基于SIMULINK的電力電子系統(tǒng)仿真研究.doc

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（2008屆）題目基于SIMULINK的電力電子系統(tǒng)仿真研究學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)學(xué)號(hào)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師完成日期錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。信息科學(xué)與工程學(xué)院畢業(yè)(設(shè)計(jì))論文.i.基于SIMULINK的電力電子系統(tǒng)仿真研究【摘要】針對(duì)電力電子電路，使用MATLAB/SIMULINK進(jìn)行了仿真。包括三相交流橋式整流電路、斬波電路、逆變電路、基于SPWM的交流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)和AC-DC-ACPWM變換器。首先介紹各個(gè)元器件的使用和它在電路中作用，并了解整個(gè)電路的工作原理，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)MATLAB/SIMULINK軟件來(lái)建立各電路的仿真模型，并且對(duì)各個(gè)模塊和系統(tǒng)內(nèi)部的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，例如仿真算法、電子器件的選擇和電源幅值和頻率等，最終實(shí)現(xiàn)電力電子系統(tǒng)在MATLAB中的仿真。仿真結(jié)果和理論分析結(jié)果相一致，驗(yàn)證了仿真建模的有效性和正確性。【關(guān)鍵詞】電力電子，MATLAB，仿真，模型,調(diào)速信息科學(xué)與工程學(xué)院畢業(yè)(設(shè)計(jì))論文.ii.SimulationofPowerElectronicsSystemBasedonMATLAB/SIMULINK【Abstract】Inthelightofpowerelectronicscircuit,usedMATLAB/SIMULINKtocarryonthesimulation.Includingthree-phaseFull-Bridgecontrolledrectifier,choppingcircuit,invertercircuit,alternating-currentmachinespeedregulatingbasedonSPWMandAC-DC-ACPWMinverter.Firstintroducedeachcomponenttheuseanditaffectedintheelectriccircuit,andunderstoodthewholecircuittheory,inthisfoundation,establishedvariouselectriccircuitsthroughMATLAB/SIMULINKsoftwarethesimulationmodel,andsettheestablishmenttoeachmoduleandtheinteriorparameterofsystem,forexamplesimulationalgorithm,electronicdevicechoiceandelectricalsourcepeak-to-peakvalueandfrequencyandsoon,finallyrealizedsimulationthattheelectricpowerelectronicsalternating-currentcircuitinMATLAB.Simulationresultandtheoreticalanalysisresultconsistent,hasconfirmedthesimulationmodellingvalidityandtheaccuracy.【KeyWords】PowerElectronics,MATLAB,Simulation,Model,SpeedRegulating信息科學(xué)與工程學(xué)院畢業(yè)(設(shè)計(jì))論文.iii.目錄第一章緒論11.1選題的背景與意義11.2國(guó)內(nèi)外電力電子技術(shù)的現(xiàn)狀11.2.1國(guó)外電力電子技術(shù)發(fā)展的狀況11.2.2國(guó)內(nèi)電力電子技術(shù)發(fā)展的狀況21.3計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用31.4本論文的主要研究?jī)?nèi)容及目標(biāo)4第二章電力電子器件52.1電力電子器件的概述52.1.1電力電子器件的一般概念及作用52.1.2電力電子器件的分類(lèi)52.2常用電力電子器件的SIMULINK模型62.2.1IGBT模塊62.2.2晶閘管模塊62.2.3PWM脈沖發(fā)生器模塊7第三章基于SIMULINK的常用電力電子電路建模93.1三相橋式整流電路93.2斬波電路113.2.1降壓斬波電路113.2.2升壓斬波電路123.3逆變電路143.3.1SPWM逆變電路14信息科學(xué)與工程學(xué)院畢業(yè)(設(shè)計(jì))論文.iv.