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电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真

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文档简介

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simulink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等候课教材,也可供相关专业研究生和工程技术人员学习与参与。

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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 素和谐波等的控制和调节,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 、 uni versal 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 V口,在 U 2 的负半周触发晶闸管 VT2和 T VT4 ,在负载上可以得到方向不变 C VTI Lf'. VT2 的直流电,改变晶闸管的控制角 可以调节输出直流电压和电流的 大小。该电路的仿真过程可以分 画(1) u i 亟亟D-- VTI VT3 VT4 VT3 R 为建立仿真模型(或称为绘制仿 VT句 , V TEAU『 真电路) ,设置模型参数和观测仿 ­ 真结果等几个主要阶段,现分步 叙述如下。 图 5-1 单相桥式全控整流原理电路 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 rectifier1。 (2) 提取电路元器件模块。在仿真模型窗口的菜单栏上点击.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 。 亵 5-1 元辅件名称及路径 元器件名称 交流电源 U2 品闸管 VTI - VT4 RLC 串联电路 脉冲发生发生器 T 形节点 中性节点 提取元器件路径 PO内~er syste咽 block回t/electrical sourcesl AC voltage sourc唱 Power system bl田kset/po响r el回'trQ明 ics/thyri810r PO内.er sy8tem bl配ksetl elementsl盹n 回 RLC branch Simulinklsourceslpulse generator Power 8ystem block回tl connectorslT connector Power system bl田k四I1connectorslneutral (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 JC 盛跑回皑暨回国国国…圃翩翩翩翩翩翩…·幽幽嘟沼 ~ 辛劳 ,.1... ‘….... . t G 喝草帽....! 一~.....t .,. .t\,. … 仇气阴 阳 一一 ".d"u ..~h. 也险 '....11 ..,.,. vulu '~þ. 4.f....'..u \b. 睛"是..r,,, ...1 fCCU,I q>>. ..u.! ' 导 AC V.叫ource 工\,,,..,忑λ 三过俨 川 ,'^^" i 努 h.ct …,飞~. þ:! lt1l1d.~M .. h~h , f l r - ï j 全r: I..lh I I -' {': 1 CCl\st 喇叭 i 卦,叫 ! l: 一一 拿叫叫‘·‘四专~lhCIHl Ch<:k 每二乳白 们 如海-~锦 ! ι s:..h川阳 Iì J. 罐,.~~.. 、 I 乍一一_r j: 21士Jf:::::1;:1:E凹,精 ', h . 运 iJf乙::"m 例m山 以叫4 U 黯!l.,,~1 ~1' .>" .缸'‘阳 n • • D; •.h .. G-a鸣u Jh 巾· &怠,,,,.~,.~, ..I 缸 ØtltUl .. lIi '=~y lhC.e t....1 \o.. .脏 n ..d.军 . I曾蜘 旧白白 IIhdlut .黯lC!l !1~曲" ,.=‘1 hlu"k ζζ) 1..1 困苦H … 曰M 1鬼 ~d_ 协响 bi'" 国 ,.楠'帽、i f-+ S阳, es 且LC Branch 寺T…内E叫M … 图 5-2 提取塾流电路元器件 将元器件移动到合适的位置,将光标箭头指向需移动的元器件,按住鼠标左键 将元器件移动到指定位置 。 单相桥需要 4 个晶闸管模块,这可以使用模块的复 制办法,以鼠标左键单击晶闸管模型图标,模型图标的四角出现四个小黑块 (圄) ,表明该模块已被选中,这时同时按住键盘中的 Ctrl 键以及鼠标的左键,移 动战标则可以将品闸管模块复和j 到其他佑,寰。同时点击;元器件模块的名称可以 修改模块的名称,如将 thyristor 改名为 VTl等 。 