電力電子技術應用實例MATLAB仿真_圖文

1、目錄摘要 (1關鍵詞 (11.引言 (12.單相半波可控整流電路 (12.1實驗目的 (12.2實驗原理 (12.3實驗仿真 (23.單相橋式全控整流電路 (83.1實驗目的 (83.2實驗原理 (83.3實驗仿真 (94.三相半波可控整流電路 (104.1實驗目的 (104.2實驗原理 (114.3實驗仿真 (125. 三相半波有源逆變電路 (145.1實驗目的 (145.2實驗原理 (145.3實驗仿真 (156.三相橋式半控整流電路 (176.1 實驗目的 (176.2實驗原理 (176.3 實驗仿真 (177.小結 (19致謝 (19電力電子技術應用實例的MATLAB 仿真摘 要 本文

2、是用MATLAB/SIMULINK 實現(xiàn)電力電子有關電路的計算機仿真的畢業(yè)設計。論文給出了單相半波可控整流電路、單相橋式全控整流電路、三相半波可控整流電路、三相半波有源逆變電路、三相橋式全控整流電路的實驗原理圖、 MATLAB 系統(tǒng)模型圖、及仿真結果圖。實驗過程和結果都表明:MATLAB 在電力電子有關電路計算機仿真上的應用是十分廣泛的。尤其是電力系統(tǒng)工具箱-Power System Blockset (PSB 使得電力系統(tǒng)的仿真更加方便。關鍵詞 MATLAB SIMULINK PSB 電力電子相關電路1.引言MATLAB 是由Math Works 公司出版發(fā)行的數(shù)學計算軟件,為了準確建立系統(tǒng)

3、模型和進行仿真分析,Math Works 在MATLAB 中提供了系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具一SIMULINK 。其有兩個明顯功能:仿真與連接,即通過鼠標在模型窗口畫出所系統(tǒng)的模型,然后可直接對系統(tǒng)仿真。這種做法使一個復雜系統(tǒng)模型建立和仿真變得十分容易。42在1998年,MathWoIks 推出了電力系統(tǒng)仿真的電力系統(tǒng)工具箱-Power System Blockset (PSB 。其中包括了電路仿真所需的各種元件模型,包括有電源模塊、基礎電路模塊、電力電子模塊、電機模塊、連線器模塊、檢測模塊以及附加功率模塊等七種模塊庫。每個模塊庫中包含各種基本元件模型,如電源模塊中有直流電壓、電流源,交流電壓

4、源、電流源,受控電壓源、電流源等五種電源模型。電力電子模塊庫包含了理想開關元件、晶閘管、功率場效應管、可關斷晶閘管等多種功率開關元件模型;電機模塊庫中包含了各種電機模型。如異步電動機、同步電動機、永磁同步電動機等。只需將模塊中的元件拖到SIMULINK 窗口中,通過參數(shù)設置對話框設置參數(shù)就可以實現(xiàn)電路和電力系統(tǒng)的仿真了。45由于本文是對基本電路一個個進行仿真,采用實驗報告的方式會比較簡單,明了,所以格式會和一般的論文有所不同。2.單相半波可控整流電路2.1實驗目的:掌握單相半波可控整流電路MATLAB 仿真方法,會設置各模塊的參數(shù)。2.2實驗原理:圖為單相半波可控整流器原理圖及接電阻性負載和電

5、感性負載時的原理圖。電阻性負載的特點是電壓和電流成正比,波形相同并且同相位,電流可以突變。 負載端電壓d U =0.452U (1+cos /2.1式中,2U 為變壓器二次側相電壓,為晶閘管出發(fā)控制角。 單相半波可控整流器原理圖對電感性負載,當流過電感的電流變化時,電感兩端產(chǎn)生感應電勢,感應電勢對負載電流的變化有阻止作用,使得負載電流不能突變。當電流增大時,電感吸收能量儲存,電感的感應電勢阻止電流增大;當電流減少時,電感釋放出能量,感應電勢阻止電流的減少,輸出電壓,電流有相位差。U的波形發(fā)生變化,負載上的輸出電壓平均通過改變觸發(fā)角的大小,直流輸出電壓d值發(fā)生變化。當=180,由于晶閘管只在電源