第四章基于SIMULINK的電力電子應(yīng)用系統(tǒng)建模164.1基于SPWM的交流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)164.2AC-DC-ACPWM變換器18第五章基于MATLAB/SIMULINK的仿真研究225.1SIMULINK仿真條件設(shè)置225.2常用電力電子電路仿真結(jié)果及分析235.2.1三相橋式全控整流電路的仿真結(jié)果及分析235.2.2斬波電路的仿真結(jié)果及分析2降壓斬波電路的仿真結(jié)果及分析2升壓斬波電路的仿真結(jié)果及分析295.2.3逆變電路的仿真結(jié)果及分析305.3電力電子應(yīng)用系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析335.3.1基于SPWM的交流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)電路的仿真結(jié)果及分析335.3.2AC-DC-ACPWM變換器電路的仿真結(jié)果及分析36第六章總結(jié)38參考文獻(xiàn)39致謝40信息科學(xué)與工程學(xué)院畢業(yè)(設(shè)計(jì))論文第1頁(yè)第一章緒論1.1選題的背景與意義近幾年來(lái)，隨著現(xiàn)代社會(huì)的不斷進(jìn)步，世界的經(jīng)濟(jì)將發(fā)生巨大變革，知識(shí)經(jīng)濟(jì)開(kāi)始替代工業(yè)經(jīng)濟(jì)，這對(duì)世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將有很大推動(dòng)力。隨著神舟飛船的首次載人飛行，嫦娥饒?jiān)碌牡膶?shí)現(xiàn)，中國(guó)的這些高科技技術(shù)的成功，讓西方國(guó)家震驚不已，誰(shuí)擁有電力電子這種先進(jìn)的高薪科技產(chǎn)品，誰(shuí)就掌握競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)。但是總體說(shuō)來(lái)我國(guó)當(dāng)前電力電子與電力傳動(dòng)技術(shù)的水平落后于國(guó)際先進(jìn)水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，特別是還面臨著國(guó)外產(chǎn)品嚴(yán)重沖擊，因此，我們必需清醒地認(rèn)識(shí)到這一挑戰(zhàn)并且要勇敢地面對(duì)。因此電力電子交流電路模擬仿真的研究已成為我國(guó)的研究熱點(diǎn)之一。電力電子電路最基本的拓?fù)湫问?，近年?lái)一些新的電路拓?fù)湫问饺缰C振型逆變電路、矩陣式變頻電路等不斷涌現(xiàn)。人們也期待著通過(guò)對(duì)電力電子電路拓?fù)涞牟粩嘌芯浚l(fā)現(xiàn)一些更新的拓?fù)湫问?，使電力電子裝置性能更為優(yōu)良。電力電子作為節(jié)能、節(jié)才、自動(dòng)化、智能化、機(jī)電一體化的基礎(chǔ),正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍已無(wú)處不在在如交通系統(tǒng)和電力系統(tǒng)，此外，電力電子技術(shù)用于宇宙開(kāi)發(fā)也正在引起人們的廣泛關(guān)注。在不遠(yuǎn)的將來(lái),電力電子技術(shù)將使電源技術(shù)更加成熟、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用,實(shí)現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電相結(jié)合。1.2國(guó)內(nèi)外電力電子技術(shù)的現(xiàn)狀1.2.1國(guó)外電力電子技術(shù)發(fā)展的狀況自從半導(dǎo)體問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)幾十年來(lái)的發(fā)展，電力電子技術(shù)從以低頻技術(shù)處理問(wèn)題為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué),向以高頻技術(shù)處理問(wèn)題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來(lái)的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時(shí)代。電力電子技術(shù)發(fā)展的變換主要體現(xiàn)在器件上2，幾十年來(lái)，以晶閘管為基礎(chǔ)的可控硅整流裝置使直流傳動(dòng)占據(jù)了傳動(dòng)領(lǐng)域的統(tǒng)治地位。然而，晶鬧管畢竟是一種半控型器件，只能導(dǎo)通，不能關(guān)斷，被稱(chēng)為第一代半導(dǎo)體器件。半控型器件在信息科學(xué)與工程學(xué)院畢業(yè)(設(shè)計(jì))論文第2頁(yè)交流傳動(dòng)及變頻調(diào)速中無(wú)法大顯身手。70年代來(lái)，陸續(xù)發(fā)明的功率晶體管(GTR)門(mén)投可關(guān)斷品閘管(GTO)、功率MOS場(chǎng)效空管、絕緣柵極晶體管(IGBT)、靜電感應(yīng)晶體管(SITH)等等全控型器件，在線路中，既能控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷，則被稱(chēng)為第二代電力半導(dǎo)體器件。它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上是把若干個(gè)(直至數(shù)十萬(wàn)個(gè))具有相同功能的元胞進(jìn)行并聯(lián)集成，在制造上采用把晶閘管向高電壓、大電流方向發(fā)展所積累起來(lái)的各種經(jīng)驗(yàn)同微電子的微細(xì)加工方面的成就相結(jié)合的成果。