變壓器和電力電子系統(tǒng)的分析與仿真

1、1引言1.1變壓器的概述變壓器是一種電能轉(zhuǎn)換裝置，它將相同的頻率，不同的電壓和電流實(shí)現(xiàn)能量 傳遞。它由一個(gè)軟鐵片制成的鐵芯和圍繞著鐵芯的絕緣銅線或鋁線繞組所成，變 壓器的應(yīng)用非常廣泛。電力系統(tǒng)中在向遠(yuǎn)方傳輸電力時(shí)，為了減少線路上的電能 損失和增加輸送容量，需要升高電壓；為了滿足用戶用電的要求，又需要降低電 壓，這就需要電力變壓器。變壓器設(shè)計(jì)過程中，為了更好的優(yōu)化其參數(shù)、性能指 標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行初期的仿真研究很有意義1。變壓器雖然種類繁多、品種龐雜，但其最主要品種則為電力變壓器。變壓器 的用途也比較廣泛，隨著新一輪的電力投資熱潮來臨，輸變電設(shè)備制造企業(yè)在未 來幾年都將處于滿負(fù)荷狀態(tài)，呈現(xiàn)產(chǎn)銷兩旺、十

2、分景氣的局面。而作為輸配電行 業(yè)一個(gè)重要分支的變壓器制造業(yè)更是一路高歌。由于中國(guó)西電東送，南北互供， 全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施，變壓器需求仍將保持平穩(wěn)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。國(guó)內(nèi)變壓器行業(yè)通過引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，使變壓器產(chǎn)品品種、水平及高電壓 變壓器容量都有了大幅提高。國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的變壓器品種包括超高壓變壓器、換 流變壓器、全密封式變壓器、環(huán)氧樹脂十式變壓器、卷鐵心變壓器、組合式變壓 器。此外隨著新材料、新工藝的不斷應(yīng)用，國(guó)內(nèi)各變壓器制造企業(yè)還不斷研制和 開發(fā)出各種結(jié)構(gòu)形式的變壓器。1.2電力電子技術(shù)的概述20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的電力電子技術(shù)，使電能可以變換和控制，產(chǎn)生了 現(xiàn)代各種高效、節(jié)能的新型電源和交直流調(diào)速裝

3、置，為工業(yè)生產(chǎn)，交通運(yùn)輸，樓 宇、辦公、家庭自化提供了現(xiàn)代化的高新技術(shù)，提高了生產(chǎn)效率和人們的生活質(zhì) 量，使人類社會(huì)生產(chǎn)、生活發(fā)生了巨大變化。隨著新型電力電子器件的研究和開 發(fā)以及先進(jìn)控制技術(shù)的發(fā)展，電力電子的性能也不斷優(yōu)化和提高，這種變化的影 響將越來越大囹。電力電子技術(shù)綜合了電子電路、電機(jī)拖動(dòng)、自動(dòng)控制理論、微機(jī)原理和應(yīng)用 等多學(xué)科的知識(shí)，并且是兩門實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)的課程。由于電力電子器件自 身的開關(guān)非線性，給電力電子電路和系統(tǒng)的分析帶來了一定的復(fù)雜性和困難，一 般常用波形分析和分段線性化處理的方法來研究電力電子電路?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿 真技術(shù)為電力電子電路和系統(tǒng)的分析提供了嶄新的方法，可以使

4、復(fù)雜的電力電子 電路、系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)變得更加容易和有效，也是學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)的重要手 段。現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向，是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電 子學(xué)，向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù)起 始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時(shí)代、逆變 器時(shí)代和變頻器時(shí)代，并促進(jìn)了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。八十年代末 期和九十年代初期發(fā)展起來的、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I。隨著科技的不斷發(fā)展和人民要求的不斷提高，電力電子技術(shù)的應(yīng)用

5、越來越廣 泛。當(dāng)今世界先進(jìn)工業(yè)國(guó)家正處于有“工業(yè)經(jīng)濟(jì)”模式向“信息經(jīng)濟(jì)”模式轉(zhuǎn)變的時(shí) 期。電力電子技術(shù)作為信息產(chǎn)業(yè)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之間的橋梁，是在非常廣泛的領(lǐng)域內(nèi) 改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，支持高新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。因此，電力電子技術(shù)將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中 扮演著越來越重要的角色?？偠灾娏﹄娮蛹夹g(shù)因應(yīng)用需求不斷向前發(fā)展，新技術(shù)的出現(xiàn)又會(huì)使許多 應(yīng)用產(chǎn)品更新?lián)Q代，還會(huì)開拓更多更新的應(yīng)用領(lǐng)域冏。2 MATLAB的介紹MATLAB是國(guó)際上仿真領(lǐng)域最權(quán)威、最實(shí)用的計(jì)算機(jī)工具。它是MathWork 公司于1982年推出的一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化數(shù)學(xué)軟件，被譽(yù)為“巨人 肩上的工具” 9。MATLAB在擁有很多用戶的同時(shí)經(jīng)歷

6、了許多年的發(fā)展時(shí)期。在大學(xué)環(huán)境中， 它作為介紹性的教育工具，以及在進(jìn)階課程中應(yīng)用于數(shù)學(xué)，工程和科學(xué)。在工業(yè) 上它是用于高生產(chǎn)力研究，開發(fā)，分析的工具之一。經(jīng)過幾十年的完善和擴(kuò)充，它已發(fā)展成線形代數(shù)課程的標(biāo)準(zhǔn)工具。在美國(guó)， MATLAB是大學(xué)生和研究生必修的課程之一。美國(guó)許多大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室都安裝有 MATLAB，供學(xué)習(xí)和研究之用。它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯 示于一體，構(gòu)成了一個(gè)方便的、界面友好的用戶環(huán)境。其包含的SIMULINK是 用于在MATLAB下建立系統(tǒng)框圖和仿真環(huán)境的組件，其包含有大量的模塊集， 可以很方便的調(diào)取各種模塊來搭建所構(gòu)想的試驗(yàn)平臺(tái)，同時(shí)SIMULINK還提供 時(shí)域

7、和頻域分析工具，能夠直接繪制系統(tǒng)的Bode圖和Nyquist圖。由于SIMULINK的仿真平臺(tái)使用方便、功能強(qiáng)大，后來拓展的其他模型庫(kù) 也都共同使用這個(gè)仿真環(huán)境，成為MATLAB仿真的公共平臺(tái)。SIMULINK是 Simulation和Link兩個(gè)英文單詞的縮寫，意思是仿真鏈接，MATLAB模型庫(kù)都 在此環(huán)境中使用，從模型庫(kù)中提取模型放到SIMULINK的仿真平臺(tái)上進(jìn)行仿真。 所以，有關(guān)SIMULINK的操作是仿真應(yīng)用的基礎(chǔ)詢。2.1 SIMULINK 的特點(diǎn)SIMULINK作為面向系統(tǒng)框圖的仿真平臺(tái)，它具有如下特點(diǎn)：以調(diào)用模塊代替程序的編寫，以模塊連成的框圖表示系統(tǒng)，點(diǎn)擊模塊即 可以輸入模塊

