联结线性变压器 YgY Linear Transformer (Yg1Y 联结线性变压器) 一次侧中点接地的三相 Y/Y 联结线性变压器 YgYD Linear Transformer (Yg1Y- A 联结线性变压器) 一次侧中点接地的三相 Y/Y- D. 联结线性变压器 YgYgD Linear Transformer (YgI Y- D.联结线性变压器) 一、二次侧中点接地的三相 Y/Y- D. 联络线性变压器 YgYgD Saturable Transformer (YglYg- D.饱和变压器) 一、二次侧中点接地的三相 Y/Y- D. 联络饱和特性变压 器 Three-Phase Linear Transformer 绕组分离的三相线性变压器(有 12 端子) ,可以任意连 12-Terminals (1 2 端三相变压器) 接 ZI-ZO (三相互感线圈) 三个有互感的线圈 第 3 章 电力电子器件模型 MATLAB/SIMULINK/Power System Blockset 模型库中包含了常用的电力电子器 件模型和整流、逆变电路模块以及相应的驱动模块,使用这些模块构建和编辑 电力电子电路并仿真是很方便的。 MATLAB 电力电子器件模型使用的是简化的宏 模型,它只要求器件的外特性与实际器件特性基本相符,而没有考虑器件内部 的细微结构,属于系统级模型。这与 PSPICE 软件的电子元器件模型不同, PSPICE 的元件模型更详细、复杂,是器件级模型,用 PSPICE 仿真可以细致地反 映元器件工作情况。虽然 MATLAB 的电力电子器件模型较为简单,但是它开销 的系统资源较少,用于电力电子电路和系统仿真时,出现仿真不收敛的几率较 小,这是它的特点。 开关特性是电力电子器件的主要特性, MATLAB 电力电子器件模型主要仿真了电力 电子器件的开关特性,并且不同电力电子器 件模型都具有类似的模型结构(见图 3- 1)。 + Yak C'I'" _ ,… Vf Aι主 二 二 主 生J队 土~F→ K |开关性一一 Yak | 辑忏一 Iak 模型主要由可控开关 SW 、电阻 Ron 、电感 Lon 、直流电压源 Vf 的串联电路和开关逻辑 单元组成,不同电力电子器件的区别在开关 图 3-1 电力电子器件模型 逻辑不同,开关逻辑决定了各种器件的开关特征。模型中的电阻 Ron 和直流电 压源 vf 分别用来反映电力电子器件的导通电阻和导通时的门槛电压。串联电感 限制了器件开关过程中的电流升降速度,模拟器件导通或关断时的变化过程。 MATLAB 的电力电子器件模型一般都没有考虑器件关断时的漏电流,在这方面, 不如 SPICE 模型细致。 MATLAB 的电力电子器件必须连接在电路中使用,也就是要有电流的回路, 但是器件的驱动仅仅是取决于门极信号的有元,没有电压型和电流型驱动的区 别,也不需要形成驱动的回路,这是 MATLAB 电力电子器件模型与其他 SPICE 模型的不同之处。尽管模型与实际器件工作有差异,但是也使 MATLAB 电力电 子器件模型在与控制连接的时候很方便。 电力电子器件在使用时一般都并联有缓冲电路,因此,在 MATLAB 电力电 子器件模型中也已经并联了简单的 RC 串联缓冲电路,缓冲电路的 RC 值可以在 参数表中设置,更复杂的缓冲电路则需要另外建立。有的器件(如 MOSFET) 模 型还反并联了二极管,在使用中要注意。 76 MATLAB 的电力电子器件模型中含有电感,因此有电流源的性质,在没有连 接缓冲电路时不能直接与电感或电流源相连接,也不能开路工作。含电力电子 模型的电路或系统仿真时,仿真算法一般采用刚性积分算法,如 ode23tb 、 ode15s ,这样可以得到较快的仿真速度。 电力电子器件的模块上,一般都带有一个测量输出端 ill ,通过输出端 m 可 以观测器件的电压和电流,不仅测量方便,并且可以为选择器件的耐压和电流 提供依据。 3.1 二极管模型 二极管是不控的单向导电型二端半导体器件,二极 管图标如图 3-2 所示,二极管模型如图3-3 所示。模型二 极管的单向导电性能由二极管逻辑控制,当二极管承受 |白 :1 正向电压时 (Vak > 0) 二极管导通,当二极管电流下降 Diode = 到零 Oak 0) 或承受反向电压时 (Vak 运的,二极管关 断。二极管模型的伏安特性如图 3-4 所示。二极管模型的 图 3-2 三极管图标 参数见表 3-1 。 A 阳极 "-, K v 阴极 + Yak 一 Vf A~二号~人土|臼K Iak on- state 三 极 管 忏 一Yak | 辑 + 一 Iak off- state Yak 图 3-3 二极管模型 图 3-4 二极管模型的伏安特性 表 3-1 二极管模型的参鼓 二极管参数 导通电阻 Ron 电感Lon 单位 o (歇姆) H (亨利) 门槛电压 Vf 初始电流 Ie 缓冲电阻 Rs 缓冲电容 c. V (伏特) A (安培) o (欧姆) F (法拉) 在二极管参数设置中,当电感参数为 "0" 时,电阻不能同时取 "0" ,当电 阻参数取 "0" 时,电感参数也不能同时取 "0飞在设置了门槛电压 Vf 时,只有 当二极管正向电压大于 Vf 后,二极管才能导通。在参数对话框还有初始电流一 77 栏,设置初始电流可以使电路在非零状态下开始仿真,但是初始电流设置是有 条件的,首先是在二极管电感参数大于"0" 时才能设定这项参数,其次是仿真 电路的其他储能元件也设定了初始值,尤其是设定所有其他相关储能元件的初 始值是很麻烦的,所以一般都取初始电流为"0" ,使电路在零状态下开始仿真。 模型二极管己并联有RC 缓冲电路,在缓冲电阻值设为 "inf" ,缓冲电容设 为 "0" 时,则二极管取消了缓冲电路部分。如果在缓冲电阻不为"0" 时,设 缓冲电容为 "inf" ,则是纯电阻的缓冲电路。 MATLAB 的二极管模型没有普通二极管、电力二极管、‘快恢复二极管等的区 分,统一的是一个模型,不同的二极管只能在参数设置上略有差异。 3.2 晶闸管模型 晶闸管是可控整流电路常用的整流器件,在模型库中 晶闸管模型有两种,一种是较详细的模型,其模型名为 detailed thyristor,可设置参数较多;另一种是简化的模型, ~: ~:I 模型名为 thyristor,参数设置较简单。晶闸管图标如图3-5 Detailed Thyristor 所示,晶闸管的模型及其伏安特性分别如图3-6 和图 3-7 图 3-5 晶闸管图标 所示。双击模型图标则弹出模型参数的对话框,在对话框 中 可 以 设 置 的 晶 闸 管 模 型 参 数 见 表3-2 。 表 3-2 晶闸管模型参鼓 晶闸管参数名 单位 备注 导通电阻 Ron n (欧姆) 内部电感Lon H (亨利) 门槛电压 Vf V (伏特) 初始电流 Ie A (安培) 擎住电流 I , A (安培) 简单模型没有 关断时间 Tq s (秒) 简单模型没有 缓冲电阻Rs n (欧姆) 缓冲电容 Cs F (法拉) 晶闸管模型在晶闸管承受正向电压 (Vak>O) ,且门极有正的触发脉冲信号 (g > 0) 时晶闸管导通。触发脉冲的宽度要使阳极电流 lak 能大于设定的晶闸管 擎住电流 11 ,晶闸管才能正常导通,否则在导通过程中,如果在阳极电流还小 于擎住电流时,门极信号已经为零 (g=O). 则晶闸管仍要转向关断。 导通的晶闸管在阳极电流下降到零(Iak=O) ,或者晶闸管承受反向电压时晶 闸管关断,但是晶闸管承受反向电压的时间应大于设置的关断时间吨,否则, 78 尽管门极信号为零,晶闸管还可能导通,因为关断时间是表示晶闸管内载流子 复合的时间,是晶闸管阳极电流减少为零后到晶闸管能再次施加正向电压而不 会误导通的一段时间间隔。 + Yak lak lak L斤转向导通 Vf 图 3-6 晶 l同管模型 图 3-7 晶闸管模型的伏安特性 晶闸管模型的导通和关断与实际的物理晶闸管有差别,一是只要门极信号 大于零,同时满足正向电压条件晶闸管就能导通;二是阳极电流下降到O零ak = 0) 后晶闸管才能关断,而不是阳极电流下降到维持电流以下晶闸管就关断。 晶闸管的简单模型没有擎住电流和关断时间这两项参数,因此在较复杂的 电路仿真中使用较为方便。关于初始电流、缓冲电阻和缓冲电容的设置要求与 二极管相同 O 含晶闸管模型的电路仿真,仿真算法宜采用 Ode23tb 或 Ode15s o 3.3 可关断晶闸管模型 可关断晶闸管 (GTO) 与普通晶闸管的区别是,可以通过门极信号在任何时 间使导通的晶闸管关断。但是MATLAB 的可关断晶闸管模型,在导通和关断的 控制要求上与实际的可关断晶闸管有较大不同,可关断晶闸管模型在管子承受 正向电压,且门极信号大于零 (g> 0) 时导通,在门极信号等于零 (g =0) 时关 断。实际的物理可关断晶闸管在一旦导通后,门极信号可以为零,管子仍保持 导通状态,而关断时,需要在门极有足够的反抽电流才能关断。模型的关断过 r o 程分为两段,一段是下降时间Tf,一段是电流的拖尾时间 Tt o I .I 在电流的下降时间内电流减小到关断时电流的则,再经过- Kf 段拖尾时间,电流才下降为零,电流的下降时间和拖尾时间可扫 叶 以在参数中设置。可关断晶闸管图标如图 3-8 所示,可关断晶 α。 闸管的模型和开关特性分别如图 3-9 和图 3-10 所示,模型的参图 3-8 可关断 数见表 3-3 0 晶闸管图标 A一 瞅wnr + A = -B ×→EU ]fKL晴 极 Yak Iak 79 Itail=O llmax E 图 3-9 可关断晶闸管模型 图 3-10 可关断晶闸管开关特性 表 3-3 可关断晶闸管模型参戴 可关断晶闸管参数名 导通电阻 Ron 内部电感Lo n 电流下降时间Tf 电流拖尾时间Tt 单位 n (欧姆) H (亨利) s (秒) s (秒) 初始电流Ie 缓冲电阻 Rs 缓冲电容 Cs A (安培) n (欧姆) F (法拉) 可关断晶闸管模型也已经并联了 RC 缓冲电路,缓冲电路的设置与二极管模 型相同。带可关断晶闸管模型的电路仿真,仿真算法同样宜采用 Ode23tb 或 Ode15s 。 3.4 电力场效应晶体管模型 电力场效应晶体管具有开关频率高,导通压降小等特点,在电力电子电路 中使用广泛。场效应晶体管一般有结型和绝缘栅型两种, MAT川叫应晶体管模型其实并不区分这两种模型, 也没有 P 沟道和 N 沟道之分,它仅仅反映了场效应晶体管 厂-一「 ld 可~ sr 和-, mp 的开关特性,是场效应晶体管通用的宏模型。电力场效应 晶体管模型及其外特性如图3-12 和图 3-13 所示,模型的参 数见表 3-4。 场效应晶体管模型在门极信号为正(g>O) ,且漏极电 Mosfet 图 3-11 电力场效 应晶体管图标 流大于 O 时导通,在门极信号为零时关断。场效应晶体管模型上反并联了-个 二极管,因此在外特性上,正向导通状态的导通电阻是Ron ,而外特性中的反向 80 导通是二极管导通,导通电阻是二极管的电阻 Rd 。 漏极气旨主极 Id E 门极 ;h黑孟J人iLs 关断状态 导通状态 Rt=Ron Vds 肌 O⑤ FET I- Vak !辑+一 ID s 图 3-12 电力场效应晶体管模型 图 3-13 电力场效应晶体管 模型的外特性 表 3-4 电力场效应晶体管模型参敛 参 数 导通电阻 Ron 单 位 n (欧姆) 导通电感Lon 内接二极管电阻 Rd H (亨利) n (欧姆) 初始电流 Ie 缓冲电阻 Rs A (安培) n (欧姆) 缓冲电容 Cs F (法拉) 参数中的缓冲电阻和缓冲电容的参数设置与二极管相同。 3.5 绝缘栅双极型晶体管模型 绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 结合了场效应晶体管和电力晶体管的优点, 具有驱动功率小,开关速度快,通流能力强的特点,目前已经成为中小功率电 力电子设备的主导器件。绝缘栅双极型晶体管图标如图3-14 所示。绝缘栅双极 型晶体管模型及其外特性如图3-15 和图 3-16 所示。模型参数见表3-5 。 IGBT 模型在集射极间电压为正 (Vee> 0) ,且有门极信号 (g> 0) 时导通; 即使集射极间电压为正 (Vee>O) ,但是门极信号为零 (g = 0) , IGBT 也要关断。 如果 IGBT 集射极间电压为负 (Vee <0) ,则管子处在关断状态,但对于商品 IGBT 来说,因为其内部已并联了反向工极管,所以在 IGBT 集射极间电压为负时 也反向导通。 IGBT 模型的开关特性如图 3-17 所示。 IGBT 在关断时,有电流下降和电流拖 尾两端时间,在下降时间内电流减小到关断前的 10% ,再经过一段电流的拖尾 81 时间, IGBT 才完全关断。 IGBT 的电流下降时间和拖尾时间可以在参数对话框中 设置。 国 Ie 集电极 栅J 飞 IE 发射极 + Vee Vf 4二导主旦旦人土 jf二。 E IGBT IIGBT 唱一一Vee | 逻 辑 忏 一 Ie 图 3-14 绝缘栅双极 型晶体管图标 Ie 图 3-15 绝缘栅双极型 晶体管模型 -I Ie Vf 图 3-16 绝缘栅双极型 晶体管模型的外特性 图 3-17 绝缘栅双极型 晶体管模型的开关特性 表 3-5 绝缘栅双极型融体'曹模型参搬 参数 | 单位 导通电阻 Ron 。(欧姆) 导通电感Lon H (亨利) 门槛电压 Vf V (伏特) 电流下降时间Tf s (秒) 电流拖尾时间 Tl s (秒) 初始电流 Ie 缓冲电阻 Rs 缓冲电容 Cs A (安培) o (欧姆) F (法拉) IGBT 模型也已经连接了 RC 缓冲电路,缓冲电阻和电容的设置与其他器件 相同。 82 3.6 理想开关模型 理想开关是 MATLAB 特设的→种电子开关。理想开关图标如图 3-18 所示。 理想开关的特点是开关受门极控制,开关导通时电流可以双向 通过。理想开关的模型比较简单(见图 3-19) ,它仅由开关 SW 和电阻 Ron 组成, SW 由开关逻辑控制。当门极信号 g=O 时, 1: 白 ~I 无论开关受正向还是反向电压,开关都关断;当门极信号 g > 0 'Ideal Switch 时,无论开关受正向还是反向电压,开关都导通。在门极触发 时开关动作是瞬时完成的。理想开关模型的伏安特性如图 3-20 所示。理想开关模型参数的设置见表 3-6 。其初始状态 + 一栏,如 图 3-18 理想 开关图标 果起动仿真时开关应是接通状态,则设为 "0"; 如果启动仿真时开关应是断开 的,则设为 "1" 。缓冲电阻和电容的设置与前面相同。 _1_一/干一_2 Ig 门极 4 112 导通状态 + Vl 2 112 SW Ron 1 0-一---一\、o---c二F一--02 |关 l逻辑1 Ig 图 3-19 理想开关模型 图 3-20 理想开关模型的伏安特性 理想开关在仿真中可以作为断路器使用,设计适当的门极驱动,也可以作 为简单的半导体开关如 GTO 、 MOSFET 等用于电流斩波控制。 表 3-6 理想开关模型参数 理想开关参数 寻通电阻 Ron 初始状态 缓冲电阻 Rs 缓冲电容 Cs 单位 。(欧姆) 导通为 "0" ,关断为 "I" 。(欧姆) F (法拉) 3.7 三相桥式整流电路模型 三相桥式整流电路是最常用的整流电路,MATLAB 模型库提供了不控和可控 83 两种三相桥式整流电路模型。 3.7.1 三相桥式不可控整流电路模型 襄 3-7 三相桥式不控整流电路模型参数 参数 | 单位 二极管通态电阻 I 0 (欧姆) 二极管通态电感 I H (亨利) 二极管门槛电压 I v (伏特) 缓冲电阻 O( 欧姆) 缓冲电容 I 三相桥式不控整流电路由六个二极 管按桥式连接组成(见图 3-21 )。它有三 凹 F (法拉) +K 个输入端,分别是 A 、 B 、 C ,用于连接 ABC 三相电源或整流变压器的三相输出;它 的两个输出端 K 和 A ,则输出整流后的 直流电压,其中 K 端为"+", A 端为 " "。模型参数见表 3-7 a 不控整流电路 6-pulse dicde brdge a) A b) 模型实际设置的是二极管参数,其中 RC 缓冲电路的设置也与二极管相同。 图 3-21 三棺不控桥式整流电路 a) 图标 b) 电路 3.7.2 三相桥式可控整流电路模型 三相桥式可控整流电路由六个晶闸管作桥式连接而戚,其图标和电路如图 3-22 所示。使用时,模块的 A 、 B 、 C==: A +K 个输入端连接三相电源或三相变压器 B,I K 的二次侧;它的两个输出端 K 和 A , 则输出整流后的直流电压,其中 K 端 为"+", A 端为" "。模型的脉冲 输入端 pulse 用于接入晶闸管的触发信 C 气A pulses A 6-pulse thyritor bridge a) ABC 号,三相桥式可控整流电路模型有专 用的触发模块,这在驱动模块一节中 A b) 介绍。 三相桥式可控整流电路模型是由 图 3-22 三相桥式整流电路 a) 图标的电路 六个单个晶闸管模块连接的分支电路(见图 3-23a) ,模型上没有留出测量的端 口,在分支电路中已经将晶闸管的测量端封闭,这在需要观察晶闸管的电压和 电流时不方便。为了便于观测晶闸管的电压和电流可以对模型略作修改,方法 M 4 pulses Selector 主 A a) 4 pulses Selector Demux2 2 b) 图 3-23 三相桥式整流模块分支模型 a) 三相桥式整流电路模型 b) 增加检测端的三相桥式整流电路模型 如下:点击选中可控整流模块,在菜单栏 Edit 下选中 Iρok under mask ,则可调出 如图 3-23a 所示的整流电路模型,如要观测某一晶闸管的电流电压,则将该晶闸 管模型测量端的山字型封口删除,换接上分支电路的输出端口即可(见3图­ 23b) 。修改后的三相桥式可控整流电路图标上即增加了测量端,使用此测量端 可以观测指定的晶闸管承受的电压和电流。 85 在晶闸管三相可控整流模型中可设置的参数有晶闸管的通态电阻和通态电 感,以及缓冲电阻和电容值(见表3-8) ,缓冲电阻和缓冲电容的设置要求与前 相同。 表3-8 三相桥式可控整流模块参数 参数 单位 导通电阻 。(欧姆) 导通电感 H (亨利) 缓冲电阻 n (欧姆) 缓冲电容 F (法拉) 3.8 多功能桥式电路模型 多功能桥式电路模型(见图3-24 )是一个既可以用作整流也可以用作逆变 的模型,并且可以通过设置来改变它的相数和采用的电力电子 「A 一一一一 开关类型。点击多功能桥模型图标,弹出模块的对话框如图3-25 B - ~ 、+ 所示。在对话框中,第一栏是选择模型桥臂的相数,有1 、 2 , 3 C /\ 三种相数可供选择;第二栏用于选择模型是交流输入还是交流 pulse咀l 输出,如果是选择交流输入 (ABC as input terminals) ,则输出就 Universal Bridge 是直流,模型用于整流;如果选择是交流输出 (ABC as Qutpput 图 3田24 多功能 tenninals) ,则输入端就需要连接直流,模型用于逆变。对话框 桥图标 的第五栏选择变流器使用的电力电子开关种类,这里有MATLAB 模型库的六种开关可以选择,即二极管、普通晶闸管、GTO 、 MOSF町、 IGBT 和 理想开关。其他缓冲电路和开关器件的参数设定与单个电力电子器件开关的参 数设定相同,不过变流器模型中可设置的参数较少,也就是说,变流器模型使 用的开关模型较简单。 如果在开关器件栏中选择二极管或晶闸管,则桥式线路的结构如图 3-26a 和 图 3-26b 所示。其中,图 a 中交流在输入端,图b 中交流在输出端,器件按自然 导通顺序编号。如果在开关器件栏中选择的是自关断器件GTO 、 MOSFET、 IGBT 或理想开关,则桥式线路的结构如图3-26c 和图 3-26d 所示。其中,图 c 中的交 流在输入端,图d 中的交流在输出端,器件不按导通顺序编号,两种编号方式 是为与晶闸管6 脉冲触发器和驱动模块PWM 发生器输出的脉冲序列相对应。如 果是自关断器件,模块在自关断器件上已经反并联了续流二极管。 86 '‘ . ‘ ~. 'or .010 so 龟 to 」 fpe--un hh.,. .f bn阳 ......i ~ρ-- for‘ conficar&tt幅 lABC os 呻ul t.~山山 on-..) S~uber reu 'Il凰u 11 i ,~由 bor c 叩 .cituu .'l. C霉的 .nf ‘ PowV' ! loctromc cl.vieo|Thyr1 :1; tors 二j 一二J1 -------- 二j Ion (Oh.s) -1. 穹~ ·Lo且缸〉 F Forward yo1龟吨• Vf (v) …F‘ l sur.onb }font • ~.. ,帽且'‘ 甲_",,_--c..-- -".___--.--..-~ 工i 二j 01 l C"",oI HoI. ,.,.,夕 35 事 ABC 4; 6: 2; a) ABC c) ++ l 如 3 ιF -、51'ν JT -' J ABC 4 -' 6-3飞 2-3‘←-一 b) ABC d) 图 3-25 多功能桥模型对话框 图 3-26 多功能桥模型线路(三相) 3.9 驱动模型 电力电子器件工作的时候都需要有正确的门极控制信号,产生控制信号的 驱动电路是电力电子线路必有的组成部分,并且晶闸管和其他自关断电力电子 器件的驱动要求不同,因此 MATLAB 的电力系统模型库提供了两种驱动模型, 一种是针对晶闸管电路的,另一种是适用于自关断器件电路的。 MATLAB 电力电 子器件模型的驱动要求与实际物理器件的驱动要求不同,实际物理器件的驱动 要求信号有一定的强度,即要有一定的电压和电流,而器件模型的驱动仅仅是 在于门极信号的有无,因此 MA咀..A B 驱动模块是原理性的宏模型。 3.9.1 同步 6 脉冲发生器 同步 6 脉冲发生器 (Synchronized 6-Pulse Generator) 用于产生三相桥式整流电 路晶闸管的触发脉冲,在一周期内,它产生 6 个触发信号,每个触发信号的间 隔是 60° 。 6 脉冲发生器模块有 5 个输入端和 1 个输出端(图标见图 3-27 )。输入端 a1ph lL deg 用于给定移相控制角的大小,控制角的单位是"度"。控制角既可以是 固定值,也可以是变化值。固定的控制角可以用常数模块来设定,变化的控制 角一般由控制电路来产生(参考整流电路一节)。 87 输入端 AB , BC 、 CA 用于接入同步信号。同步的作用是使触发器产生的触 发信号与整流主电路晶闸管需要被触发的时刻相一致,并且要保证三相6桥个 晶闸管按规定的顺序依次触发,因此同步信号要与晶闸管主电路的三相电源保 持一定的相位关系,这一般用同步变压器来调整。6 脉冲发生器对话框如图3-28 所示。 6 脉冲发生器产生的六相触发脉冲与输入同步电压的相位关系如图 3-29 所示。图中上方是三相同步信号U AB 、 UBC 、 UCA' 以下依次分别是 VT1 - VT6 6 个 晶闸管的触发脉冲(图示为双脉冲触发) ,相邻两个晶闸管的触发相隔 60° 。 alpha_deg ~~ pulses BC n CA-' 'Block Synchronized 6 - Pulse Generator 图 3-27 6 脉冲 发生器图标 S1"C1u'"0Il.Iu46-,.J. u c_a.- ator ~uk;) 0- 1 由3 It…·‘.. .... ,,. , .-,us. , e JUs ltJ..ck 叩~. l fin 出‘白Tlshrs f • n. ..t t IS • ...ct.,. f ,.u,.. 仕 l).....n. .且y lI:yacUoaiu4 幅山. .叩_let.l_ ‘.. .1.... ..H. N.u""l ‘四vahi "cru. ill笛也. ...o- 1aa" "Ua( cr'Sllap , f 山.e:_o.l ,h.. 咽rut.s n.. ‘... .,1I… ..叫".p吗副吨:' I chub'" t... p乱 on , v. ..nt ‘….h'峙Thtor .. firs ‘ pul.. 由 u lb ~lh. 国el. IS r . .clM"也曲…c -4.,·埠..四 "cr..slllter, r.........山..., 句Tulor 11 flrlL , t .,... lr ,.-u眩y of s)'1lodr曲Ulltl......‘It .,..似d 二 i .. 'fr 回d-雹Ma m -m一副 -" e -u--aM -·mE吨 -·-z -3 ? q .J: E王三」主乙J 一坐?-.J干主江」 图 3-28 6 脉冲发生器对话框 图 3-29 同步电压与触发脉冲 三相桥式整流电路有两种触发方式,即宽脉冲触发和双脉冲触发,两种触 发方式可以在对话框中选择。双击三相桥模块,弹出对话框(见图 3-28) ,在对 88 话框中选中 "Double pulsing" ,则为双脉冲触发,否则为宽脉冲触发方式。同时 在框中还可以设定脉冲的宽度和重复频率。在宽脉冲触发时,脉冲宽度要大于 60° 。重复频率应与整流器电源频率相同。图3-29 中的脉冲是采用的双脉冲触发 方式,即在下一个晶闸管触发的同时给前一个晶闸管补一个脉冲,以保证在电 流断续时,整流器上下桥臂都各有一个晶闸管同时导通。 模块的第 5 个输入端(Block) 用于控制触发脉冲的输出,在该端置"0" 时,有脉冲输出;如果置 "1" ,则没有脉冲输出,整流器也不会工作。该端可 以用作过电流保护和直流可逆系统中整流器的工作状态选择。 6 个晶闸管触发脉冲信号由模块的pulses 输出端输出,使用时只要将该输出 端与三相桥式整流电路模型(见图3-22a) 的脉冲输入端连接即可。 3.9.2 12 脉冲发生器 12 脉冲发生器用于产生十二相整流器的触发脉冲,其图标如图 3-30 所示。 十二相整流器一般由两组三相桥式整流电路串联或并联组成,a才 lpha_deg 整流变压器可采用Y凡A 或 A 凡A 联结(见图 M1) 。 