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1、目 录1 绪论11.1 课题的背景及意义11.1.1 我国能源状况11.1.2 电力电子技术的应用21.1.3 国内外电力电子技术发展概况31.2 计算机仿真的意义51.3 本论文研究的主要内容62 SIMULINK模型库及使用72.1 SIMULINK的模块库介绍72.2 电力系统模块库的介绍72.3 SIMULINK仿真的步骤83 交流-直流变流器103.1 单相半波可控整流电路103.1.1 电路结构与工作原理103.1.2 单相半波可控整流电路建模103.1.3 仿真与分析113.2 单相桥式全控整流电路163.2.1 电路结构与工作原理163.2.2 单相桥式全控整流电路建模173.
2、2.3 仿真与分析173.3 三相桥式全控整流电路223.3.1 电路图及工作原理223.3.2 建立仿真模型223.3.3 仿真结果分析234 直流-直流变流器374.1 直流降压变流器374.1.1 电路图及工作原理374.1.2 建模与仿真374.2 直流升压变流器404.2.1 电路图及原理404.2.2 建模与仿真分析405 直流-交流变流器435.1 电路原理图435.2 建立仿真模型435.3 仿真结果466 交流-交流变流器486.1 单相交流调压器仿真486.1.1 电路图及原理486.1.2 仿真分析486.2 三相交流调压器仿真516.2.1 电路原理图516.2.2 建
3、模及仿真527 结论57参考文献58致 谢601 绪论1.1 课题的背景及意义1.1.1 我国能源状况 近年来能源及与之相关的环境成为全世界各国最为关注的热点，各国都在从自己本国的国情出发来解决能源与环境问题。对我国来说，由于人均能源资源短缺（尤其是油、气、水），环境容量（亦是资源）有限，西部生态脆弱，这个问题尤为严重，它将极大的制约我国的可持续发展以及为中华民族子孙万代生生息息留有生存空间。近年来，我国GDP每年以10%的速度发展，能源消耗急剧增加，环境、生态日益恶化。这种对自然无序的、掠夺性索取的发展模式已难以为继，实际上已造成当前十分严重的、不可逆转的后果，大自然的惩罚已经不断地凸现出来
4、，并还要继续加重。我国能源资源丰富多样，虽然总储量比较大，但人均能源资源很少。中国自然资源总量排世界第七位，能源资源总量约4万吨标准煤居世界第三位。中国煤炭保有储量为10024.9亿吨，但经查可采储量只有893亿吨（世界煤炭储量为1万多亿吨，储采比为219年。储量最大的国家依次为美国、中国、澳大利亚、印度、德国、南非、波兰。其中美国的储量比中国大一倍以上，除中国外，其余6国的储采比均在210年以上，中国若保持原开采强度，储采比不足百年），石油的资源量为930亿吨，天然气的资源量为38万亿立方米，现已探明的石油和天然气储量只占资源量的约20%和约6%，仅够开采几十年（全世界石油剩余可采储量仅为1
5、409亿吨，储存比为41。第15届世界石油大会认为上述石油资源的探明程度为79%，因此，不可能再找到足够大的石油资源了，石油短缺将不可避免地在下个世纪出现。）；煤层气资源量为35万亿立方米，相当于450亿吨标准煤，排世界第三位，但尚未成规模开发利用。因此，我国常规能源资源并不丰富，应建立正确的“资源意识”，并具有相应的“忧患意识”。 另一方面，我国的能源消费结构不合理，能源效率低，浪费严重。我国目前的能源效率是31.2%，比发达国家低10个百分点，落后20年。由于管理和技术水平落后以及价格、税收政策不完全合理，导致我国能源开发利用上的严重浪费。能源的经济效益很低，每产生1万美元产值所消耗的能源
6、是美国的3倍，是日本的7.2倍，也远高于巴西和印度等发展中国家2。能源紧张问题的解决是多方面的，重要的一点就是开源节流。一方面，加大对传统能源的勘察力度，加大对新能源的寻找力度；另一方面，在能源消费方面，提倡节约，用先进的技术改造传统落后的生产设备与工艺，降低能源消耗，提高能源效率，使我国产业结构向低消耗、高产出的方向转变，以促进我国经济的可持续发展。1.1.2 电力电子技术的应用电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。是对电能进行变换和控制线代工业电子技术，内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。近年来，功率变流技术得到了迅猛发展，经过变流技
7、术处理的电能在整个国民经济的耗电量中所占比例越来越大，成为其他工业技术发展的重要基础。电力电子技术应用非常广泛，举例如下：(1)电气传动电力电子技术是电动机控制技术发展的最重要的物质基础，电力电子技术的迅猛发展促使电动机控制技术水平有了突破性的提高。利用整流器或斩波器获得可变的直流电源，对直流电动机电枢或励磁绕组供电，控制直流电动机的转速和转矩，可以实现直流电动机变速传动控制。利用逆变器或交交直接变频器对交流电动机供电，改变逆变器或变频器输出的频率和电压、电流，即可经济、有效地控制交流电动机的转速和转矩，实现交流电动机的变速传动。交流电动机的变频调速在电气传动系统中占据的地位日趋重要，已获得巨
8、大的节能效果。变频器是实现交流变频调速的重要环节。变频器电源主电路均采用交流直流交流方案。工频电源通过整流器编程固定的直流电压，然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器，将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出，电源输出波形近似于正弦波，用于驱动交流异步电动机实现无级调速。(2) 电源 工业和社会的各个领域需要不同种类的电源。例如，近年来以P-MOSFET和IGBT为主开关元件组成的逆变焊机取得了实质性进展。不间断电源（UPS）被广泛的应用于计算机、通信、仪器设备、各种微电子系统及公共场所。(3) 电网进化技术近年来，随着电力电子装置的应用与普及，电网波形畸变日趋严重。传统的无源滤波