90年代，將綜合這些器件的優(yōu)點(diǎn)而研制成MOS柵控晶閘管(MCT)和場(chǎng)控GTO(MOSGTO)將成為國(guó)際上第三代電力電子器件。這些器件進(jìn)一步把具有不同功能的控制單元、邏輯單元、傳感單元、量測(cè)單元和保護(hù)單元集成一體，既具有電路功能，又使用更為方便可靠，正受到舉世矚目。電力電子技術(shù)是能源技術(shù)、電子技術(shù)和控制技術(shù)三大領(lǐng)域的交叉，其主要功能是利用大功率半導(dǎo)體器件及其相應(yīng)的控制與保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電能某些參量和特性（電壓、電流、頻率、相位、相數(shù)、波形等）的控制與交換，以實(shí)現(xiàn)電力的某些使用目的，并提高使用的質(zhì)量與效率。80年代以來(lái)，電力電子技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)和節(jié)能技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)全面深入地滲透到經(jīng)濟(jì)、國(guó)防、科技和社會(huì)生活的各個(gè)方面。它是當(dāng)今世界發(fā)展最快、潛力巨大的產(chǎn)業(yè)之一，電力電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的成功與否，對(duì)一個(gè)國(guó)家的國(guó)民經(jīng)濟(jì)整體水平有著重要的影響，所以，世界各國(guó)對(duì)電力電子技術(shù)都很重視，加快了電力電子產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。1.2.2國(guó)內(nèi)電力電子技術(shù)發(fā)展的狀況不容置疑，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)電力電子應(yīng)用技術(shù)具有十分巨大的需求。為了迅速改變我國(guó)電力電子技術(shù)的落后狀況，適應(yīng)國(guó)際市場(chǎng)嚴(yán)峻的競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)，我國(guó)政府也下了很大的決心和采取了很多措施大力發(fā)展電力電子技術(shù)，電力電子技術(shù)已被列入國(guó)家“九五”科技發(fā)展規(guī)劃和國(guó)家關(guān)鍵新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃。到90年代，我國(guó)在某些現(xiàn)代電力電子技術(shù)，如軟開(kāi)關(guān)、功率因數(shù)校正、IGBT的應(yīng)用、并聯(lián)均流、智能控制、諧波治理、計(jì)算機(jī)仿真等的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方面取得了一些成就，有些研究成果已在產(chǎn)業(yè)部門(mén)中得到推廣和應(yīng)用。但是，總的說(shuō)來(lái)我國(guó)電力電子技術(shù)的水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)際先進(jìn)水平，遠(yuǎn)跟不上我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，特別是還面臨著國(guó)外產(chǎn)品嚴(yán)重沖擊的嚴(yán)峻形勢(shì)。國(guó)產(chǎn)功率器件目前主要還限于不控或半控器件（整流管和可控硅）。大功率結(jié)型全控器件（GTO，GTR）雖有引進(jìn)，但因市場(chǎng)和質(zhì)量等原因，至今未能形成批量生產(chǎn)能力；場(chǎng)控器件（功率MOS、IGBT等和智能功信息科學(xué)與工程學(xué)院畢業(yè)(設(shè)計(jì))論文第3頁(yè)率模塊IPM）全靠進(jìn)口。目前國(guó)產(chǎn)的電力電子裝置還主要局限于利用大功率整流管和硅晶閘管生產(chǎn)的整流電源、直流調(diào)速和可控硅靜止變頻裝置，而反映當(dāng)代電力電子裝置發(fā)展方向的高技術(shù)產(chǎn)品在我國(guó)目前尚處于研制開(kāi)發(fā)階段。這樣一來(lái)，急需電力電子設(shè)備的一些大型企業(yè)就干脆直接從國(guó)外進(jìn)口，而一般企業(yè)則因財(cái)力和企業(yè)技術(shù)水平所限，只得采用落后的技術(shù)和設(shè)備，這就嚴(yán)重地影響了我國(guó)電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展和推廣。這些問(wèn)題制約了產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的保持和提高，延緩了電力電子產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展進(jìn)程。要加快我國(guó)電力電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的步伐，增強(qiáng)其在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力，是我們當(dāng)代大學(xué)生應(yīng)有的義務(wù)和責(zé)任3。