1; [ PY 12 脉冲发生器模块有 5 个信号输入端和 2 个输出端,其不 一 -pn 中输入端 alph !L deg 给定移相控制角的大小,控制角的单位是 >I Block 墨} Synchronized "度"。控制角与 6 脉冲发生器一样,既可以是固定值,也可 12 - Puis后 Generator 以是变化值。输入端 A 、 B 、 C 用于接入同步电压信号,同步 图 3-30 12 脉冲 信号电压取与整流变压器一次相位相同的相电压,如图 3-31 发生器 所示。 Block 输入端用于控制触发脉冲的输出,当Block 输入端置"}"时,停止 触发脉冲的输出, Block 输入端置 "0" 时,则有脉冲输出,整流器可以工作。 12 脉冲发生器模块的两个输出端分别输出两组脉冲信号,每组各有 6 个脉 冲,其中 PY 输出端输出的脉冲信号用于触发与变压器二次 Y 联结绕组连接的三 相桥式整流器, PD 输出端输出的脉冲用于触发与变压器二次 A 联结绕组连接的 三相桥式整流器。三相桥式整流器的晶闸管按自然导通顺序编号。 12 脉冲发生器与 6 脉冲发生器一样,有宽脉冲和双脉冲两种触发方式,它 的参数设置与 6 脉冲发生器的参数设置相同。 3.9.3 PWM 脉冲发生器 PWM 脉宽调制方式在逆变器控制中使用很广泛,并且现在在整流电路中也 开始应用。 PWM 脉冲发生器的图标如图3-32 所示, MATLAB 模型库提供的 PWM 脉冲发生器是一个多功能模块,它可以为GTO 、 F町、 IGBT 等自关断器件组成的 一相、二相和三相桥式变流电路提供驱动信号,并且还可以用于双三相桥式电 A B 、 y •3 JJ ι」ω「 c a2b2c2a3b3 alpha_degPY 生--fi- CBnl,_o_ck,- PD Synchronized ~尸」斗12 • M 臼叫G臼en删 e or Constant A B C M τ m h VJ 叫 ,仄 B C m F t 1n6归 头ω1阳NM一块ωI阳J 89 K A 一 民 川 ! d o eoe e l t i 一 / 、 气 「l i J U - - - 阳E L山 叫 e 图 3-31 十一相整流器和触发器的连接 路(1 2 脉冲)的驱动,这可以在模块对话框中模式一栏 (Generator Mode) 选择 (见图 3-33) 。 PWM 脉冲发生器脉宽调制的原理是以三角波(载波)与 调制波比较,在三角波与调制波的相交点处产生脉冲的前后 沿。三角波的频率可以在对话框巾设置,且三角波的幅值固 才 S职al(s) pulses 定为 l 。调制波有两种产生方式,一种是由 PWM 脉冲发生器 PWM Generator 自动生成,另一种在脉冲发生器输入端由外部输入。点击对图 话框的内调制信号生成栏前的方块,则选中了内调制信号生 3刃 PWM 脉冲 发生器图标 成模式,对话框出现了调制度、输出电压频率和输出电压相 位三项参数设置栏。在采用内调制信号生成模式时,调制波固定为正弦波,即 SPWM 调制方式,设置的调制度、输出电压频率和输出电压相位三项参数实际上 是内部产生的调制正弦波的参数。选中内调制信号生成方式后,模块的输入端 不用连接。当选择外部输入调制信号时,调制波的频率和相位则由外部输入的 信号波形决定,但是外部输入的信号波形幅值不能大于 1 。 图 3-34 所示为一相桥式电路采用正弦脉宽调制时的示意图。这时脉冲发生 器输出两个脉冲 pulsel 和 pulse 2 ,分别对应驱动一相桥 (A 相)的上桥臂开关器 件 1 和下桥臂的开关器件 2 ,脉冲 pulse 1 和 pulse 2 是互补的(见图 3-35 )。当在 对话框中选择二相桥式电路时,脉冲发生器依次输出 4 个脉冲 (pulse 1 、 pulse 2 , pulse 3 , pulse 4 )。当在对话框中选择三相桥式电路时,脉冲发生器依次输出 6 个 脉冲 (pulse 1 、 pulse 2 , pulse 3 、 pulse 4 、 pulse 5 , pulse 6) ,脉冲 pulse 1 和 pulse 2用于驱动 A 相桥悖的两个开关器件, pulse 3 和 pulse 4 用于驱动 B 相桥臂 90 的两个开关器件, pulse 5 和 pulse 6 用于驱动 C 相桥臂的两个开关器件,且单数 脉冲驱动上桥臂开关器件,双数脉冲驱动下桥臂开关器件,参见图 3-26c 和图 3­ 26d 。在使用时只需要将脉冲发生器的pulses 输出端与多功能桥模块的pulses 输 入端相连接即可。 + __.cz:sus_maaaa= x PIIG幅....t... Iiouk) lli血』 n.. Th. P'III G咀町M 町 bl.ck c-aaer.tes rU n. for cwri.u-baud fulu'吐出 I.etal.ti幅 e咽的 w剖.. bloa c_ ... us.. to flU 也. lure倒四..t.d 缸Tlces CP'IT" 衍。霍" or IGBT.) of uncle-pllu&,‘..-ph...e, thr..-phu., or .. C幅hindi em of two thr.rpbu. bn 缸" Dep曲也Z咚"由.. a.her of lw叫.p: vas ..leeted In the 飞tAU.tor .od.... p町..‘霄,出.. 'bl ock em b. 11...11 .i 也M for .i ncl..-曲u. or t.hr..-ph.... PIt control l l f l S E l pulses~- A P咽 Ise 2 PWM Generator - Par._ ‘町2 6咀erator 'ode C...ri .,. fn帆...cy Olz): J1酬 F7 Inhrnu. em町 .h on of .o ebU.ti吨 .j p.u 臼3 loDl1.ti 幅山血萃 ω<-1r) ‘Par c.....咱....b_ , 2 一-一- l . l .U. , _tor 瞌· fr.qG曲q I ..(VA) • fa 饥.) J If 25006. 回 1 ( fr I,曲吨, (剧叫"凰匾 'uuli 吨, ..-..t... y1 Ib-Ph肺...) -'剧(,OJ • Ll (,OJ l Ifl坦 .3. 。阳· 0 回] 啊 ,...t.... I,曲吨 2 (ue-2) COMoe叭响 II J:J 'iUU1C (四 n.-n. (Yr.,) • 82 ~】. 12~) 1 If 315.3 .。髓· 0 田] 1 lidi吨 3 恤e-3) c翩翩._. 0 llt Qtt) ~ ‘ tidi吨,....‘....【归P1r-Ph (Vn叶. 13 (,.) .口@呻 1 If 315.3 .。恤· 0 圆] 图 4-5 三相变压器(三绕组)对话框 94 开始,并可以较快地进入稳态(参见单相饱和变压器)。 4. 1. 3 互感线圈 互感线圈是三个有互感关系的线圈,其模型图标如图 4-6 所示。这三个线圈 有互相独立的输入端和输出端。在对话框(见图 4-7) 中,可以分别设置三个线 圈的电阻和自感,并且可以设置三个线圈间的互感,电阻、自感和互感都使用 标准单位。 〉飞ill厂〉 >-1而Q\-> μ日Q\-> Mutual Inductance 图 4-6 互感线圈 模型图标 t 丰'‘2 …--.1......-、- f;‘pu1·duZUMh由dr曲··NGMSK业 a.ok) ,....... 囚 I aniucl 凰CII '1 1 也 "blueo啤1il\lι - -也. -, '. • ~l fh··twz 'lDd.l 吨 1 self &呻.d.~. (&l曲...)L1创)J |[11 川同3 '阳 0 时,电机工作在发电机模式 ; To < 0 时,电机工作在电动机模式。 [例 4-1] 一台直流井励电动机,铭牌额定参数为 PN = 17kW , UN = 220V , I N =88.9A , n N =3∞Or/min ,电枢回路总电阻 R a = 0.0870 ,励磁回路总电阻 R r = 181.50 ,电动机转动惯量 J = O. 76kg • m2 。要求仿真该电动机的直接起动的过 程。 (1)计算电动机参数 励磁电流为 If = U/ Rf = 220V118 1. 50 = 1. 21A 励磁电感在恒定磁场控制时可取零,则 电枢电阻 R a = 0.0870 ,电枢电感估算为 La = 19.1 X 一 2pC一nU一NI 一=- .~ • 0 .4 X 220 1'9J .1"A X 2xl 々 nnn NN J = 0.OO32H 式中 , p 为极对数; C 为计算系数,对于无补偿电机 C = 0.1 ,无补偿电机 C= 0 .4。 因为 Co = U- Nn - -R-a.-InN = nN 2--2~0 -- 0~~.;:0:;8::7~ 3000 "X 88.9 V U U . 7 • minlr = 0.0708V . minlr 因此 额定负载转矩为 KE=FC=fpxO 0708=0676V-s 4π L. 1τ L ar = KE /l f = (0.676/ 1. 2l) H = 0.56H TL = 9.55 CJnom = (9.55 X 0.0708 X 88.9)N • m = 60.1N • m (2) 绘制仿真线路 提取直流电动机、电源等元件模块,提取模块的名称及路径见表 4-4 。联结 模块绘制直流电动机直接起动的仿真模型如图 4-10 所示。在模型中电动机励磁 绕组和电枢的输入端并联后与直流电源电压 Vd 的正极端相连接,电动机励磁绕 组和电枢的输出端通过 T 形节点并联后与直流电源 Vd 的负极端连接在一起。电 动机的负载转矩由常数模块 TL 设定。然后在电动机模块的 m 端接上示波器,用 97 于观察电动机的各项披形,由于在m 端可以输出转速、电枢电流、励磁电流和 转矩四项参数,因此需要用Demux 模块分解。直流电动机模型输出转速的单位 是 rad旬,在模型中使用了一个放大器(Gain) 将 rad/s 转换为习惯的 r/min ,变换 系数为 裹 4-4 模块名 k =59=955 4π 直流电动机直接起动仿真线路模块 | 提取路径 直流电动机 DC motor 直流电源电压 Vd T 形接点 常数模块'且 信号分解Demux Power system/machines Power system/Electric现1 sources Power system/connectors Simulink/so町'ces Simulink/Signals & system + Vd 220V A- DA 60.1 TL m TL DC Machine Demux 图 4-10 直流电动机直接起动仿真模型 scope (3)设置模块参数和仿真参数 双击电动机模块图标,弹出模块参数对话框,在对话框中输入前面计算的 电动机模型参数,在电源 Vd 模块对话框中输入 "220" ,在常数模块 TL 对话框中 置入 "60.1" 。在完成元件模块参数设置后,在 Simulation 菜单下选择 Simulation paramete 肌设置仿真参数,取仿真时间为 Is ,仿真算法采用 Ode45 。 (4) 仿真及其结果 在各项参数设置完成后,点击菜单中的"..-"图标启动仿真。在仿真结束 后,点击示波器,则可以观测电动机的转速、电流、转矩等波形,如图 4-11 所 示,图中波形从上向下分别为电动机转速、电枢电流、励磁电流和电磁转矩。 从波形中可见,电动机在带载起动时起动电流很大,最大可达 25∞A o 在起动 O .4 s 后,转速达到 3∞Or/min ,电流下降为额定值 89A 左右,转矩也有相应的变 化。 [例 4-2) 在例 4-1 中,如果要用电阻起动器限制起动电流在 2∞- 1∞A 之 98 间,通过仿真设计选择起动电阻和切换时 间。 设计步骤 1 :在例 4-1 直接起动线路基础 上,在电枢回路中串联一个由三级电阻组成 的起动器(见图 4-12 )。在每个电阻( Rl 、 R2、 R3) 上并联了一个理想开关,用于切除 电阻,开关受 Step 模块控制。在 Step 模块对 话框中设定单位阶跃信号发生时刻,即可控 制开关的闭合,从而短接该级电阻。 步骤 2: 将 step 模块 2 和 3 的阶跃信号发 生时间设为 "0" ,即挝、盯在起动时就短 接; Slepl 的信号发生时间设长一些(如 205) ,使 Rl (其值为 R , ) 接入电枢回路,并 初选 Rl' 的值 R' , I = ~ [UmNax - _ -R-.. -= 一2220::00::0 - 0.0870 = 10 在模型中设 R , = R; = 10 ,仿真开始启 动,得到转速和电流波形如图 4-13a 所示, 在图中可以看到串联电阻后最大起动电流为 200A ,在 3.55 时电流下降到 100A ,对应的转 图 4-11 直流电动机直接起动波形 T3 R3 Tl R2 丁2 Rl F+「且且且fF­ T A证)-A Ramp Saturation TL m DC Machine 囱 4-12 直流电动机串电阻起动仿真模型 De mu飞 scope 速约为 1500rlrnin ,这时需要减小起动电阻,因此可计算阳的值矶和预选R2'的 值 R'20 2= 」UN工7-一_CC. _n _ R. = -2-20- - 0_..0~7;0;8-X" 1-5-0-0-0 - 0.0870 = 0 .4820 R 1 = R; - R; = 10 - 0 .4820 二 0.5180 步骤 3 :重新设定 Rl 和R2(几= R~) 并设 Slepl 的信号发生时间为 3.55 , 99 设 Step2 的信号发生时间为208。再次仿真得到如图4-12b 所示的波形,在起动68 后电流再次下降到 looA ,这时的转速在2200rlmin,需要再次减小起动电阻。计 算 U 和 R3 的值几和矶。 o _ R = -U一N 一-一一C二e 一n _ R. = 2~2~ -- 0V..V0~/7n0Vn8U x " 2200 ‘&-1: 趴咀霄.-ollq;n yq,. yd. (v) a 叼.I.to'穹咱....__"6-‘".) u g " 10 : nB.odt叮 r帽翩 ‘_P_'t.山ic时t.o.r(~rod) I),.) ,...-t吨I~ 二-~-.;.."-'~~二玉石二在~ .~、『 -, ι . . . . ' _ . _ . . _._......4 一 句半… le'si.t幅凹 Ie..), 图 4-18 永磁同步电机模型参数对话框 从永磁同步电机模型的输出端可以输出永磁同步电机的10 个内部参数(通 过电机模型测量模块观测).输出参数见表4-7 0 表 4-6 永滋同步电机模型参戴 参数名 定子电阻 R 定子电感 Ld 、 Lq (dq 输系) 由永磁转子在定子回路产生的磁通 A 转子和负载的转动惯量 J 粘滞摩擦系数 F 电机极对数 p 表 4-7 永磁同步机模型可测参量 参数名 线电流, • 、 'b 、" d 轴和 q 轴电流 'd 、 'q d 轴和 q 轴电压 Ud 、 U q 转子机械角速度 ωz 转子位置角。 电磁转矩 Tm 单位 o (欧姆) H (亨利) Wb (韦伯) kg·m' N'm" 单位 A A V radIo rad N'm 105 4.3.3 交流同步电机模型(基本型) 同步电机模型图标如图4-19 所示,同步电机模型既可以工作在电动机状态, 也可以工作在发电机状态。模型的输入端Pm 用于输入电机轴 I __飞 岛 I 上的机械功率,在电动机工作状态时,该输入端一般是连接 斗Pm( I)-B J v f y f ? 一个常数模块或函数模块,使电机负载机械功率以常数或函 数形式输入;如果电机工作于发电机状态,则该端连接常数、SYJchrunous 川 函数或原动机(水轮机和调速器、汽轮机和调速器)。第二个 SI Fundamental 输入端 Vf 用于接入励磁电压,在电动机状态下,一般是连接 图 4-19 同步电 常数模块,励磁电压以常数表示;如果是发电机状态,则可 机模型图标 以连接励磁系统模块 (Excitation System Block) 。模型的输出端A 、 B 、 C 为兰相定 子的接线端,输出端m 用于连接电机的测量模块。 同步电机的数学模型建立在两相旋转dq 坐标系上,模型反映了定子磁场和 阻尼绕组的动态过程。同步电机动态模型在两相坐标系上的等效电路如4图-20 所示,图中转子参数都折算到定子一侧。 电压方程为 Ud = R , id + 杂d -ω , 1J"q 106 』♂~ Uq L'lkql R\ql J【-rv飞 • i'kql u,-Ke-l Rs +但'f'q L 1 Ud 'lu q LWA R'kd U'kd 以汉王垦 U'kq2 a) 图 4-20 同步电机动态模型等效电路 a) q 轴 b) d 轴 -L'lfd R'fd i'fd U'fd b) u. = R. i. + 立'P'. +ω. 'P'" 吨 町咆 dt 飞 u 内 = R~d i~d +杂;d , = U kd dd + n / . / 1\ kd ~ kd 巾, t 't! kd u 'k q = n'" 1\ kql £ kql + ddt 巾 't! kql , U kq2 = R,崎.i,~q2 + d d-t 'P' ~q2 磁链方程为 'P'd = Ldi d + Lmd (i~d + i~d) 'P'q = Lqi q + L 呵 iiq 'P'~d = L~d i~d + Lmd (i d + i'kd) 'P'~d = L'kd i~d + L md (i d + i~d) 'P' ~ql = L~ql i'kql + L mq i q = 'P'~q2 L'kq2 i~q2 + L mq i q 注意,式中变量下标的含义如下: d, q 代表 d 轴和 q 轴分量; r 、 s 代表 转子或定子参数, I 、 m 代表漏感或励 磁电感; f、 k 代表励磁或阻尼绕组。 同步电机参数设置对话框如图 4­ 21 所示,对话框第一栏用于选择转子 的类型,凸极式 (Salient-pole) 或隐极 式( Round 、 Cylindvical )。对话框的以 -立 II ‘卜 _l 臼 ...e....·...... o. S~田』幅'回 l...w..‘~ iM)一一一一-咽 h'句 -".d4r.n·M.".-.R惰-,Uu.aM.,he苦e帽s'-e"M4,-z'.·e,.a圃"'·.田-.‘曲:革J'""幅-I"庸'画..‘•t. ··42·国 ..MU" ow .如也帽凰....-.b..I睛 . Mi-iCa't>M i. ,....t... - . 晴、 _h'凰‘...‘回_. I 一一 且阳 t,..:J Round 一 __ . ._‘..._~. ~ I _ T O ' .~ -~.l l hHm.'E吧S 气1,棚~飞ω~~飞1阳"]""帽 Ira制 F s‘蝇. [..~)凰.Ia"~ωJ: I[ 2. 蝇9!咽 3 佣姐训 3.2164!咽 971 S3!-()4 I j i Pi .U [ It' (0国1 时…ur..QOi !.....[ l[ 5 田13!响 3.071 2!响 ]t 一 .....4Uk·一4 , uhr-e' , u-眩h'1J ! ([t叫:a1 如 .-3, , 0.0292 6 瞄r们四川, 2.471... J~ , ~ti, &i~t!幅 I...·‘幢幢. tel. air> I 1也‘ .'2) ij 1I1a口i‘口....0. 0[_0010)0也 ~口alT口 3i限ol....-.i~eω _~_J E ~~_t~___.._t~ 叫『 !'‘回.tt_.__t.. [il~, lf~... W ; nl. n!. i rs宙.剧,、m.. 7, 9175, 100 1. 6, 1晦2,一 1115.一 9, I2113.一 6j创 2, I' ;011 咐,阳也 I'" ...嘟.s . . iaa1. Yt 画隘 h. ...._..L.. 合』牛… • ~ ~ .-._. -- Iasr 01 IIT....~UC灿 I~ 百厂| -二'- 图 4-21 同步电机参数设置对话框 107 下各栏用于设置同步电机的参数,见表 4-8 。 同步电机的初始条件包括初始速度巾,转子角 Be (电角度)线电流 la 、 ib 、 ie ,相位角 pha 、 phb 、 phe 和励磁电压 Vf ,其中初始速度以额定转速的百分数表 示。关于励磁电压的设定有两种情况,如果在额定参数一栏中设定了励磁电流 i刑,则初始励磁电压(直流)是参考于转子侧的,并且这个参考电压可以从对 话框最后一栏 (Dislay Vfd …)中得到,只要点击该栏则可弹出提示框,框中给 出了 Vt 的值(见图 4-22) 。如果在额定参数一栏中没有设定励磁电流ifN,即该 项取 "0" ,则励磁电压是参考于定子的,参考于定子的励磁电压同样可以从点 击对话框最后一栏得到。 ' 表 4-8 罔步电机模型参戴 参 数 单 位 电机额定参数 No口nin a! 容量 Pn 线电压 Vn 频率 fn 励磁电流 'IN VA V (有效值) Hz A 电阻 Rs 。 定子 Stator 漏感 Us , Lmd 、Lmq H 电阻邸' Q 励磁绕组 Field 漏感Ufd' H 阻尼绕组 Dampe目 d 轴电阻 Rkd' 、漏感 Ukd' q 轴电阻Rkql' 、漏感 Ukql' 对隐极机还有电阻Rkq2' 漏感、 Ukq2' 。、 H 。、 H 。、 H 机械参数 转动惯量 J 摩擦系数 D 极对数 kgom2 Nom° s/rad _........圃-圃'回_A_III回国… '::1.CiI哑 Yfd~ftIIIIinIIVl: 7O.31S2V('侃"时 flamrolxlrl 图 4-22 励磁电压提示框 V, Vln ~-----­ Vt2 Vt1 11 11 1 1° 1I 1I Ifd 1I Ifdl I fd2 Ifdn 图 4-23 铁心饱和曲线 同步电机模型可以考虑铁心的饱和现象,这时只要选中参数设置对话框的 最后第二栏 Simulate saturation。铁心的饱和是以饱和曲线来表示(见图4-23) ,曲 108 线的横坐标是励磁电流耐,纵坐标为励磁电压 Vt ,在曲线上选择 n 个点,将各 点对应的 ifdl 、 ifd2 、…、 ifdn 和 Vtl , Vt2、…、 Vtn 依次输入对话框中即可。如 果不需要考虑铁心的饱和,就不要选中该项,这时铁心按线性考虑。 通过同步电机模型的测量端 m 可以观测电机模型的 16 项参数,它们分别 为: (1 )1-3 是定子电流 Isa 、 ish 、 isc 。 (2) 4 - 5 是 q 轴和 d 轴定子电流 i町、 isd 。 (3 )6-8 是磁场和阻尼绕组电流 ifd 、 ikq 、 ikd 。 (4)9-10 是 q 轴和 d 轴磁链 ψmq 、 ψmd 。 (5)11-12 是 q 轴和 d 轴电压分量 Vq 、 Vd 。 (6) 13 是转子角础,即功率角8 。 (7) 14 是转子角速度 ω 。 (8) 15 是电功率 Pe。 (9) 16 是转子速度偏差 dω。 4.3.4 交流电机测量单元 交流电机测量单元(图标见图4-24) 用于观测交流电机的工作情况。在交 流电机的模型图标上都有一个测量端m ,通过该端可以输出交流电机模型各变 量,如电压、电流、转速、磁链等的数据,这些数据以多维矢量的形式表示, 在使用中,需要将需观测的变量数据从多维矢量中分列出来,交流电机测量单 is abc vs abc eabc m the!田n WIn Pe Machines Measurement Demux 图 4-24 交流电 机测量单元图标 l .dU u ..帽...盹to ..血) Q ‘血} Split 碍.cifi.. si e-ls of ...io田 ..chiae ..iels Il ….....咀龟睛t",t …‘'皿‘. lOP町 ate lJU1 S | … 叶.- rar._‘町队 type: JAs啊yn巾。MU,, a自 E aa』 x dh . ~[r UC . r:.. ir_td r phir_od J7 Yr_td J7 il_曲e 巳 is_,4 i 已向'_td IJ7 "_t' ~回 . P' T. 乙出 .t. 凰山市幅h ir龟川 ireωE 创 ‘ £1.... aad • .is rotor 帽V皿, ωor (pt ‘皿.. d .i s rotor (ft.) ..每d , . . • .is rot.. nlt咱'1 (v】曹怡":1; : St吼'目前副川、'.. i.ω ,帆』 • . . • .is It &tar 睛,皿uω ,协 ‘回. .ia atat. n田os lnl • (pal • ,.i t ‘国.. It &t胃"以唱.. (v】胃伽":I! : lot霄..... CrMl.l or (p心 ; n.ctr_....tic ‘霄tuCJ 时 or (p,.; II . I.‘W 植&1. eroil -, 罐 ~I气叫 1 ,1 白干| 6PPly 图 4-25 交流电机测量 单元对话框 109 元的作用就是用于分列需观测的变量数据。交流电机测量单元是一个通用单元, 它可以用于测量交流同步电机也可以用于测量异步电机。在使用时,只要将电 机模块的测量输出端 m 与测量单元的输入端 m 连接起来即可。双击测量单元模 块 则弹出模块对话框(见图 4-25) ,在对话框的电机类型栏中选择需要观测的 电机后,在该栏下方即会出现这种电机可观测的各项变量,可以根据需要点击 各项变量前的空白格,则完成了需观测量的选择。观测变量一般可以使用示波 器。如果电机模型使用的是国际单位制,则输出变量的也是使用国际单位制, 如果电机模型使用的是标么值,则输出变量使用的也是标么值。 第 5 章 电力电子变流电路的仿真 电能是现代工农业、交通运输、通信和人们日常生活不可缺少的能源。