8、參數(shù)。以框圖表示的系統(tǒng)應(yīng)包括輸入(激勵(lì)源)、輸出(觀測(cè)儀器)和 組成系統(tǒng)本身的模塊。畫完系統(tǒng)框圖，設(shè)置好仿真參數(shù)，即可啟動(dòng)仿真。這時(shí)，會(huì)自動(dòng)完成仿 真系統(tǒng)的初始化過程，將系統(tǒng)框圖轉(zhuǎn)換為仿真的數(shù)學(xué)方程，建立仿真的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)， 并計(jì)算系統(tǒng)在給定激勵(lì)下的響應(yīng)。系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)和結(jié)果可以通過波形和曲線觀察，這和實(shí)驗(yàn)室中用示波 器觀察的效果幾乎一致。系統(tǒng)仿真的數(shù)據(jù)可以用以.mat為后綴的文件保存，并且可以用其他數(shù)據(jù) 處理軟件進(jìn)行處理。如果系統(tǒng)框圖繪制不完整或仿真過程中出現(xiàn)計(jì)算不收斂的情況，會(huì)給出 一定的出錯(cuò)提示信息，但是這提示不一定準(zhǔn)確，這是軟件還不夠完備的地方。以框圖形式對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真是SIMULIN

9、K的最早功能，后來在 SIMULINK的基礎(chǔ)上叉開發(fā)了數(shù)字信號(hào)處理、通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、模糊控制 等數(shù)10種模型庫(kù)，但是SIMULINK的窗口界面是其他工具箱共用的平臺(tái)，在 此平臺(tái)上可以進(jìn)行控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等各種系統(tǒng)的仿真11。2.2 SIMULINK的仿真步驟利用SIMULINK環(huán)境仿真一個(gè)系統(tǒng)的過程基本上可以分為如下幾個(gè)步驟：根據(jù)要仿真的系統(tǒng)框圖，在SIMULINK窗口的仿真平臺(tái)上構(gòu)建仿真模 型。此過程要首先打開SIMULINK窗口和模型瀏覽器，將需要的典型環(huán)節(jié)模塊 提取到仿真平臺(tái)上，然后將平臺(tái)上的模塊一一連接，形成仿真的系統(tǒng)框圖。一個(gè) 完整的仿真模型應(yīng)該至少包括一個(gè)源模塊(S

10、ources )和一個(gè)輸出模塊(Sinks)。設(shè)置模塊參數(shù)。完成模塊提取和組成仿真模型后，需要給各個(gè)模塊賦值。 這時(shí)，用鼠標(biāo)雙擊模塊圖標(biāo)，彈出模塊參數(shù)對(duì)話框，并在對(duì)話框中輸入模塊參數(shù)， 輸入完成后點(diǎn)擊OK按鈕，對(duì)話框自動(dòng)關(guān)閉，該模塊的參數(shù)設(shè)置完成。以上步驟 參考前節(jié)“有關(guān)模塊的操作”。設(shè)置仿真參數(shù)。在對(duì)繪制好的模型進(jìn)行仿真前，還需要確定仿真的步長(zhǎng)、 時(shí)間和選取仿真的 算法等，也就是設(shè)置仿真參數(shù)。設(shè)置仿真參數(shù)可 點(diǎn)擊 SIMULINK窗口的菜單上的 Simulation，在下拉的子菜單中點(diǎn)擊 Simulation Parameters命令或用鍵盤中的Ctrl + E鍵。這時(shí)彈出仿真參數(shù)設(shè)置的對(duì)話

11、框，對(duì) 話框中有 Solver、Workspace I/O Diagnostics、Advanced 和 Real-Time Workshop5 大項(xiàng)內(nèi)容，其中最常需設(shè)置的是解算器“ Solver”。的仿真模型應(yīng)該至少包括一 個(gè)源模塊(Sources)和一個(gè)輸出模塊(Sinks)。算法選擇(Solver options)中計(jì)算類型 (Type)有可變步長(zhǎng)(Variable-step)和固定步長(zhǎng)(Fixed-step)兩種，在可變步長(zhǎng)和固定 步長(zhǎng)下還有多種數(shù)值計(jì)算方法可供選擇，關(guān)于數(shù)值計(jì)算方法將在后面作進(jìn)一步介 紹。該欄中經(jīng)常還要設(shè)置的有仿真誤差，這有相對(duì)誤差(Relative toleranc

12、e)和絕對(duì) 誤差(Absolute42 tolerance)兩項(xiàng)，系統(tǒng)默認(rèn)的相對(duì)誤差是1/1000。選擇合適的計(jì) 算誤差，對(duì)仿真的速度和仿真計(jì)算能否收斂影響很大，尤其在仿真不能收斂時(shí)， 適當(dāng)放寬誤差可以取得效果，絕對(duì)誤差一般可取“自動(dòng)(auto)”。啟動(dòng)仿真。在模塊參數(shù)和仿真參數(shù)設(shè)置完畢后即可以開始仿真， Simulation菜單的子菜單中點(diǎn)擊“Start”或用鍵盤中的Ctrl + T鍵即可進(jìn)入仿真， 更簡(jiǎn)單的方法是使用工具欄上的按鈕“A”。在模型的計(jì)算過程中，窗口下方的 狀態(tài)欄會(huì)提示計(jì)算的進(jìn)程，對(duì)簡(jiǎn)單的模型這僅在一瞬間就完成了。在仿真計(jì)算中 途，如果要修改模塊參數(shù)或仿真時(shí)間等，則可以用Sim

13、ulation菜單中的Pause命令 或按鈕暫停仿真。暫停之后要恢復(fù)仿真，則再次點(diǎn)擊按鈕“”仿真就可以繼續(xù) 進(jìn)行下去。如果中途要結(jié)束仿真可以點(diǎn)擊按鈕“”或使用Simulation菜單中 的Stop命令來終止仿真。觀測(cè)仿真結(jié)果。在模型仿真計(jì)算完畢后重要的是觀測(cè)仿真的結(jié)果，在 SIMULINK中最常用的觀測(cè)儀器是示波器(Scope)。這時(shí)只要雙擊該示波器模塊 就可以打開示波器觀察到以波形表示的仿真結(jié)果10。3變壓器的仿真與研究為了供電輸電配電的需要，就必須使用一種電氣設(shè)備把發(fā)電廠內(nèi)交流發(fā)電機(jī) 發(fā)出的交流電壓變換成不同等級(jí)的電壓，這種電氣設(shè)備就是變壓器。3.1變壓器的分類按用途分：電力變壓器和特種變

