matlab仿真软件进行电力电子系统及电力传动领域仿真

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1、 电气专业核心课综合电气专业核心课综合 课程设计报告课程设计报告 系系别：别：机电与自动化学院机电与自动化学院 专业班级：专业班级： 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 0805 学生姓名：学生姓名：邓荣军邓荣军 学生学号：学生学号：20081131232 指导教师：指导教师：郭磊郭磊 （课程设计时间：2011年 6月 19 日2011 年 7 月 9 日） 华中科技大学武昌分校华中科技大学武昌分校 1 目目录录 1课程设计目的1 2课程设计题目描述和要求1 3课程设计报告内容1 3.1.GTO 组成的 BUCK 变换器的仿真 1 3.2.PWM 发生器的仿真7 3.3.带纯阻负载的三相全桥

2、整流电路仿真 12 4总结19 参考文献 19 1 一、课程设计的目的 学习并应用 MATLAB 仿真软件进行电力电子系统及电力传动领域的仿真 研究。 二、课程设计题目描述和要求 1.学习 MATLAB Simulink/Power System 工具箱等相关内容； 2.学习典型电力电子器件的仿真模型建模及仿真实例，电力电子器件变换器 的仿真模型； 3.学习典型电力电子变换器的应用仿真。 4.完成相应系统模型的建模、参数设定及仿真调试，写出设计报告。 三、课程设计报告的内容 3.1GTO 组成的 BUCK 变换器的仿真 直流斩波就是将直流电压变换成固定或可调的直流电压，也称 DC/DC 变换。

3、 使用直流斩波技术，不仅可以实现调压的功能，而且还可以改善网侧谐波和提高 功率因数的目的。 3.1.1BUCK 变换器的电路模型及工作原理 BUCK 变换器电路，其输出电压平均值总是小于输入电压 Ud,其原理电路如图 3-11 所示。其中 Ud为固定电压的直流电源，V 为门极可关断晶闸管（GTO）,L、 R 为负载，VD 是续流二极管。GTO 的门极驱动电压为周期方波，采用脉宽调制控 制方式，即工作周期不变，GTO 开断时间可调。工作过程如下。 （1）t=0 时刻，驱动 V 导通，电源 Ud向负载供电，忽略 V 的导通压降， 负载电压 U0=Ud。负载电流按指数规律上升。 （2） t=t1时刻

4、，撤出 V 的驱动使其关断，应感性负载电流不能跃变，负载 电流通过续流 VD 二极管续流，忽略 VD 的导通压降，负载电压 U0=0。 负载电流按指数下降。为使负载电流连续且脉动小，一般须串联较大 的电感 L,L 也称平波电感。 （3）t=t2时刻，再次驱动 V 导通，重复上述工作工程。当电路进行稳定工 作状态时，负载在一个周期内的起始和终了只值相等，即 I（0）=I(t2), 图 3-11 的电流波形为稳态工作过程的电流波形。 2 (a)原理图 （b）电流连续波形图 图 3-11 BUCK 变换器的原理图和波形图 3 3.1.2 BUCK 变换器的建模和仿真 根据 BUCK 变换器的电路原理

5、图，如图 3-11（a）所示，建立基于 GTO 的降 压式变换器的仿真模型，如图 3-12 所示。 图 3-12 GTO 元件组成的降压式变换器仿真图 主要参数设置如下： 1.输入直流电源 SimPowerSystems/Electrical Sources /DC Voltage Source E=200V（如图 3-13） 。 图 3-13 直流电源参数 2.串联 LRC 分支 SimPowerSystems/Elements/Series RLC Branch R=20，L=0.01F C=inf（如图 3-14） 。 4 图 3-14 负载参数设置 3.斩波器选择通用桥臂及设置参数（如

6、图 3-15） 功率器件选择 GTO：SimPowerSystems/Power Electronics/Gto。 图 3-15 Gto 参数设置 5 4.脉冲发生模块 Simulink /Sources/Pulse Generator 周期参数设置为 0.002，占空比=75（如图 3-16） 。 图 3-16 脉冲发生器参数设置 5.选择 ode23tb 算法，将相对误差设置为 1e-3，开始仿真时间设置为 0.0，停止 时间设置为 0.02s（如图 3-17） 。 6 图 3-17 算法设置 3.1.3 仿真波形（如图 3-18）及分析 图中所示曲线分别是 I1 是 GTO 电流，U1

7、是 GTO 的电压，I 为负载电流，V 为负载电压 U0。 图 3-18 降压斩波电路中 GTO 的电流、电压、负载电流和负载电压 7 由仿真效果图可的出，负载的电流为连续，触发脉冲占空比为 75，则原直 流电压=200V，经降压变换器直流变换后，电压降到为 120V，实现了降压变换 负载电流波形从零点开始经一段时间达到稳定状态， 当电感足够大时且触发 脉冲的占空比足够大时负载电流连续。 当 GTO 导通时，电源 E 向负载供电，电感开始充电，因电感的作用负载电流 按指数规律上升；当 GTO 关断时，负载电流经二极管 VD 续流，电感开始放电， 电感电流按指数规律下降，在电流下降未到零之前 G

8、TO 导通，电感又开始充电负 载电流有开始上升，如此重复，因此负载电流连续。 3.2 PWM 发生器的仿真模型 3.2.1 PWM 逆变器工作原理 逆变器实现直流-交 的电源化过程，而 PWM（脉宽调制）技术即对脉冲 宽度进行调制的技术，通过一系列的脉冲宽度进行调制，来产生所需的交流正弦 波，为交流设备供电。基于 PWM 技术，逆变器就是通过 PWM 调制技术将直流电压 变换成交流电源的装置。下面以单相逆变器为例介绍 PWM 的原理。单相桥式逆变 器主电路结构如图 3.2.1 所示，其功能器件悬着全控型 IGBT。设负载为阻感负 载，工作时 V1 和 V2 的通断状态互补，V3 和 V4 的通