电 能一般分为直流电和交流电两大类,现代科学技术的发展使人们对电能的要求 越来越高,不仅需要将交流电转变为直流电,直流电转变为交流电,以满足供 电电源与用电设备之间的匹配关系,还需要通过对电压、电流、频率、功率因 素和谐披等的控制和调节,以提高供电的质量和满足各种各样的用电要求,这 些要求在电力电子技术出现之前是不可能实现的。随着现代电力电子技术的发 展,各种新型电力电子器件的研究、开发和所用,使人们可以用电力电子变流 技术为各种各样的用电要求提供高品质的电源,提高产品的质量和性能,提高 生产效率,改善人们的生活环境。将来从电网得到的工频电能大部分都需要经 过电力电子装置的二次变换处理,电力电子的应用领域将越来越广阔。 所谓变流就是指交流电和直流电之间的转换,对交直流电压、电流的调节, 和对交流电的频率、相数、相位的变换和控制。而电力电子变流电路就是应用 电力电子器件实现这些转换的线路,一般这些电路可以分为四大类。 (1)交流,直流变流器。 (2) 直流.直流斩波调压器。 (3)直流-交流变流器。 (4) 交流-交流变流器,其中,又分为交流调压器和交.交变频器。 运用现代仿真技术是学习、研究和设计电力电子变流电路的高效便捷的方 法。 5.1 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-pulse diode bridge 、 6-pulse thyristor bridge 、 universal bridge 等模块可以调用,使用这些模块可以使仿真更方便。复杂 111 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。 5. 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 5-1 所示,电路由交流电源 U 1 、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 a 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 EJGT VT2 R 大小。该电路的仿真过程可以分• 「I 触 王发 玉器 E丁1 卡-VTI VT3 V T3 为建立仿真模型(或称为绘制仿 ... _~ __ I 真电路) ,设置模型参数和观测仿 |触发器 2 ←-VT2 VT4 I ._.---~~ I 真结果等几个主要阶段,现分步 图 5-1 单相桥式全控整流原理电路 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 5-2) 。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 5-1 。 襄 5-1 元器件名称及路径 元器件名称 交流电源 U2 晶闸管 VTl - VT4 RLC 串联电路 脉冲发生发生器 提取元器件路径 Power system blocksetlelectrical sourceslAC voltage sow明 Power system blockset/power electronics/thyristor Power system blocksetlelementslseries RLC branch Simulinklsourceslpulse generator T 形节点 中性节点 Power system blocksetlconnectors/T connector Power system blocksetlconnectorslneutral (output) (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 112 ..chA...... II.. Dlii~嗣嗣 r1ll1".~".JI' .\.r ‘......,.,-.l IU_' r. 四..,且'… .1 , ~u. ,..1..17' … N 阳 10..1 ,,__… 01.0_1 ..u4 TI..-M…·…叩.,,4.dt,..…四川 m … 10'''' soh.. 由 E ….. M仙 -k..山 … 叩 ….4Iol llS ...th. ,...川.It soh.. , .. 4.lu.to PC! "'ollo . _ h l 'UI I>&… ...blt ..." SOh .. 0... Z;:::;:::咽气j c9 剖,四川 n' t..1l 1.. I'l r----l ..."..v .t._ J!j ω , J!j ~ SIClUlls ' S .s._... 刽趴由 J!j ~ 、 ~t_1 刷 川 C.,>s hill‘ IL二二二一 II 12 .34 l'h C' hl 口时 Ii一一 I r-;;同丁,由 ..巾poe. I 卜一一一」 = ,,}. s、圄咀. .…..1.由川( II" l'tI也d"' .rI I'r o- 巴匾(-四叫咱‘ n.巾. I "-------' 黯 C.trelS,.u.hallt盹...J, ~ ..睛"中.. I .…-uoop.....·.l.‘,-π1 . I .U",ls'G叫..11巾. . [OOl .r...命'…‘民ocku龟 国 & 阳4 Q:) "" i......... 山 I / I 1. 迫旦旦Jlγ) 国I.ndo- .'叫 争 AC Vol国内出 国 喘晴斗 H Series RLC Branch 也问a1(ou.pu T ∞nnector …EM气' E 帽拥抱~→;,π~ιI~'~气""'''J;U4S 臼 E国哈里边旦旦~至旦旦二二」回_hlltζ 图 5-21 整流变压器二次侧b 相电流波形 整流器输出电压和电流,如图5-24 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5-24c) 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5-25 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。 125 .M ………………I-l皿a 图 5-22 整流变压器二次侧 c 相电流波形 萨 J M M R5 LO.Olh Clock Constant id 图 5-23 三相桥式整流电路电阻电感负载 (α= 60°) 126 0.04 200 ,一一一 ~ 150 卜/' 〉川 号 100ft ~ II 50 I- O L-一 。 0.04 0.12 time(s) time(s) ( 〈 ) 咱 nu l 4 - υ 4白υn 224一卢 「『 明 U l l 4A i 4 U 一 - A U l - i A l ! 』 A - 」 。 U n u 斗 A U l J i t I ) 1- 一 T - - r l L o n ,f 1 4 」 牛 -、 0 0 . E E E - - E E l - 0 3 - ← - " I - l 干 l ? - 年 l i 回 「 ili- 『 E t a -E』 O M A , , n u n /O u 飞 叫 162T2十U门 nnnnnn~ J llJ LlllU才 e) zji1 54门门门 n' nn' n而 且可 uol Llol u01 们 nu。υ A吨 008 0.12 。 16 timers) c) 图 5-24 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 5. 1.3 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 5-26 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-pulse diode dridge) 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 5-27 )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。 127 I'd 孟孟ζ互olx' a) d) 图 5-25 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 128 国h I A B B C f-----j C A Vabcn C Iabc d,i;6d,-e~~ubl;si~dge ~ V-I uA BC Multimeter iC 图 5-26 三相不控桥电容性负载的仿真模型 R=2 C=500 id a) b) l&(UlLli n.d *啤旦室主 c) 图 5-27 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 129 旦旦且工」睡nl,..lII" 咀旦 里兰兰工」理D I,.."髓 iE η 图 5-27 (续) e) B 相电流波形 f) C 相电流波形 5.2 直流.直流变流器 直流-直流变流器也称直流斩波器(DC Chopper) 或 DC-DC 变流器。直流-直 流变流器用于调整直流电的电压,它有多种类型,这里主要介绍降压B(uck) 变流器、升压 (Boost) 变流器和桥式 (H 型)直流变流器的仿真,其他直流变 流器的仿真也可以用同样的方法进行。 5.2.1 直流降压变流器设计 直流降压变流器 (Buck Chopper) 用于降低直流电源的电压, 使负载侧电压 低于电源电压,其原理电路如图5-28 所示。在开关器件VT 导通时有电流经 「 | 开 豆 关 空 器 芝 件E 【 | VT' / 一 L 电感 L 向负载供电,在 VT 关断时,电 | 上 干 E 感 L 释放储能,维持负载电流,电流经 ¢VD 负载 负载和二极管 VD 形成回路。调节开关 器件 VT 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 图 5-28 直流降压斩波器原理图 压的平均值为 UR = 牛E= αE 式中 T 为 VT 开关周期,人n 为 VT 导通时间, α 为占空比。 130 降压变流器主电路的设计除要选择开关器件和二极管外,还需要确定电感 L 的参数,电感参数的计算是复杂的,但是采用仿真却很方便。仿真的模型线路 如图 5-29 所示。在模型中开关器件采用了 IGBT , IGBT 的驱动信号由脉冲发生器 Pulse 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 中连接了多个示波器,用于观察线路中各部分电压和电流波形,并且通过傅里 叶分析来检测输出电压的直流分量和谐波。 + Pulse pulse T=02ms 50% Vo uo uR 0-目 图 5-29 直流降压斩波器仿真模型 = [例 5-2] 设直流降压变流器电源电压 E=2ωV ,输出电压 U R I ∞ V ,电 阻负载为 5 .0。观察 IGBT 和二极管的电流波形,并设计电感和输出滤波电容值。 仿真步骤如下: (1)在模型中设置参数,设置电源 E 电压为 200.0,电阻的阻值为 5 .0,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 0.0028 ,算法采用。de15s 。启动仿真。 (3)仿真结果。 图 5-30a 所示为 IGBT 的驱动脉冲, IGBT 的开关频率为挂出,占空比为 0.5 。 图 5-30b 所示为二极管两端的电压,从图中可以看到,在二极管导通瞬间由于电 感的 di/dt 作用使二极管两端电压出现尖峰。图 5-30c 所示为电阻两端的变换器 输出电压的波形。图 5-30d 所示为经傅里叶分析得到的输出电压直流分量,通过 傅里叶变换也可以分析输出电压的谐披成分。图 5-30e 、 f 则分别是通过 IGBT 和 二极管的电流,从图中可以看到在 IGBT 关断时,电感电流经电阻负载和二极管 形成环路,使电阻两端波形连续,但是电压的波动很大,增大电感可以减少输 出电压的脉动,但是要增加电感的体积。一般既要减少输出电压的脉动又要使 电感不太大,可以采取的措施是提高斩波频率和采用电容滤波。图 5-31 所示为 131 在电阻两端并联电容C 的电容 1.5 值为 1∞μF 时,斩波频率提高 到 10kHz ,电感为 L 的值为 O.lmH 时,降压变流器的输出 电压波形,尽管电感减小,但 是输出电压脉动减小,输出电 压更平稳。从本例中可以看 0.5 00O 4 O8 1 2 l 6 2 me(ms) al 400 ,r----,--r----,---,----,- 到,用仿真来设计电力电子电 2200 路,修改电路结构和参数更方 。[ 便,观察设计的效果更直观。 -0 0.4 0.8 1.2 1. 6 2 e(ms) 5.2.2 直流升压变流器设 r、J 0000- b) A 计 直流升压变流器( Boost (> 川U )MS j, 、J Chopper) 用于需要提升直流电 压的场合,其原理电路如图 ] nv A斗 nU 。 。 φt 5-32 所示。在电路巾 IGBT 导通 时,电流由电源、 E 经升压电感 L 和 VT 形成回路,电感 L 的 电流增加,电感储能;当 IGBT lOaf- ~ (>';:' … II 50 卜 l p 川 。Oι一一-L 0.4 「 」 l l ! i l - 」 2 1.6 关断时,电感产生的反电动势 和直流电源电压串联共同向负 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 升压变流器的电感和电容值设 计,同样可以通过仿真来确 定。 [例 5.3] 已知直流电源 200V ,要求将电压提升到 4∞V ,且输出电压的脉动控制 在 5% 以内,负载的等值电阻 图 5-30 直流降压变流器仿真结果 a) IGBT 的驱动信号 b) 二极管两端电压 c) 降压变流器输出电压 d) 输出电压的直流分量 e) IGBT 的电流 f)一极管电流 132 立 + vs 即 200Y Pulse pulse T=0Ims50% 祖 Diode a) 200 150 ( > it s 100 ?→自 0.4 0.8 1.2 1. 6 2 time(s) LU) 图 5-31 带输出滤波的降压变流器仿真 a) 带输出滤波的降压变流器模型 b) 滤波后一降压变流器输出电压波形 为 5 0. 0 设计一个直流升压变流器,并选择斩波频率、电感和电容参数。 仿真设计步骤如下: (1)根据直流升压变流器原 L YD 理电路建立变流器的仿真模型, 如图 5-33a 所示。 E (2) 设置元件参数。取脉冲 C 负载 发生器脉冲周期为 0.2ms ,脉冲 宽度为 50 %,初选 L 的值为 O.lmH , C 的值为 100卢。 图 5-32 直流升压变流器原理图 (3)设置仿真参数,取仿真时间 3ms ,仿真算法采用 ode15 。 观察仿真结果,从图 5-33c 可见,选择的参数已能满足要求,输出电压达到 400V ,脉动在 5 %以内。如果需要进一步减少输出电压波动,可以提高脉冲发 133 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。 1000 ( 〉 )。2 -500OL 0.5 800 600 己 400 '3 C ω R5 AUUrE a) Tl c官哥 1. 5 2 time(ms) b) 2.5 3 XIO-1 0.5 1. 5 2 2.5 3 time(ms) X10-3 c) 图 5-33 直流升压变流器仿真模型及结果 a) 直流升压变流器模型 b) IGBT 两端电压波形 c) 输山电压汲形 5.2.3 桥式直流 PWM 变流器仿真 桥式直流 PWM 变流器又称 H 型变流器和四象限直流.直流变流器,桥式直 流 PWM 变流器常用作直流电动机的可逆运行,其原理电路如图5-34 所示。图中 134 的开关器件可以是电力晶体管、电力场效应晶体管和 IGBT 等。桥式可逆直流 PWM 变流器从控制方式上区分有双极式调制、单极式调制和受限单极式调制三 种。 1.双极式调制 四个开关器件 VTl和 VT4 , VT2和 VT3两两成对, VTl , UbI VT3 卡­ Ub3 同时导通和关断,且工作于互」土… 补状态,即 VTl和 VT4 导通 T 's 时, VT2和 VT3 关断,反之亦 VT2 一斗 Ub2 四4 IIb4 然。控制开关器件的通断时间 (占空比)可以调节输出电压 的大小,若 VTl和 VT4 的导通 时间大于 VT2和 VT3 的导通时 /VV1ι 1 I Usa_一一一~斗 ←一一一一--- Uhl Uh :1 PWM 调制和驱动 I lIet 一一一叫 卜一一-- Ub2 lI b3 间,输出电压的平均值为正, VT2和 VT3 的导通时间大于 图 5-34 桥式直流 PWM 变流器 VTl和 VT4 的导通时间时,则输出电压的平均值为负,所以可用于直流电动机 的可逆运行O 变流器四个开关器件的驱动一般都采用PWM 方式,由调制波(三 角波或锯齿波)与直流信号比较产生驱动脉冲,由于调制波频率较高(通常在 数千赫兹以上),所以变流器输出电流一般连续,用于直流电动机调速时电枢回 路不用串联电抗器,但四个开关器件都工作于PWM 方式开关损耗较大。 2. 单极式调制 四个开关器件中 VTl和 VT2工作于互补的PWM 方式,而 VT3 和 VT4 则根据 电动机的转向采取不同的驱动信号,电动机正转时,VT3 恒关断, VT4 恒导通; 电动机反转时, VT3恒导通, VT4 恒关断。由于减少了VT3和 VT4 的开关次数, 开关损耗减少,这是单极式调制的优点。 3. 受限单极式调制 在单极式调制基础上,为进一步减小开关损耗和减少桥臂直通的可能性, 在电动机要求正转时,只有VTl工作于 PWM 方式, VT4 始终处于导通状态,而 VT2和 VT3 都关断;电动机反转时,只有V'口工作于 PWM 方式, VT3 始终处于 导通状态,而 VTl和 VT4 都关断,这就是受限单极式调制。在受限单板式工作 模式,当电动机电流较小时会出现电流断续的现象。 双极式调制直流 PWM 变流器的仿真模型如图5-35 所示。图中开关器件VTl - VT4 为四个 MOSFET 作桥式连接,且 VTl和 VT4 的栅极由一路信号驱动, VT2 和 VT3 的栅极由另一路信号驱动,它们成对导通。栅极驱动信号由驱动电路产 生,驱动电路由锯齿波发生器 Repeating Sequence 、延迟器 Relay 和倒相器 Gain 等 135 模块组成。锯齿波与常数模块 Contant 给出的电压相比较,当锯齿波信号大于比 较电压信号时,延迟模块 Relay 的输出为"}" ,触发 VT1和 VT4 导通,同时,锯 齿波与比较电压的差值信号在倒相后使延迟模块 Relayl 的输出为 "0" ,使 VT2 和 VT3 关断;如果锯齿波信号小于比较电压信号,则 VT1和 VT4 关断, VT2和 VT3 导通,从而实现对直流电源电压的调制,并且 VT1、 VT4 和 VT2、 V凹的工 作状态是互补的(见图 5-36) 。模型中取锯齿波幅值为- 1 - 1 ,因此在比较电压 信号为 0-1 时,变流器输出电压的正半周大于负半周,负载侧平均电压为正; 在比较电压信号为 0- - 1 时,变流器输出电压的负半周大于正半周,负载侧平 均电压为负。 之LDC T lOGY T 土LDCI lOGY 0-[冒 VI 图 5-35 桥式直流 PWM 变流器(双极性调制)的仿真模型 对于单极式和受限单极式直流变流器的仿真可以在双极式电路的基础上修 改驱动信号来实现。 [例 5-4] 观察 H 型直流调压器的输出电压、电流波形。已知电掘电压为 200V , RL 负载,其中 R 的值为 2.0.、 L 的值为 lmH 、 E=50V 。 建立电路模型如图 5-35 所示。驱动线路参数,取锯齿波重复周期 3e - 48 幅值为 "1"; 延迟环节导通点都取 Ie - 4 ,关断点都取 -Ie -4 ,导通值取 "1 " 关断值设 "0"; 并按已知条件设置电源和负载参数。在比较电压为 0.6V 时的仿 真结果如图 5-37 所示,其中图 5-37a 所示为负载两端电压披形,图 5-37b 所示为 负载的电流波形,改变比较电压或负载,可以观察各种不同条件下变流电路的 工作情况。提高锯齿波的调制频率,调压器输出电流的波动可以显著减小。 136 l LO 2~wo 吗 ‘J uut。 ) 、 " ' A U A a o o Uz 白U A U O斗 A气,-n u ]-JJ|]14J J- J- - 一 186420 吨 「 了 引 -FEE--'E··E·E·-BrErBtElEt-S --W aa-E ---『03Il-ti3 们 H n υ A U A U A V 4J × 1nv E| l a - l l E E E E E l 4 U U t t t t t t l L h u U U U U U U l i 2 n ) ) v H H H B E E B E B H E E H - H H H E B B E E E 』 × 」 A U b | l\ ( / ) Jt 寸 「 咱 -nH-们 H1」 HHHHHH l I l I I i - J呻 呻 呻 呻 忡 忡 呻 呻 」 呻 呻 2 m 啡、3 c S) U U U U U U U U F i o 川H川n u川H U 4 ×l → 图 5-36 PWM 调制和驱动信号 a) PWM 调制 b) VTI , VT4 驱动脉冲 c) VT2、VT3驱动脉冲 〉 500)•- ←「 ...., 3)\一 AU 节 500• O ←『 『 『 ...., h ...., •- 150 ~100 < 运 2 3 terns) a) 4 。 2 terns) b) 图 5-37 H 型 PWM 直流调压器仿真结果 a) 负载两端电压波形 b) 负载电流波形 J 4 Xl 。一3 5.3 直流·交流变流器 5.3.1 三相电压源型 SPWM 逆变器仿真 三相电压源、型 SPWM 逆变器是在通用变频器中使用最多的,用SIMULINK 模 块仿真三相电压源型SPWM 逆变器很方便,使用模型库的多功能桥模块(Universal Bridge) 和 PWM 脉冲发生器 (PWM Generator) 就能实现。三相电压m、型 sp- 137 内 M| l l l Ra R=2 L=O.OI V」 回 Rb m E Universal Bridge Rc c官咀 E一 口 urc 图 5-38 三相 SPWM 逆变器仿真模型 WM 逆变器的仿真模型如图 5-38 所示。 立 m山 旧 酬 响 叫 时 IhUzn‘•ecr•se.atll-..-ιmmwh叶a..mm川剧阳 ~tuldl山富呻M lu(l,•山.uE呻缸 .时.. MM川m MM"edd"" m··u· 四 "-w· " " ‘ 回 ' ‘ P.r........ .....r.f\n句..... hrl Co6ll"" 叫|皿 M 削pulllJ1l1Uh 3 S皿峙笛 rells"酣.Is..) _____________lCI ,.. ..".. "uk) (l啤} f\.t P1I '-iter ~hc:k e--'lttl JI'11t1 f« c町 I.-butd u..... h品It li. hh 晒 awl "".. 1M"盹k c.~. 1S.. to fir, t.U ,l1 rc...t.d 帆础'酌,饵'也 W , .., 137.) f Ilacl矿恤皿to \"...恤Ut. t1lr....恤剧,. 帽~I..h 蝇,fbo u.r tr抽at \r1咽, ‘,- , ", Je,.w..植曲"…r or bl"l相 ..sseltct"'. 山 「岛恤....tor 10 ...t... lllI ck Cia "回...'ther for 1ID&l町 bs , or 山..喃皿, III 惜lrel 1 0 _ _飞 Z雹 .......) 怀了一 1on..... ,"ollarn [Dt.lco 町的,….. VfI(V)J 1 阳.0 J [T£(s). 11 (.) J 1[ln , OJ lill I.四_bib ,"01叩时时叫 C町,..&....句侃) 图 5-39 SPWM 逆变器模型的参数设 a) 多功能桥对话框 b) PWM 发生器对话框 SPWM 逆变器模型的参数设置如圈子39 所示。对多功能桥设为三相桥臂, 三相在输出端,开关器件选择了IGBT。并且在测量中选择了电压和电流,这是 为便于通过多路测量器 (Multimeter) 观测 IGBT 承受的电压和电流,为选择1GBT 参数提供依据。 IGBT 的驱动信号由 PWM 信号发生器产生,在发生器对话框中, 选择了内产生调制信号方式,当然也可以采用外调制信号输入方式,这时需要 外加三相正弦调制信号。选择三角披频率仅为'6OHOz ,这样观察电压披形比较清 楚,实用频率要高得多。 138 200 150 100 50 同川川川 ( P二 O rUT 且~ 叫呻队 声I 川呻啤町旧" 呻啤川 § -50 -100 -150 -200 O 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 t(ms) ~啤呻 r咄J~llJJlJl~n~R~~ 町~t 0.03 0.035 0.04 a) 200 150 100 50 F气。 坦 -50 一 100 -150 阳 山川 』 川 川 川 .h L H 山 , 川HHHF 山 川 厅 川 川 川 VHh川 HU 川 川 叩 -200 。 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 t(ms) b) 200 150 100 \~n呻咀 50 :> ~ -500 • -100 M~呻呻圳 ~ ~~!