1.3計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)把現(xiàn)代仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)發(fā)展結(jié)合起來(lái)，并在某些實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的一門(mén)綜合性技術(shù)。它具有高效、安全、受環(huán)境條件的約束較少、可改變時(shí)間比例尺等優(yōu)點(diǎn)，已成為分析、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、評(píng)價(jià)、培訓(xùn)系統(tǒng)（尤其是復(fù)雜系統(tǒng)）的重要工具。在我國(guó)，自從20世紀(jì)50年代中期以來(lái)，系統(tǒng)仿真技術(shù)就在航天、航空、軍事等尖端領(lǐng)域得到應(yīng)用，取得了重大的成果。自20世紀(jì)80年代初開(kāi)始，隨著微機(jī)的廣泛應(yīng)用，數(shù)字仿真技術(shù)在自動(dòng)控制、電氣轉(zhuǎn)動(dòng)、機(jī)械制造、造船、化工等工程技術(shù)領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用1。近年來(lái)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在電力電子技術(shù)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。促進(jìn)了電力電子產(chǎn)品研究、開(kāi)發(fā)水平的提高，改善了電力電子產(chǎn)品的性能，縮短了產(chǎn)品的創(chuàng)新周期?？梢?jiàn)，電路與系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真在電力電子技術(shù)的應(yīng)用研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中占有重要的地位，它可以加深工程師對(duì)電路與系統(tǒng)工作原理的理解，加速電路的設(shè)計(jì)和理論的完善，幫助生產(chǎn)企業(yè)提高自身開(kāi)發(fā)的水平，改善產(chǎn)品性能并能有效地縮短產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期。目前常用的仿真軟件有PSpice,Saber,Simplis和Matlab等幾種。通常把電力電子仿真軟件分為兩種：即側(cè)重于電路的仿真器和側(cè)重于方程求解的仿真器。PSpice和Matlab分別是兩類(lèi)仿真器的代表。PSpice是較早出現(xiàn)的EDA軟件之一，由MICROSIM公司于1985年推出。在電路仿真方面，它的功能可以說(shuō)是最為強(qiáng)大，在國(guó)內(nèi)被普遍使用.。PSpice最大的優(yōu)點(diǎn)就是能夠把仿真與電路原理圖的設(shè)計(jì)緊密的結(jié)合在一起。PSpice廣泛應(yīng)用于各種電路分析、激勵(lì)建立、溫度與噪聲分析、模擬控制、波形輸出、數(shù)據(jù)輸出，并在同信息科學(xué)與工程學(xué)院畢業(yè)(設(shè)計(jì))論文第4頁(yè)一個(gè)窗口內(nèi)同時(shí)顯示模擬與數(shù)字電路。無(wú)論對(duì)哪種器件哪些電路進(jìn)行仿真，包括IGBT、脈寬調(diào)制電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)/模轉(zhuǎn)換等，都可以得到精確的仿真結(jié)果，可以滿(mǎn)足電力電子電路動(dòng)態(tài)仿真的要求。但PSpice的仿真數(shù)據(jù)處理量龐大，仿真和處理速度慢，輸出數(shù)據(jù)格式和兼容性差，這些方面也限制了PSpice的應(yīng)用。Matlab是自動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的仿真軟件。其應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱，可視化建模仿真，文字處理及實(shí)時(shí)控制等功能，成為廣大科研人員的最值得信賴(lài)的助手和朋友。Matlab最新版本MATLAB2007b于2007年秋節(jié)正式發(fā)布，在R2007b中（MATLAB7.4,Simulink6.6），主要更新了多個(gè)產(chǎn)品模塊、增加了多達(dá)350個(gè)新特性、增加了對(duì)64位Windows的支持，并新推出了.net工具箱。Matlab中的PowerSystemBolckset(PSB)含有在一定使用條件下的元件模型，包括電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)元件、電機(jī)、電力電子器件、控制和測(cè)量環(huán)一相以及二相元件庫(kù)等，再借助于其它模塊庫(kù)或工具箱，在Simulink環(huán)境下，可以進(jìn)行電力系統(tǒng)的仿真計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制方法仿真，同時(shí)可以觀察仿真的執(zhí)行過(guò)程。仿真結(jié)果在仿真結(jié)束時(shí)利用變量存儲(chǔ)在Matlab的工作空間中。PSpice和PSB仿真