电力电子与传动系统仿真(课程讲义)

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1、 上海海事大学研究生课程讲义上海海事大学研究生课程讲义 电力电子与传动系统仿真电力电子与传动系统仿真 谢谢 卫卫 （电气自动化系电气自动化系） 2006 年年 11 月月 电力电子与传动系统仿真 i 目目 录录 第第 1章章 绪论绪论 1 一、仿真的基本概念. 1 二、电力电子与传动系统简介. 4 三、电力电子与传动系统的仿真步骤. 8 第第 2章章 数字仿真的基本方法数字仿真的基本方法 状态变量法状态变量法 . 9 一、频域和时域的分析. 9 二、谐波分析法和状态变量法的比较. 10 三、状态变量法介绍. 10 四、状态变量法的应用稳态分析. 12 五、状态变量法的应用动态分析. 18 第第

2、 3章章 电力电子变换器的数学模型及仿真电力电子变换器的数学模型及仿真 . 19 一、电力电子变换器的分类及特点. 19 二、变频调速系统的分类及特点. 19 三、SPWM 电压型逆变器的数学模型及仿真 21 四、基于 SIMULINK 的 PWM 逆变器通用数学模型 . 24 第第 4章章 交流电机的数学模型交流电机的数学模型 . 32 一、三相异步电动机. 33 二、三相同步电动机. 36 三、永磁同步电动机及坐标变换. 39 四、无刷直流电动机. 44 第第 5章章 方波电压源供电异步电动机传动系统的稳态仿真（一）方波电压源供电异步电动机传动系统的稳态仿真（一） . 49 一、0/dq0

3、 坐标系统中的状态方程 49 二、状态方程的求解. 51 三、对称系数矩阵. 53 四、仿真计算实例. 54 电力电子与传动系统仿真 ii 第第 6章章 方波电压源供电异步电动机传动系统的稳态仿真（二）方波电压源供电异步电动机传动系统的稳态仿真（二） . 56 一、基本方程. 56 二、静止三轴坐标系. 57 三、对称边界条件. 59 四、仿真计算实例. 60 第第 7章章 电流型逆变器供电异步电动机传动系统的动态仿真电流型逆变器供电异步电动机传动系统的动态仿真 . 62 一、电流型逆变器的输出电流. 62 二、相坐标系统中的状态方程. 63 三、仿真计算实例. 65 第第 8章章 电压型逆变

4、器供电同步电动机传动系统的动态仿真电压型逆变器供电同步电动机传动系统的动态仿真 . 67 一、基于线电压的状态方程. 67 二、仿真计算实例. 69 第第 9章章 电压型逆变器供电永磁同步电动机传动系统的动态仿真电压型逆变器供电永磁同步电动机传动系统的动态仿真 . 71 一、dq0 坐标系统中的状态方程 71 二、状态方程的输入计算. 72 三、仿真计算实例. 72 第第 10章章 无刷直流电动机的动态仿真无刷直流电动机的动态仿真 . 75 一、无刷直流电动机的状态方程. 75 二、运行模式分析. 75 三、单流模式下的相电压分析. 77 四、仿真计算实例. 77 附录：无刷直流电动机的附录：

5、无刷直流电动机的 S-函数函数 . 79 参考文献参考文献 84 电力电子与传动系统仿真 1 第第1章章 绪论绪论 一、仿真的基本概念一、仿真的基本概念 1基本定义基本定义 仿真又称模拟（Simulation） ，是用模型来代替实际的系统，该模型与所替代 的实际系统之间存在某些相对应的量，并能在某些范围内重现实际系统的特征。 从一般意义上说，仿真就是指用某种方法反映或再现实际的系统，以便研究其中 的客观规律。 建立模型是系统仿真的基础，其本质是依据系统之间的相似性，在一对系统 之间建立某种对应的关系，从而可以利用模型对实际系统（原型）进行研究。例 如，图 1-1a 是一个由质量、弹簧和阻尼器组