6、電壓正半波(0180內(nèi)導通。輸出電U為極性不變但瞬時值會變化的脈動直流。所以稱半波整流。壓d觸發(fā)延遲角也稱觸發(fā)角或延遲角,是指晶閘管從承受正向電壓開始到剛導通時之間的點角度。導通角是指晶閘管在一周期內(nèi)處于通態(tài)的電角度。出電壓單相半波可控整流器在電阻性負載情況下,控制角與導通角的關系為+=1801U出現(xiàn)的時刻,即改變控制角的大小。移相是指改變觸發(fā)脈沖gU的移動范圍,它決定了輸出電壓的變化范圍。單相半波可控整流移相范圍是指觸發(fā)脈沖g器電阻性負載時的移相范圍是0180。2.3計算機仿真實驗啟動MATLAB,進入SINMULINK后新建文檔,繪制單相半波可控整流器結構模型圖,如圖所示。雙擊各模塊,在出

7、現(xiàn)的對話框內(nèi)設置相應的參數(shù)。 可關斷晶閘管元件的參數(shù)設置對話框雙擊晶閘管模塊,元件參數(shù)設置對話框如下。晶閘管元件內(nèi)電阻on R ,單位為。晶閘管元件內(nèi)電感on L ,單位為H 。注意,電感不能設置為0。晶閘管元件的正向管壓降f V ,單位為V 。電流下降到10%的時間f t ,單位為秒(s 。電流拖尾時間q T ,單位為秒(s 。初始電流c I ,單位為A ,與晶閘管元件初始電流的設置相同。通常將c I 設置為0 。 緩沖電阻s R ,單位為,為了在模型中消除 緩沖電路,可將s R 參數(shù)設置為inf 。 緩沖電容s C ,單位為F ,為了在模型中消除 緩沖電路,可將緩沖電容s C 設置為0。為

8、了得到純電阻s R ,可將電容C 參數(shù)設置為inf 。仿真含有可關斷晶閘管的電路時,必須使用剛性積分算法。通常使用ode23tb 或ode15s ,以獲得較快的仿真速度。雙擊RLC 模塊,單個電阻,電容,電感元件的參數(shù)設置對話框如下,本例中設置電阻R=10,電感L=0H ,電容C 為inf 。串聯(lián)RLC 分支與并聯(lián)RLC 分支的設置方法如下表 。 單個電阻、電容、電感元件的參數(shù)設置對話框 雙擊脈沖發(fā)生器模塊(Pulse, 固定時間間隔的脈沖發(fā)生器參數(shù)設置對話框如下。本例H,脈沖寬度中振幅設置為5V,周期與電源電壓設置的一致,為0.02s(即頻率為50Z為2,初相位(控制角為0.0025(45

9、固定時間間隔的脈沖發(fā)生器參數(shù)設置對話框雙擊電源電壓的模塊,參數(shù)設置對話框如下,本例中電源電壓的幅值為100V,初相位為0,電源電壓的周期與固定時間間隔的脈沖發(fā)生起的周期都為0.02s。 電源電壓的參數(shù)設置對話框選擇“Simulation”菜單中的“Simulation parametes”命令,出現(xiàn)仿真參數(shù)設置對話框如下,本例選擇ode23tb算法,將相對誤差設置為0.001。開始仿真時間設置為0.0,停止仿真時間設置為0.1. 仿真參數(shù)設置對話框信號標簽傳遞的方法有兩種:標簽即可傳遞信號標簽,然后選擇“Edit”菜單中的“Update Diagram”命令來刷新模型。單擊“Simulatio