~~ ~~11I~.w呻叫ill咽~~mmru呻U川m町r川u呻啤川 -150 -2000 300 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 t(ms) c) 200 A AU UA H UU AU ( 〉)υ』3 一200 -30哈 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 t(ms) d) 图 5-40 三相 SPWM 逆变器输出电压波形 a) 逆变器输出 a 相电压波形 b) 逆变器输出 b 相电压波形 c) 逆变器输出 c 相电压波形 d) 逆变器输出线电压波形 139 300 250 ( 200 〉 ) 150 言写 l∞ 50 O o om soL 0005 0. 0015 02 0.0叫< AA句"..,~ f\f\ A time(ms) 一|一--t一一卜 L 一.1.一一一..1一 _L_ ..1 __L I r1 I I I 一 -1--T7冉,-,一-,一寸一一「 一一以三牛一-1---1-一一1--斗一-I-一 1 I 1 I I I 广 T--I-T 一一厂一寸-一「一 。∞5 0.01∞15 002 0.1ω5 0ωoω5 0.04 t(ms) b) ( 〈 )【官【uE 回 7一「一一寸 -tγ=护'寸一↑ 合 6一「一一寸-~一11-' § 5r一, I 一寸 rr 一一寸-, P二 4 r - ,寸-r(-r 一一寸→ T 圣 3一 , -IT 寸 -r 一一寸一↑ 之 2r- 卜开一寸 -r 一卜寸一↑ l 卡一庐」一寸 -r 一「寸一↑ °'ofu6 ' 0.位 8 0.6.3 0.032 α)25。但 7 0.029 0.031 Oill3 图 5-41 逆变器电流、电压及 IGBT 承受的电压和电流 a) 逆变器输出三相电流波形 b) 相电压基波有效值 c) IGBT 承受的电压 d) IGBT 通过的电流 e) IGBT 通过的电流有效值 图 5-40a -图 5-40e 所示为逆变器输出的三相相电压波形,图5-40d 所示为逆 变器输出的线电压波形 (be 相)。图 5-41a 所示为逆变器输出的三相电流波形, 图 5-41b 所示为逆变器 a 相上桥臂 IGBT (VTl)和与 IGBT 反并联二极管 (VD1 ) 的电流,通过多功能模块观察的电流波形电流波形为一相桥臂的电流,该电流 包含 IGBT 和二极管的电流两部分,因此该电流的正向部分是通过 IGBT 的电流, 反向部分为二极管的电流。图 5-41e 所示为一周期中 (0.025 - O.033ms) 通过 IG­ BT 电流的有效值。图 5-41d 和图 5-41e 所示分别为输出相电压的基波电压有效值 和 IGBT (VT1)承受的电压波形。通过 IGBT 承受的电压和电流,加上一定的裕 量,可以选择 IGBT 的电压和电流参数。 140 5.3.2 电流跟踪型逆变器仿真 电流跟踪型逆变器使逆变器的输出电流跟随给定的电流波形变化,这也是 一种 PWM 控制方式。电流跟踪一般都采用滞环控制,即当逆变器输出电流与给 定电流的偏差超过一定值时,改变逆变器的开关状态,使逆变器的输出电流增 加或减小,将输出电流与给定电流的偏差控制在一定范围内,其工作原理如图 ,事 a) 图 5-42 单相电流跟踪型逆变器原理 a) 原理图 b) 驱动脉冲 + 川 U m 什 \←\L一 叫 A 句 RL g:: If uo 图 5-43 滞环控制逆变器仿真模型 141 5-42 所示。 图 5 -42a 所示为单相电流跟踪型逆变器,逆变器通过检测负载电流~ ,并与 给定电流 f 比较,偏差信号经滞环控制器 HI 、血,当偏差超过滞环控制器的环 宽6./时,则改变逆变器开关状态,且当 VT1导通时,负载电流增加, VT2导通 时电流下降。眼踪控制电流的波形如图 5-42b 所示,在 t I 时刻, VTI 导通负载电 流 i 增加,到U t 2 时刻 , i > i 骨+ 6./, VTI 关断、 VT2导通,电流 i 下降,到 t) 时 刻 , i < i' - 6./, VT2关断、 VT1导通。如此周而复始,逆变器输出电流i 将随 给定电流 f 的波形作锯齿型变化,而滞环控制器的环宽6./则决定了锯齿型变化 的范围, 6./较小,逆变器输出电流跟踪给定的效果更好,但是逆变器的开关频 率将提高,开关的损耗也更大。在眼踪型逆变器中选择适当的环宽是很重要的。 0..., c.."U) Ulli,...,.....l ln 句. p-'~­ • , Thi. block i.pl..恤, or ‘句. of ..l eted. pCI'...r w. uteu姐.l eI .tyiuI. Sui.. It ~‘bber cir曲川. ..v. , rOT "阻 tct" in pv &l,l1il叫 lh ..dt ..itd!. dllY1 U. .ost .,plic..th"... 也'" i ll,tt,n.tl ,.侃e\ uu:. hclll1d h. lit to P U"...‘tr' .~T 牛~.~"-'-. , I.h r .f bri 郎"萃'I' 一一 告干专... 于‘子~寸 二J lort coaficv_仙 "J皿I.S 0 \1\'\1\ t , r., 叫 ‘ 二j Snubhu rn,叭tAct b em-。 ...必h oW c.~ ..cal....o:. c. 0') 怀面 1ftU' n.etnll.ic dUlct 11m I DlOd.n: Roo 缸...) F3一 '阳臂 .~~μI [ Tf \。.墨 J.τ‘(.事〉】 F古τzγ一 .兰兰:‘士。"' f士三J ~二主主I:-.!立旦",,;;-, 110>",-吧M斗雪 月带子 , n.. ]OIIt,..\\‘. sp.df'ld 'w{衍',rr l'.ltlt by eo..,..-i吨也M μ lIJIul h lb iptclfi , d 山rfll~ol" wolf shoh of ,_,,* i 山 ..问…龟 d川d 峙 l..tll.t.... O'..'.r 时 101r.,. 1 s.i\dr. en ..i.ll‘ ~ 1咱 6 Do‘paltl~_ .b.. o.t,.\ .If; 节节-, ~.-τ IJ~宁P← →性~~~串户告 J E王=L.~主立」一豆 J~ιJ LU) Slri. t cll.....阳、 '"γ 一一­ ‘ S., ldl df , till F一一一 。‘ Uab Uac - U T , 且换流点的轨迹是 UTa = (Uab + Uac) 12 , 从 严令 ..:cou TI 中 ".0<> :本网 VR 曰 ua ub uc 6-Pulse 2 Absl lUI 图 5-63 单相交.交变频器仿真模型 153 图中可以看到这是落后于 U.b 30° 的相电压民,且 Usb = Usc 的正半周交点 A 是允许 两相换流的起点,现设为 α=0。的位置;在 Ush = Uac 的负半周交点 B 是允许两相 换流的终点,即为 α= 180。的位置。如果将坐标轴线放在 α=0。位置上,则 U. 是 一条余弦曲线,余弦曲线的下降沿 AB 与调制电压 U , 的交点则决定了 U.b 与 U.C (晶闸管 VT6 与 VT2)的换流时刻,其他换流时刻可以类推。 J 根据以上原理,交-交变频器的主电路可以用两组反并联的晶闸管整流器组 成,与直流电机可逆调速系统的主电路类似。设计的单相交-交变频器仿真模型 如图 5-63 所示。模型中两组三相桥 VF 、 VR 作反并联连接,两个触发电路( 6Pulse1 和 6-Pulse2) 的同步信号来自同步变压器 T ,同步变压器 T 采用 y-y,。联结, 触发器的 AB 、 BC 、 CA 输入端分别连接变压器 T 二次侧的 ua 、 ub 、 uc 三相,模 型中是用多路测量仪检测变压器 T 二次侧的三相电压 ua , ub 、 uc 。模型中两组 三相桥采用逻辑元环流控制方式,逻辑控制器 DLC (见图 6-26 )的输出信号 Ublf 、 Ublr 分别连接触发器的Block 端,一慨奕-交变频器要求逻辑切换的"死 区"小于 1ms ,因此逻辑控制器 DLC 取消了开放延时。逻辑控制器的输入分别是 交流调制信号 Ur 督和 RL 负载的电流,并根据 Ur 骨信号的极性和电流的有无,确 定两组整流器的工作状态。交流调制信号 Ur 骨经绝对值变换和移相控制后连接触 发器的 alpha- deg 端。改变正弦交流电源 Ur 据的频率和幅值,交-交变频器的输出 电压的频率和幅值作相应的变化。本模型中 Ur 僻的幅值最大值取" 1" ,对晶闸管 交.交变频器,其输出频率一般在 0-112 工频之间。 600 制);()jj刷 …川川削刷 州川州…州 气I、副 lli d"I" 400T l i l \ I' il/l\ /~1 iii I / 1/1\/1 VIV I' II iIi I 1/ " iI II ii II i,I/ i/ II i I '" " II II I. Il' 1/ II l/~ Illll 1II 11/ II/I,V-\ \1 i I'II V" " iII/"IIIi1/I ",IIiIII ll l i"I iI 1/ ii II i,'AIi"I 'jMf 1'i/\l1ll\I1n1\1Il 20011-/ 1 1 I I 1 1 1i!l!iiiilili!ilhl1 1 阳肌川… 唰州… jiidiiliilfwijiilil行川 O -200 l 400 1/1\ 11/11 1\ III II 'I 'I 'I 'I 'I 'I 'I 'I II 'I " II 1111 1/1111 \ 1\1 111\ 11 1\ I I 1\ 1\ I I I \ 1\ " I \ " 11 I 11\ 11\ III \ 11w1fIl i l lt J II J I1l\J II 1\ 1\ II II 1\ II II 1\ 1\ ~ ~ 1\ II 1\ 1\ ~ 1\ JJ J -{i0咕 0.05 .-..r..- t( s) 0".'1. 0.15 图 5-64 交-交变频器仿真波形 154 图 5-64 所示为单相交·交变频器,在 Ur 椅为1/3 工频、幅值为 1 时的仿真结 果。圈中, uo 为输出电压波形, io 为输出电流波形, ur 为输出电压波形的基波 分量。从图中可以看到交·交变频器输出电压是由三相电源电压的各个片断组成 的,含有较多的谐波成分,对感性负载电流滞后于电压,在电流过零时存在逻 辑切换的"死区",死区的大小与逻辑控制器的延时有关。图 5-65 所示分别为逻 辑控制器的转矩极性 UT 和零电流 1月信号波形,以及输出的逻辑切换信号 Ubif 、 Ubir 披形。图 5-66 是交.交变频器输出波形的谐波分析,从频谱上看到输出波形 含有较复杂的谐披成分。 由单相交,交变频器模型可以很方便地组成三相交,交变频器模型,这里不再 赘述。 •D 01如ιu1叮-1 .俨 。 0.05 t (s) 0.1 0.15 a) ;:; 可ι川u 0.5 u 旧旧川 O 0.05 01 015 t (s) i b) LW{Db OE515 O 0.05 0.1 0.1 5 t (s) c) 』-AD 01ζJ15 l O 0.05 0.1 。 IS t (s) d) 图 5-65 逻辑控制器输入输出信号 a) 转矩极性 b) 零电流信号 c) 输出信号 Ublf d) 输出信号 Ublr S-elo.cted.川gn 盹 3 叮 C18.6 :川叫内川 -字 -0 002 O.~ 006 0,08 口 1 0.1 2 血 1~ '0.16 0.18 T协0(') 句, Fun品mont剑阴暗7HZ}=22B dfT40=sF 肌 5 曾u式.... I三-­ ~, {百1 so'四"由冒 Iγ--一 5' ",胁I 200~f一一一一十三----ττ=可 宫川 I ωOM 一一一一 -I 一一一一 -I 一一一一-~ time(s) b) time(s) e) 600 一‘一一一-t-一一一一」一一一一一 一一一厂一一寸一一一一 ~ O time(s) 1. 5 O c) 200 400 Te(N·m) f) 图 6-4 晶闸管-直流电动机系统仿真结果 a) 整流器输出电压 b) 电枢两端电压 c) 电枢电流 d) 电动机转速 e) 电动机转矩曲线 f)转矩-转速特性 6.2 转速闭环控制的直流调速系统仿真 晶闸管·直流电动机系统可以通过调节晶闸管控制角改变电动机电枢电压实 现调速,但是存在两个问题,第一,全压起动时,起动电流大。第二,转速随 负载变化而变化,负载越大,转速降落越大,难以在负载变动时保持转速的稳 180 定,而满足生产工艺的要求。为了减小负载波动对电动机转速的影响可以采取 带转速负反馈的闭环调速系统,根据转速的偏差来自动调节整流器的输出电压, 从而保持转速的稳定。 6.2.1 带转速负反馈的有静差直流调速系统仿真 带转速负反馈的有静差直流调速系统的结构如图6-5 所示。系统由转速给定 环节町,放大倍数为K p 的放大器、移相触发器CF 、晶闸管整流器和直流电动 机 M 、测速发电机 TG 等组成。该系统在电机负载增加时,转速将下降,转速反 = 馈 Un 减小,而转速的偏差f::. Un 将增大 (f::. Un Un' - Un) , 同时放大器输出 Uc 增加,并经移相触发器使整流器输出电压 Ud 增加,电枢电流 ld 增加,从而使 电动机电磁转矩增加,转速也随之升高,补偿了负载增加造成的转速降。带转 速负反馈的直流调速系统的稳态特性方程为 + U~ j("飞 fl. Un 一 Un 图 6-5 带转速负反馈的有静差直流调速系统的结构 电动机转速降为 KCKP-U1 -宁 铸 n K 阳 -C - d 一 -k U+ A Rid n =Ce (l+K) 式中 , K = KpK.aIC e , Kp 为放大器放大倍数 ; K. 为晶闸管整流器放大倍数; Ce 为电动机电动势常数 :α 为转速反馈系数 :R 为电枢回路总电阻。 从稳态特性方程可以看到,如果适当增加放大器放大倍数民,电机的转速 降 f::. n 将减小,电动机将有更硬的机械特性,也就是说在负载变化时,电动机的 转速变化将减小,电动机有更好的保持速度稳定的性能。如果放大倍数过‘大, 也可能造成系统运行的不稳定。 转速负反馈有静差调速系统的仿真模型如图 6-6 所示。模型在图 6-2 所示的 开环调速系统的基础上增加了转速给定 un 、转速反馈 n-feed 、放大器 Gain1 和 反映放大器输出限幅的饱和特性模块 Saturation1 ,饱和限幅模块的输出是移相触 161 发器的输入 ue ,其中转速反馈直接取自电动机的转速输出,没有另加测速发电 机,取转速反馈系数 α:::: Un" InN 。 220V + Te -Kn-feed 图 6-6 转速负反馈有静差直流调速系统仿真模型 [例 6-2) 在例 6-1 的基础上观察带转速负反馈系统,在不同放大器放大倍 数时对转速变化的影响 o 在额定转速 Un" :::: 10 时, 'Kp == 5 、 10 、 20 附的转速响应曲线如图 6-7a 所示 图 6-7 额定转速时的响应曲线 a) 不同放大倍数时的响应曲线 b) 电流响应曲线 l 162 (图中为 kp) ,随着放大器放大倍数的增加,系统的稳态转速提高,即稳态转速 降减小。图 6-7b 所示为民 =10 时的电流响应波形,从波形可以看到由于没有电 流的限制措施,在起动过程中电流仍很大可达 370A 左右。图 6-8b 所示为 112 额 定转速 U: 二 5 时的转速响应曲线,以 Kp = 10 和 2∞两种情况比较,在 Kp = 200 时,稳态转速降减小但是调节过程中的振荡次数增加,这从相应的移相控制信 号变化也可以看到相同的情况(见图 6-8a) ,由于晶闸管整流器控制的非线性, 其输出电压只能在 0- Ud 范围内变化,尽管放大倍数很高,转速还没有出现严 重的不稳定现象。 f~ 10l 卜「 I II NI (> )UD A υ ζ I~ J 「M伊1rAi.丽AJι 1000 恬刊寸 '-1 |0, 广 (ge)E 、F AUAU " |一 」一一 • -10 oL一一-0.L25一一一0.5 0.75 t(s) a) 一|一一寸一一- I 1.25 1.5 图 6-8 转速给定 U: = 5 时的波形 a) 移相控制信号 b) 转速响应曲线 6.2.2 带电流截止负反馈的转速单闭环调速系统仿真 为了限制电动机的起动电流,可以在转速负反馈系统的基础上增加电流截 止负反馈的措施。带电流截止负反馈的转速单闭环调速系统仿真模型如6图-9 所 示,模型在图 6-6 的基础上增加了由电流反馈i-feed 和死区 Dead Zone 模块组成的 电流截止环节。在电流反馈信号小于Dead Zone 模块的死时区间值时, Dead Zone 模块没有输出,电流截止负反馈不起作用。当电流反馈信号大于 Dead Zone 模块 的死时区间时, Dead Zone 模块的输出抵消了一部分转速的给定信号叫(图 6-9 中 un' ),使电流减小。 带电流截止负反馈的转速单闭环调速系统的仿真结果如图 6-10 所示,图中 给出了带电流截止负反馈和没有电流截止负反馈两种情况电动机转速和电流的 响应比较。带电流截止负反馈后系统的起动电流最高值从原来的 370A 减小到 2ωA 左右,但是起动的时间延长,调节电流反馈系数和死区模块的死时区间可 以调节起动电流的最大值限制。 1臼 220V + Nl 一 un TtL Dead Zone uct C9--B Clock t n一feed ---K--- -K i-feed 图 6-9 带电流截止负反馈的转速单闭环调速系统仿真模型 1500 400 1250 1-一 | 有电流截止负反馈 一|一-,一一丁 一下一- I II 「一一「一寸一一丁一一下一… I I I II 一厂一一「一「一一寸一一下一一 I 一「一一|一一寸一一寸一 -I 一一 I 300 < 主,200 100 0.5 1 1.5 2 2.5 3 。 t(s) a) | l 无 一 一 、 也 有 / 广 | 流 厂i电 ' 截 一 夜 一 厂 剧| 配 二- l 刷l 酌 「 |一 | | 自 一 | i m - t 一 一 寸 | 一 -i|17| 一 一 一一「一寸一一寸一一寸一­ I IIII 1 1.5 2 2.5 3 t(s) b) 图 6-10 带电流截止负反馈的转速单闭环控制调速系统仿真结果 a) 转速响应 b) 电流响应 6.3 转速电流双闭环控制的直流调速系统仿真 转速电流双闭环控制的直流调速系统是最典型的直流调速系统,其原理结 构如图 6-11 所示。双闭环控制直流调速系统的特点是电动机的转速和电流分别 164 由两个独立的调节器分别控制,且转速调节器的输出就是电流调节器的给定, 因此电流环能够随转速的偏差调节电动机电枢的电流。当转速低于给定转速时, 转速调节器的积分作用使输出增加,即电流给定上升,并通过电流环调节使电 动机电流增加,从而使电动机获得加速转姐,电动机转速上升。当实际转速高 于给定转速时,转速调节器的输出减小,即电流给定减小,并通过电流环调节 使电动机电流下降,电动机将因为电磁转矩减小而减速。在当转速调节器饱和 输出达到限幅值时,电流环即以最大电流限制 Idm 实现电动机的加速,使电动机 的起动时间最短,在可逆调速系统中实现电动机的快速制动。在不可逆调速系 统中,由于晶闸管整流器不能通过反向电流,因此不能产生反向制动转矩而使 电动机快速制动。 TA Un· + 图 6-11 转速电流双闭环控制的直流调速系统原理图 直流双闭环系统的仿真可以依据系统的动态结构图进行,也可以用 Power System 的模块来组建。两种仿真不同在于主电路,前者晶闸管和电动机是用传递 函数来表示,后者晶闸管和电动机是使用 Power System 的模块,而控制部分是相 同的。下面分别对两种方法进行介绍。 6.3.1 按直流双闭环系统动态结构图仿真 依据系统的动态结构图的仿真模型如图6-12 所示,仿真模型与系统动态结 构图的各个环节基本上是对应的,需要指出的是,双闭环系统的转速和电流两 个调节器都是有饱和特性和带输出限幅的PI 调节器,为了充分反映在饱和和限 幅非线性影响下调速系统的工作情况,需要构建考虑饱和和输出限幅P的I 调节 器,过程如下: 线性 PI 调节器的传递函数为 WPI(S)=KJL=KD旦f 1、 ~ r.δ 式中 , Kp 为比例系数; Ki 为积分系数; r = KpKi 。 165 φ咀 Clock Sc旧pe b) 图 6-12 直流双闭环调速系统动态结构图和仿真模型 a) 结构图 b) 仿真模型 上述 PI 调节器的传递函数可以直接调用SIMULINK 中的传递函数或零极点 模块。而考虑饱和和输出限幅的PI 调节器模型如图 6-13a 所示。模型中比例和 积分调节分为两个通道,其中积分调节器integrate 的限幅表示调节器的饱和限幅 值,而调节器的输出限幅值由饱和模块Saturation 设定。当该调节器用作转速调 节器 ASR 时,在起动中由于开始转速偏差大,调节器输出很快达到输出限幅值, 在转速超调后首先积分器退饱和,然后转速调节器输出才从限幅值开始下降。 为了使系统模型更简洁,利用了SIMULINK 的打包功能 (Great Subsystem) 将调节 器模型缩小为一个分支模块,如图6-13b 所示。 u· 习 Inl outl ~输出 【Jf 斗 In2 PI Subsystem b) 图 6-13 带饱和和输出限幅的 PI 调节器及分支模块 a) 调节器模型 b) 分支模块 {例 6-3 】 以例 6-1 的晶闸管-直流电动机系统为基础,设计一转速电流双 闭环控制的调速系统,设计指标为电流超调量σi%~三 59岛,空载起动到额定转速 时的转速超调量 σn 9毛运 10% 。过载倍数;.. = 1. 5 ,取电流反馈滤波时间常数 Toi = 0.002s ,转速反馈滤披时间常数 Ton = O.Ols 。取转速调节器和电流调节器的饱和 166 值为 12Y ,输出限幅值为 lOY ,额定转速时转速给定Un' = lOY 。仿真观察系统的 转速、电流响应和设定参数变化对系统响应的影响。 仿真步骤如下: (1)构建仿真模型 o 根据转速电流双闭环控制的直流调速系统动态结构图, 提取各元件的仿真模块,连接模块得到按传递函数仿真的双闭环控制直流调速 系统仿真模型(见图 6-12) 。 (2) 调节器参数计算和设定。按工程设计方法设计和选择转速和电流调节器 参数, ASR 和 ACR 都采用 PI 调节器。 1)电流调节器参数计算如下: 电流反馈系数为 βn = r 二A们Iιnom= 一1. 5一1X一0 1一36 =0.05 电动机转矩时间常数为 T = 一G 一一D一一2一R=z 375Ce Cm 3 3.53 75x9.5 × 5 2.85 xO.1 3 2句2 =0.161s 电动机电磁时间常数为 T, I ==n~一~=(2,-0-0- +. :1-6:.)_ .X. 1--0- 3 s = 0.076s ~ 2.85 三相晶闸管整流电路平均失控时间为 T. = O. ∞ 17s 电流环的小时间常数为 T~i = T. + Toi = 0.0017 + O. ∞2 =0. ∞37s 根据电流超调量 σi% 运 59号的要求,电流环按典型 I 型系统设计,电流调节 器选用 PI 调节器,其传递函数为 其中 W A~R ( S ) ALI1. ......., / = K S - S + K 1 .. 1 S +一一一 =K ......Pt'Ii · ......j 一一T一r土i 一 Ii j τi = Tj = 0.076s = 二占三 = K , - , 2 T~J3K. 一 句 , 马 nu-O nu布 -x-AHU---Anu · 弓 U 丐 3f -X 2-2 × · -o-- 『f 。 。 一 今I q -x d 一 石 3 M ,一 『•. 一0『 · 0 a n 坤 K i - - 二 K 色 -- 些 2.8746 _ .(.l .(l.O.U<; - ~.~且, =q& 。 -吕 A吨 2) 转速调节器参数计算如下: 转速反馈系数为 α= 一Unn一on:mm=一1=51_000y. minlr = O. ∞667Y' min/r 为加快转速的调节速度,转速环按典型 E 型系统设计,并选中频段宽度 h= 5 ,转速调节器的传递函数为 其中 W (S) AA:S:lRtt ......., / =- K 0 .....1p'n +. .KI一n1一S -=K.__...一 1.0+τ-n rS.n S rn=hT~=h (2T~i+To.) =5x (2xO.∞37+0.01) s 二 0.087s K = (h + 1)卢C .Tm ~ 2h.α~RT~~n =~ 2 6_X 0~.2~7~2,,X_0-.-1-3:2-~X-0_-.1·6:1-:._.=10.49 X 5 X 0.00667 X 2.85 X 0.0174 167 KIn == K~n_ -==01一~0.0'.8:4~78 == 0.0083 (3)设定模型仿真参数。仿真算法采用。de15 ,仿真时间 1.5s o 在 0.8s 时突 加 1/2 额定负载。 (4) 启动仿真及结果。从仿真结果(见图 6-14) 可以看到,电动机的起动经 历了电流上升、恒流升速和转速超调后的调节三个阶段。与该电动机的开环系 统相比,电动机起动电流大幅度下降,电流环发挥了调节作用使最大电流限制 在设定的范围以内。在 0.8s 时突加 1/2 额定负载后,电动机电流上升转速下降, 经过 0.2s 左右时间的调节,转速恢复到给定值。修改调节器参数,可以观察在 不同参数条件下,双闭环系统电流和转速的响应,修改转速给定,也可以观察 电动机在不同转速时的工作情况。 