6、成的机械系统，图 1-1b 是一个由电 阻、电感和电容组成的电气系统。描述这两个系统的微分方程分别为 Pkxtxftxmdd dd22（1-1） tqiEqCtqRtqLdd,1 dd dd22 （1-2） mxPfERLkCi图图1-1 机械系统和电气系统的相似性机械系统和电气系统的相似性a)b)表表 1-1 机械系统和电气系统的相似量机械系统和电气系统的相似量 机械系统机械系统 电气系统电气系统 力 P 电压 E 质量 m 电感 L 弹簧摩擦系数 f 电阻 R 弹簧刚度 k 电容的倒数 1/C 位移 x 电量 q 速度 dx/dt 电流 i 显然， 二者具有相似的数学描述， 并且在参数上存

7、在一一对应的关系； 相应地，电力电子与传动系统仿真 2 两者的响应也具有相似的振荡特性。可以设想，假如比例尺寸选择适当，利用 电气系统进行试验， 其结果在数值上和利用机械系统进行试验的结果将完全相 同，因此可以将电气系统看作机械系统的一个模型。 实际上，当两个不同系统的微分方程具有相似性时，则两个系统就互为相 似系统，而在微分方程中占据相同位置的物理量，就称为相似量，如表 1-1 所 示。 在实际应用中，根据模型和原型的关系可以将模型分为如下三类： (1) 形象模型 保留原型系统的外观特征，仅对实际系统的规模进行放大或缩小。如通过 对小型船舶运行特性的研究， 在一定范围内可以达到了解大型船舶运

8、行特性的 目的。 (2) 类比模型 根据不同物理系统（力学、电学、热学等）的物理规律之间的相似性，建 立物理意义完全不同的模型。如上述电气系统，一般比机械系统更容易进行试 验研究，所以可以通过对电气系统的研究来代替对机械系统的研究。 (3) 符号模型 借助文字、字母、符号、图表或数学表达式来描述系统的模型。其中，利 用数学表达式来描述实际系统的模型，称为数学模型。数学建模就是根据研究 对象的基本物理规律，写出描述其运动过程的数学方程微分方程，从而在 物理系统和其抽象的数学描述之间建立对应的关系。 2仿真仿真方法方法的分类的分类 在上述三类模型的基础上，系统仿真的方法可以分为两大类： (1) 物

9、理仿真 用物理性质相同或相近的模型（物理模型）来代替原型系统而进行研究的一 种仿真方法。物理仿真可以替代对复杂系统显得特别有价值的试验研究，并能在 保持其物理本质基本不变的情况下研究原型系统中所发生的现象。 基于形象模型 和类比模型的仿真即属于此类。 (2) 数学仿真 当物理模型不便建立，但可用方程式（数学模型）来描述原型系统的基本特 性时，可以采用数学仿真的方法，这就是基于符号模型（数学模型）的仿真。 数学仿真大体上可以分为以下 5 个步骤： 1) 系统分解：针对所研究的问题，对系统进行层次分解，抽取研究对象中 与研究目的相关的物理规律，即对模型加以简化，建立所谓的集总模型； 2) 数学建模

10、：根据集总模型的物理规律建立系统的数学模型，即将模型抽 象为相应的数学方程微分方程组或差分方程组； 3) 参数估计：根据实际系统决定方程中未确定的系数； 4) 模型转换：由于数学仿真的实现依赖于计算机程序的运行，因此需将模 型的数学描述变换为相应的计算机程序，这就是所谓的编程过程； 5) 结果分析：通过仿真试验的结果与实际系统的对比，以验证模型的正确 性，并分析相关参数对系统性能的影响。 应当指出，上述步骤是一个比较复杂的过程，并没有一个固定的程序可以遵 循。可以说，建模是一门艺术，是逻辑、直觉、抽象、联想与技艺的融合。 电力电子与传动系统仿真 3 3数学仿真的基本工具数学仿真的基本工具 数学