10、n”菜單下的“Start”命令進行仿真。雙擊示波器模塊,得到仿真結果。 控制角為0控制角為45單擊示波器工具欄的“Scope parameters”圖標,出現(xiàn)“General”選項卡和Data history”選項卡對話框。本例中設置的坐標系樹木為6,顯示時間為0.1(設置的是橫坐標坐標標簽為all。單擊右鍵,選擇彈出快捷菜單中發(fā)“Axes properties”命令,出現(xiàn)示波器的縱坐標參數(shù)設置對話框。本對話框設置的是觸發(fā)信號縱坐標。 “General”和“ Data History”選項卡對話框 示波器的縱坐標參數(shù)設置對話框帶電阻電感性負載的仿真與帶電阻性負載的仿真方法基本上是相同的。但是需

11、要將RLC 的串聯(lián)分支設置為電阻電感性負載。在本例中,設置電阻R=1,L=0.01H,電容為inf。下圖分別為控制角為0和45時的仿真結果。 控制角為0控制角為453.單相橋式全控整流電路3.1實驗目的掌握單相橋式全控整流負載電路MATLAB的仿真方法,會設置各模塊的參數(shù)。3.2實驗原理電路如圖所示,圖中DJK03是實驗裝置上的晶閘管出發(fā)控制電路,假設電路已工作在穩(wěn)態(tài)。 帶電阻電感性負載的單相橋式全控整流試驗原理圖在2U 正半周期,觸發(fā)角處給 1VT 和4VT 加觸發(fā)脈沖使其開通,d U =2U 。負載中有電感存在是負載電流不能突變,電感對負載電流起平波作用,假設負載電感很大,負載電流d I

12、連續(xù)且波形近似為一水平線,2U 過0邊負時,由于電感的 作用晶閘管1VT 和4VT 仍流過電流d I ,并不關斷。至t=+時,給3VT 和2VT 加觸發(fā)脈沖,因為3VT 和2VT 已經(jīng)承受正電壓,所以兩管導通。3VT 和2VT 導通后,2U 通過3VT 和2VT 分別想1VT 和4VT 施加反壓是1VT 和4VT 關斷,流過1VT 和4VT 的電流轉移到3VT 和2VT 上,此過程為換相或換流。至下一周期重復上述過程,如此循環(huán),其平均值為 d U =20.9cos U 13.3實驗仿真帶電阻電感性負載的仿真:啟動MATLAB ,進入SIMULINK 后建文檔,繪制單相橋式全控整流電路模型,如圖

13、,雙擊各模塊,在出現(xiàn)的對話框內(nèi)設置各模塊。 注意:觸發(fā)脈沖“Pulse”和“Pulse2”的控制角必須相同,“Pulse1”和“Pulse3”的控制角設置必須相同,否則會燒壞晶閘管。設置好各模塊參數(shù),單擊工具欄的按鈕或“Simulation”菜單下的“Start”命令進行仿真。雙擊各模塊,得到仿真結果。 控制角為0控制角為904.三相半波可控整流電路4.1實驗目的:掌握三相半波可控整流電路MATLAB的仿真方法,會設置各模塊的參數(shù)。4.2實驗原理:三相半波可控整流電路實驗原理如圖所示,圖中用了三個晶閘管,與單向電路比較,其輸出電壓脈沖小,輸出功率大。不足之處是晶閘管電流即變壓器的副邊電流在一個

14、周期內(nèi)只有三分之一的時間有電流流過,變壓器利用率較低。 三相半波可控整流電路試驗原理圖三相半波可控整流電壓平均值的計算分兩種情況:d U =1235 d U =123 26sin (td t +21+cos 6+(=0.6752U 1+cos 6+( 負載電流的平均值為: d I =d U R晶閘管電流平均值: dt I =13d I 如果負載為電阻電感性負載,且L 值很大,整流電流d I 的波形基本是平直的,流過晶閘管的電流接近矩形波。小于30時,整流電壓波形與電阻性負載時相同,因為在兩種負載情況下,負載電流均連續(xù)。大于30時,例如=60,當2U 過0時,由于電感的存在,組織電流下降因而 1

