MATLAB仿真软件进行电力电子系统及电力传动领域的仿真

《电气专业核心课综合》课程设计报告系别：机电与自动化学院专业班级：电气工程及其自动化0805学生姓名：邓荣军学生学号：20081131232指导教师：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1目录1．课程设计目的…………………………………………………………………12．课程设计题目描述和要求……………………………………………13．课程设计报告内容……………………………………………………………13.1.GTO组成的BUCK变换器的仿真……………………………………………13.2.PWM发生器的仿真……………………………………………………………73.3.带纯阻负载的三相全桥整流电路仿真……………………………………124．总结……………………………………………………………………………19参考文献…………………………………………………………………………191一、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MATLABSimulink/PowerSystem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。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，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3-11BUCK变换器的原理图和波形图33.1.2BUCK变换器的建模和仿真根据BUCK变换器的电路原理图，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3-12GTO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/ElectricalSources/DCVoltageSourceE=200V（如图3-13）。图3-13直流电源参数2.串联LRC分支SimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranchR=20Ω，L=0.01FC=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（如图3-15）功率器件选择GTO：SimPowerSystems/PowerElectronics/Gto。图3-15Gto参数设置54.脉冲发生模块Simulink/Sources/PulseGenerator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GTO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。3.2PWM发生器的仿真模型3.2.1PWM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urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud91.PWM发生器PWM是建立基于PWM技术逆变器的控制核心部分，在MATLABSimPowerSystem/ExtrasLibrary/ControlBlocks/PWMGenerator。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3.2.4PWM发生器参数设置对话框102逆变器模型逆变器模型采用通用桥臂构成SimPowerSystems/PowerElectronics/UniversalBridge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SimPowerSystems/ElectricalSources/DCVoltageSource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）。113.2.6电源参数设置4.负载模型SimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranch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0~0.05s，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V4关断，V3导通，u0=0。在ur的负半周期，V1保持断态，V2保持通态，当uruc时使V3导通，V4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VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－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α=0o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个导通。而对于共阳极组的3个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。此时各晶闸管工作过程如图3-32所示。14图3-32晶闸管导通3.2.三相桥式整流电路仿真模型建立和参数设置3.2.1三相桥式全控整流电路模型建立（如图3-33）图3-33三相桥式全控整流电路模型时段ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb153.2.2各元器件及参数设置1.交流电压源（如图3-34）3-34交流电源SimPowerSystems/ElectricalSources/ACVoltageSource参数设置：三相电源的相位互差120，设置交流峰值电压为220V，频率为50HZ。如图3-353-35交流电源参数设置2.负载（如图3-36）3-36负载SimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranch参数设置：R=10欧姆，L=0mh,C=inf（如图3-37）163-37负载参数设置3.整流桥模型SimPowerSystems/PowerElectronics/UniversalBridge通用变换器桥模块（如图3-38）图3-38通用桥臂模块通用桥壁参数设置（如图3-39）17图3-39通用桥壁参数设置通用变换器桥模块是由6个功率开关元件组成的桥式