3::叫:;h二h\l仁J二1二二: ; v气i time(s) 2000 a) El5∞ i----;?i二气二十一一­ C 1000~-- 沂一一一一一一一一十一一一一一 5∞ ~-,l 一一一一一一一---一一一-+一----一一- 0.5 time(s) I b) 图 6-14 按动态结构图仿真的电流和转速响应曲线 a) 电流响应 b) 转速响应 6.3.2 使用 Power System 模块的直流双闭环系统仿真 采用 Power System 模块组成的转速电流双闭环控制直流调速系统的仿真模型 如图 6-15 所示。模型由晶闸管-直流电动机组成的主回路和转速电流调节器组成 的控制回路两部分组成。其中的主电路部分,交流电源、晶闸管整流器、触发 器、移相控制环节和电动机等环节使用Power System 模型库的模块,参见本章 6.1 节。控制回路的主体是转速和电流两个调节器,以及反馈滤波环节,这部分 与前述按动态结构图的双闭环系统仿真相同,将这两部分拼接起来,即组成晶 闸管·电动机转速电流双闭环控制直流调速系统的仿真模型。 168 :l J i飞 「L J L''K F L m :t Nl N-Feed 0.007 0.0Is+1 图 6-15 转速电流双闭环控制直流调速系统的仿真模型 模型中转速反馈和电流反馈均取自电动机测量单元的转速和电流输出端, 减少了测速和电流检测环节,这不会影响仿真的真实性。电流调节器 ACR 的输 出端接移相特性模块 shifter 的输入端,而电流调节器 ACR 的输出限幅就决定了 控制角的 αmm 和 αm~ 限制。 图 6-15 与图 6-12b 所示仿真模型的不同点在于,以晶闸管整流器和电动机模 型取代了动态结构图中的晶闸管整流器和电动机传递函数,由于动态结构图中 的晶闸管整流器和电动机传递函数是线性的,其电流可以反向,而实际的晶闸 管整流器不能通过反向电流,因此仿真的结果略有不同,采用晶闸管整流器和 电动机模型的仿真可以更好地反映系统的工作情况。 图 6-15 所示模型的仿真结果如图 6-16 所示。其中图 6-16a 所示为电动机电 枢两端电压,图 6-16b 所示为电动机转速响应曲线,图 6-16c 所示为电流响应曲 线。从转速和电流被形可以看到,在起动阶段电动机以恒流起动,在 O .4s 时起 动过程结束,电枢电流下降到霉,转速上升到最高且大于 1450r/min ,尽管转速 已经超调,电流给定变"-",但是本系统为不可逆调速系统晶闸管整流装置不 能产生反向电流,这时电枢电流为零,电动机的电磁转短也为零,没有反向制 动转矩,又因为是在理想空载起动状态,所以电动机保持在最高转速状态。 0.5s 后加上负载,电动机转速下降, ASR 开始退饱和,电流环发挥调节作用,使电 动机稳定在给定转速上。这结果与按双闭环调速系统动态结构图分析的结构有 所不同,不同在于,在动态结构图中由于晶闸管整流器的传递函数是线性的, 169 输出电压可以变负,电动机电流出现负值(见图 6-14a) ,因此从调节过程来看按 动态结构图的仿真调节速度较快。以上是电动机空载起动的情况,如果电动机 带负载起动,则两者基本相同。 一一一=--1-一一一一一 一一一一 -T ← 一 一厂一一一一一一 o 2000 ( E e)口 ∞F、J ∞A ∞川V , 、J 0.5 1 1.5 timers) a) i-- 4 l 』 、 1 → | 」 一 一 t • 1• |Ll141 l A O 5 F、d time(s) b) (〈)古 一 100~ 0.5 1.5 time(s) c) 图 6-16 晶闸管二电动机模型双闭环系统仿真结果 a) 电枢两端电压 h) 转速响应 c) 电流响应 6.4 直流可逆调速系统仿真 直流电动机的可逆运行需要电动机产生正向和反向转矩,由电动机转矩公 = 式 Te emφld' 改变转矩方向有两种方法,一是改变电动机励磁 φ 的方向,二 是改变电枢电流 ld 的方向,本节主要讨论电枢可逆的方案。 在晶闸管.直流电动机系统中,因为晶闸管整流器的单向导电性能,不能产 生反向电流,因此在晶闸管-直流电动机可逆系统中需要将两套整流器反并联给 电动机供电(见图 6-17) ,图中一套整流器 VF 向电动机提供正向电流,称正组 整流器;一套整流器 VR 向电动机提供反向电流,称反组整流器。由于两组整流 170 器反并联,两组整流器的工作状态就有几种情况。 (1)两组整流器都同时工作于整流状 VFI I 态。在这种状态下,两组整流器的输出电 一~. 压将顺向联接,会产生很大的环流(指不 一「卒l 经过电动机,而在两组整流器中流通的电 L丁」 ~~ 流),这是不允许的工作状态。 (2) 一组整流器工作在整流状态,其 图 6-17 可逆系统两组整流器的联接 控制角为 α(0。运 α 运 90°) ;另一组整流器工作在逆变状态,其控制角为卢 (0。运 卢:s:; 90° ),且卢= 180° -α 。如果 α= 卢,则两组整流器输出平均电压相等,没有 直流环流,但由于两组整流器输出的瞬时电压仍可能不相等,还会产生瞬时脉 动环流。如果 α 〈卢,则整流组输出平均电压大于逆变组输出平均电压,则两组 整流器间既有直流环流也会有瞬时脉动环流。如果 α 〉卢,则整流组输出平均电 压小于逆变组输出平均电压,不会产生直流环流,但仍会产生脉动环流。这几 种情况统称配合控制的有环流可逆系统。 (3)在一组整流器工作时(无论工作在整流还是逆变状态) ,另一组整流器 不给触发脉冲,则整流器不会导通,即处于封锁状态,这时两组整流器之间不 可能有环流通路,既不会产生直流环流也不会产生脉动环流,采用这种控制模 式的可逆系统称无环流可逆系统。元环流可逆系统一般有逻辑元环流可逆调速 系统和错位无环流可逆调速系统两种。 本节讨论 α= 卢配合控制的有环流可逆调速系统和逻辑无环流可逆调速系统 的仿真问题。 6.4.1 α =p 配合控制的有环流直流可逆调速系统仿真 6.4. 1.1 α = fJ 配合控制的有环流直流可逆调速系统工作原理 α=β 配合控制的有环流直流可逆调速系统的电气原理图如图 6-18 所示。图 中,主电路由两组三相桥式晶闸管全控型整流器反并联组成,并共用同一路三 相电惊。由于采用 α= 卢配合控制方式,在两组整流器之间没有直流环流,但还 存在脉动环流,为了限制脉动环流的大小,在主电路中串入了四个均衡电抗器 LeI - L臼,用于限制脉动环流。平波电抗器 L d 用于减小电动机电枢电流的脉动, 减小电枢电流的断续区,改善电动机的机械特性。系统的控制部分采用 F 转速 和电流的双闭环控制。由于可逆调速电流的反馈信号不仅要反映电枢电流的大 小还需要反映电枢电流的方向,因此电流反馈一般用直流电流互感器或霍尔电 流检测器,在电枢端取电流信号。为了确保两组整流器的工作状态相反,电流 调节器的输出分两路,一路经正组桥触发器 GTF 控制正组桥整流器,另一路经 倒相器 AR 、反组桥触发器 GTR 控制反组桥整流器。 171 3~ + abc L C3 LC4 图 6-18 α= 卢配合控制的有环流直流可逆调速系统的电气原理图 系统的起动和运行过程与不可逆双闭环调速系统相同,在突加给定信号 V: 为正时,正组桥工作于整流状态,反组桥工作于逆变状态,由正组桥向电动机 提供正向电流,电动机经历电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段后,进入 正转稳定运行阶段,反组桥仅有少量脉动环流通过。在突加给定信号 V: 为负 时,正组桥工作于逆变状态,反组桥工作于整流状态,由反组桥向电动机提供 反向电流,电动机同样经历电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段后,进入 反转稳定运行阶段,而正组桥仅有少量脉动环流。 可逆系统的特点在于反转制动过程,电动机反转需要改变转矩的方向,由 = Te emφ'ld' 改变转矩方向即需要改变电枢电流的方向,由于电枢回路存在着电 感,电枢电流的流向改变则要经历电流的下降,和反向电流上升和建立的过程。 由于电感是储能元件,电感储能与电流有关 QL=U~ /2, 因此电流下降就意味着 电感储能的释放,电流上升就意味着电感的储能增加的过程。因此,电动机的 反转制动过程可以分为本桥逆变、反接制动(反向建流)和回馈制动三个主要 阶段,现以正转到反转的过程给予说明。 (1)本桥边变阶段。在这阶段中正转回路的电感释放能量,正向电流 F 降直 到零,电动机转速基本不变。当转速给定由正变负时,转速调节器的输出即电 流调节器的输入 Vi" 改变极性,从而电流调节器的输出 Vc 改变符号,使正组桥 从整流改变为逆变状态,反组桥从逆变改变为整流状态,正转回路的电感能量 = 释放,由电感反电动势 e L L~di/dt 维持电枢正转回路电流的流通,电动机的正 向电流下降,电感储能经正组桥(逆变状态)流向交流电源,而反组整流器由 172 于不能通过反向电流,除少量脉动环流外,没有负载电流通过,处于待整流状 关= (2) 反接制动阶段。当电动机的正向电流下降到零后,电感反电动势作用消 失,处于整流状态的反组整流器开始输出电流,电枢电流开始反向,由于整流 器输出电压与电动机反电动势的方向相间,电动机处于反接制动状态,电流上 升很快。在这阶段中,电动机的转速开始下降,反向电流开始上升,正组整流 器同样由于不能通过反向电流,除少量脉动环流外,没有负载电流通过,处于 待逆变状态,电感的储能开始增加。 (3)回馈制动阶段。在反接制动阶段中由于电流上升很快,当电流反馈大于 电流给定值时,电流调节器的输出 Uc 又改变极性,使正组整流器处于整流状 态,反组整流器处于逆变状态,这时由于电枢反电动势与整流器输出电压反向 相反,且电枢反电动势大于整流器输出电压,这时回路的电流由电枢电动势产 生,且经反组整流器(逆变状态)流向交流电源,电动机进入发电回馈制动阶 段。这阶段的特点是电动机转速不断下降,电动机的惯性储能经反组整流器回 输电网,产生良好的节能效果。随着转速的下降,电枢电动势也不断下降,但 由于转速调节器的输出在电动机转速没有反向超调时,始终保持着最大限幅状 态,这时电流调节器发挥作用,维持电动机以最大电流回馈制动,即电流调节 器的输出随转速的下降而减小,相应晶闸管的控制角不断加大,整流器输出电 压随之减小,从而保持最大的制动电流,取得最快的制动效果。 α= 卢控制的有环流可逆调速方式,在实际应用中由于难以准确保持α= 卢 的状态,一旦出现 α# 卢时,就有可能产生直流环流,使整流器过载或损坏,故 实际上并不采用,但研究 α= 卢控制的有环流可逆系统,对理解直流电动机的可 逆过程有很大帮助。下面通过 α= 卢配合控制可逆系统的仿真,研究直流电动机 的可逆过程。 6.4. 1.2 α = fJ 配合控制的有环流直流可逆调速系统的仿真模型 α= 卢配合控制的有环流直流可逆调速系统的仿真模型如图 6-19 所示。 模型中交流电源 (ua 、 ub 、 uc) 、两组反井联的整流器 (VF , VR) 和触发器 (6-Pulse 、 6-Pulse l)、环流电抗器Ld 1 - Ld4 、平波电抗器Ld和电动机组成可逆系 统的主电路。控制回路由转速给定、转速调节器 ASR 、电流调节器 ACR 、倒相 器 Gainl 、移相控制模块 shifter 、 shifter!和转速、电流反馈等模块组成。其中给 定环节可以通过切换开关 (Manual Switch) 选择电动机转向,在需要改变转向 时,双击该切换开关即可完成正转到反转或反转到正转的给定切换。转速和电 流的反馈信号均取自电动机测量单元的输出。转速调节器 ASR 和电流调节器 ACR 由带输出限幅的 PI 调节器分支电路组成。 模型的主要参数见表 6-1 。 173 图 6-19 α= {3配合控制的有环流直流可逆调速系统的仿真模型 电源 电动机 转速调节器 电流调节器 电抗器 表 6-1 可逆调速系统仿真模型参数 I 160V (峰值) 50Hz R. = 0.210 L. = O. 创lO543H U r = 220V U(=220V H(= 14.70 L(=O L oI =O.084H ]=2.29/ 150 气3 2loo -• -•- -• 一← 一← -I- -ι- 一← 100 ( < 百 50l 50)1----十一-斗----↓-一--+-一一丰--一 →丁- 一_.1一_.1___.1一__.1___.1_ I nu ,3 , 、d 1 吨3 , 、w 、3 ,吨 、i v , - 5) 、 、d 、‘J 3吨 、dF 斗A t,t、 s F3 叫 ‘d P、d 户 · · 、i y 0 3.5 1 句3 , 、J 3、 ,鸣 、J , & :t- 5 吗 h h,E飞 户 ' 且 、s ), ‘d t 1 、3 , 、d A吨 吨 ,, ‘J 、J 、 " 图 6-22 两组整流器的环流分析 a) 正组整流器输出电压波形 b) 反组整流器输出电压波形 c) 电枢支路电压波形 d) 正组整流器 输出电流波形 e) 反组整流器输出电流波形 f)电动机负载电流波形 20∞ 1500~- 七十 -ι!! 十JJ- 斗- 100叶 n- ↓-↓-↓-↓ -f-f-~-f -,-,- I -;; 5001- - I i -\t i1 I I -rI - -r - -rI - ft 1 (\-寸- ~ O~-r-H- ↓斗斗 ι刊L 十 500 卡-t-斗十-↑一↑一寸-十一寸一寸-寸一 -1000卡 卡才十-十一十一十一十 十一十一寸一 一IS鹏卡- -p""'t'-十一十-寸一寸寸 -i- 2嗖∞40。一j∞-ioo 二loob loo mm4dom Te(N·m) 图 6-23 电动机正转到反转过程中的机械特性 177 6.4.2 逻辑控制无环流直流可逆调速系统仿真 在两组反并联供电的直流电动机可逆调速系统中,如果在→组整流器工作 时,封锁状态另一组整流器,即切断这组整流器的触发脉冲,使这组整流器不 工作,这样两组整流器之间就没有环流通路,既不会产生直流环流也不会产生 脉动环流。这种系统一般由逻辑控制器来判断在正反转或制动过程中那组整流 器应该工作(包括整流和逆变两种状态),那组整流器应该封锁,故称为逻辑控 制元环流可逆调速系统。逻辑无环流可逆系统的思路简洁,并且由于不存在环 流和没有环流带来的损耗,整流器的容量可以减小,也不需要限制环流的电抗­ 器,是目前晶闸管-直流电动机可逆系统常用的控制方案。 6.4.2.1 逻辑控制无环流直流可逆调速原理和仿真模型 逻辑控制无环流直流可逆调速系统的电气原理图如图6-24 所示。系统主电 路也采用两组整流器反并联方案。系统的控制电路由转速调节器,电流调节器, 逻辑控制器等组成,且两组整流器分别由两个电流调节器控制,其中反组整流 器 VR 的电流调节器 ACR2 输入经过了倒相器,以确保两组整流器的控制角α= 卢。两组整流器的工作或封锁由逻辑控制器控制。 3:- 图 6-24 逻辑控制无环流直流可逆调速系统的电气原理图 逻辑控制器 DLC 有两个输入和两个输出,两个输出信号Vbl! 和 Vbl,分别通过 触发器来控制是否产生还是封锁触发脉冲,输出信号Vbl! fIl V bI,的状态必须始终 保持相反,以保证两组整流器不会同时处于工作状态。逻辑控制器的两个输入 信号 V: 和 V; 是逻辑控制器判别改变输出信号状态的重要条件。由于电动机的 制动和改变转向都需要改变电动机的转短方向,即电枢电流的方向,在系统控 178 制中电流的方向是由转速调节器输出 Vi' 的极性来决定的,也就是说 Vi' 的符 号(极性)改变是逻辑切换的条件之一。但是町的符号改变还不是逻辑控制 器判别改变输出信号状态的唯一条件,因为从 α= 卢配合控制的分析中已经知 道,可逆系统的快速制动或反转过程要经历本桥逆变、反接制动和回馈制动三 个阶段。在本桥逆变阶段电动机电流下降到零,然后才经过反接制动阶段建立 反向电流,如果在本桥逆变阶段尚未结束时就关断该整流器,就可能产生逆变 失败现象,并损坏整流器,所以在转速调节器的输出 Vi' 改变极性后,还必须 等待电动机原方向电流减小到零后 , Vi =0 , 才能关断原来工作的整流器,而开 通原封锁的另一组整流器,因此电枢电流下降为零 V, =0 是逻辑切换的条件之 = 二。只有在 Vi' 改变极性和 Vi 0 两个条件都满足后,逻辑控制器的输出状态 才能改变。 逻辑元环流直流系统仿真模型如图 6-25 所示,模型的主电路部分基本上与 α= 卢配合控制有环流可逆系统相同,因为没有环流,因此不设环流电抗器。控 制部分的转速调节器 ASR 和两个电流调节器 ACRl 、 ACR2 由带输出限幅的 PI 调 节器打包形成。逻辑控制器 DLC 的输入端分别联接转速调节器的输出 1月'和电 流的反馈信号 1月,因为本模型电流反馈取自电动机的电枢电流,圆此电流信号 可以有正向、反向和零三种状态,而逻辑控制器仅需要判断电枢电流的有元, 因此模型中增加了绝对值计算环节( Abs l)。控制器输出的整流器切换信号 Ublf 和 Ublr ,则分别通过触发模块的Block 端控制该模块是否输出移相触发脉冲,触 发模块Block 端的要求是逻辑控制器输出的信号为 "0" 时,则该触发器允许输 出脉冲,如果控制器输出的信号为 "1" ,则该触发器没有脉冲输出。 6.4.2.2 逻辑控制器 逻辑控制器模块DLC 是根据控制器输入来判断输出的逻辑状态,可逆调速 系统各种运行状态时逻辑控制器输入与输出各量之间的关系见表 6-2 。在表 6-2 中归并重复项后,可以得到逻辑判断的真值表,见表6-3 。 设计的逻辑控制器如图6-26 所示。逻辑控制器由电平检测、逻辑判断、延 时电路和等四个环节组成,图6-26 的下方是封装后的逻辑控制器图标。 1.电平检测 电平检测是将输入的模拟信号 (Ui' 、 Ui) 转换为数字信号 (UT、 UI) ,转 换由两个滞环控制模块 (Relay) 实现,转换的要求如下: = (1)转矩极性检测。当 Vi' ( 图 6-26 中 Ui 善) > 0 时, VT (图 6-26 中 UT) 1; Vi' < 0 a才, VT =0 。 (2) 零电流检测。当有电流即 Vi ( 图 6-26 中 Ui) ¥- 0 时, VI (图 6-26 中 UI) = 0; 当电流为零时 ( Vi = 0) 时, VI =0 。 ca 一m 口 GD----O un ul U俨 Ublf Ui Ublr OLe i -fe地d 图 6-25 逻辑元环流直流可逆调速系统仿真模型 位咀 "、咕‘ 。 180 表 6-2 可逆系统各种运行状态时逻辑控制器输入与输出量之间的关系 副\7状雀信号、状\态 逻辑控制器输入 逻辑控制器输出 电机转矩 vi 枪 电枢电流 Ui 正组整 流器 VF Vhlf 反组整 流器 VR Ublr 说 明 正向起动零电流时 >0 。 。 正向起动有电流 >0 >0 。 正向运行有电流 正 本桥逆变有电流 <0 >0 。 向 制 本桥逆变零电流 <0 =0 动 它桥逆变有电流 <0 <0 反向起动零电流 <0 =0 反向起动有电流 <0 <0 反向运行有电流 反 本桥逆变有电流 >0 <0 向 制 本桥逆变零电流 >0 =0 。 动 它桥逆变有电流 >0 >0 。 V;" ( 图 6-25 中 Vi 始) > 0 正向转矩 V;" <0 反向转矩 V;( 图 6-25 中 Vi) = >0 if. 向电流 V; <0 反向电流 。 V; =0 零电流 。 。 UbU ( 图 6-25 中 Vbl£) = 0 正组整流 器工作 。 Vblf = 1 正组整流器封锁 。 V bI,( 图 6-25 中 Vblr) = 0 反组整流 器工作 Vb. = 1 反组整流器封锁 表 6-3 逻辑控制真值表 Vr U 1 。 。 。 。 。 。 。 VF VR 。 。 1 。 。 。 。 零电流 图 6-26 逻辑控制器 181 在本例中滞环控制模块 (Relay) 的设置如图 6-27 所示。 I3I1R'i1~mm回回副部...叫 r1010y Output 山t sp.ei fud J on 町、 f£' nlue by .帽perl'" tho illJl.t to tho spo.ifiod throsholds. Tho on/off s\ttt of thor o1町 is not &ffo.ttd by il申ut bob..n 也. upper 姐4 lo..r !i.its. fer.ottls~ 「S.i tch off point: :r=o百「一­ ,. Output .htn on守 ~f1一一一 o.tput .hon off: !些雪些~rs. -:t :,呵 r101ay ttl.. Output tho 勾telfltd' 俑: or' of£' by ,幅panne tho , 2部ut t. 也. 'Po i fi oil thr..holdi. Tho 0矿。ff s\ttl of , tho r o1ay is .ot &ffo ttd by input bot.o 白白o "IlP町皿41 101" li.it. $wi tch o. point F一一 S.itch off point: fJOI一- ihtpttten :~一- Output .ho. off: 厂一一 I OX 1-.:巳斗一旦 J毕~L a) 己已」主J Holp I~江J b) 图 6-27 电平检测对话框 a) 转矩极性检测 b) 零电流检测 2. 逻辑判断电路 按表 6-3 可以得到逻辑控制器输入和输出的逻辑关系表达式为(用与非门实 现) Ur = UR (UTU ,) UR=Ur [ (UTU ,) U, J 逻辑判断由与非门 YF1 - YF4 (见图 6-26) 组成,其输入为转矩极性和零电 流信号 UT 、 UI; 输出为逻辑切换信号 UF 、 UR (见图 6-26) 。 3. 延时电路 逻辑判断电路发出切换指令后还不能立即改变整流器工作状态,因为在检 测到电流为零时,电枢电流还不一定真正到零,必须延迟 3ms (关断延时)左右 以保证电流真正为零后,才能发出指令使导通的整流器截止;并且为了确保截 止的整流器能恢复阻断状态,需开放的整流器也需要延迟一段时间再开放,即 开放延时,一般开放延时取 7ms 左右。关断延时和开放延时由逻辑控制器中的 延时电路产生。由于延时发生在逻辑判断电路输出 UF 和 UR (见图 6-26) 从 182 "0" 变 "1" 时的上升沿,而信号的下降沿不需要延时,因此设计延时仿真模块 如图 6-28 所示。 4. 联锁保护 Inl 为了保证正反两组整流器不 会发生同时开放,逻辑控制器中 由与非门 YF5 - YF7 (见图 6-26) 组成了联锁保护电路, YF5 和 YF6 采用与非门是因为输出 Ub1f和 Ublr (见图 6-26) 的电平与触发单 句 一 明 j- 一 一 一 u 一 延 一 时 。 一 电 叫 一 路 Productl 元Bl ock 端的电平要求一致。在 图 6组延时模块 UF 和 UR 同时为 "1" 时,两组整流器都关断,避免发生整流器短路故障。 逻辑无环流直流可逆系统正反转过程的仿真结果如图 6-29 所示。其中图 a 2000 一一点三 -4 一 E 一_-.J___~一一 'E 一一」一一一牛一一-I-- 6 2000 2 400 4 6 t(s) a) I 10 12 200 卡一一一 r- 一--寸一一一 r-- , ( I vI 1 I I 〈 ) O卜一卡一 -l 国 1 I I I 同 200 ←一一一卜一十 _-l ___L 一 -40ob 2」一一一」4 460b 4 t )) 8 ...L 10 12 2叹声。 | (Ee)口 删。删 | ILlt 一一- 一一一 一 一 「 | L 」「 l l ←tlA 4 L - -20∞"'6L0一0 4∞ | | 「 | | 一 | | 一 一 一 一 一 一 一 一 一 」 | | 」 创 -'-- 200 - A υ 600 图 6-29 逻辑元环流直流可逆系统正反转过程的仿真结果 a) 转速幽线 b) 电枢电流 c) 可逆过程的转矩-转速幽线 1臼 和图 b 所示为正反转过程中的转速和电枢电流曲线。电动机带载起动 ( TL = 2∞N· 时,电动机从正转起动到稳定运行 (0-5s) ,给出反转指令后电动机经历 正转制动到反转起动、反转运行的转速变化过程 (5 - lOs) , lOs 后系统又从反转 切换到正转状态。图 6-29c 所示为正反转过程中,电动机四象限运行的转矩-转 速曲线。图 6-30 所示为逻辑控制器输入和输出信号波形。 气;ll|J 〔 -;lllJJll iJ 正但整拖着备开放 正组整施提截止 M--abO1515- O 2 4 6 8 10 12 c) 1.5 t1 』-AD 0 5 反组整流器截止 反组整流器开放 。 2 4 6 8 10 12 d) 图 6-30 逻辑控制器输入输出信号 a) 转矩特性 b) 零电流 c) 正组整流器控制 d) 反组整流器控制 6.5 H 型主电路和直流PWM-M 可逆调速系统的仿真 直流 PWM-M 调速系统近年来发展很快,直流PWM-M 调速系统采用全控型 电力电子器件,调制频率高,与晶闸管直流调速系统相比动态响应速度快,电 动机转矩平稳脉动小,有很大的优越性,因此在小功率调速系统和伺服系统中 184 的应用越来越广泛。直流 PWM-M 调速系统与晶闸管调速系统的不同主要在变流 主电路上,采用了脉宽调制 (PWM) 方式,转速和电流的控制和晶闸管直流调 速系统一样。 直流 PWM-M 调速系统的 PWM 变换器有可逆和不可逆两类,而可逆变换器 又有双极式、单极式和受限单极式等多种电路。这里主要研究 H 型主电路双极 式的 PWM-M 调速的仿真,并通过仿真分析直流 PWM-M 可逆调速系统的工作过 程。 6.5.1 H 型主电路仿真 直流 PWM-M 调速系统的主电路组成如图6-31 所示,主电路由四个电力场效 应晶体管 VF1 - VF4 和四个续流二极管 VD1- VD4 组成 H 型连接组成。当 VF1和 VF4 导通时,有正向电流! I 通过电 动机 M ,电动机正转;当 VF2和 VF3 导通时,有反向电流 i 2 通过电 动机 M ,电动机反转。 