15、VT 繼續(xù)導通,直到下一相晶閘管2VT 的觸發(fā)脈沖到來,才發(fā)生換流,由2VT 導通向負載供電,同時向1VT 施加反壓使其關斷。在這種情況下d U 波形中出現(xiàn)負的部分,若變大,d U波形負的部分變多,若=90時,d U 波形中正負面積相等,d U 的平均值為0。所以電阻電感性負載時的移相范圍為90。3負載電流連續(xù) d U =1.172cos U 輸出電流平均值 d I =1.171R2cos U 晶閘管電流有效值 T I =2I d I =0.577d I 晶閘管電流平均值 dT I =13d I 晶閘管通態(tài)平均電流 (T AV I =1.57T I (1.52 4.3實驗仿真:啟動MATLAB

16、 ,進入SIMULINK 后新建文檔,繪制三相半波整流系統(tǒng)模型如圖。雙擊各模塊,在出現(xiàn)的對話框內(nèi)設置相應的參數(shù)。 三相半波整流系統(tǒng)模型圖打開參數(shù)設置對話框,按要求進行參數(shù)設置,主要的參數(shù)有交流峰值電壓,相位和頻率。三相電源的相位互差120。設置交流峰值電壓為208V ,頻率為25Z H 。R=10,0L H =,inf C =。觸發(fā)信號的參數(shù)設置是難點。打開脈沖發(fā)生器模塊參數(shù)設置對話框,對Pulse ,Pulse1,Pulse2進行參數(shù)設置。由于交流電壓源的頻率為25Z H ,則Pulse ,Pulse1,Pulse2的脈沖周期為0.04s ,脈沖寬度設置為脈寬的50%,脈沖高度為5,脈沖移相

17、角通過“相位角延遲”對話框進行設置。本實驗給出了為0和60時的工作情況,分別對應在整流狀態(tài),中間狀態(tài)和逆變狀態(tài)。三相半波電路的移相角零為定在三相交流電壓的自然換流點,所以在計算相位角延遲逆變時間時,還必須再增加30相位,在電源頻率為25z H 時,這個角度對應的延遲時間為0.0033s ,另外,Pulse ,Pulse1,Pulse2依次延遲0.0132s 。打開仿真/參數(shù)窗,選擇ode23tb 算法,將相對誤差設置為33(110le -。開始仿真時間為0,停止時間設置為0.1。設置好各模塊參數(shù)時,單擊工具欄的按鈕,得到仿真結果。重新設置Pulse 模塊的參數(shù),模塊中的其他參數(shù)不變,改變觸發(fā)角

18、,當=60時,Pulse 延遲0.01s ,Pulse1延遲0.0233s ,Pulse2延遲0.0366s 。單擊工具欄的按鈕,得到仿真結果。 控制角為0 控制角為60三相半波整流帶電阻電感性負載也如上圖,但負載設置1R =,L =0.01H ,控制角設置如下。60=,Pulse 延遲0.01s ,Pulse1延遲0.0233s ,Pulse2延遲0.0366s 單擊工具欄的按鈕,得到仿真結果。=90,Pulse 延遲0.0133s ,Pulse1延遲0.0266s ,Pulse2延遲0.0398s 。 單擊工具欄的按鈕,得到仿真結果。 控制角為60 控制角為905. 三相半波有源逆變電路5