14、壓器。按繞組數(shù)目分：?jiǎn)卫@組（自耦）變壓器，雙繞組變壓器，三繞組變壓器和多 繞組變壓器。按相數(shù)分：?jiǎn)蜗嘧儔浩?，三相變壓器和多相變壓器。按鐵芯分：心式變壓器和殼式變壓器。按調(diào)壓方式分：無勵(lì)磁調(diào)壓變壓器和有載調(diào)壓變壓器。按冷卻介質(zhì)和冷卻方式分：十式變壓器，油浸式變壓器和充氣式變壓器。3.2工作原理和運(yùn)行分析變壓器的主要部件是鐵芯和套在鐵芯上的兩個(gè)繞組。兩繞組只有磁耦合沒電 聯(lián)系，在一次繞組中加上交變電壓，產(chǎn)生鏈一、二次繞組的交變磁通，在兩個(gè)繞 組中分別感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。只要一、二次繞組的匝數(shù)不同，就能達(dá)到改變壓的目的。3.3變壓器的模型變壓器是電力電子電路中的常用器件，MATLAB/SIMULINK/Po

15、wer Systerm 模型庫(kù)中有單相變壓器和三相變壓器，三相變壓器還有各種聯(lián)結(jié)組，并且還有一 個(gè)帶互感線圈的模型。單相變壓器模型MATLAB的單相變壓器模型有兩個(gè)：一個(gè)是線性變壓器模型，另一個(gè)是考 慮了鐵心飽和效應(yīng)的飽和變壓器模型，下面主要介紹考慮鐵心飽和的飽和變壓器 模型，線性變壓器模型與飽和變壓器模型相比，只是減少了反映鐵心飽和特性的 參數(shù)。變壓器有一個(gè)一次繞組，兩個(gè)二次繞組。如果設(shè)置第二個(gè)二次繞組參數(shù)L3、 R3 （值為L(zhǎng)3、R3）為零，則模型的二次側(cè)就只有一個(gè)繞組，并且模型圖標(biāo)也隨之 改變。模型中R1，和L1，（值為R1和C1）為一次繞組電阻和一次繞組漏感，R2、 R3和L2、L3分

16、別為兩個(gè)二次繞組的電阻和漏感。磁阻Rm （值為Rm）反映了鐵 心的磁阻損耗，Lsat（值為L(zhǎng)sat ）反映鐵心的飽和特性。圖3.1單相變壓器模型變壓器的飽和特性用分段線性化的磁化曲線來表述(見圖3.1),其中圖3.2a 所示為不考慮鐵心剩磁作用時(shí)的磁化曲線，圖3.2b所示為考慮了鐵心剩磁作用 的磁化曲線，圖中縱坐標(biāo)是磁通p(phi)橫坐標(biāo)為磁化電流i，磁通和磁化電流 都使用標(biāo)幺值。磁阻Rm用來等效變壓器鐵心的損耗，在鐵心損耗取2%時(shí)，則 Rm=500。如果在該欄中同時(shí)給定了剩磁通的標(biāo)幺值，則變壓器仿真從剩磁開始， 如果沒有給定剩磁通，則變壓器仿真開始就是穩(wěn)態(tài)。a)不考慮鐵心剩磁作用時(shí)b)考慮鐵

17、心剩磁作用時(shí)圖3.2變壓器磁化曲線三相變壓器的模型MATLAB的三相變壓器模型共有10個(gè)，分布在電器元件模塊庫(kù)(Elements Library)和其他電氣模塊庫(kù)(Extra Library)的三相模塊子集中，這里主要介紹電器 元件模塊庫(kù)中的兩個(gè)變壓器模塊。電器元件模塊庫(kù)中的兩個(gè)變壓器模塊，其中一 個(gè)有一組三相輸入、一組三相輸出，稱為雙繞組三相變壓器;另一個(gè)是一組三相 輸入，兩組三相輸出，稱為三繞組三相變壓器。變壓器的三相繞組無論在一次側(cè) 還是在二側(cè)都有多種聯(lián)結(jié)組，可以在對(duì)話框中根據(jù)需要選擇?？蛇x擇的繞組聯(lián)結(jié) 組見表3.1。表3.1三相變壓器的繞組聯(lián)結(jié)聯(lián)結(jié)符號(hào)三相繞組聯(lián)結(jié)Y星型聯(lián)結(jié)，無中線Yn

18、星型聯(lián)結(jié)，帶中性點(diǎn)的聯(lián)結(jié)Yg星型聯(lián)結(jié)，中點(diǎn)在模型內(nèi)接地11三角形聯(lián)結(jié)，電壓相位領(lǐng)先Y聯(lián)結(jié)301三角形聯(lián)結(jié)，電壓相位滯后Y聯(lián)結(jié)30三相變壓器模型實(shí)際上是由三個(gè)單相變壓器模型根據(jù)不同的聯(lián)結(jié)組要求聯(lián) 結(jié)而成的，因此三相變壓器的參數(shù)設(shè)置與單相變壓器相同。在變壓器參數(shù)中，變 壓器容量、電壓、頻率都使用標(biāo)準(zhǔn)單位制（VA、V、Hz）。并且電壓都用變電壓 有效值。電阻、電感都采用標(biāo)幺值，標(biāo)準(zhǔn)單位與標(biāo)幺值的換算見單相變壓器一節(jié)。 三相變壓器的鐵心有飽和和不飽和兩種，這可以在對(duì)話框中選擇。如果未選飽和 鐵心一欄，磁路參數(shù)有磁阻Rm和勵(lì)磁電感Lm兩項(xiàng)，這兩項(xiàng)都用標(biāo)幺值。如果選 擇了飽和鐵心一欄，則要求輸入鐵心磁化曲

19、線的拐點(diǎn)參數(shù)。并且如果設(shè)置了剩磁 通值，變壓器仿真從剩磁開始，否則變壓器仿真從零狀態(tài)開始，并可以較快地進(jìn) 入穩(wěn)態(tài)（參見單相飽和變壓器）?；ジ芯€圈互感線圈是三個(gè)有互感關(guān)系的線圈，線圈有互相獨(dú)立的輸入端和輸出端。可 以分別設(shè)置每個(gè)線圈的電阻和自感，并且可以設(shè)置每個(gè)線圈間的互感，電阻、自 感和互感都使用標(biāo)準(zhǔn)單位。在互感線圈中，如果不設(shè)第三個(gè)線圈的自感，則模型成為兩個(gè)有互感的線圈， 并且模型圖標(biāo)也隨之改變。如果互感參數(shù)Rm、Lm都取零，則模型表示的是個(gè) 沒有互感關(guān)系的獨(dú)立線圈?；ジ芯€圈也是一個(gè)簡(jiǎn)單的變壓器模型。3.4變壓器的空載運(yùn)行電磁物理現(xiàn)象1、磁通：主磁通(中)-由一次繞組電流產(chǎn)生，同時(shí)交鏈一、二