11、仿真是以数学模型与实际物理系统之间的相似性为基础的仿真， 其主要 优点在于它完全是建立在计算机软件基础之上的， 可以根据研究对象的不同特性 随时对模型和程序进行变动，而不用像物理仿真那样需要对硬件进行更动，因此 简单易行，经济快捷。按照工作原理的不同，数学仿真的基本工具计算机可 以分为以下三种： (1) 模拟计算机（Analog Computer） 基于连续运算的计算机（由加法器、乘法器、积分器、反相器等模拟电路运 算部件组成） ，操作方便，不仅解题简单明了，而且速度快（并行运算方式） ，但 是它的精度不太高，通用性较差。 (2) 数字计算机（Digital Computer） 基于离散运算的

12、计算机（由数字电路组成） ，精度高，调用性强，以软件为 基础，调试与修改方便。以往因速度较慢运用较少（串行运算方式） ，目前发展 迅速，应用广泛。 (3) 混合计算机（Hybrid Computer） 不但运算速度快，而且精度高，然而造价较高，只在特定领域使用。 4数字仿真技术的发展数字仿真技术的发展 数字仿真技术的发展与计算机技术的发展密不可分， 主要表现在以下五个方 面： (1) 面向过程的仿真 (2) 面向对象的仿真 (3) 分布式仿真 (4) 多媒体仿真环境 (5) 智能仿真 5仿仿真的意义真的意义 1) 可以发现系统原型中存在的问题，确定最优参数，从而增加样机首次运 行成功的可能性。

13、还可以设定多组参数组合来优化系统各项性能指标； 2) 在实验室由于安全原因或是由于成本问题而不能进行的破坏性实验，可 以很容易通过仿真来完成，对故障和异常情况下的响应也可以进行全面的分析； 3) 可以集中研究系统特定部分的性能； 4) 可以集中研究系统特定过程或时段的性能； 5) 仿真能很好地为教学目的服务，使设计或使用人员较快地熟悉系统的工 作机理。 电力电子与传动系统仿真 4 二、电力电子与传动系统简介二、电力电子与传动系统简介 电力电子与传动系统主要由电力电子变换器、传动装置和控制器三部分组 成，如图 1-2 所示。其中，电力电子变换器主要由电力电子器件所构成，传动装 置主要分为直流电动

14、机传动和交流电动机传动，而控制器通常采用微处理器。该 系统涉及的技术主要包括两个方面，即电力电子技术与传动控制技术。 电源电源电力电子电力电子 变换器变换器传动装置传动装置负载负载控制器控制器图图1-2 电力电子与传动控制系统的基本组成电力电子与传动控制系统的基本组成1电力电力电子电子技术技术 电力电子技术是一门利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科， 属于 新兴的高新技术。美国电气和电子工程师协会（IEEE）的电力电子学会对电力 电子技术的阐述是： “有效地使用电力电子器件，应用电路和设计理论以及分析 开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术，它包括电压、电流、频 率和波形等方面

15、的变换” 。 电力电子技术的内容包括三个方面：电力电子器件、变流电路和控制电路。 它与多种学科密不可分， 可用图1-3形象地表示电力电子技术与其他学科的联系。 总体上说，电力电子技术是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉 学科，是一门多学科相互渗透的综合性学科。 图图1-3 电力电子技术与其他学科的联系电力电子技术与其他学科的联系电力电子电力电子 技术技术电子电子器件器件/电路电路电力电力静止静止/旋转装置旋转装置控制控制模拟模拟/数字数字(1) 电力电子器件 电力电子器件是指用半导体材料制成的功率电子器件， 它是电力电子技术的 基础，半个多世纪以来已发展了多种不同类型的器件，常见的有二极管、晶闸管 SCR、双向晶闸管 Triac、门极关断晶闸管 GTO、双极结型晶体管 BPT 或 BJT、电力电子与传动系统仿真 5 电力 MOSFET、静电感应晶体管 SIT、绝缘栅双极型晶体管 IGBT、MOS 控制晶 闸管 MCT、集成门极换向晶闸管 IGCT 等，大致可分类如下： 集成电路功率模块分立型 集成度碳化硅、金刚石等硅（单晶硅和多晶硅）芯片材料复合型双极型单极型 载流子类型软恢复型硬恢复型反向电流衰减速度快速及超快速型普通型反向恢复速度势垒型结型导电机理不控型电压控制型电流控制型控制信号性质全控型半控型开关状态可控硅