19、.1實驗目的掌握三相半波有源逆變電路MATLAB 的仿真方法,會設置各模塊的參數(shù)。5.2實驗原理 圖為三相半波有源逆變實驗原理圖,假設電感很大,維持直流電流近似為一個三相橋式有源逆變電路恒定值,負載為一直流電源E 。如果需要三相半波整流器運行在逆變狀態(tài),由于晶閘管具有單向導電性,使得電流方向不變,為實現(xiàn)有源逆變必須使控制角>90,d U為負,電源E 的極性與圖上的一致,且|E|>|d U |,直流電源E 輸出功率,通過有源逆變送回電網(wǎng)。需要說明的是,無論在整流工作狀態(tài)或在逆變工作狀態(tài),晶閘管總是受到正向電壓才能被導通,晶閘管的導電順序不變,逆變器運行時,輸出電壓d U 的極性改變,

20、d U 為負值,處于關斷狀態(tài)停止導電的晶閘管承受反向電壓 的時間明顯比在整流器運行時縮短了很多。整流和逆變的區(qū)別就是控制角的不同。當0<<2時,電路工作在整流狀態(tài);當2<<時,電路工作在逆變狀態(tài)。 有關有源逆變狀態(tài)時各電量的計算,歸納如下。逆變專題的控制角為逆變角,滿足:=-輸出電壓的平均值:22.34cos d U U =-輸出直流電流的平均值為:d d U E I R -=每個晶閘管導通23,故流過晶閘管的電流有效值為: t I =晶閘管可選用實驗裝置上的正橋,電感d L =200mH ,電阻p R 選用滑線變阻器。5.3實驗仿真啟動MATLAB ,進入SIMULI

21、NK 文檔,繪制三相半波有源逆變系統(tǒng)模型。雙擊各模塊,在出現(xiàn)的對話框設置相應的參數(shù)。 打開參數(shù)設置對話框,按要求進行參數(shù)設置,主要的參數(shù)有交流峰值電壓、相位和頻率。三相電源的相位互差120,設置交流峰值電壓為100V ,頻率為25z H 。0.001n R = 0.0005on L H = 0f V = 10S R = 64.76(4.710s C e F -=-0R = 0.08L H = inf C =將E 設置為120V ,大于晶閘管三相半波整流電壓的峰值。本例中,觸發(fā)信號1與觸發(fā)信號2的振幅設置為5V ,周期與電源電壓設置一致,為0.02s (即頻率為50hz ,脈沖寬度為2。本例中,

22、當60=時,Pulse 延遲0.01s ,Pulse1延遲0.0233s ,Pulse2延遲0.0366s 。90=時,Pulse 延遲0.0133s ,Pulse1延遲0.0266S ,Pulse2延遲0.0398s 。當120=時,Pulse 延遲0.0166s ,Pulse1延遲0.0299s ,Pulse2延遲0.0432s 。打開仿真/參數(shù)窗,選擇ode23tb 算法,將相對誤差設置為33(110le -,開始仿真時間為0,停止時間為0.1。設置好各模塊參數(shù)后,單擊工具欄的按鈕,得到仿真結果 。 控制角為60 控制角為90 控制角為1206.三相橋式半控整流電路6.1 實驗目的掌握三

23、相橋式半控整流電路matlab的仿真方法,會設置各模塊的參數(shù)。6.2實驗原理:在中等容量的整流裝置或要求不可逆的電力拖動中,可采用三相全控整流電路更簡單,經(jīng)濟的三相橋式半控整流電路。它由共陰極接法的三相半波可控整流電路與共陽極接法的三相半波不可控整流電路串聯(lián)而成,因此具有可控與不可控的特性。共陽極組三個整流二極管總是在自然換流點換流,使電流換到比陰極電位更低的一相,而共陰極組三個晶閘則要在觸U的波形是三組整流電壓波形之和,改變發(fā)后才能換到陽極電位高的一個。輸出整流電壓d0 2.34U的直流可調(diào)電壓。共陰極組晶閘管的控制角 ,可獲得2R用滑線變阻器,接成并聯(lián)形式。具體電路如圖所示,電阻P 三相橋