20、次繞組的磁通。沿鐵 芯路徑閉合，磁阻小、會(huì)飽和，由電磁轉(zhuǎn)換傳遞功率。一次漏磁通(中1。)-由一次繞組電流產(chǎn)生，只交鏈一次繞組的磁通。沿空 氣回路閉合，磁阻大、不會(huì)飽和，不傳遞功率。2、其他：空載運(yùn)行-運(yùn)行時(shí)一次繞組加電壓，二次繞組開路，輸出電流為零。空載電流(i0)-空載運(yùn)行時(shí)，一次繞組所加電流(i1=i0)。勵(lì)磁電流(im)-空載時(shí)，不輸出電流，則輸入電流全部用于建立磁場(chǎng)，故 im= i0 o電磁關(guān)系：r 0 r1(3.1)正方向的規(guī)定1、目的：對(duì)交變的量，規(guī)定了正方向，才能列寫電壓方程。2、應(yīng)用：當(dāng)求解出的電壓、電流、磁勢(shì)、磁通等為正值，代表實(shí)際方向同規(guī)定的正方向，為負(fù)，代表實(shí)際方向與規(guī)定

21、的正方向相反。3、選擇：電流g磁通，右手螺旋；磁通g電勢(shì)，也是右手螺旋。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、電壓變比1、電壓平衡式：u = i r - e - efu e TOC o 1-5 h z 10 1 g 1 T 11(3.2)I 20 = e2I 20 = e22、電勢(shì)：有效值:E1 = 4.44創(chuàng)1 m t 其中：0 = 0 sinot HYPERLINK l bookmark55 o Current Document E = 4.44fN Om(3.3)22 m、相位：E與E2相位滯后O為903、變比:(3.4)k=N = E. U N E 2 %勵(lì)磁電流1、磁路飽和對(duì)勵(lì)磁電流的影響當(dāng)磁路未飽和時(shí)(Bm

22、0.8T)，i0與O的關(guān)系曲線為非線性，產(chǎn)生正弦波磁 通，則勵(lì)磁電流為對(duì)稱的尖頂波變化，為便于矢量表達(dá)，取有效值相同的正弦波 代之。定義尖頂波電流為“磁化電流”，相位與磁通一致(同相位)。2、磁滯現(xiàn)象對(duì)勵(lì)磁電流的影響電流產(chǎn)生磁通，上升磁化曲線與下降不重合。要產(chǎn)生正弦波磁通，勵(lì)磁電流i0為不對(duì)稱的尖頂波，可分解為一個(gè)對(duì)稱 尖頂波的磁化電流m和磁滯損耗電流ih。相位：3、渦流現(xiàn)象對(duì)勵(lì)磁電流的影響原因：交變磁通g在鐵芯中感應(yīng)電勢(shì)g產(chǎn)生渦流(電流)g渦流損耗(有功 損耗)。性質(zhì)：渦流Ie是有功電流，相位同Ih，與-E1同相。4、綜述：空載電流包括了無功分量和有功分量電路方程、等效電路和相量圖1、電路方

23、程：U =-E - E + Ir U =-E +1 (r + jx ) TOC o 1-5 h z 1101 n 110 11 (3.5) HYPERLINK l bookmark77 o Current Document 1U20= E2lU 20 = E21勵(lì)磁支路：-E1= I (r + jx )(3.6) HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 勵(lì)磁電流：I = 10 =七+七(3.7)2、等效電路與相量圖：圖3.3變壓器空載的等效電路和向量圖3.5變壓器的負(fù)載運(yùn)行負(fù)載運(yùn)行是指變壓器的原邊繞組接在電源上，副邊繞組接上負(fù)載后輸出電流 的狀態(tài)。圖

24、3.4變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)的示意圖負(fù)載時(shí)電磁關(guān)系(1)磁動(dòng)勢(shì)平衡關(guān)系變壓器空載運(yùn)行時(shí)，電流等于零，根據(jù)安培環(huán)路定律，主磁路總的磁動(dòng)勢(shì)等 于原邊磁動(dòng)勢(shì)，它產(chǎn)生主磁通，并在原、副邊產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電流不等于零，不僅原邊會(huì)產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)，副邊也會(huì)產(chǎn)生 磁動(dòng)勢(shì)，主磁路總的磁動(dòng)勢(shì)等于兩個(gè)之和。從空載到負(fù)載，由于變壓器所接的電源電壓U1不變，且U1=E1,所以主磁通 不變，負(fù)載時(shí)的磁動(dòng)勢(shì)等于與空載時(shí)的磁動(dòng)勢(shì)相等，即磁動(dòng)勢(shì)平衡關(guān)系(3.8)I1 =- = I。(3.9)由于負(fù)載時(shí)I0Z1，可把“T”形等效電路中的激磁支路移到電源端，便得變壓 器的較準(zhǔn)確的等效電路，較準(zhǔn)確等效電路的誤差很小。圖3.6變

25、壓器較準(zhǔn)確等效電路簡(jiǎn)化等效電路在電力變壓器中，I0 universal bridge等模塊可以調(diào)用，使用這些模塊可以使仿真更方 便。復(fù)雜的大功率多相整流器可以在三相橋的基礎(chǔ)上構(gòu)建。這里主要介紹常用的 單相和三相的相控整流電路的仿真。單相橋式全控整流電路仿真單相橋式全控整流電路如圖4.1所示，電路由交流電源U 1、整流變壓器T、 品閘管VT1-VT4、負(fù)載電阻R以及觸發(fā)電路組成。在變壓器二次電壓的的正半 周觸發(fā)品閘管VT1和VT3，在u2的負(fù)半周觸發(fā)品閘管VT2和VT4，在負(fù)載上 可以得到方向不變的直流電，改變品閘管的控制角可以調(diào)節(jié)輸出直流電壓和電流 的大小。該電路的仿真過程可以分為建立仿真模型

26、（或稱為繪制仿真電路），設(shè)置 模型參數(shù)和觀測(cè)仿真結(jié)果等幾個(gè)主要階段，現(xiàn)分步敘述如下。圖4.1單相橋式電路模型首先建立一個(gè)仿真模型的新文件。在MATLAB的菜單欄上點(diǎn)擊File,選 擇New，再在彈出菜單中選擇Model，這時(shí)出現(xiàn)一個(gè)空白的仿真平臺(tái)，在這平臺(tái) 上可以繪制電路的仿真模型。同時(shí)也可以在File菜單下給文件命名，在本例的文 件名為 rectifierlo提取電路元器件模塊。在仿真模型窗口的菜單欄上點(diǎn)擊圖標(biāo)調(diào)出模型庫(kù) 瀏覽器，在模型庫(kù)中提取適合的模塊放到仿真平臺(tái)上。組成單相橋式整流電路的 主要元器件有交流電源、品閘管、RLC負(fù)載等。將電路元器件模塊按單相整流的原理圖連接起來組成仿真電路。