9、断状态也互补。具体的控制 规律如下：在输出电压 u0 的正半周期，让 V1 保持通态，V2 保持断态，V3 和 V4 交替通断。由于负载电流比电压滞后，因此在电压正半周期，电流有一段区间为 正，一段区间为负。在负载电流为正的区间，V1 和 V4 导通时，负载电压 u0 等 于直流电压 Ud;V4 关断时，负载电流通过 V1 和 VD3 续流，u0=0。在负载电流为 负的区间，仍为 V1 和 V4 导通时，因 i0 为负，故 i0 实际从 VD1 和 VD4 流过，仍 有 u0=Ud；V4 关断，V3 开通后，i0 从 V3 和 VD1 续流，u0=0。这样,u0 总可以得 到 Ud 和零两种电

10、平。同样，在 u0 的负半周，让 V2 保持通态，V1 保持断态，V3 和 V4 交替通断，负载电压 u0 可以得到-Ud 和零两种电平。 8 图 3.2.1 双相逆变器电路及波形 3.2.2PWM 逆变器仿真及参数设置 PWM 技术逆变器仿真模型主要包括电路模型和 PWM 信号控制两部分。主电路 模型可以参照IGBT 构成逆变器主电路实现， 控制模型可以使用 SimPoeerSystems 工具箱的 PWM 发生器实现。基于 PWM 技术逆变器仿真模型如图 3.2.2 所示。 图 3.2.2 基于 PWM 技术逆变器仿真模型 uruc u O w t O w t uo uo f uo Ud

11、-Ud 9 1.PWM 发生器 PWM 是建立基于 PWM 技术逆变器的控制核心部分，在 MATLAB SimPowerSystem/ Extras Library/ Control Blocks/PWM Generator。 模型如图 3.2.3 所示 图 3.2.3PWM 发生器模型 设置参数(如图 3.2.4) 图 3.2.4 PWM 发生器参数设置对话框 10 2 逆变器模型 逆变器模型采用通用桥臂构成 SimPowerSystems/Power Electronics/Universal Bridge 其参数设置（如图 3.2.5） 图 3.2.5 逆变器参数设置 3 电源模型 Si

12、mPowerSystems/Electrical Sources /DC Voltage Source 由于逆变器模型采用单极性方式，输入典型选择一相直流电源，其值设定为 100V （如图 3.2.6） 。 11 3.2.6 电源参数设置 4.负载模型 SimPowerSystems/Elements/Series RLC Branch 参数为 R=1,L=2mH,C=inf（如图 3.2.7） 3.2.7 负载参数 5. 其它模型 在模型窗口中增加输入与输出型中性接地模块各一个；逆变器负载选择 LRC 串联分支， 参数为 R=1,L=2mH,C=inf,以及输入和输出接地模块和相关的测量 和

13、输出模块。 3.2.3 仿真波形及波形分析 根据模型图进行电气连线完成模型的建立，仿真算法选择 ode15s 算法，仿 真时间为 00.05s，其他参数为默认值。运行仿真模型，输出负载电流和负载电 压输出曲线如图 3.2.8 所示。 12 图 3.2.8负载电流和负载电压输出波形 由于 PWM 发生器在 ur 和 uc 的交点时刻 IGBT 的通断。在 ur 的正半周期，V1 保持通态，V2 保持断态，当 uruc 时使 V4 导通，V3 关断，u0=Ud;当 uruc 时使 V3 关断，V4 导通，u0=0。这样 就得到了 SPWM 波形 u0。像这样在 ur 的半个周期内三角波载波只在正极

14、性或负 极性一种极性范围内变化， 所得到的 PWM 波形也只在单个极性范围变化的控制方 式称为单极性 PWM 控制方式。 3.3 带纯阻负载的三相全桥整流电路仿真 3.3.1 三相桥式整流电路模型及工作原理 三相桥式全控整流电路，是由两组三相半波可控整流电路串联而成的，一组 为共阳极接线，一组为共阴极接线，它实际上是共阳极端的二极管换成晶闸管而 得到的， VT1、 VT3、 VT5 三个晶闸管由于阴极接到一块， 所以称为共阴极组， VT4、 VT2、VT6 三个晶闸管的阳极接到一块，所以称为共阳极组。通常变压器采用 Dy 接法。 其完成的功能是三相交流电源通过三相可控整流桥臂转换成为平均值可以

15、 控制改变的直流电源， 而平均值的大小改变是通过同步六相脉冲触发器控制三组 13 晶闸管的控制角的大小来实现的。同时电路的输出情况与负载的性能有关。 图 3-31 原理图 如图 3-31 所示：将其中阴极连接在一起的 3 个晶闸管（VT1、VT3、 VT5） 称为共阴极组；阳极连接在一起的 3 个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。 此外， 习惯上希望晶闸管按从 1 至 6 的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编 号，即共阴极组中与 a、b、c 三相电源相接的 3 个晶闸管分别为 VT1、VT3、VT5， 共阳极组中与 a、b、c 三相电源相接的 3 个晶闸管分别为 VT4、VT6、VT2。从后 面的分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为 VT1VT2VT3VT4VT5 VT6。 3.1.2 主电路原理说明 整流电路的负载为阻性负载。假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况 也就相当于晶闸管触发角=0 o时的情况。此时，对于共阴极组的 3 个晶闸管， 阳极所接交流电压值最高的一