9、方法难以应付日益严重的电网“公害”。人们从电力电子技术本身找到了解决的途径，这就是有源滤波器。(4) 电力系统应用高压直流输电（HVDC）在输电线路的送端将工频交流变为直流，在受端再将直流变回工频交流。高压直流输电从根本上解决了输电系统的稳定性问题，减少了线路的武功消耗，实现了远距离、大功率高压直流输电。在高压直流输电系统中，它需在线路两端设置整流、逆变及无功补偿装置。综上所述，电力电子技术已经渗透到航天、国防、工农业生产、交通、文教卫生、办公室自动化乃至于家庭的任何角落。伴随着器件与变流电路的进步，电力电子技术的应用领域也将会有新的突破4。1.1.3 国内外电力电子技术发展概况电力电子技术就
10、是采用功率半导体器件对电能进行转换、控制和优化利用的技术，它广泛应用于电力、电气自动化及各种电源系统等工业生产和民用部门。电子器件的特点之一就是开关控制，通态压降接近零，本身电耗小，与微机控制组成系统后，在对电能进行控制变换和调节的过程中都处于最高效率状态，因此，具有明显的节能效果。电力电子器件的发展大体分为三个阶段，从上世纪50年代的半控器件可控硅SCR(Semi-Conductor Rectifier)，发展到上世纪80年代以后的全控器件GTO(Gate Turn-off thyristor)、GTR(Giant Transistor)、POWER MOSFET(Power Metal O
11、xide Semiconductor Field Effect Transistor)，直至现在的第三代电力电子器件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、 IGCT(Integrated Gate Commucated Thyristor)、SIT(Static Induction Transistor)、MCT(MOS Controlled Thyristor)、SITH(Static Induction Thyristor)等。其发展趋势是电力电子器件的功率越来越大，开关频率越来越高。由电力电子器件构成的电力电子电路有AC-DC、DC-DC、DC-
12、AC、AC-AC四种类型，可以进行变流、能量变换、变频，主要用于电机调速和电源系统。除工业上的轧机、矿井卷扬机、机床、造纸用电机的调速外，风机、水泵电机调速可节约大量电能。在电源领域，电解、电镀和冶金用大电流直流电源，电炉、电磁搅拌机及热处理用的低频、中频、高频交流电源，焊机电源和各种控制电源应用了电力电子技术后，节能效果显著，并大大减少了对原材料的消耗。 电力电子技术的发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。20世纪80年代末期和90年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集成频高压和大电流于一身的功率半导体复合器件表明传统
13、电力电子技术已经进入现代电力电子时代。 变流电路的基本功能是实现电能形式的转换。其基本形式有四种：整流电路、逆变电路、调压电路、斩波电路，如图1.1所示。 图1.1 变流电路基本形式将交流电能转换为直流电能的电路，称为整流电路。由电力二极管可组成不可控整流电路。以往使用最方便的整流电路微晶闸管相控整流电路，其具有网侧功率因数低、谐波严重等缺点。由全控型器件组成的PWM整流电路具有高功率因数等优点，近年来得到进一步发展与推广，应用前景广泛。将直流电能转换为交流电能的电路，称为逆变电路。逆变电路不但能使直流变成可调的交流，而且可输出连续可调的工作频率。将一种直流电能转换成另一固定电压或可调电压的直
14、流电的电路，称为斩波电路或DC-DC变换电路。斩波电路大都采用PWM控制技术。将固定大小和频率的交流电能转换为大小和频率可调的交流电能的电路，称为调压电路或交流变换电路。交流变换电路可分为交流调压电路和交-交变频电路。交流调压电路在维持电能频率不变的情况下改变输出电压幅值。交-交变频电路亦称为周波变换器，它把电网频率的交流电直接变换成不同频率的交流电。近年来，以电力电子器件为基础的电气传动技术发展很快，从而为电机变频调速系统的开发和研制提供了先进的物质基础，给工业、民用业带来了无限的生机和活力，给国家节约了大量的能源，而且减少了环境污染。国际上自80年代变频调速器取得技术突破后，在许多领域得到
15、广泛应用。比较有名的厂家主要有美国的罗宾康(ROBICON)公司、罗克韦尔(ROCKWELL)自动化AB公司、GE公司，德国的西门子(SIEMENS)公司，瑞士的ABB公司及法国AISTOM公司等。由于电力电子技术的迅速发展，新的电力电子器件的出现以及现代控制理论方法在调速控制系统中的应用，变频器仍处于不断完善中。我国电机驱动系统的能源利用率非常低，在电机能耗中，高压电机的能耗超过了70%，因而电机的节能得到了政府和企业的广泛关注。在电机领域，一些发达国家采用变频调速率已高达70%，而中国只有10%左右。因此，高压变频器市场发展前景十分广阔。1.2 计算机仿真的意义所谓仿真(simulation)指的是利用模型再现实际系统中发生的本质过程，并且通过上述模型的试验来研究已存在的或计划中的系统。换句话说，仿真就是利用模型对实际系统进行实验研究的过程。计算机仿真可以分为两个过程：建模与实验。所谓建模，就是根据研究对象的基本物理规律，对物理系统写出其运动规律的数学方程，即数学模型的过程。在建模过程中，数学模型代表的数学系统是实际系统在概念轴上的投影；建模的本质在于将所研究的系统投影到适当的概念轴上。换句话说，所