VF1 - VF4 驱 动信号的调制原理如图 6-29 所示, 在三角波与控制信号 U" 相交时,分 别产生驱动信号 Ubi 、 I怡和 U b2 、 U b3 0 vsτ位 凹~ VOl VD3 L -干 11 一一一 M f 一一一一一一一~~/ l t VF2 I•h f VD2 12 VD42h Ub2 巴阳 旨巴f Ub4 MA ::1酬雪 仁川1 Ub4 Ub2 Ub3 图 6-31 所忌直流 PWM-M 调速 系统主电路(其波形图见图 6-32 ) 图 6-31 直流 PWM-M 调速系统主电路 的仿真模型如图 6-33 所示。图中, H 型变流器调用了多功能桥( Universal Bridge) ,其参数设为 2 相桥臂, abc 在交流输出端,开关器件为 MOSFET (见图 6-34) 。当多功能桥模块参数设 abc 在交流输出端时本来是用于逆变,现在用于 直流 PWM 变流时,其驱动信号发生电路需要另外 Uct 设计。设计的驱动信号发生电路如图 6-35 所示,图 中输入端 In1 接脉宽调制信号,输出端 Out1 输出四 路 MOSFET 的驱动信号。脉宽调制由两个 PWM 发生 !\/1 !飞 /1 ! iViivll 器 (PWM Generator) 模块进行,其中上方的 PWM U U 发生器产生 VF1 和 V凹的驱动信号,下方的 PWM 发生器产生 VF3和 VF4 的驱动信号,为了使 PWM Ub 发生器输出的驱动信号顺序与多功能桥的驱动顺序 一致,模型中加入一个选择器模块(Selector) ,调整 了脉冲序列。因为 MOSFET 有导通和关断时间,为 图 6-32 直流 PWM 调制 波形图 了避免上下桥臂的两个管子同时导通和关断,造成桥臂的直通现象,需要有 185 "死时"限制,这里采取的办法是使下方的 PWM 发生器输入的控制信号为 U ct + 0.001 ,即将 U cl 略为抬高,使下方的 PWM 发生器输出信号变窄一些,这样上下 桥臂的两个管子就不会同时导通和关断。该 PWM 驱动信号发生电路经打包后即 形成图 6-33 中的 PWM 分支电路模块。 在主电路模型中控制信号通过互动开关与 PWM 分支电路模块连接,因此双 击互动开关模块就可以选择控制信号 U cl 和 - U 时,控制电动机正转或反转。 PWM 0-----B 白 布 图 6-33 直流 PWM-M 调速系统模型 ,这 1hU v.rnl Bri 句. Co uk) ai Dk).,.,.争 .c 但...~ m-1i·gHbHlnMaK臼睛h,1v"imuzt-sb.rHz 也H·E·EsnHulbH-rMdezpm帽mWuu· 四Mut-d ialtp1uM414 刷出 ..cb ni lcb 4,.ri'a. r霄..'JI\ -ze-pr1.i catMM mt町'地el innet跑。由趴.u.d b. set to fu.., teYs "".'_ ..'._--~ι~_.at ~......~ .,.ber of bri阳&rill;l I fort confi CW"'.li 幅 lABC u ou向t put 一tn.iaus .. ; SnlJhber ruist晒c:e Rsωh..) | 1.5 , Sn由bor c 崎 adt 幅臼 c. 0') 'nf lower nectronic d..'i ce|脏FlY I Diodes 惠。 n (01菌。 h-3 d ...!-sut..四h l)fon. 一----..--------~-- 4! 二jl 」 二j 二J OK c';ctl Hslp ""~v 图 6-34 多功能桥参数对话框 [例 6-4] 直流脉宽调速系统如图 6-33 所示,伺服电动机参数为 1 1OV , 2. 9A , 2400r/min , 电枢电阻为 3 .40 ,电枢电感为 60 .4 mH ,转动惯量为 0.014kg· m2 ,励磁电压为 110V ,励磁电流为 0.5A 。仿真该系统在额定负载时的工作情 况。 186 Sigr咀I(s) Pulses Inl PWM Generator Signal(s) Pulses PWM Generatorl Mux 图 6-35 PWM 驱动信号发生电路 根据伺服电动机参数计算得伺服电动机励磁电阻R r =220n, L ar =O.797mH (参见例 6- 1)。将电动机参数输入电动机模块对话框。并通过常数模块输入额定 负载转矩 TL 。 TL = 9.55 C, I. = 9.55 X11A 0-3….4Axx2.29.9Nom= 1.15Nom 150 100 (> 50 )-uz O -50 一 100 150 2500 140 120 100 :> 80 ) :3 60 40 20 1.002 1.004 1 ∞6 1 ∞8 1.01 t(s) a) O 0.2 0.4 0.6 0.8 I 1.2 1.4 1.6 1.8 2 t (s) b) 20 ( ~ 15 回 10 5 O 02 0.4 0.6 0.8 I 1.2 1.4 1.6 1.8 2 t(s) 。 」J AU 0.2 0.4 0.6 0.8 I 1.2 1.4 1.6 1.8 2 t (s) c) d) 图 6-36 直流 PWM-M 系统响应曲线 a) PWM 变流器输出电压瞬时值 b) PWM 变流器输出电压平均值 c) 电动机转速 d) 电动机电枢电流 187 在直流 PWM 模型中控制信号 U ct 的取值范围为 0- 1 , U ct 也就是双极性 PWM 的调制度 ρ ,当取值为 0.8 时, PWM 变流器的直流电源电压 V, = Un / ρ= 110V/ 0.8 = 140V 。 直流 PWM 模型按上述额定参数仿真的结果如图 6-36 所示,其中图 6-36a 所 示为变流器输出电压的一部分 (1 - LOIs ),电压波形呈良好的矩形波,如果不 设一定的"死时",由于上下桥臂管子的换流重叠现象,使输出电压呈梯形。图 6-36b 所示为输出电压的平均值,输出电压略高于 110V 。图 6-36c 所示为伺服电 动机的转速响应,转速上升平稳,这是 PWM 调制的特点。图 6-36d 显示了电动 机起动过程中的电流曲线,起动电流最大值为 28A ,约为额定电流的 7 倍。 6.5.2 直流 PWM·M 可逆调速系统仿真 直流 PWM-M 可逆调速系统的仿真模型如图6-37 所示,模型在直流 PWM-M 系统主电路模型(见图6-33) 基础上增加了转速调节器ASR 和电流调节器 ACR , ASR 和 ACR 都采用带输出限幅的 PI 调节器。调节器参数取值见表6-4 。模型的 其他设置与例 6-4 相同。 ①→目 日厂 Te n-feed 图 6-37 直流 PWM-M 可逆调速系统仿真模型 直流 PWM-M 可逆调速系统的仿真结果如图6-38 所示。从图中可以看到,系 统从正转起动至反转运行过程中转速(见图6-38b) 和电枢电流(见图 6-38c) 对 转速给定(见图 6-38a) 的响应波形。在仿真中取电流的过载倍数A = 3 ,因此电 动机的正转起动和制动、反转起动过程中始终保持着最大电流 12A 左右。在正 188 反转转速达到额定值 24∞ r/min 后,电流下降为 4A 左右。图 6-38d 所示为转速调 节器输出,即电流的给定信号。图 6-38e 所示为电流调节器的输出信号,图 6-38f 为电流调节器输出信号的局部展开,电流调节器输出信号的波动反映了电流调 节器的调节作用,不同电流调节器参数的波动情况不同,其的变化使变流器的 脉宽随之调整,输出电压值也随着变化,使电流保持不变。 10 5 (> YZD O 一 一 一 一 qd | 卡 | ← 一 一 L | 一 一 L | 卜 | ← l L | L 一 一 一 一 川 叶 川 叶 川 叫 川 一 一 一 一 「 | 「 | ← L | 一 一 一 一 厂 | 「 | ← L | 一 一 「 | 卡 | ← I L l 一 一 厂 | 一「 | ← | 」 | - P ln ul』n v 10 III II 5 L 一 _L_L -l一」一」一 ( II II 〉 AUZ_J L_L 一 _L ---l一」一」一 ) II III I 乞 二 •- -I-一 -I-斗一斗 II III I 10 一←-←- 4 。 4 3000 2000 E 0. 』 c 一 10∞ -2000 -30∞。 10 L 「I l l i 5 川- (>)> UD | 1 --r- | | 下 下 -5 l | | | | | 了 | 「 | 下 | 下 l 10 3 3.5 4 O 4 20 15 10 5 <: 0 ¥ -5 10 -15 -20 25 。 二卡一卜一卜 卜一←一卜一 一「士1←-←一←一←一←一←­ _L_l. 一一一 L-L-L-L一 _ L _ ~ _ L _ L _ L _ L一 卜十一十十一卡-PF 1-1-1"11画画血-画面iIOiI一「一 -I-I-I~ 一 I-I 一「一,- -←一卜一卜一卜一←一卜一卜 0.5 15 2 2.5 3 3.5 4 1(5) c) 图6- 38 直流 PWM 可逆系统仿真结果 a) 转速给定 b) 电动机转速 c) 电动机电枢电流 d) 电流给定 e) 电流调节器输出信号 f)电流调节器输出信号的局部展开 189 表 6-4 直流 PWM-M 可逆调速系统调节器参数 参数 放大倍数 积分时间常数 调节器输出限幅 转速反馈系数 电流反馈系数 转速调节器 ASR 23.5 0.52 主 10 O.α)4 17 电流调节器 ACR 35.6 。∞3 土 0.98 。 .83 第 7 章交流调速系统的仿真 自 20 世纪 80 年代以来交流调速发展很快,交流电动机具有维护简单,体积 小重量轻等特点,随着电力电子交流调压、变频和控制技术的日趋成熟,交流 调速在应用中越来越普遍。本章主要通过仿真,研究交流调速的性能和控制问 题。 7.1 交流电动机减压软起动系统仿真 在有限供电系统中较大容量的交流电动机起动时,由于起动电流过大,会 引起电网电压下降,而影响其他用电设备的正常正作,所以一般较大容量的交 流电动机起动都采用减压起动方式,以减小起动电流。传统的减压起动方法有 星-三角起动和自楠变压器起动等。现在应用晶闸管交流调压原理的软起动器已 经大量面市,晶闸管软起动器可以通过电压的调节,限制起动电流,并且使电 动机有较大的起动转矩,在起动结束后再经过接触器切除软起动器,让电动机 直接连接三相电源完成起动过程。晶闸管软起动器的电气原理如图 7-1 所示。软 起动电路由三相晶闸管调压电路和软起动控制器(给定积分器)、触发器等组 成,起动时通过控制器使晶闸管控制角从大到小变化,而电动机电压从小到大 逐次上升。其仿真电路如图7-2 所示。通过仿真可以研究软起动器的控制曲线, 电流限制效果和电动机转矩的情况。 晶闸管三相调压器 图 7-1 软起动器原理图 在模型中,双向晶闸管模块VT 和触发器模块 pulse 请参见第 5 章 5 .4节,异 步电动机模块 (ac motor) 使用模型的蕴含参数。三相电阻Ra , Rh , Rc 仅是为检 测交流调压器输出的相电压而设置的,通过多路检测器( Multimeter) 检测电阻 191 ua220V /)± 比卫 VI 。吕 uctl uc! 图 7-2 交流电动机软起动器的仿真模型 两端电压来观察交流调压器输出电压波 形。模型的控制部分由 Step 、 GI 和 Fen 三个模块组成,其中 Step 给出阶跃起动 信号, GI 模块用于设定起动曲线,函数 Fen 用于使控制信号与触发器输入信号要 图 7-3 给定积分 GI 分支模块 求相匹配。给定积分 GI 分支模块的构成如图 7-3 所示。其中放大器( Gain) 的作 用是使积分时间常数不受放大器输入偏差大小的影响,所以放大倍数可以取大 一些,本例中放大倍数取为 1000 。限幅器( Saturaction) 用于设定积分时间常数, 调节限幅器的上下限可以调节给定积分器输出曲线的上升斜率。晶闸管三相调 压器给电动机供电时,晶闸管控制角的移相范围受一定限制,当控制角较大时, 调压器输出电压过低,电动机起动转矩太小,电动机不能起动;当控制角小于 fo 电动机功率因数角时,调压器失去调压作用,调压器输 出全电压;本例调压器触发模块移相控制电压 Uc 与控 制角 α 的关系如图 7-4 所示。综合以上因素在控制环节 言 中设置了函数匹配环节 (Fen) ,匹配关系为 j[u (l)] = 6.5 - u(l) 式中, 6.5 为能使电动机起动的最小控制电压; u (I) 图 7-4 移相特性 为给定积分器输出。 利用该交流电动机软起动模型对电动机空载起动过理进行仿真,并与电动 机全压直接起动相比较,其结果如图7-5 所示。比较图乍到和图7-5e 可以看 到,采用软起动方式,电动机的起动电流显著减小,全压起动时起动电流峰值 可以达到 200A ,而软起动方式限制起动电流峰值在30A 左右,全压起动的起动 时间短,软起动达到额定转速的时间要长,但是起动过程更平稳。 192 300 _ 200 一丁一 厂一寸一-厂 > 主 100 函」4-卢4 一 O 25 3 40 20 圭。 '" -20 300 O | 「 一 二 一 一 一 l -一 一 一 一 一 一 1一 一 一 | 一 一 | 寸 「 l l 0.05 01 0.2 I(s) d) 一2000 IVV 丫~ -I 一 l一 _---l_ ←..L一一 0.2 2000 | | | | 1500 一 一 一 5lOOO 寸 | - l 」 | 一 一 一 一 一 「 | 「 一 一 寸 | 一 丁一 「 E L 500 。 E 2000 1500 E ~ 1000 口 0.1 0.15 0.2 I(S) f) 图 7-5 软起动和全压起动过程比较 a) 软起动电动机输入电压有效值 b) 软起动电动机电流瞬时值 c) 软起动电动机转速变化过程 d) 全压起动电动机输入电压有效值 e) 全压起动电动机电流瞬时值 f)全压起动电动机转速变化过程 7.2 转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统仿真 转速开环恒压频比控制是交流电机变频调速最基本的控制方式,一般变频 调速装置都带有这项功能,恒压频比的转速开环工作方式能满足大多数场合交 流电动机调速控制的要求,并且使用方便,是通用变频器的基本模式。采用恒 压频比控制,在基频以下的调速过程中可以保持电动机气隙磁通基本恒定,在 相同转矩条件下电动机的转差率基本不变,所以电动机有较硬的机械特性,使 电动机有较好的调速性能。但是如果频率较低,定子阻抗压降所占比重较大, 电动机难以保持气隙磁通不变,电动机的最大转矩将随频率的下降而减小。为 193 了使电动机在低频低速时仍有较大的转矩,需要进行低频电压补偿,在低频时 适当提高定子电压,使电动机仍有较大的转矩。恒压频比变频调速系统的基本 原理结构如图 7-6 所示,系统由升降速时间设定、 Ulf 曲线、 SPWM 调制和驱动 等环节组成。其巾升降速时间设定用来限制电动机的升频速度,避免转速七升 过快而造成电流和转矩的冲击,起软起动控制的作用。【J/f 曲线用于根据频率确 定相应的电压,以保持压频比不变 ( Ulf= 常数) ,并在低频时进行适当的电压 补偿。 SPWM 和驱动环节将根据频率和电压要求产生按正弦脉宽调制的驱动信 号,控制逆变器以实现电动机的变压变频调速。 图 7-6 恒压频比变频调速系统原理图 转速开环变频调速系统的仿真模型如图 7-7 所示。图中逆变器、电动机、 SPWM 生成等主要模块提取路径见表 7-1 。 V A丛 『 T l 占V N {V N Tm AC Machine is abc 口1 呐盯1 Te Machines Demux t1 图 7-7 转速开环变频调速系统的仿真模型 其中给定积分器的模型与图 7-3 相同,设定恰当的积分时间常数可以控制频 率上升的速率,从而设定电动机的起动时间。在给定积分器的后面插入了一个 取整环节 (integer) ,使频率为整数。 V-F (见图 7-7) 曲线(即图 7-8 中的 ιf 曲 线)由函数发生器 Fen 产生,根据频率确定相应的电压值,其函数表达式为 194 表 7-1 转速开环变频调速系统模型模块提取路径 模块名称 标识名称 提取路径 交流异步电动机 电动机测量单元 逆变器 频率给定 取整数 SPWM 牛,成 V-F 三相调制正弦信号 三相信号合成 Be motor Machine measurement SPWM Bridge 任{z Integer PWM Generator Fen ua 、 ub 、 uc Demux Power system blockset/MachinelAsynchronous Power system blockset/Machine/Measurement Demux Power system blockset/Power Electronice/Universal Bridge Simulinkl so旧eel constant Simulink/functions/MATLAB Fen Power system blockset/Extra LibrarγIcontrol blocks/PWM generator Simulinklfunctionsl Fen Simulink/functions/Fcn Simulinklsignals/Mux U = 并I+ Uo 式中 , UN 为电动机额定电压, IN 为电动机额定 频率 , U。为初始电压补偿值。电压 U 、频率 f、 :仁子 = 时间 t 经汇总为一维矢量 x [u( I), u(2) , IN f u (3)], 其中的 u (1)、 u(2) 、 u (3) 以次表示电压、 图 7- 8 V-I 曲线 频率和时间。函数模块 ua 、 ub 、 ue 分别用于产生 三相调制信号 u. 、 u b 、 u c ' 即 = u. u( I) 赞 sin[2 椅 pi 祷 u(2) 善 u (3) ] Ub = u( l) 气i中* pi * u (2) 曾川) _ 2 '/i] U c = u( I) *sin[2*pi ‘ u(2 γ u(3) - 平 l 根据三相调制信号,由 PWM 发生器产生逆变器驱动脉冲,经逆变器得到频 率和幅值可调的三相电压,使交流电动机按给定要求起动和运行。模型中的其 他参数设定见表 7-2 。 在给定频率为 50Hz ,起动时间为 5s 的情况下,仿真结果如图 7-9 所示。其 中图 7-9a 所示为电动机输入的一相线电压(有效值) ,图 7- 她所示为转速变化 曲线,图 7-ge 所示为转速·转矩特性。从图中可以看到电动机电压基本按 U-I 曲 线的设定上升,但是起动中转速和转矩的波动很大。 195 模块 给定积分器 GI 取整 integer 仿真算法 表 7-2 转速开环变频调速系统模型参擞 参数 设置值 模块 参数 Gain Saturation 1e4 主 10 round Ode23tb 逆变器直流侧 电压 PWM 发生器 仿真精度 载波频率 设置值 514 V IS∞ Hz le-3 为分析转速和转矩产生较大 披动的原因,将起动过程中一段 。- 46) 的电压、转速等波形展 开如图 7-10 所示。从逆变器输 出电压的波形(见图 7- lO b) 中 可以看到,输出电压的频率变化 呈现出不规则,电压频率不是均 匀地上升,中间部分时段电压波 形的周期变大,频率减小。将起 动过程中的升频曲线(见图 7­ lO d) 和相应时段的正弦调制信 号(见图 7-10c) ,以及转速曲线 (见图 7-10a) 相比较,在频率变 化的边界上,正弦调制信号和转 速都发生了畸变,这是因为频率 变化的时刻不一定是发生在调制 信号一个完整周期的末尾,在调 制正弦信号一周期尚未结束时, 频率发生了变化就可能使下一周 期信号的前半周期变宽或变窄, 使相应的一周期频率减小或增 加。进一步比较频率变化时刻的 三相电压波形,这时的三相电压 的相序也可能异常,出现瞬时的 负相序,电动机也产生了负的转 矩,从而使电动机的转矩和转速 发生急剧波动。延长起动时间, 波动的情况可以减小,但是波动 600 --L| - | 1 l 」 | 上 | | 一 」一一一←~ --_1..__ 。 2 3 4 一一--5L 6 time(s) a) ( E ι』 2000 i | l ζ J H U ζ J A υ A U A V AU一 A一 U一 AU寸 一 一一一 ­一一 |一 l - - 1 l l 一 一 一 一 一 一 一 l l 「 l l 「 一 - --l l 一 寸一 一 |1 → l 寸 ) 1 巳 一 -500 O 3 time(s) b) 2000 Eloot: 一句 6 一一←一一一 一 -500 一 1000 。 Te(N 'm) c) 500 1000 图 7-9 转速开环变频调速系统仿真结果 a) 逆变器输出线电压 b) 转速波形 c) 转速-转矩特性 196 还是存在的。如果起动时间设定过小,在正弦一周内发生多次频率的变化,还 可以出现增频现象,使逆变器输出频率超过设定频率 (50Hz) ,电动机转速出现 超调。因此采用等时间间隔的升频过程,都难以完全避免输出电压周期不规则 的现象,工程上称之为"跳频"现象 U 1500 -500 3.2 l n AUAU υ 0.2 -0.4 §> Ar -\l .U I I II 1 I IIi 111'1 -0.8 L 3.8 '11d ?& 、句 、d 、d 、3 A 仲 t γt…m C 5 d创 叫 ) Q) 、 ro ‘J 、亏 ‘d , 、。 ‘J 。 40 Z』()N ,吨‘Jεi←I 一-l -l- r-寸 一 1000 3.2 3.8 303| 2 3.3 3.4 3.5 3.6 l1me(s) d) 37 3.8 a) 转速波形 图 7-10 转速开环变频调速系统起动分析 b) 逆变器输出电压瞬时值 c) IE 弦调制信号 d) 频率上升曲线 7.3 空间矢量的坐标变换 矢量变换是简化交流电机复杂模型的重要数学方法,是交流电机矢量控制 的基础。矢量变换包括三相静止坐标系和两相机坐标8 ~,UBt fJ ω1 LBUJJ 系的变换(简称 3s12s 变换,见图 7-11 )、两相静止坐标 F 系和两相旋转坐标系的变换(简称 2s12r 变换) ,以及直 角坐标和极坐标的变换 (KIP 变换)等。矢量变换是一 组矩阵表达式,读者往往不易建立数学变换的物理概念, 而矢量变换的仿真可以帮助实现这一点,从而加深读者 气, r飞! Uc cl IC 对矢量变换物理意义的认识。 图 7-11 38/28 变换 197 7.3.1 三相静止坐标系和两相静止坐标系的变换 在交流电机中三相对称绕组通以三相对称电流可以在电机气隙中产生空间 旋转的磁场,在功率不变的条件下,按磁动势相等的原则,三相对称绕组产生 的空间旋转磁场可以用两相对称绕组来等效,三相静止坐标系和两相静止坐标 系的变换则建立了磁动势不变情况下,三相绕组和两相绕组电压、电流和磁动 势之间的关系。设人、~~为两相对称绕组的电流, iA 、 ~8 、 i c 为三相对称绕组 的电流,它们间的变换关系为 - 2 - 2 I 户.... r- • ., llfloe-flii=CIij| 1= 'Y 31 u 2 - 211 "8 I- ~3121 ". I 川 J2 J2 J2 式中, ~o 是为便于逆变换而增加的一相零序分量。 C3/2 为 3s/2s 变换短阵,上述 变换同样适用于电压和磁动势的变换,且它们的逆变换也存在。 7.3.2 两相静止坐标系和两相旋转坐标系的变换 两相静止坐标系和两相旋转坐标系的变换是用于建立两相静止绕组和两相 旋转绕组间电压或电流之间的关系。如图7-12 所示 , Lα L~ 是静止 α-~ 坐标系的 两个绕组,简称静止绕组, Ld 、 L q 是 d-q 旋转坐标系 上的两个绕组,简称旋转绕组。d-q 旋转坐标系的旋 转速度是任意的,这是旋转变换的一般情况。如果静 止绕组产生的旋转磁动势角速度是ωI' 则有 2πf ωI =石 式中 , j 为静止绕组电流频率, n p 为电机极对数。 图 7 - 12 2s/2r 变换 d-q 旋转坐标系的旋转速度是 ω ,则旋转坐标系上 旋转绕组中的电流角频率应为 ω1-ω 。如果旋转坐标系的旋转速度 ω=ω1 ,则 旋转绕组中的电流角频率为零,即旋转绕组中的电流为直流,这也就是说经过 如此的坐标变换,交流电机可以和直流电机之间建立等效关系,使交流电机可 以用直流电机的控制模式进行控制,这是交流电机矢量控制的重要思路。 两相静止坐标系和两相旋转坐标系的变换关系为 l;;lzi::; 二::了 ll::l= 叫 ::l (7-2) 198 式中 ψ 为 d-q 坐标系 d 轴与叶坐标系 α 轴之间的夹角 ψ = f础,则两相旋 转到两相静止的变换矩阵为 , = [叩- Sinψl SIn ep cosep' 通过逆变换也可以得到两相静止到两相旋转的变换矩阵为 I COSCV SIn CV I C2012, = C~';2' =I L- SIn ep .I COSep' 如果旋转坐标系以同步角速度旋转时,即 ω=ω , ,则 d-q 坐标系也可改为由 M-T 坐标系来表示,这时仅需要将变量的下标由 d 、 q 改为 m 、 t 即可 O 7.3.3 三相静止坐标系和两相旋转坐标系的变换 在得到三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换和两相静止到两相旋转的 变换矩阵后,也可以得到三相静止坐标系到两相任意旋转坐标系的变换 「 l l l I l l-」 - ·z-z-z dq0 Il l -t 1l - c l 「 l i l - M 句' h r l l l 」 L 寸 ·E·E-z allt op0 l l l I l C c l = - 2Jmm2r r i l l - 3d 28 l l 」 lI」 l ·t-z-z 1 「 I l AA l- BDPL - l 1 l1 1 - C il t ! 