27、首先將 元器件移動(dòng)到合適的位置，將光標(biāo)箭頭指向需移動(dòng)的元器件，按住鼠標(biāo)左鍵將元 器件移動(dòng)到指定位置。單相橋需要4個(gè)品閘管模塊，這可以使用模塊的復(fù)制辦法， 以鼠標(biāo)左鍵單擊品閘管模型圖標(biāo)，模型圖標(biāo)的四角出現(xiàn)四個(gè)小黑塊，表明該模塊 已被選中，這時(shí)同時(shí)按住鍵盤中的Ctrl鍵以及鼠標(biāo)的左鍵，移動(dòng)鼠標(biāo)則可以將晶 閘管模塊復(fù)制到其他位置。同時(shí)點(diǎn)擊元器件模塊的名稱可以修改模塊的名稱，如 將thyristor改名為VT1等。連接模塊只需要以光標(biāo)移向模塊的輸出端，以左鍵 點(diǎn)住并移動(dòng)鼠標(biāo)即可拖拉出一條連線，將連線拉到另一元器件的輸入端，松開鼠 標(biāo)即完成一條接線。在SIMULINK模型庫(kù)中沒有專門的單相橋式整流器觸發(fā)

28、模 型，這里使用了兩個(gè)脈沖發(fā)生器來分別產(chǎn)生VTl和VT3、VT2和VT4的觸發(fā)脈 沖。整流器的負(fù)載選用了 RLC串聯(lián)電路，可以通過參數(shù)設(shè)置來改變電阻、電感 和電容的組合。模型中使用了兩種測(cè)量?jī)x器，示波器 (Scope)和多路測(cè)量器 (Multimeter)。示波器可以觀測(cè)它連接點(diǎn)上的波形，多路測(cè)量器(Multimeter)可以 接收一些模塊發(fā)送出來的參數(shù)信號(hào)并通過示波器觀測(cè)。設(shè)置模型參數(shù)設(shè)置模型參數(shù)是保證仿真準(zhǔn)確和順利的重要一步，有些參數(shù)是由仿真任務(wù)規(guī) 定的，如本例仿真中的電源電壓、電阻值等，有些參數(shù)是需要通過仿真來確定的， 設(shè)置模型參數(shù)可以雙擊模塊圖標(biāo)彈出參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，然后按框中提示輸入。

29、模型仿真在模型開始仿真前還必須首先設(shè)置仿真參數(shù)。在菜單中選擇Simulation，在 下拉菜單中選擇Simulation parameters，在彈出的對(duì)話框中可設(shè)置的項(xiàng)目很多， 主要有開始時(shí)間、終止時(shí)間、仿真類型(包括步長(zhǎng)和解電路的數(shù)值方法)，以及相對(duì)誤差、絕對(duì)誤差等。步長(zhǎng)、解法和誤差的選擇對(duì)仿真運(yùn)行的速度影響很大，步 長(zhǎng)太大計(jì)算容易發(fā)散，步長(zhǎng)太小運(yùn)算時(shí)間太長(zhǎng)，在難于確定時(shí)一般可選可變步長(zhǎng) (variable-step)，仿真數(shù)值計(jì)算方法可選odel5，ode23，ode45等，誤差選擇1/1000 對(duì)于電力電子電路的仿真精度來說是足夠了。在參數(shù)設(shè)置完畢后即可開始仿真。在菜單Simulati

30、on下選擇Stat開始，在屏 幕下方的狀態(tài)欄上可以看到仿真的進(jìn)程。若要中途停止仿真可以選擇Stop。在仿 真計(jì)算完成后即可以通過示波器來觀察仿真的結(jié)果。我們已經(jīng)在需要觀測(cè)的點(diǎn)上 放置了示波器，雙擊示波器圖標(biāo)，即可彈出示波器窗口顯示輸出形。(1)電阻性負(fù)載時(shí)的仿真波形。圖4.2和圖4.3分別是仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話框 中設(shè)置的仿真時(shí)間0-0.06內(nèi)，電源u2的電壓波形和品閘管VTl和VT3、VT2和 VT4的觸發(fā)脈沖。圖4.4上部和圖4.4下部分別為a30、R的值為2.0時(shí)負(fù)載兩 端的電壓和通過負(fù)載的電流波形，該電壓和電流都是脈動(dòng)的直流，反映了電源的 交流電經(jīng)過整流器后成為了直流電，實(shí)現(xiàn)了整流。因?yàn)槭?/p>

31、電阻負(fù)載，整流后的電 壓和電流波形相同，但是縱坐標(biāo)的標(biāo)尺不同，電壓的幅值U =311V，電流的幅值 I m =155A，與計(jì)算的結(jié)果Im=Um/R相同。圖4.5下部分和圖4.5上部分別為晶 閘管VT1兩端的電壓和通過品閘管VT1的電流波形，過品閘管的電流僅是負(fù)載 電流的一半，只在半個(gè)周期內(nèi)有電流通過品閘管VTl。并且通過比較可以看到在 品閘管導(dǎo)通時(shí)晶閘管兩端電壓為零，在 4個(gè)品閘管都不導(dǎo)通時(shí)區(qū)間)，每個(gè)品閘管承受212的電壓值，且品閘管承受的最高反向電 壓為電掠電壓的峰值311V，根據(jù)該電壓和電流可以選擇品閘管的額定參數(shù)。圖4.2晶閘管VT1和VT3的觸發(fā)脈沖圖4.3晶閘管VT2和VT4的觸發(fā)

32、脈沖圖4.4 a= 30時(shí)負(fù)載電阻兩端的圖4.5 a= 30時(shí)晶閘管兩端的電壓波形和電流波形電壓波形和電流波形如果要觀察在其他控制角下，整流器的工作情況，只需修改脈沖觸發(fā)器延遲 時(shí)間，重新啟動(dòng)仿真即可。圖4.6上部和下部分別為a=60時(shí)負(fù)載電阻兩端的電壓和通過負(fù)載的電流波形。圖4.7下部和上部分別為a=60時(shí)晶閘管VT1兩端的電壓和通過晶閘管VTl的電流波形。圖4.6 a= 60時(shí)負(fù)載電阻兩端的圖4.7 a= 60時(shí)晶閘管兩端的電壓波形和電流波形（2）電阻電感（RL）負(fù)載時(shí)的仿真。電壓波形和電流波形如果要研究電感性負(fù)載時(shí)整流器的工作情況，只需重新設(shè)置負(fù)載參數(shù)。設(shè)RL負(fù)載，R的值為2.0，L的值