24、式半控整流電路試驗原理圖6.3 實驗仿真:三相橋式半控整流電路供電給電阻電感性負載啟動matlab,進入simulink后新建文檔,繪制三相橋式半控整流電路模型如圖,雙擊各模塊,在出現(xiàn)的對話框設置相應的參數(shù)。 打開參數(shù)設置對話框,按要求進行參數(shù)設置,主要的參數(shù)有交流峰值電壓,相位和頻率,三相電源的相位互差120,設置交流峰值電壓為100V ,頻率為25Z H 。n R =0.001,on L =0.0001H ,f V =0,R =50,s C =250e -9(250910-F 。0.01R =,0.08L H =,inf C =脈沖發(fā)生器模塊(Pulse 的參數(shù)設置 是本例的難點,打開脈沖

25、發(fā)生器模塊的參數(shù)設置對話框,對Pulse,Pulse1,Pulse2模塊進行參數(shù)設置。由于交流電壓源的頻率為25Hz ,則Pulse,Pulse1,Pulse2模塊中的脈沖通過“相位角延遲”對話框進行設置。當控制角=0時,Pulse 為0.0033s ,Pulse1為0.0165s, Pulse2為0.0297s 。當=60時,Pulse 延遲0.01s ,Pulse1延遲0.0233s ,Pulse2延遲0.0366s 。打開仿真/參數(shù)窗周期為0.04s ,脈沖寬度設置為脈寬的50%,脈沖寬度為5,脈沖移相角,選擇ode23tb 算法,將相對誤差設置為le 3(1310-,開始仿真時間為0,

26、停止時間設置為0.1。設置好各模塊參數(shù)后,單擊工具欄的按鈕,得到仿真結果。 控制角為0 控制角為 607.小 結通過本次畢業(yè)設計,成功完成了對電力電子技術中的單相半波可控整流電路、單相橋式全控整流電路、三相半波可控整流電路、三相橋式半控整流電路、三相半波有源逆變電路的計算機仿真實驗。通過實踐證明了MATLAB/SIMUINK 在電力電子仿真上的廣泛應用。尤其在數(shù)值計算應用最廣的電氣信息類學科中,熟練掌握MATLAB 可以大大提高分析研究的效率。是理工科學生應熟練掌握的一門技術。由于條件和作者水平有限,有關電力電子的其它方面,諸如直-直變換電路、直流電動機調(diào)速系統(tǒng)、自動控制原理等方面都沒有涉及。

27、這些方面有待進一步的探索和研究,也是作者在今后工作中的重點致 謝畢業(yè)設計已經(jīng)完成,作者對電力電子和MATLAB 都有了進一步的了解和掌握,尤其是MATLAB ,在設計的過程中有了更好的掌握。同時學習方法也在實驗的過程中有了提高,認識到光掌握書本上的知識是遠遠不夠的,那樣在實際應用時很容易陷入無從下手的地步。還是要掌握技能,這樣在實際應用時才能做到不慌亂。同時,實驗中也經(jīng)歷了很多挫折,才真正體會到要想成功必須不怕困難,只要迎著困難而上才能克服它戰(zhàn)勝它。實驗也得到了陳勉老師的細心指導和時常的督促,才使我在實驗的過程中沒因為惰性和困難而退縮,更在我遇到解決不了問題的時候引導我,和我一起解決問題。1王

28、兆安 黃俊等 電力電子技術(第四版機械工業(yè)出版社2張曉華主編 控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD 機械工業(yè)出版社3李傳琦主編 電力電子技術計算機仿真實驗 電子工業(yè)出版社5王沫然主編 MATLAB 與科學計算(第二版 電子工業(yè)出版社The Calculator Really Imitate Of Electric Power Electronics Technique Computer Science College Li Jingjing Instructor Chen Mian Abstract This text really is a calculator to realizes with the MATLAB/ SIMULINK relevant electri