3d 2r I l - - 」 』 l 式中,三相静止坐标系到两相任意旋转坐标系的变 - 换矩阵为 -E寸 -zz AAIll----iJ nDFEU I COSψCOS( ep - 120°) COS(ψ+ 120°) l = = C'ono 一.. Co_o.n-.. C,_._n_0. 厂2" 1 - sinψ- sine 伊- 120°) II VA / :j : 1 1 - sineψ+ 120°) 1 1 II L {2 {2 {2 J 相应的两相任意旋转坐标系到三相静止坐标系的变换短阵为 COSep HI = 叫= C2c13, COS( ep -肌 -SIn ep d 卢→s斗i斗ne 伊ep卜川-口 m 川 1 2却0 叫 + 120°) 一 山 +川l口叫2 川 这里需要指出的是,静止坐标系的静止是相对的概念,静止是指坐标系对 与人的位置是不动的,如果三相坐标系本身在旋转,这相当异步电动机转子的 工作情况,转子相对于人静止位置的旋转角速度为叽,转子三相绕组产生的旋 转磁场旋转角速度 ω2 与定子三相绕组产生的旋转磁场旋转角速度ω1 相对转速 为 ω ,-屿,即异步电动机的转差 ω , -ω1- 屿,因此,上述三相静止/二相旋转 的变换应用于转子时,影响的仅仅是其中二相静止/二相旋转变换的转角ψ ,因 199 J 为?是旋转坐标系与静止坐标系的位置角伊= wdt , 考虑到现在静止坐标系也 在旋转,因此转角 ψ 需要修正。 7.3.4 矢量变换的仿真 三相静止坐标系到两相任意旋转坐标系的变换及其反变换已经建立p在ower system 模型库中,提取路径为power system blockset 1 extra library 1 measurements 1 牛c_ tωo_句dqφo 恤tr缸a时n1陋s,fo岛rm川at甜ion (句dqO一_ιabc 忧tr缸an阳n川a剖tω圳I 【阳锣伽忖 I例l川J 7.1]】 观察三相电压经3s12μs 和 3s旷1卦2r 变换后的结果,三相电压为220V 、 50Hz。 建立的观察三相电压3s12s 和 3s12r 变换的仿真模型如图7-13 所示。图中调 用了两个 abc_ to_ dqO transformation 模块,调用的 abc一 to_dqO 模块有两个输入端 和一个输出端。输入端 abc 连接需变换的三相信号, sin_cos 输入端为 d-q 坐标系 d 轴与静止坐标系 A 轴之间夹角 ψ 的正、余弦信号,输出端 dqO输出变换后的 d 轴和 q 轴分量以及 O 轴分量。在模型中三相电压信号由可编程信号源 (3 - phase programmable source) 产生,夹角 ψ 由时钟( Clock) 、常数( Constant)模块产生 ψ =ω= 2π户,并经町、 cos 模块产生正、余弦信号。 3-phase Programmable Source 口 口 Constant sf hbH川 -3。 - 二J s U cg < nVρ U Lw ν udbc sm cos scope2 3s/2r Constantl 图 7-13 三相电压的 3s/2s 和 3s12r 变换模型 图中的两个 abc_ t。一 dqO 模块,一个用于 3s12s 变换,另一个用于 3s12r 变换。 用于 3s12s 变换时,设置常数模块值为零,即伊 =ωt = 0 ,这意味着 d-q 坐标系的 d 轴与静止坐标系 A 轴重合, d-q 坐标系不旋转,这时 d-q 坐标系已蜕化为静止 的 a-~ 坐标系, abc_ to_ dqO模块现在实现的是3s12s 变换。用于 3s/2r 变换时,设 置常数模块值为314 ,即 ωt =2πf=2πx 50Hz ,仿真结果如图 7-14 所示。其中图 a 为变换前的三相电压,图 b 为经 3s/2s 变换后静止二相坐标系上的电压波形, 200 这二相电压互差 90° 。图 c 为经 3s12r 变换后旋转二相坐标系上的电压液形,由于 所选角频率 ω=2πj , 与电源角频率同步,所以在二相同步旋转坐标系上的电压 已经是直流。 。 0.02 0 0丛A哼 0.06 O 0.02 0.0丛A丁 0.06 a) b) 200 100 飞Ud 。 /U~司 -1 ∞ 2001 一一0一0一2 0.04 0.06 c) 图 7-14 电压变换波形 a) 变换前的三相电压波形 b) 经 38/28 变换后的电压波形 c) 经 3812r 变换后的电压波形 7.4 交流异步电动机的磁链观察 交流异步电动机的磁场控制是调速控制中的关键问题,在基频以下调速时, 无论按稳态模型还是动态模型控制者 F 需要保持电动机气隙磁通恒定,在基频以 上调速时需要弱磁控制。异步电动机的励磁回路是非独立的,定子绕组输入的 电流包含转矩分量和励磁分量两部分,这给异步电动机的控制带来很大的困难。 如果按转子磁场的定向控制,则需要知道转子磁场的大小和位置,因此,对电 动机磁场进行实时控制,首先需要检测磁场。电动机磁场的直接检测,由于受 到五程和技术条件的限制难以实现,一般采用计算的方法,即采用磁链模型进 行观测。本节通过对磁链模型的仿真,观察磁链计算的效果。 7.4.1 转子磁链计算的电流模型 7.4. 1. 1 在两相静止坐标系上的转子磁链电流模型 异步电动机在两相静止坐标系上的电压方程式为 201 [1[R LP O U呻 I l O R, + L,p I I | Uro LmP ωLm LP 0 R, + L,p 川川 O 1「 i LmP II i ωL , II i ro u 币 J L-ω L m LmP - ωL, R, + L,p JL i咱 式中 , U 阳、 U.~ 为两相静11:坐标系上两相定子绕组电压;Urn 、 Ucjl 为两相静止坐标 系上两相转子绕组电压; isa. 、 i .~为两相静止坐标系上两相定子绕组电流; L ra 、 £cjl 为两相静止坐标系上两相转子绕组电流;ω 为转子角速度; R. 、 R , 为定子、 转子一相绕组电阻; L. 、 L , 为两相坐标系上定、转子绕组的自感; L m 为两相坐 标系上同轴定、转子绕组间的互感。 由式 (7-3) 的第 1 、 2 行,可得定子回路的电压方程为 i uu =R =R+'l+ uFzu lu 阅一t J +r+ b'E- Lm-tft md m u 山 由 一d 叩 …' - d b 在两相静止坐标系上,转子磁链在α 、 R 轴上的分量为 (7-4) (7-5) 因此

    2001 八jV.V 100V' 十| I o 0.\ 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 I(S) d) 40f 201 4昏倒 l ~ 01 201 「 -401 o 0.\ 0.2 0.3 0.4 05 0.6 I(S) h) 4∞ I I 3001 . / I"、.-J ~2∞ I·· ~ 牛 - ···1 \001·./ 士一刊 | o 0.\ 02 0.3 0.4 0.5 0.6 I(S) 15 ∞ \000 ( Ec. 』 Y 500 -0.5 。 0.5 e) 。 20 40 60 80 1 ∞ 120 Te (N 'rn) j) 图 7-24 转差频率矢量控制系统仿真结果 a) 转速响应 b) 定子 A 相电流响应 c) 电动机电磁转矩和负载转矩给定 d) 电动机输入三相 线电压有效值 e) 定子磁链轨迹 f) SPWM 的三相调制信号 g) 转子角度 h) 计算得到 的转差频率给定 。逆变器调制频率 j)转矩转速特性 209 试用各种计算方法,选择了固定步长算法ode5 ,步长取 10- 5 0 模型仿真的结果 如图 7-24 所示 O 在仿真结果中,图 7-24a - d 反映了在起动和加载过程中,电动机的转速、 电流、电压和转矩的变化过程,在起动中逆变器输出电压(线电压)逐步提高, 转速上升,但是电流基本保持不变 I, = 50A/ V2 = 35A ,电动机以给定的最大电 流起动。在 0.75s 时,转速稍有超调后稳定在 1400r/min ,电流也下降为空载电 流,逆变器输出电压也减小了。电动机在加载后,电流和电压迅速上升,电动 机转矩也随之增加,转速在略经调整后恢复不变。图 7-24f - i 反映了各控制模块 输出信号波形的变化,经 2r/3s 变换后的三相调制信号的幅值和频率在调节过程 是逐步增加的,随频率的增加转速逐步提高,信号幅值的提高,保证了电动机 电流在起动过程中保持不变。图 7-24e 和 j 分别反映了电动机在起动过程中定子 绕组产生的旋转磁场和电动机的转矩一转速特性,电动机在零状态起动时,电 动机磁场有一个建立过程,在建立过程中磁场变化是不规则的,这也引起了转 短的大幅度变化,在 0.2s 后磁场呈规则的圆形。改变励磁的给定值 £m\ 圆形 旋转磁场的半径也有变化。电动机的转矩一转速特性反映了通过矢量控制使电 动机保持了恒转矩起动,并且改变 ASR 的输出限幅 iJ ,最大转矩可以调节。为 了减少仿真需要的时间,仿真中减小了电动机的转动惯量,但是过小的转动惯 量,容易使系统发生振荡,读者可以通过调节参数观察参数变化对系统的影响。 仿真的结果表明采用转差频率控制的矢量控制系统具有良好的控制性能。 7.5.2 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统仿真 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统的电气原理如图7-25 所示。在 图 7-25 中,主电路采用了电流滞环控制型逆变器(参见本书相关部分内容)。在 控制电路中,在转速环后增加了转矩控制内环,转速调节器 ASR 的输出是转矩 调节器 ATR 的给定 T\ 而转矩的反馈信号 Tp , 则通过矢量控制方程即式(7­ 12) 计算得到。电路中的磁链调节器ApsiR 用于对电动机定子磁链的控制,并设 置了电流变换和磁链观测环节。ATR 和 ApsiR 的输出分别是定子电流的转矩分量 i st 骨和励磁分量 £.m 侨。 i st 蜷和 ism 椅经过 2r/3s 变换后得到三相定子电流的给定值 i sA\ Z, eB 铸、 i sc\ 并通过电流滞环控制 PWM 逆变器控制电动机定子的三相电 流。 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统仿真模型如图 7-26 所示。其中 直流电源 DC 、逆变器Invert町、电动机 AC motor 和电动机测量模块组成了模型的 主电路,逆变器的驱动信号由滞环脉冲发生器模块产生。三个调节A器SR 、 ATR 和 ApsiR 均是带输出限幅的PI 调节器(见图 7-27)。转子磁链观测使用两相同步 210 aJ Is + 图 7-25 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统电气原理图 is abc ←--,-一-斗 CJ wm Te Te n 10 图 7-26 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统仿真模型 旋转坐标系上的磁链模型,函数模块 Fen 用于计算转矩, dqO_ to_ abe 模块用 于 2r/3s 的坐标变换。 【例 7-4] 仿真图 7-26 带转矩内 n 环的转速、磁链闭环矢量控制系统,电 图 7-27 PI 调节器结构 动机参数与例 7-2 相同。调节器参数见表 7-4 0 模型的仿真算法采用 Ode23tb 。 1500i--i-/ 一「一 -7- 一 -I 一一 - I 1/ 1 1 e-E 1000卡I ---Y4乒一一I ←一一斗一一-1←一- ~ I /I I I " 500~--. 一一 ←一-→一一-←一 I 1 1 I I o 0.2 0.4 06 0.8 Us) a) 100 50 号O 50111阳 "μ 一 -L-- ↓-一l 1 0.2 0.」 4 一一」 0.一 6 一一」 0.8 t (s) b) -500」-u 100 50 。 -50 i100 0.2 80产气「十一 -1K--- 一一 ~ 60卜一一寸-寸一「一 -t-\--I- 一- E40卡一十一十「一 -t-~ ~ 20卡一一十-才一「一-十一一一--一 。卡一一斗-一牛二牛一一一-­ 2 o 0 0.2 -, 0.4 06 0.8 t (s) d) 忡 L阶 | 「 寸 「 l → l l ← ← l l l AU n气 nuA nuro nu。 υ ,, " 崎p t (S)f) 。 211 ~ 1000 Ee ) 巳 500 -1 -0.5 0 0.5 1 0 -5δ100- 150 h) 图 7-28 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统仿真结果 a) 转速响应 b) A 相电流波形 c) 输出转矩 d) 转速调节器输出 e) 转矩调节器输出 f)磁链调节器输出 g) 经 2r/3. 变换的三相 电流给定波形 h) 定子磁链轨迹 。转矩-转速曲线 212 调节器 转速调节器 ASR 转矩调节器 ATR 磁链调节器 ApsiR 表 7-4 调节器参数参考值 比例放大器 GI 放大倍数 积分放大器 G2 放大倍数 积分器限幅 t限 下限 3.8 0.8 80 - 80 调节器输出限幅 上限 下限 75 -75 4.5 12 60 - 60 60 - 60 1. 8 I∞ 15 - 15 13 13 在给定转速为 1400r/min ,空载起动,在 0.6s 时加载 60Nom ,系统的仿真结 果如图 7-28 所示。其中图 7-28a -图 7-28c 所示分别为电动机转速、电流、转矩 的曲线,图 7-28d - 7-28f 所示分别为三个调节器的输出信号波形。在波形中可以 看到,在矢量控制下转速上升平稳,加载后略有下降但随即恢复,在 0.35s 达到 给定转速时和 0.6s 加载时,系统调节器和电流、转矩都有相应的响应。由于 ATR 和 ApsiR 都是带限幅的 PI 调节器,在起动中两个调节器都处于饱和限幅状 态,因此定子电流的转矩和励磁分量都保持不变,定子电流的给定值也不变 (见图 7-28g) ,所以在起动过程中定子电流基本保持不变(见图 7-28b) , 实现了 恒流起动。 比较图 7-28h 和图 7-24e 中的磁链轨迹,带磁链调节器后,在起动阶段,磁 场的建立过程比较平滑,磁链呈螺旋形增加,同时电动机转矩也不断上升;而 不带磁链调节器(见图 7-24e) 时,起动初期磁链轨迹波动较大,也引起了转炬 的大幅度波动(见图 7-24c) 。从转矩一转速曲线也可以看到,带磁链调节器的系 统起动转矩较大。 7.5.3 无速度传感器的矢量控制系统仿真 在矢量控制系统中,为了实现转速的闭环控制和磁场定向,电动机的转速 检测是必不可少的,并且转速检测的精度直接影响磁场的定向的准确性。从电 动机数学模型可以看出,电动机的转速实际上也可以通过推算得到,因此,无 速度传感器的矢量控制系统成为交流调速的重要研究内容。元速度传感器的交 流调速一方面减少了设备,另一方面也避免了速度传感器检测本身可能带来的 误差。元速度传感器的速度推算基本上都是在检测电动机电压、电流的基础上, 通过电动机数学模型和矢量控制方程来推算电动机的转速,它的方法很多,这 里仅举例介绍模型参考自适应的速度推算(MRAS) ,并通过仿真观察速度推算 的效果。 213 采用模型参考自适应的速度推算 (MRAS) 是利用转子磁链的电压方程和电 流方程分别计算转子磁链,由于电压模型不含角速度ω 项,而电流模型包含 ω 项。故用电压模型的输出作为转子磁链的期望值,电流模型的输出作为转子磁 链的推算值,计算电动机转速ω" 其关系为 ω , = (Kp + 号) (川二-川.: ) (叫) 式中, μ 、"为按电压方程计算的转子磁链,品町、弘为按电流方程计算的转 子磁链。 [例 7-5] 在带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统仿真模型中,以 推算转速 ωr 代替电动机测量模块的转速值,观察元速度传感器的矢量控制系统 的控制效果,仿真的模型如图 7-29 所示。 m-M a sLOCInAuU- P π 一 wm Te Te \、 W' 快 口 nl PSlf 2*O.0693*u( I )*u(2 )/0.D71 1St 图 7-29 元速度传感器的矢量控制系统仿真模型 模型中转速推算模块的组成如图 7-30 所示。推算模块的 1-4 输入端,分别 接入电动机定子三相电压和电流,经过 38/28 坐标变换,再由磁链电压模型计算 得到钊、以;推算模块利用了矢量控制模型中转子磁链电流模型输出的磁链 信号 psir 和 sin_cos ,经直角坐标变换得到转子磁链在 α-~ 轴上的分量 ι 、儿, 然后按式 (7-19) 计算得到电动机转速。模型的参数与例 7-4 相同。转速推算模 块中 PI 调节器的参数取民 =45∞ (GO 、 Ki = 1. 98 (G2) 。 214 SIn-cos 。am us 3s/2s 图 7-30 转速推算模块组成 图 7- 31 所示为推算得到的转速与电动机测量模块输出的转速的比较,阁中 带有小幅波动的是推算转速,较平滑的是测量模块输出的转速,两者差异很小。 图 7-32 所示为以推算得到的转速作为转速反馈和以电动机测量模块输出的转速 i ! i i ! ! 检测转速| l l / r 1500 ←一 --l一一一才一一一才气寸-十一一一干 L 一 -l- 一一才一一〉吃一一二 i i!| 俨~ 机-LA--j一-l 一-L-ι」J一 J E : 一一 -L 一一斗 γι/ '一斗I一 十一一一卡一一一←! i 旷: 矿, 一推"I 算转速斗li-- 一寸一一一 j e / j l l i明 l ll ! I\| L i 乍~一一 =士~ t ( Q ) 图 7-31 推算转速与测量转速的比较 I I 检测转速 l 1500 ← -l 一 |一一十二↓一 Y"" -: L-Ii 一年由销关 -L-- 一 →寸~→叫叩俨归于白.,... J()()f1 L___i_一 _J~___l___L___L一时速 l i iuvh-7 丁- l 「 l 严控可 M 500L L-LL一一一「- L-J-J - L • J l/ ! i !转矩| l l ,~牛 ill\l i i ‘ ,....-一叫 0.4 0.6 t(s) 图 7-32 元速度传感器和有速度传感器矢量控制系统比较 215 作为转速反馈信号时控制效果的比较,推算速度矢量控制可以取得几乎相同的 控制效果,只是电动机加载后的恢复时间较长,这与K; 的取值有关,较大的 K i 恢复时间较短,但是推算转速的波动加大, PI 调节器的 Kp 和 Ki 两个参数选择 是很关键的,需要多次试凑修正,而使用仿真是较方便的,这是仿真的优点 O 图 7-33 所示为元转速检测矢量控制系统的转速和转矩响应。其中图7-33b 所 示为转矩响应曲线,从图中可以看到, 0 - 0.15s 是电动机的反向起动过程。在 起动过程中,通过转速观测器计算的转速与电动机测量模块检测的转速有偏差 (见图 7-33a) ,从 0.15 - 0.2s 为反转稳定运行阶段,在 0.2s 时系统给定从反转 500r/min 切换到正转 500r/min ,电动机转速开始下降,在 0.31s 左右,电动机从 反转进入正转的起动阶段,在这阶段中电动机始终保持最大转矩,直到正转起 动完毕,并且在这一过程中,观测转速与检测转速几乎没有差别 O 600 400 ..1_ _ _1_ 一 _l__--!_一一」一_..1一一一一一_.k一一」一一 "叫 l ( E且h百 • 9 n AVnu & 呵 , & u n υ 1- 观测转.速.~→一-f-一一斗一一一二1二/一十一一→一 一 V /1 /1 I 1/ 一一一,一 ---T 一 -1- 一一「一一予f 一一一一 -T--I /1 」一一十一一斗-一一y←乒i一→一一一一一一斗,一一斗一一一 /1 丁一一 1-7一「一-,一一一一一-T--I一一一 -600 L O 。l 0.2 0 .3 04 0.5 ( (5) a) 150 100 ( E ·气 d zA υ z A U • , 、d 100 一 150 Al 0 υ 02 0.3 0.5 1(5) b) 图 7-33 元转速检测矢量控制东统正反转调节过程 a) 反转到正转过程中观测转速与检测转速的比较 b) 反转到正转的转矩响应 第 8 章 提高功率因数的电力变流电路仿真 8.1 谐波污染与电能质量管理 随着电子与电气产品的开关化、高频化与集成化趋势的发展,电磁兼容 (EMC) (又称环境电磁学)问题日益突出,已经成为目前学术界和工程界的一个 热门研究方向。电磁兼容包括两层含义:①电磁干扰(EMI) ;②电磁敏感度 (EMS) 0 其中, EMI 就包括连续骚扰电压、断续骚扰电压、骚扰功率和谐拨电流 等项指标。 电力谐波的产生大致有以下几个来源:①发电环节;②输电环节;③用电 环节;④电力电子变流设备,如各种电力变流设备(整流器、逆变器)、相控调 速和调压装置以及大容量的电力晶闸管可控开关设备。这些电力设备广泛地用 于各行各业,量大面广,造成了比较严重的低次谐波、高次谐波、次谐波和间 谐波电流问题。 电力谐波的直接后果是,迫使电网电压出现畸变,电网负载额外增加,供 电能力下降,损耗加剧,故障率提高,损起加重,而且还对其他电气设备造成 影响,具体表现在以下几个方面:①对发配电和用电设备的影响;②对旋转电 机的影响;③对电力变压器的影响;④对输电线路的影响;⑤对电力电容器的 影响;⑤对继电保护和自动装置工作和可靠性的影响;⑦对测量和计量仪器的 影响;⑧对通信系统的影响;⑨对用电设备工作质量的影响等等。 }皆波问题不仅关系到供电系统的供电质量和供电安全,而且还关系到广大 电力用户和电气设备制造厂的切身利益。为减少供电系统的谐波问题,应该从 管理上和技术上采取对策。 1998 年 12 月 14 日,我国发布了国家标准 GB17625.1一 1998 <低压电气及电子设备发出的谐波电流限值(设备每相输入电 流运 16A)} ,其在技术内容上与国际标准一致,等效于IEC61∞0-3-2: 1995 0 GBI7625.1-1998 规定了准备接入公用低压配电系统中的电气、电子设备(每相 输入电流运 16A) 可能产生谐波的限值。只有经过试验证实符合该标准限值要求 的设备才能接入配电系统中。这样,就可以对低压电气及电子产品注入供电系 统的总体谐波电流水平加以限制。 该标准对以下四类设备规定了谐波电流的发射限值。 A 类设备是指平衡的三 相设备以及除 B 、 C 丰'Il D 类外的所有其他设备。 B 类设备是指使携式电动工具。 217 C 类设备是指包括调光的照明设备。D 类设备是指 PC 和周边设备, Audio 设备, 输入电流具有标准所定义的"特殊波形",且其有功功率不大于 ωOW 的设备。 该标准还规定了试验电路和对试验电源的要求、对测量设备的要求和试验条件 等内容。其中 A 类用电设备的谐波电流限值见表8-1 , B 类用电设备的限值为A 类的1.5 倍。 表 8-1 A 类用电设备谐波电流限值 谐波电流次数 h 限值tA 3 2.30 5 1. 14 7 0.77 奇次谐波 9 0 .40 11 0.33 13 15 ., h ., 39 0.21 0.15x 15th 2 1. 08 偶次谐波 4 6 8., h .,4O 0.43 0.30 0.23 x 8th 鉴于家电领域电力污染的严重性以及适应加入WTO 后的出口需要, 2∞ 1 年 12 月 7 日,国家认证认可监督管理委员会适时地制定了《强制性产品认证管理 规定~,这是我国在谐波治理法规方面又一重大举措。 消除电网谐波,过去较多地使用无源滤波器,它虽然具有结构简单、对谐 波滤除效果明显等优点,但一般只适用于静态条件下工作,而且只能针对某些 次谐波进行补偿。当电网阻抗及系统结构发生变化时,会严重影响其滤波性能, 并可能引发过载、串并联谐振等不利现象。解决谐波问题的思路主要有两条: ①集中补偿,设计无源电力滤波器或有源电力滤波器抑制或消除非线性功率装置 产生的谐波污染;②就地补偿,使用高输入功率因数装置作为现有电力电子装 置的前级电路,抑制或消除产生电力谐波的根源。 集中补偿是针对某一区域的电力负载产生的谐波电流和元功电流集中在电 网接人端进行补偿,使得电网输入电流中不含谐波成分或元功成分。目前采用 的方法有静止无功补偿器 (Static Var Compensator, SVC) 、静止无功发生器( Static Var Generator , SVG) 和有源电力滤波器 (Active Power Filter , APF) 等。就地补偿 一般采用高功率因数整流技术,或采取合适的有源、无源滤波技术,使其尽量不产 生谐波电流,提高输入电流位移因数和波形系数,使输入功率因数接近于 1 。 从主动与被动方面看,滤波技术包括有源滤波和无源滤波。从接入方式来 218 看,滤波技术包括并联方式、串联方式和串井联方式。从输入相数来看,滤波 技术包括单相滤波和三相滤波。从滤波是否完全来看,滤波技术包括完全墟波 和部分滤波。 下面给出功率因数的定义。根据IEEE 有关规定,功率因数为输入电流波形 系数与基波输入电流相对输入电压位移因数的乘积,假设经过傅里叶级数分解 之后,输入电流的各次谐波分量的有效值为II 、 12 、 IJ …、 In 、…,其中 II 为 基波电流的有效值, I 为 n (即表 8-1 中的 h) 次谐波电流的有效值, n 为自然 数则谐波叫阳为 IH =吊届川 I: , I叫 ιH 直观地反映电流中谐波电流含量的严重程度。为此,引入电流总谐被畸变率概念, 即 THD = IHI II X 100% ,输入电流的有效值为 I=J Ii+Ij+ … + I: + …= d古瓦,则输入功率因数 = = PF ~ WI COS~口1 1 0 二二 _ .·...~.n - s -ω- J1工 THD 2 ~~~'t' 式中 , P 为有功功率 (W) j S 为视在功率 (VA) ,伊 i 为输入基波电流与输入电 压的初相位差。 