33、為0.01氏再 次啟動(dòng)仿真，得到圖4.8和圖4.9所示的波形。如圖所見，電感中電流在啟動(dòng)時(shí)， 有一上升過程（圖4.8下部），一個(gè)周期后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，電流是連續(xù)的，對(duì)應(yīng)的電壓 波形出現(xiàn)負(fù)半周（圖4.8上部），使整流平均電壓較純電阻負(fù)載時(shí)減小。圖4.8 a= 60時(shí)負(fù)載整流器輸出的圖4.9 a= 60時(shí)負(fù)載整流器晶閘管的電壓波形和電流波形 電壓波形和電流波形三相橋式全控整流電路仿真三相橋式全控整流電路是應(yīng)用最廣泛的整流電路，完整的三相橋式全控整流 電路由整流變壓器、6個(gè)橋式連接的晶閘管、負(fù)載、觸發(fā)器和同步環(huán)節(jié)組成。6 個(gè)晶閘管以次相隔60觸發(fā)，將電源交流電整流為直流電。三相橋式整流電路必 須采用雙脈沖

34、觸發(fā)或?qū)捗}沖觸發(fā)方式，以保證在每一瞬時(shí)都有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo) 通（上橋臂和下橋臂各一個(gè)）。整流變壓器采用三角形/星形聯(lián)結(jié)是為減少3的整倍 數(shù)次諧波電流對(duì)電源的影響。三相橋式整流電路的仿真使用MATLAB模型庫(kù)中的三相橋和觸發(fā)器的集成 模塊是很方便的。在模型的整流變壓器和整流橋之間接入了一個(gè)三相電壓.電流 測(cè)量單元V-I是為觀測(cè)方便。整流器的輸出電壓和電流是通過多路測(cè)量器測(cè)量負(fù) 載的電壓和電流來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)然也可以用電壓和電流測(cè)量單元直接檢測(cè)整流器輸 出單元和電流。在整流器工作中保證觸發(fā)脈沖與主電路同步很重要，仿真使用的 6脈沖發(fā)生器是在同步電壓過零時(shí)作為控制角a=0的位置，因此在整流變壓器采 用A

35、/Y-11聯(lián)結(jié)時(shí)，同步變壓器也可以采用小/Y-11聯(lián)結(jié)，同步信號(hào)的連接如圖4.10 所示在同步信號(hào)關(guān)系難以確定時(shí)，可以發(fā)揮仿真的特點(diǎn)，將三相同步電壓信號(hào)以 不同的順序連接到6脈沖發(fā)生器的AB、BC，CA3個(gè)同步輸入端，然后運(yùn)行該 模型，觀察整流器輸出電壓波形，如果電壓波形在一周期中6個(gè)波頭連續(xù)規(guī)則， 則該整流器的同步是正確的。負(fù)載和控制角可以按需要設(shè)定。圖4.10三相橋式整流電路仿真模型1.電阻負(fù)載(R的值為50、a=30)設(shè)置模型參數(shù)如下：電源參數(shù)設(shè)置：三相電源的電壓峰值為220V *sqrt(2)，頻率為50Hz， 相位分別為0、-120、-240。整流變壓器參數(shù)設(shè)置：一次繞組聯(lián)結(jié)(win

36、ding 1 connection)選擇 Delta(D11)，線電壓為380V；二次繞組聯(lián)結(jié)(winding 2 connection)選擇Y，線電 壓為173V，在要求不高時(shí)變壓器容量等其他參數(shù)可以保持默認(rèn)值不變。同步變壓器參數(shù)設(shè)置：一次繞組聯(lián)結(jié) (winding 1 connection)選擇 Delta(DI1)，線電壓為380V；二次繞組聯(lián)結(jié)(winding 2 connection)選擇Y，線電 壓為15V，其他參數(shù)可以保持默認(rèn)值。三相品閘管整流器參數(shù)設(shè)置：使用默認(rèn)值。RLC負(fù)載參數(shù)設(shè)置：R的值為50，L的值為0，C的值為inf。6脈沖發(fā)生器設(shè)置：頻率為50Hz，脈沖寬度取1，選擇

37、雙脈沖觸發(fā)方式。觸發(fā)角設(shè)置：給定alph設(shè)置為30。仿真并觀察結(jié)果。設(shè)置的仿真參數(shù)如下：仿真時(shí)間為0.06s，數(shù)值算法采用ode15。仿真參數(shù)設(shè)置完成后即可啟動(dòng)仿真，得到的仿真結(jié)果如圖4.11和 4.12。整流電壓平均值（見圖4.11）與計(jì)算值Ud =2.34 * l00cos30V =202.6V相符。 因?yàn)槭请娮柝?fù)載，整流后的電壓和電流波形相同，但Y軸坐標(biāo)不同。圖4.12所 示為整流器交流側(cè)的電流波形。改變控制角可以觀察在不同控制角下整流器的工 作情況。4.11整列輸出電壓平均值、整流器輸出的電壓波形以及電阻負(fù)載時(shí)整流器輸出的電流波形圖4.12整流變壓器兩側(cè)a、b、c相電流波形2.電阻電感

38、負(fù)載（R的值為50、L的值為0.01h、a=60）修改負(fù)載RLC參數(shù)，R的值為50, L的值為0.01h, C的值為inf,同時(shí)將 觸發(fā)角設(shè)置為60。啟動(dòng)仿真，即可得到阻感負(fù)載時(shí)整流器輸出電壓和電流，如 圖4.13所示。由于電感是儲(chǔ)能元件，電感中電流有一上升過程，在啟動(dòng)仿真0.03s 以后電流進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，電流的脈動(dòng)很小。4.13三相橋式整流電路電阻電感負(fù)載整流器輸出電流和電壓波形4.14三相橋式整流電路電阻電感負(fù)載整流變壓器二次側(cè)a、b、c相輸出電流波形4.2直流-直流變流器直流-直流變流器也稱直流斬波器(DC Chopper)或DC-DC變流器。直流-直流 變流器用于調(diào)整直流電的電壓，它有

39、多種類型，這里主要介紹降壓(Buck )變流器、 升壓(Boost)變流器的仿真，其他直流變流器的仿真也可以用同樣的方法進(jìn)行。 直流降壓變流器設(shè)計(jì)直流降壓變流器(Buck Chopper)用于降低直流電源的電壓，使負(fù)載側(cè)電壓低 于電源電壓，其原理電路如圖4.15所示。在開關(guān)器件VT導(dǎo)通時(shí)有電流經(jīng)電感L 向負(fù)載供電，在VT關(guān)斷時(shí)，電感L釋放儲(chǔ)能，維持負(fù)載電流，電流經(jīng)負(fù)載和二 極管VD形成回路。調(diào)節(jié)開關(guān)器件VT的通斷周期，可以調(diào)整負(fù)載側(cè)輸出電流和 電壓的大小。負(fù)載側(cè)輸出電壓的平均值為負(fù)載側(cè)輸出電壓的平均值為：U=tE/T=aE。式中T為VT開關(guān)周期，t為VT導(dǎo)通時(shí)間，a為占空比。開關(guān)器件 LE2S