连接模块只需要以光标移向模块的输出端,以左键点住并移动鼠标即口j 拖 拉出一条连线,将连线拉到另 一元 器件的输入端,松开鼠标即完成一条接线 。 在本例中,需要将屯摞 AC 的输出端和品精管模块 VT4 的输出端 k , r可时连接晶 捐管模块 VTl 的输入端 11 ,这需要使用 T 影接头,同样 V'口的输入端 a 与 V凹的 输出端 k 和电肃、的负极端的连接也要使用 T 形接头 。 为了连接 T 形接头'口与交 流电摞负极的两个输入端,使用了中性节点 (NeuLral output) 。 在 SIMULINK 模型库中没有专门的单相桥式模流器触发模珊,这里使用了两 个陈冲发生器来分别产生 VTl和 VT3、 VT2和 VT4 的触发陈冲 。 整流器的负载 选用了 RLC 串联电路,可以通过参数设置来改变电阻、电感和1 电容的组合 。 连 接完成的单桔桥式整流电路模型如图 5-3 所示,为了简化仿真过程,在本例中省 略了整流变压器。 模型中使崩了两种测量仪器,示波器( Scope) 和多路测量器( Multimeter) 。 示波器可以观测它连接点上的波形,多路测量器( Multimeter) 可以接收 一 些模 块发送出来的参数倍号并通过示波器观测,接上观测器后的伤真电路如图 5-4 所 113 :王2 段9 5-3 根根桥式慈流电路模型 U专1lvt R!O Pulse Generatorl 照 5-4 连接了 7J三波苦苦的学丰民案要流也路模滋 114 刁亏。 2. 设置模型参数。设置模型参数是保证仿真准确和顺利的重要一步,有些 参数是由仿真任务规定的,如本例仿真中的电源电压、电阻值等,有些参数是 需要通过仿真来确定的。设置模型参数可以双击模块图标弹出参数设置对话框, 然后按框中提示输入,若有不清楚的地方可以借助 Help 帮助。在本例中,参数 设置如下: (1)交流电压源 u2 , (即图 5-4 中 u2) 电压为 220V ,频率为 50Hz ,初始相 位为 00 。在电压设置中要输入的是电压峰值,在该栏中键入 "220 x sq此 (2)" 。 在对话框最后的测量选择选中电压 "volt唔e ,"这样, u2 数据可以送入多路测量 器 (Multimeter) 。 (2) 晶闸管 VT1 - VT4 直接使用了模型的默认参数,也可以另外设置。 (3) 负载 RLC , R 的值 20 , L 的值 0 , C 的值为 inf ,并在参数页最后的测量 选择中选择, "voltage and current ,,,这样负载 R 的电压和电流可以通过多路测量 器( Multimeter) 观测。 (4) 本例晶闸管的触发采用简单的脉冲发生器(Pulse Generator) 来产生,脉 冲发生器的脉冲周期 T 必须和交流电源 u2 同步。晶闸管的控制角 α 以脉冲的延 迟时间 t 来表示 t = α T/3ω。,其中 a 为控制角 , T = 11/, /为交流电源频 率。本例在 α= 30。时的脉冲发生器参数设置见表 5-2 。 褒 5.2 脉冲发生帽'萨戴设置 项目 脉冲发生器 l 脉冲发生器 2 脉冲类型 (Pul.e type) Time-based Time-based 脉冲幅值( Ampli tude) 周期( Period) 脉冲宽度( Pulse "Width) 0.02. 。以JOSs 。 .02. o.αJ05. 相位延迟 (Phase delay) o. ∞ 167. 0.01167. 3. 模型仿真 在模型开始仿真前还必须首先设置仿真参数。在菜单中选择 Simulation ,在 下拉菜单中选择 Simulation parameter冒,在弹出的对话框中可设置的项目很多,主 要有开始时间、终止时间、仿真类型(包括步长和解电路的数值方法) ,以及相 对误差、绝对误差等。步长、解法和误差的选择对仿真运行的速度影响很大, 步长太大计算容易发散,步长太小运算时间太长,在难于确定时一般可选可变 步长( variable - step) ,仿真数值计算方法可选 ode15 、 ode23 、 ode45 等,误差选择 1/ 1 【阁。对于电力电子电路的仿真精度来说是足够了。本例的仿真参数设置如图 5-5 所示。 在参数设置完毕后即可开始仿真。在菜单 Simulation 下选择 Sta此,或直接点 115 [飞 :::1 阳中飞 1 1)丑忖纳 5riE …1. 1 flHl 一 …叫 m 叩叫 叫 黯 巾二十 w 叫 回 浴 一 ­ ←l.o?Ejs;!ifTL 酣 精黯缸' 他革辈 M磁邮如: 1 剖b 子 送制问愉附灿: I1e-jm 叫叫他 l~ut飞 如阳敞哪 !?ηJi !~I)制然即棚 puto 叫η 得七二 旦旦旦 r,世茹苦, 。嘟A 锦阳将 哩哇 IRefine output ,':)1 一 1锣 直 !JI ~ '" FtVille f树{i 一 叫国国目 愿 5-5 仿真参数设经对话框 ïtr 工具栏上的"...."圈标妨真立即开始,在屏秦基下党的状态栏上可以看到仿真 的进程。若要中途停止仿真可以选择 Stop 或工具栏上的~&l1li "圈标 。 在仿真计算究成后即可以通过示波器来兢黎仿真的结果。我们已经在需要 因 5-6 电源电压 u2 波形 116 观测的点上政置了示披器,双击示波器图幸示,即可弹出示波器窗口显辰输出波 彤。 (1)电阻性负载时的仿真波形 。 图 5-6 、黯 5-7 和图 5-8 分另f(是妨真参数设置 对话榷中设寰的结真时间 0- 0.06s 内,电擦过的电压被形和品!留管 VTl和 V'口、 V'口和 VT4 的触发脉冲 。 留 5-91二音在手日围 5-9 下部分别为 α= 300 、民的值 为 2D 时负载两端的电压和通过负载的电流波形,该电压和电流都是脉动的直 流,反映了电掘的交流电经过整流器后成为了直流电,实现了整流 。 因为是电 阻负载,整流后的电压和电流波形相同,但是纵坐标的标尺不同,电压的幅值 U m =311V ,电流的幅值 1m = 155A ,与计算的结果 1m = Um/R 相同 。 图 5-10 下部 和困 5-10 上部分别为品阙管 VTl两端的电压和通过晶闸管 VTl的电流放形,通 过晶隅管的电流仅是负载电流的 一 半,只在半个周期内有电流通过品阔管 VTl o 并且通过比较可以看到在晶闸管导通时品阁管南端电压为零,在 4 个品;满管都 不导遇时 (0.01 - 0.012s , 0.02 - 0.022s 区部) ,每个晶闸管承受 u212 电压,旦晶 附管承受的鼓高度向电压为电源电压的蜂佳 311V. 根据该电压和电流可以选择 晶闸管的额定参数 。 图 5-7 品阀管 VTl和 VT3的触发脉冲 因 5-8 品阀管盯2 牵挂 VT4 的触发脉冲 117 005θ α 忘 300时负载也随在苍生翁的也应波彩和电流波彩 图 5-10 a = 300时品|哥哥管的电流放形和占主阙镑的电压波形 如果要观察在其他控制角下,整流器的工作情况,只需修改脉冲触发器的 延迟时间,重新启动仿真即可 。 器 5-11 上部和下部分别为 α 二 ω。时负载电盟两 端的电压和通过负载的电琉波形。留 5-12 下部布上部分别为 α= 600 B才品闸管 VTl两端的电压和通过晶闸管 VTl 的电流波形 。 (2) 电阻电感 ( RL) 负载时的仿 真。如果要研究电感性负载时整流器的工 作情况,只需重新设置负载参数 。 设阳d 负载,民的值为 20. L 的值为 0.01 日, 再次启动仿真,得到图 5-13 布图 5-14 所示的波形 。 如器所见,电感中电流在启 动时,有 一 上升过程(圈子 13 下部) .一个周期后进入稳态,电流是连续的,对 应的电压波形出现负半周(图 5-13 上部) ,使整流平均电压较纯电阻负载时减 小。 118 因 5-11 α=ω。时负载电阻两端的电应该彩和电流波形 图 5-12 α= 600时品闸管的电流波形和电压波形 一一一l 119 i到 5-13 α'" 600 时也感负载重要流路输出吃'!.E长被彩和电流派 ff; 出工与L千一二斗斗ι一半二二经.盗"整理lJi 院 5-14 α= 600 时也感负载号楼流苦苦品 i间?苦的也流放形和也 i豆波形 5. 1. 2 三相桥式全控整流电路仿真 二栩桥式全控整 ÌÆE rl1路是 !JtFHf是广泛的楼;或电路,完整的:相拼式金投整 流电路往1 教流变 j示器、 6 个桥式连接的品 l间管、负载、触发器和同步环节组成 120 (见图 5-15) 0 6 个晶闸管以次相隔 600触发,将电源交流电整流为直流电 。 三相 桥式整流电路必须采用双脉冲触发或宽脉冲触发方式,以保证在每一瞬时都有 两个晶闸管同时导通(上桥臂和下桥臂各一个)。整流变压器采用三角形/星形联 结是为减少 3 的整倍数次谐波电流对电源的影响。 整流变压器 VTll_ VT3I_ VT51 同步变压器 负 载 VT41 _ VT61 _VT2 6 路触发脉冲 图 5-15 三相桥式全控整流原理电路 三相桥式整流电路的仿真使用 MATLAB 模型库中的三相桥和触发器的集成 模块是很方便的。用模型库中元器件组成的三相桥式整流电路的仿真模型如图 5-16 所示。 仿真模型中主要使用的元器件模块和提取路径见表 5-3 ,在模型的整流变压 器和整流桥之间接入了一个三相电压.电流测量单元 V-I 是为观测方便。整流器 的输出电压和电流是通过多路测量器测量负载的电压和电流来实现的,当然也 可以用电压和电流测量单元直接检测整流器输出单元和电流。在整流器工作中 保证触发脉冲与主电路同步很重要,仿真使用的 6 脉冲发生器是在同步电压过 零时作为控制角 α=0。的位置,因此在整流变压器采用 D. /Y -11 联结时,同步变 压器也可以采用 D. /Y-ll 联结,同步信号的连接如图 5-16 所示。在同步信号关系 难以确定时,可以发挥仿真的特点,将三相同步电压信号以不同的顺序连接到 6 脉冲发生器的 AB 、 BC , CA3 个同步输入端,然后运行该模型,观察整流器输出 电压波形,如果电压波形在一周期中 6 个波头连续规则,则该整流器的同步是 正确的。负载和控制角可以按需要设定 。 {伊~ 5-1] 三 相桥式全控整流电路,电摞相电压为 220V ,整流变压器输出 电压为 1 ∞V (相电压) ,观察整流器在不同负载,不同触发角时整流器输出电 压、电流波形,测量其平均值,并观察整流器交流侧电流披形和分析其主要次 谐波。

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