到目前为止,出现了很多种电力电子变流器的滤波技术,本章主要涉及几 种采用不可控整流桥的单相和三相元源滤波 (PFC) 技术、单相和三相有源电力 滤波 (APFC) 技术以及单相和三相有源电力滤波 (APF) 技术,在简要描述其工 作原理的基础上,给出基于 SIMULINK 6.0 的仿真分析方法。 8.2 高功率因数的单相无源AC-DC 变流器 直接利用单相交流电源供电的负载有阻性负载和感性负载,对于阻性负载, 如热水器,其输入电流为正弦波形,功率因数为1 。对于感性负载,如单相压缩 机,其输入电流波形正弦度很高,位移功率因数也较高。但是当压缩机的电动 机出现磁饱和时,会产生偶次谐波电流分量。另一类单相负载为晶闸管相控调 压的负载,如交流风机输入电流披形系数较低,而且会产生偶次谐波电流分量, 可以通过改善触发延迟角和增加适当的输入滤披器来解决。 本节主要考虑一类单相交流电源输入、采用交直交两级变流结构的变频器 的高输入功率因数设计问题。这类变频器的功率前级普遍采用不可控整流桥作 为单相 AC-DC 变流器,要求直流回路电解电容的电容量要足够大,否则直流电 压纹波过大,对电解电容寿命和变流器输出性能都将带来一定的负面影响。这 样的结果,使得输入电流波形畸变严重,一般地,总电流谐波畸变率大1于,功 219 率困数只有 0.5 左右,各次谐披含量几乎均超标,电源容量的利用率降低,因此 有必要对单相 AC-DC 变流器环节采取提高功率因数的措施,即功率因数校正技 术。对单相 AC-DC 变流器而言,功率因数校正技术包括元源PFC 和有源 PFC 两 种,从变流形式上,元源PFC 电路也可以称为单相无惊AC-DC 变流器。 8.2.1 单相无源功率因数校正的电路型式 单相无游、 PFC 电路型式多种多样,下面给出几种典型和效果较好的电路拓 扑结构。其中,桥前桥后采用双电抗器的单相元源PFC 电路如图 8-1 所示,桥前 采用 LC 串联谐振环节的单相元源PFC 电路如图 8-2 所示,桥前采用 LC 滤波器的 单相元源 PFC 电路如图 8-3 所示,桥前采用 LC 滤波器、桥后采用电抗器的单相 元源 PFC 电路如图 8-4 所示。采用谐振电抗器向输入线路注入谐波电流也可以实 现单相元源 PFC 滤波,分别如图 8-5 -图 8-8 所示,这种方案校正效果良好,覆 盖功率范围大,直流回路电压损失较低。 ALl一一J工相i草变器 N 图也 l 桥前桥后采用双电抗器 的单相无源 prc 电路 电整整篮桥 n 兰相递变器 ~I I J i 电 单相整流桥 王朝 1 逆变器 电~ N 图 8-2 桥前采用 LC 串联谐振 环节的单相元源 prc 电路 单相整流桥 半相 i革变器 图 8-3 桥前采用 LC 滤波器 的单相无源、 prc 电路 图 8-4 桥前采用 LC 滤波器、桥后采用 电抗器的单相无源 PFC 电路 品 220 … 圳 单相整流桥 p τ三相递变器 342|守 N 图 8-5 3 次谐振电抗器 的谐波电流注入电路 1 品品 明鲤!三相脏器 样骂H 中 生|守 三相道变器 图 8-6 3 次谐振电抗器 的谐波电流注入电路 2 曲曲目鸭产变器 扯 AV AC向院 司 N 图 8-7 3 次与 5 次谐振电抗器 的谐波电流注入电流 N 图 8-8 次谐振电抗器的 谐波电流注入电流 8.2.2 谐振电抗器在单相无源PFC 中的仿真分析 基于图 8-6 所示的基于谐振电抗器的单相元源PFC 电路,采用 MATLAB 7.0 的 SIMULINK 6.0 建立如图 8-9 所示的仿真电路。其中解算选项为:变步长,最 大步长为 le-5s ,相对精度为 le-3 ,算法选择。de23t (mod. Stiffltrapezoidal) ,其 他选项选择默认值。图 8-9 中的 VSl 为标准单相正弦电压源,有效值为220V 。 UBI 为通用单相不控整流桥。 MIl为可伞感器,一边自感为 1.9mH ,一次绕组电阻 为 0.010 ,二次绕组自感为 59mH ,二次绕组电阻为 0.010 ,励磁电阻为 0.50 , 励磁电感为 IOmHo RLCl 为谐振电路电容取值为 19.1μF ,为便于收敛,串联电 阻为 0.010 ,谐振频率为 150Hz o RLC2 为普通电抗器,取值为 8mH o RLC3 为电 解电容,取值为 1410卢。 RLC4 为电阻负载,取值为 400。上述参数的取值均来 自于实际系统的参数。 Muxl 为信号复合器, Fenl 、 Fen 2 为通用表达式, F町为 快速傅里叶变换模块, THDMl 为总谐波畸变率测量模块, A/RPMl 为有功功率与 无功功率表, VMl 、 VM2 为电压表, CMl 为电流表。左上角方框为频谱显示器, 双击后可以显示输入电流的波形和频谱。其他均为常用功能模块,如常数模块 Constantl 。图中表格为仿真获得的0-19 次谐波电流的幅值,其中,基波电流幅 值为 7.83A , 3 次谐波电流的幅值为1.35A ,可见各次谐波电流均符合 IEC61000--3--2/EN61000--3--2。 仿真结果如下:示波器 Seopel 中显示了输入电压与输入电流波形,如图8- UBI Sr m叶221 叮 .JffiL二 IA Mil 一:1: E圆 EE圆圆 B 圆 囚一1+ m mWM一叫 圆 囚 圆 圆 Fenl 圆Seope3 囚 圆 圆 圆 圆 圆 图 8-10 输入电压与输入电流波形 图 8-11 输入电流总谐波畸变率波形 222 … Z百=…………~~ 4~.- 斗旦主旦j D 臼峰声圄 aJ厌瓦L旦e.企豆!豆一二 ;旦:;i;.1盯:三η芒f气丁守;:1〉:?亏J汇ι〉污tJ汇η古:;二ηr:?r气 丑:三;三f?:\3:t2》: • t>U… ~ i旦1引引|川ru \?丁7?丁γ朋?r川?h削?tT?丁Tn!;:IC H阳z习叫 )…/丛b g u 飞o 200 ω 即 000 1000 Frequency (H z) 图 8-12 输入功率因数波形 图 8-13 输入电流波形及其频谱 8.2.3 其他单相无源 PFC 电路的仿真分析 8.2.3.1 桥前采用电抗器的串联谐振无源PFC 电路 参考图 8-2 所示的桥前采用 LC 串联谐振环节的单相无源PFC 电路,建立如 哥τ… 图 8-14 所示的仿真电路图。这种无源PFC 的工作原理为串联谐振环节产生3 次 S∞ UBI 哥 叫l i旦盹JL旦J:;4 哥哥 圆 THDMI 圆 Constantl signals FFTI F(n) f( k)FFT R如IS 圆圆 Fenl u(l )/sq民(u(l )*u(l )+u(2)*u(2)) 回Seo币e3 图 8-14 桥前电抗苦苦串联谐振元源 PFe 仿真原理图 回 望 223 谐振,形成 3 次谐振电流和电压, 3 次谐振电流可以补偿线路的 3 次谐波电流, 3 次谐振电压注入到整流桥,使得直流回路电压升高,提高电源电压的利用率。 图中 RLCl 为普通电抗器,取值为lOmH o RLC2 为串联谐振支路,其中电容取值 为 19.1μF ,电感取值为 59mH ,谐振频率为 150Hzo RLC3 为电解电容,取 值为 1410川。 RLC4为电阻负载,取值为 6011。仿真电路的其他配置与图 8-9 相 同。 仿真结果如下:输入电压与输入电流波形如图8-15 所示,其中,输入电压 幅值缩减为 1120 ,输入功率因数为 0.995 , THD 为 0.22 。输出直流电压波形如图 8-16 所示,输出直流电压的平均值为3∞V ,纹波电压的峰峰值为 20V 。 图 8-15 输入电压与输入电流波形 图 8-16 输出直流电压波形 8.2.3.2 桥后采用电抗器的串联谐振无源PFC 电路 参考图 8-2 所示的桥前采用 LC 串联谐振环节的单相元源PFC 电路,建立如 图 8-17 所示的仿真电路。这种无源PFC 的工作原理与图 8-2 所示电路相同,只 是将普通电抗器移至整流桥后级。图中,RLC2 为普通电抗器,取值为lOmH 。 RLCl 为串联谐振支路,其中电容取值为19.1μF,电感取值为 59mH ,谐振频率 为 150Hzo RLC3 为电解电容,取值为 1410μFo RLC4 为电阻负载,取值为5511。 仿真电路的其他配置与图8-9 相同。 仿真结果如下:输入电压与输入电流波形如图8-18 所示,其中,输入电压 幅值缩减为 1120 ,输入功率因数为0.96 , THD 为 0.5 。输出直流电压披形如图8­ 19 所示,输出直流电压的平均值为252V ,纹波电压的峰峰值为15V 。 224 Constantl Speetrum(ha rmonies 0-19) 陪同 l UBI VM2i RLC2 丁丁」 +1.-..../百百可飞 0.091 7.66 0.29 1.84 0.4 1 1.27 ~也C4 RLC3t 0.1O 079 0.07 0.33 BI .QM 豆豆豆 0.04 THDMI Seope2 0.17 signa] 0.03 FFTI THD 0.14 F(n) f(k)FFT RMS Fenl 0.03 0.16 0: 03 • ill主斗 一L一」 u(1 )/sq 口(u( I)*u(l )+u(2)"u(2» 图 8-17 串联谐振无源 PFC 仿真原理图 ~"'R'iT'ili!"• • • • • •1l呵电丛 z回 到 图 8-18 输入电压与输入电流波形 图 8-19 输出直流电压波形 8.3 高功率因数的三相无源AC-DC 变流器 直接利用三相交流电源供电的负载有阻性负载和感性负载,其输入电流波 225 形系数接近于 1 ,功率因数只与输入电流位移因数有关。如三相异步电动机负 载,其功率因数只与负载角度有关。但是对于前级采用三相不可控整流桥的变 流器而言,无论后级带何种负载,由于整流桥的非线性作用,使得输入电流波 形严重畸变,特征次谐波含量严重超标,对于6 脉波整流桥而言,表现为5 次、 7 次、 11 次、 13 次、 17 次、 19 次等谐波电流超标,总电流畸变率很高,波形系 数较低,功率因数仅为0.65 左右,电源容量的利用率降低。随着三相变频器设 备的广泛应用,三相不可控桥使用数量日益增加,谐波电流对电网造成的污染 和损耗也将越来越严重。为此,可以采用有源或无源功率因数校正手段来抑制 或消除谐披电流污染 对于三相无源 PFC ,其方案很多,如为了改善输入电流的波形系数,利用移 相变压器的多脉波整流技术,如12 脉波整流器和 24 脉波整流器,或利用移相电 抗器构造的口脉波整流器技术 3 次谐波电流注入的6 脉波整流技术。另外, 单相无源 PFC 的许多技术方案经过适当改动后都可以用作兰相元源PFC 技术。 本节主要涉及由三相移相电抗器构造的12 脉波整流器技术的工作原理,并给予 仿真分析;对 12 脉波整流器、 3 次谐波电流注人的6 脉波整流技术、桥前LC 洁、 波整流技术、桥后LC 滤波整流技术和自然整流进行原理简述和仿真分析。 8.3.1 三相无源功率因数校正的电路型式 桥后采用电抗器的三相无前、PFC 电路如图 8-20 所示,桥前采用 LC 滤波器的 三相无源 PFC 电路如图 8-21 所示,桥前采用移相电抗器的三相无源PFC 电路如 图 8-22 所示,桥前采用3 次谐波注入的兰相元源PFC 电路如图 8-23 所示,桥前 同时采用谐振电抗器和电抗器的三相元源PFC 电路如图 8-24 所示,桥前采用谐 振电抗器桥后采用电抗器的三相无源PFC 电路如图 8-25 所示。本文重点分析桥 前采用移相电抗器的三相无源PFC 电路的工作原理,并给其他几种三相无师、滤 波器电路的仿真分析。 而~三相逆变器 应 k啥E护 一一一--' N 图 8-20 桥后采用电抗器 的三相无源 prc 电路 图 8-21 桥前采用 LC 滤波器 的三相元源 prc 电路 226 六相整流桥 内三相逆变器 「τ二---一-, r ~?、4 」一一-- 图 8-22 桥前采用移相电抗器 的三相元源 PFC 电路 p 三相递交器 市闹 图也23 桥前采用 3 次谐波注 人的三相元源 PFC 电路 三相整流桥 R 三相逆变器 二斗二三+--rvγ~ Ll 图 8-24 桥前同时采用谐振电抗器 和电抗器的三相单相无源 PFC 电路 N 图 8-25 桥前采用谐振电抗器桥后采用 电抗器的三相元源 PFC 电路 8.3.2 基于三相移相电抗器的12 脉波整流器 8.3.2.1 移相电抗器在三相无源PFC 中的使用原理 移相电抗器的作用是用来抑制或消除电力半导体变流装置和非线性负载产 生的谐波电流和电压对供电系统的影响。考虑到三相对称供电系统中的一般5以 次、 7 次、 11 次和 13 次谐波电流含量较大且对系统影响较严重,故移相电抗器 可主要针对综合抑制这几次谐波电流来设计。其工作原理可由图 8-26 所示的电 路联结图和相量图说明。 如图 8-26a 所示,将一相输入电流I 分成两个支路电流I' 和 I" 。通过适当 选取移相绕组的臣数和接线方式可使支路电流的基波成分I1' 和 II" 相对于输 入电流基波 I] 分别移相 α 角和 -α 角,这样基波相电流与支路电流的相量关系 = = 如图 8-26b 所示。由于 α 角较小,总的相电流基波成分I] I]' + I]" 21] , , 即采用移相后对基波电流的影响不大。但是,采用移相接法对谐波电流的影响 却较大。以 5 次谐波电流为例,两个支路的 5 次谐波电流 Is' 和 IJ' 相对于相 电流基波 I] 分别移相 5α 角和 -5α 角,如图 8-26c 所示。由于 I5' 和 I5" 接近 于大小相等方向相反,使得线路电流中的 5 次谐波成分几乎相互抵消,达到抑 制谐波电流的目的。如果 α= 18° ,则可以完全消除 5 次谐波。通过一次移相消 除所有次谐波电流成分是不可能的,为此可以增加多级移相电抗器,分别完全 227 消除 5 次、 7 次、 11 次、 13 次…谐波电流,但是这样带来设计复杂、成本升高O 为此可以综合考虑,采用一级移相来抑制主要次谐波电流。如果主要滤除影响 比较大的 5 次、 7 次谐波电流,可以选择α= 11° ,此时三相移相电抗器的电压相 量如图 8-27 所示。移相电抗器的设计可以借助三相供电电压相差依次为12伊的 特点,详细设计参见有关文献及图8-22 和图 8-27 所示。 土 f-7二 a) I{./' 、、 、、 、 、 气 ιx 、 .... .... .... .... .... .... / b) U2 Z c) Ul Wi Y 飞 呐。 图 8-26 三相移相电抗器的工作原理 a) 移相绕组联结 b) 基波电流 相量 c) 5 次谐波电流相量 图 8-27 兰相移相电抗器的电压相量 8.3.2.2 移相电抗器在三相无源PFC 中的仿真分析 基于图 8-22 ,采用 MATLAB 7.0 的 SIMULINK 6.0 建立如图 8-28 所示的仿真 电路。其中解算选项如下:变步长,最大步长为Ie -缸,相对精度为 Ie - 3 ,算 法选择。de23t (mod. Stiffltrapezoidal),其他选项选择默认值。图中VS1 - VS3 为 标准正序三相正弦电压源,相电压有效值为 220Vo RLC1 - RLC3 为三相输入电抗 器,取值为 1mH ,为了便于收敛,串联 0.010 的电阻。 RLC4 为桥后平波电抗 器,取值为 10μH o RLC5 为电解电容,取值为 1840μFa RLC6 为电阻负载,取值 为 500 。 Subsystem1 为子系统,如图 8-29 所示,包括三只独立的三相辅合电感 MIl、 MI2 和 MI3,还包括一个 12 脉波不可控整流桥,其中整流桥的拓扑结构如图 8-30 所示。仿真中每只搞合电感的绕组 1 的电阻和电感分别为 0.010 和 20μH ,绕组 2 的电阻和电感分别为 0.010 和 8μH ,绕组 3 的电阻和电感分别为 0.010 和 9μH , 互电阻和互电感分别为 0.10 和 2μH 。 图 8-28 中的其他部分仿真电路不再描述。图中表格为仿真获得的 0-19 次 输入电流的各次谐波电流幅值,其中基波电流幅值为 9.37A , 3 次谐波电流的幅 值为 0.34A , 5 次谐波电流的幅值为 1.25A , 7 次谐波电流的幅值为 0.54A ,可见 各次谐波电流均符合 IEC610∞-3一2/EN61000-3-2 标准的规定。 228 Double click to display spectrum of last 2 cycles ofV 12 Subsysteml VS2 RLC2 门立←+怕什斤fG\-←41Conn2 RLC4 JTnL. 肚。 RLC3 Conn5 ←~ IConn3 Constantl 厂一., 0 A/RRMI THDMl Isignal TH Scope2 FFTl F(n) 白(k) FFT RMS Fcnl Scope3 (I )/sqrt(u( I 沪 u( I )+u(2)*u(2»1 @Conn2 图 8-28 采用移相电抗榕的兰相无源 pre 仿真电路 @J Conn3 Rectifier! Ay |Bru|亏$4 φ φ ·•- ~ a忌s ~,egll→35 喜 Cd …叮EE E圆 E圆圆圆圆圆EEEE圆圆圆 圆 圆I却 ~ u需 却 1出 。ω 。"-u 。 每节T 图 8-29 二相祸合电感与 12 脉波整流桥接线 图 8-30 12 脉波整流桥拓扑结构 229 仿真结果如下:示波器 Scopel 中显示了输入电压与输入电流波形,如图 8­ 31 所示,其中输入电压幅值缩减为 1120 ,可见输入电流波形的正弦度较高,位 移角度为 27° ,位移因数为 0.891 0 示披器 Scope2 中显示了输入电路总谐波畸变 率波形, THD 为 0.154 。示波器 Scope3 中显示了输入功率因数波形, PF 为 0.90 左右。 Scope4显示了输出直流电压波形,平均值为科4.0V ,纹波电压峰峰值为 2V 。频谱显示器中显示了输入电流波形与频谱,如图 8-32 所示,与图 8-28 中表 格的结果相近。 &Ii' .l. iG 蝇L可2? 4国主j A且J~ E胎阴 '!..iew 阳en 100fs I2esldop "!!'耐wtie协' D~ 困Cj!马;电龟 O~ ,咀 6 -iir;:;4;ti 王 il1 守一一 1附 (s) i 1引; r ru川?丁:nl丫:f:d??\ 汁 飞宅;; 0 ε 友盯 F仰4q刷∞ue剧nc叮y区e例tE刃才[)z功) ElXJ 1 配盯 图 8-31 输入电压与输入电流波形 图 8-32 输入电流及其频谱 8.3.3 其他三相无源 PFC 电路的仿真分析 8.3.3.1 桥后采用单电抗器的三相无源PFC 电路 参照图 8-20 所示的桥后采用单电抗器的三相元源PFC 电路建立的仿真电路 如图 8-33 所示。图中 RLCl 为桥后平波电抗器,取值为15mHo RLC2 为电解电 容,取值为 1840μHo RLC3 为电阻负载,取值为50n。其他部分说明与图8-28 相 同。 仿真结果如下:示波器Scopel 中显示了输入电压与输入电流波形,如图8­ 34 所示,其中输入电压幅值缩减了20 倍,可见输入电流波形的正弦度较高,位 移角度。。,位移因数为l 。示波器 Scope2 中显示了输入电路总谐波畸变率波形, THD 为 0.30。示披器 Scope3 中显示了输入功率因数波形, PF 为 1 左右。 Scope4 显示了输出直流电压波形,平均值为513 .OV ,纹波电压的最大峰峰值为2V 。频 谱显示器中显示了输入电流波形与频谱,如图8-35 所示,与图 8-33 中表格的结 果相近。显然这种三相元源PFC 的效果较差。 230 Double click to display spectrum of last 2 cycles ofV 12 Rectifierl Ay RLCI posll..-. 斗Of\-. I 肚C2 十 VS2 -(1)-.± Spectru惶苦苦ι19) Cy Constantl Fcn! Scope3 u(! )/sqrt(u( I)' u( I)+u(2)'u(2)) IlTIJ ~ 豆E ilIJ ~ IillJ 王E E回 Mill M2I ITO E回 ~ E回 豆E E回 E囚 豆囚 TI3ID 图 8-33 桥后单电抗器的三相元源 PFe 仿真电路 --丽而A 畴· A坦j三j . [iIe §侃些W !n帽t ! OOIS Qeskt叩咀嚼。 w t!etP '>I D~ 困!t It¥ j~礼龟{/ ~l 哇 1 号户巳~斗| 号 m037OZe;j组 0.4 0.41 ~ 20 fTljiiOa叫ental 以JHz)!=11.4114 1 言 1:tlll......I..!.. .1. ..1 . L 11 岂 Frequency 归功 图 8-34 输入电压与输入电流波形 图 8·35 输入电流波形及其频谱 231 8.3.3.2 桥前 LC 滤波的三相无源PFC 电路 按图 8-21 所示的桥前 LC 滤波的三相无源 prc 电路建立的仿真电路,如图8­ 36 所示。图中 RLC1 - RLC3 为桥前三相滤波电感,取值为 15mH o RLC4 - RLC6 为桥前三相滤波电容,取值为 10词,为了便于收敛,串联有 0.010 电阻。 RLC7 为电解电容器组,取值为 1840词。 RLC8 为电阻负载,取值为 500 。其他部分说 明与图 8-28 相同。 Ooublecilck to display spect口Jill m一oflast 2 cycles ofVI21 扭 m肌 A A t i φ i 一 1 l M M机 - 下i生 T L主 丰 丰i | T T RLC5t RLC3 .一句(fQ\- THOMI Scope2 signa) THO Constant! FTTI F(n) f(k)FFT R岛1S Fcnl Scope3 (I )/sqrt(u(l )*u( I)+u(2)*u(2)) Rectifierl By negll Cy I : I Scope4 Iv IVM2 也 C -4TJE字 l也 α ' … 叮 圆 圆EEE圆圆圆 EEE噩噩噩 图 8-36 桥前 M 滤波器的三相元源 PFC 仿真电路 仿真结果如下:示波器 Scope1 中显示了输入电压与输入电流波形,如图 8­ 37 所示,其中输入电压幅值缩减了 20 倍,可见输入电流波形的正弦度较高,位 232 移角度接近 0° ,位移因数为 0.992。示波器 Scope2 中显示了输入电路总谐波畸变 率波形, THD 为 0.15 。示波器 Scope3 中显示了输入功率因数波形, PF 约为 o.97 ° Scope4显示了输出直流电压波形,平均值为 533.5V ,纹波电压的最大峰 峰值为 IV 。频谱显示器中显示了输入电流披形与频谱,如图 8-38 所示,与图 8­ 36 中表格的结果相近。 _11'i'1'I'm…………………国电 E , ' 咽~ 8恒 Sdil YleW !r回t !'∞悟Qe甜top~伽W t!e蝠' D~ 困 e! 除 '~E戈 ~~l 堤, i:俨b户扣斗| 墨''<~筒。回 0.7 . 0.71 0.72 0η i 1旷 t 广 ru山m川r千n1叫?叫d寸 γ?γ丁γ叮γ叮丁γ竹 dγ丁寸1凹Te]丁rj川?圳吐?t:丁:1:γ丫| n 飞忘5 -飞0 ε 苯盯 4∞ 缸xl 配E盯) 1αE刀D Frequency (H例怆z功均) 图 8-37 输入电压与输入电流波形 图 8-38 输入电流波形及其频谱 8.3.3.3 3 次谐波注入的三相无源PFC 电路 参照图 8-23 所示的 3 次谐波注入三相元源PFC 电路的仿真电路,如图8-39 所示。图中 RLCl - RLC3 为桥前三相滤波电容,取值为 50μF ,串联有 0.010 的 电阻。 RLC4 - RLC6 为桥前三相滤波电感,取值为lO mH o RLC7 为桥后电抗器, 取值为lO mH o RLC7 和肚C9 为电解电容,单只取值为 1840/-lF ° RLC lO和 RLCll 为等值均压电阻,单只取值为 51kO o RLC12 为电阻负载,取值为 500 o M Il为三 相藕合电感,绕组 1 、 2 和 3 的自阻和自感均为 0.00010 和 200μH ,互阻和互感 分别为 0.110 和 150μH 。其他部分说明与图 8-28 相同。 仿真结果如下:示波器 Scopel 中显示了输入电压与输入电流波形,如图 8­ 40 所示,其中输入电压幅值缩减了 20 倍,可见输入电流波形的正弦度较高,位 移角度 18° ,位移因数为 0.951 。示波器 Scope2 中显示了输入电路总谐披畸变率 波形, THD 为 0.21 。示波器 Scope3 中显示了输入功率因数波形, PF 为 0.862 左 右。 Scope4显示了输出直流电压披形,平均值为 405V ,纹波电压的最大峰峰值 为 O.IV 。频谱显示器中显示了输入电流波形与频谱,如图 8-41 所示,与图 8-39 中表格的结果相近。 233 R国 u r.町 l 「一一厂~ A、 主肚i RLE3 RLC5 -f百n飞一 Constantl 。m RLC6 -fτn飞- THDMI 剖车叫 L十~~3 一m 削阶M Fenl u(l )/sqn(u(l)'u( I)叫 2)'u(2» sc呵", 3 Spectrum(hannoOlcs 0-19) 二 百1 王国 巫E QMl ill] ill] ~ Qill WJ Q]I] 豆E 亘旦 旦旦 豆3 画D 豆E ~ M!l 亟囚 图 8-39 采用 3 次谐波注入的三相元源PFe 仿真电路 A且J~ [Ie ;c量 y- 协副 !OOIS QeSId叩曾由w~蝠' D~ 且呈~ :

    Top_arrow
    回到顶部
    EEWORLD下载中心所有资源均来自网友分享,如有侵权,请发送举报邮件到客服邮箱bbs_service@eeworld.com.cn 或通过站内短信息或QQ:273568022联系管理员 高进,我们会尽快处理。