40、VD負(fù)載圖4.15直流降壓斬波原理圖降變流器主電路的設(shè)計(jì)除要選擇開關(guān)器件和二極管外，還需要確定電感L 的參數(shù)，電感參數(shù)的計(jì)算是復(fù)雜的，但是采用仿真卻很方便。仿真的模型線路如 圖4.16所示。在模型中開關(guān)器件采用了 IGBT，IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由脈沖發(fā)生器 Pulse產(chǎn)生，設(shè)定脈沖發(fā)生器的脈沖周期和脈沖寬度可以調(diào)節(jié)脈沖占空比。模型 中連接了多個(gè)示波器，用于觀察線路中各部分電壓和電流波形，并且通過傅里葉 分析來檢測(cè)輸出電壓的直流分量和諧波。圖4.16直流降壓斬波器仿真模型仿真步驟如下：在模型中設(shè)置參數(shù)，設(shè)置電源E電壓值為200.0,電阻的阻值為5.0,脈 沖發(fā)生器脈沖周期T =0.2ms，脈沖寬度

41、為50%，IGBT和二極管的參數(shù)可以保持 默認(rèn)值。設(shè)置仿真時(shí)間為0.002s，算法采用ode15s。啟動(dòng)仿真。仿真結(jié)果。圖4.17所示為IGBT的驅(qū)動(dòng)脈沖，IGBT的開關(guān)頻率為5kHz，占空比為0.5。 圖4.18所示為二極管兩端的電壓，從圖中可以看到，在二極管導(dǎo)通瞬間由于電 感的di/dt作用使二極管兩端電壓出現(xiàn)尖峰。圖4.19所示為電阻兩端的變換器輸 出電壓的波形。圖4.20所示為輸出電壓直流分量。圖4.21、4.22則分別是通過 IGBT和二極管的電流，從圖中可以看到在IGBT關(guān)斷時(shí)，電感電流經(jīng)電阻負(fù)載 和二極管形成環(huán)路，使電阻兩端波形連續(xù)，但是電壓的波動(dòng)很大，增大電感可以 減少輸出電壓

42、的脈動(dòng)，但是要增加電感的體積。一般既要減少輸出電壓的脈動(dòng)又 要使電感不太大，可以采取的措施是提高斬波頻率和采用電容濾波。圖4.19降壓變流器輸出電壓圖4.20輸出電壓的直流分量波形圖4.21 IGBT的電流波形圖4.22二極管電流波形直流升壓變流器設(shè)計(jì)直流升壓變流器(Boost Chopper)用于需要提升直流電壓的場(chǎng)合，其原理電路 如圖4.23所示。在電路巾IGBT導(dǎo)通時(shí)，電流由電源、E經(jīng)升壓電感L和VT形 成回路，電感L的電流增加，電感儲(chǔ)能;當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，電感產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì) 和直流電源電壓串聯(lián)共同向負(fù)載供電，由于在IGBT關(guān)斷時(shí)電感的反電動(dòng)勢(shì)和直 流電源電壓方向相同互相疊加，從而在負(fù)載

43、側(cè)得到高于電源的電壓。二極管的作 用是阻斷IGBT導(dǎo)通時(shí)，電容的放電回路。直流升壓變流器的電感和電容值設(shè)計(jì)， 同樣可以通過仿真來確定。圖4.23直流升壓變流器原理圖圖4.24直流升壓變流器模型仿真設(shè)計(jì)步驟如下：根據(jù)直流升壓變流器原理電路建立變流器的仿真模型，如圖4.24所示。設(shè)置元件參數(shù)。取脈沖發(fā)生器脈沖周期為0.2ms，脈沖寬度為50 %，初 選L的值為0.1mH,C的值為100uF。設(shè)置仿真參數(shù)，取仿真時(shí)間3ms，仿真算法采用ode15。觀察仿真結(jié)果，從圖4.25可見，選擇的參數(shù)已能滿足要求，輸出電壓達(dá)到 400V，脈動(dòng)在5 %以內(nèi)。如果需要進(jìn)一步減少輸出電壓波動(dòng)，可以提高脈沖發(fā)生 器產(chǎn)生

44、脈沖的周期，并選擇多組LC參數(shù)比較以得到更滿意的結(jié)果。圖4.25輸出電壓波形和IGBT兩端電壓波形4.3直流-交流變流器三相電壓源型SPWM逆變器是在通用變頻器中使用最多的，用SIMULINK 模塊仿真三相電壓源型SPWM逆變器很方便，使用模型庫(kù)的多功能橋模塊 (Universal Bridge)和PWM脈沖發(fā)生器(PWM Generator)就能實(shí)現(xiàn)。三相電壓源型 SPWM逆變器的仿真模型如圖4.26所示。PWM Generator/ node 10Mu Iti meterLFniverssl BridgeRsPulsesSignaHs) 圖4.26三相SPWM逆變器仿真模型對(duì)多功能橋設(shè)為三

45、相橋臂，三相在輸出端，開關(guān)器件選擇了 IGBT。并且在 測(cè)量中選擇了電壓和電流，這是為便于通過多路測(cè)量器(Multimeter)觀測(cè)IGBT承 受的電壓和電流，為選擇1GBT參數(shù)提供依據(jù)。IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由PWM信號(hào) 發(fā)生器產(chǎn)生，在發(fā)生器對(duì)話框中，選擇了內(nèi)產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)方式，當(dāng)然也可以采用 外調(diào)制信號(hào)輸入方式，這時(shí)需要外加三相正弦調(diào)制信號(hào)。選擇三角披頻率僅為 600 Hz，這樣觀察電壓波形比較清楚，實(shí)用頻率要高得多。圖4.27三相SPWM逆變器輸出a、b、c相電壓波形4.4交流.交流變流器交-交變流包括交流調(diào)壓和交-交變頻。交流調(diào)壓是指不改變交流電壓的頻率 而只調(diào)節(jié)電壓的大小的方法。過去交流調(diào)

46、壓用變壓器實(shí)現(xiàn)，在電力電子技術(shù)出現(xiàn) 后，采用電力電子器件的交流調(diào)壓器不僅可以對(duì)電壓進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，并且體積小、 重量輕、控制靈活方便，在燈光控制、家用風(fēng)扇調(diào)速、交流電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速和軟 起動(dòng)、以及交流電機(jī)的輕載節(jié)能運(yùn)行中得到了廣泛的應(yīng)用。交交變頻是通過電 力電子電路的開關(guān)控制將工頻三相交流電改變?yōu)槠渌l率的單相或三相交流電， 也稱直接變頻器和周波變流器，一般交-交變頻器在改變頻率的同時(shí)也調(diào)節(jié)電壓 的大小。單相交流調(diào)壓器仿真交流調(diào)壓線路有采用品閘管器件的相位控制和采用全控元件的PWM控制 兩種方式，這里主要介紹品閘管控制的交流調(diào)壓電路。PWM控制的交流調(diào)壓仿 真在前節(jié)介紹的直流-直流變流仿真基礎(chǔ)上很

47、容易實(shí)現(xiàn)。由品閘管控制的單相交 流調(diào)壓電路。反并聯(lián)連接的品閘管VT1和VT2組成了交流雙向開關(guān)，在交流輸 入電壓的正半周，VTl導(dǎo)通，在交流輸入電壓的負(fù)半周，VT2導(dǎo)通，控制品閘管 的導(dǎo)通時(shí)刻，可以調(diào)節(jié)負(fù)載兩端的電壓。單相交流電壓電路的仿真模型如圖4.28所示。由交流電源、反并聯(lián)晶閘管 模塊（VTl，2）、觸發(fā)模塊（pulsel，2）、阻感負(fù)載（RL）和觀測(cè)示波器組成。其中雙 向品閘管開關(guān)模塊由分支電路組成，分支電路的Inl端和Outl端分別是品閘管 雙向開關(guān)的輸入和輸出端，In2端和In3端分別是品閘管VT1和VT2的觸發(fā)端， Out2端用于觀測(cè)品閘管VTl兩端的電壓和電流。圖4.28單相交

48、流調(diào)壓電路仿真模型In1Detailed Th州5torQZ)In2DeWi led ThiristDilrminstDT |Jj圖4.29反并聯(lián)晶閘管分支電路圖4.30交流調(diào)壓器觸發(fā)電路交流調(diào)壓晶閘管控制角a的移相范圍是180, a=0的位置定在電源電壓過 零的時(shí)刻。在阻感負(fù)載時(shí)按控制角與負(fù)載阻抗角w=arctan (L/R)的關(guān)系，電路 有兩種工作狀態(tài)。交流調(diào)壓器的觸發(fā)電路由同步、鋸齒波形成和移相控制等環(huán)節(jié)組成。電的輸 入端Inl是同步電壓輸入端，同步電壓經(jīng)延遲Relay環(huán)節(jié)產(chǎn)生與同步電壓正半周 等寬的方波，該方波經(jīng)斜率設(shè)定(Rate Limiter)產(chǎn)生鋸齒波，鋸齒波與移相控制 電壓(輸

49、入端血2)疊加調(diào)節(jié)鋸齒波的過零點(diǎn)，再經(jīng)延遲Relayl產(chǎn)生前沿可調(diào)，后 沿固定的晶閘管觸發(fā)脈沖，觸發(fā)電路各部分的輸出波形從上至下分別為同步信 號(hào)、半周等寬方波、鋸齒波、疊加移相控制控制和觸發(fā)信號(hào)。觸發(fā)電路的下半部 分用于產(chǎn)生負(fù)半周晶閘管的觸發(fā)脈沖。仿真步驟如下：繪作交流調(diào)壓器仿真模型。設(shè)置模塊參數(shù)，移相控制電壓Uct可在0-l0V之間任意調(diào)節(jié)。設(shè)置仿真參數(shù)。仿真時(shí)間為0.04s，仿真算法采用ode15s。(4)啟動(dòng)仿真，仿真結(jié)果如圖所示。其中圖所示為移相控制電壓UCI=5V時(shí) 的調(diào)壓器輸出電壓、電流波形。由于品閘管的斬波作用并且控制角較大，輸出電 壓、電流波形的正負(fù)半周是不連續(xù)的，使輸出電壓有

50、效值減小，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交流電 壓的調(diào)節(jié)。圖所示為Uct =2V時(shí)的調(diào)壓器輸出電壓、電流披形，由于控制角較小 (0aw)，輸出電壓和電流為完整的正弦波，交流調(diào)壓器失去調(diào)壓控制作用。比 較電流和品閘管的觸發(fā)脈沖，可以看到在正向電流尚未為零前反向品閘管的觸發(fā) 脈沖已經(jīng)到來，如果觸發(fā)脈沖很窄，在正向電流到零時(shí)反向品閘管的觸發(fā)脈沖已 經(jīng)消失，則反向品閘管就不能導(dǎo)通，因此需要采用寬脈沖觸發(fā)方式，且脈沖的后 沿應(yīng)設(shè)在180的位置，和交流調(diào)壓器的移相范圍相適應(yīng)。在電流的第一個(gè)周期， 因?yàn)殡姼须娏鬏^大，電感儲(chǔ)能較多正向品閘管的導(dǎo)通時(shí)間較長(zhǎng)，使反向品閘管的 實(shí)際導(dǎo)通時(shí)間捕后于觸發(fā)時(shí)間，因此電流的正半周大于負(fù)半周，經(jīng)兩

51、個(gè)周期的調(diào) 節(jié)達(dá)到正負(fù)半周相等的平衡狀態(tài)。圖中方波為正反向品閘管的觸發(fā)脈沖。圖4.31 Uct=2V時(shí)單相交流調(diào)壓器仿真波形圖4.32 Uct=5V時(shí)單相交流調(diào)壓器仿真波形5結(jié)論通過對(duì)電力電子中的整流、逆變、調(diào)壓和斬波的橋式電路的仿真和分析，了 解各種電力電子電路的結(jié)構(gòu)、電路特點(diǎn)、不同負(fù)載時(shí)的有關(guān)計(jì)算公式，為更好地 掌握電力電子技術(shù)基礎(chǔ)理論知識(shí)提供了很好的幫助。同時(shí)對(duì)仿真有了進(jìn)一步認(rèn) 識(shí)。計(jì)算機(jī)仿真具有效率高，精度高，可靠性高和成本低等特點(diǎn)，不僅可以取代 系統(tǒng)的許多繁瑣的人工分析，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高分析和設(shè)計(jì)能力，避免因?yàn)榻?析法在近似處理中帶來的較大誤差，還可以與實(shí)物試制和調(diào)試相互補(bǔ)充，最大限 度地降低設(shè)計(jì)成本，縮短系統(tǒng)研制周期?？梢哉f電路的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)大大的加 速了電路的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過程。MATLAB軟件具有豐富的器件模型庫(kù)和齊全的分析功能，且操作方便，簡(jiǎn) 單易學(xué)，可以方便快捷的分析電力電子電路，特別適用于電力電子的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)。 它可使一些枯燥的電路變得有趣味，復(fù)雜的波形變得形象生動(dòng)，能把原來需要在 實(shí)驗(yàn)室作的實(shí)驗(yàn)搬進(jìn)課堂或宿舍，隨著MATLAB軟件的不斷更新，功能不斷加 強(qiáng)，它將成為電氣工程設(shè)計(jì)人員和教學(xué)工作者必備的工具軟件，將會(huì)廣泛應(yīng)用于 電力電子電路（或系統(tǒng)）的分析和設(shè)計(jì)中。參考文獻(xiàn)王兆安，黃俊主編.電力電子技術(shù)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版,2002 陳堅(jiān)編著.電力電子