电力电子计算机仿真作业

兰州理工大学1摘要本设计通过MATLAB/SIMULINK仿真交流调压电路在阻性负载和阻感性负载情况下的输出负载电压波形、负载电流波形及晶闸管电流，分析了其产生的原因。交流调压电路采用相控式控制方式，将两个晶闸管反并联后串联在每相交流电源与负载之间。在电源的每半个周期内触发一次晶闸管，使之导通。与相控整流电路一样，通过控制晶闸管开通时所对应的相位，可以方便的调节交流输出电压的有效值，从而达到交流调压的目的。采用KC05移相触发器进行触发电路的设计，并设计了过压、过流保护电路。关键词:相控式；交流调压；晶闸管触发。兰州理工大学2绪论由于交流调压电路的工作情况与负载的性质有很大的关系，交流调压电路可以带电阻性负载，也可以带电感性负载，如感应电动机或其它电阻电感混合负载等。交流调压电路是采用相位控制方式的交流电力控制电路，通常是将两个晶闸管反并联后串联在每相交流电源与负载之间。在电源的每半个周期内触发一次晶闸管，使之导通。与相控整流电路一样，通过控制晶闸管开通时所对应的相位，可以方便的调节交流输出电压的有效值，从而达到交流调压的目的。其晶闸管可以利用电源自然换相，无需强迫关掉电路，并可实现电压的平滑调节，系统响应速度较快，但它也存在深控时功率因数较低，易产生高次谐波等缺点。交流调压电路主要应用在电热控制、交流电动机速度控制、交流稳压器等场合，主要有灯光调节，温度调节（如工频加热、感应加热、需控制的家用电器等），泵及风机等异步电动机的软起动，交流电机的调压调速，随电机负载大小自动调压，变压器初级调压（在高压小电流或低压大电流直流电源中，如采用晶闸管相孔整流电路，需要很多晶闸管串联或并联，若采用交流调压电路在变压器初级调压。其电压电流值都比较合理，在变压器次级只要用二极管整流即可，从而达到减少体积、减低成本的目的）。与自耦变压器调压方法相比，交流调压电路控制方便，调节速度快，装置的重量轻、体积小，有色金属消耗也少。兰州理工大学3第一章MATLAB软件1.1MATLAB简介MATLAB是MathWorks公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便、界面良好的用户环境。它还包括了Toolbox(工具箱)的各类问题的求解工具，可用来求解特定学科的问题。其特点是：（1）简单易用：MATLAB是一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C++语言基础上的，因此语法特征与C++语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。（2）强处理能力：MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。(3)可扩展性：MATLAB最重要的特点是易于扩展，它允许用户自行建立指定功能的M文件。对于一个从事特定领域的工程师来说，不仅可利用MATLAB所提供的函数及基本工具箱函数，还可方便地构造出专用的函数。从而大大扩展了其应用范围。当前支持MATLAB的商用Toolbox(工具箱)有数百种之多。而由兰州理工大学4个人开发的Toolbox则不可计数。(4)高效性：MATLAB语句功能十分强大，一条语句可完成十分复杂的任务。如fft语句可完成对指定数据的快速傅里叶变换，这相当于上百条C语言语句的功能。它大大加快了工程技术人员从事软件开发的效率。据MathWorks公司声称，MATLAB软件中所包含的MATLAB源代码相当于70万行C代码。1.2MATLAB的应用由于MATLAB具有如此之多的特点，在欧美高等院校，MATLAB已成为应用于线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具：在研究单位、工业部门，MATLAB也被广泛用于研究和解决各种工程问题。当前在全世界有超过40万工程师和科学家使用它来分析和解决问题。MATLAB作为科学计算软件，主要适用于矩阵运算和信息处理领域的分析设计，它使用方便、输入简捷，运算高效、内容丰富，并且有大量的函数库可提供使用，与Basic，C和Fortran相比，用MATLAB编写程序，其问题的提出和解决只需要以数学方式表达和描述，不需要大量繁琐的编程过程。利用MATLAB软件并通过计算机仿真光学空间滤波实验过程的新方法,其特点是：既可以随意改变所设计滤波器的参量，又可以对输入图像进行振幅、相位或复合滤波，并且可实现傅里叶变换频谱中相位信息的提取、存储和利用，因而能够完成一般光学实验中往往难以实现的某些操作.并分别给出了网格滤波、低通、高通及相位滤波等仿真实验结果。这种仿真实验给光学滤波器的设计和图象处理带来很大方便，同时也为相关器件的设计提供了一条新的途径。1.3Simulink介绍Simulink是基于MATLAB的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以针对任何能够用数学来描述的系统进行建模，例如航空航天动力学系统、卫星控制制导系统、通讯系统、船舶及汽车动力学系统等等，其中包括连续、离散，条件执行，事件驱动，单速率、多速率兰州理工大学5和混杂系统等等。Simulink提供了利用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形界面，而且Simulink还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块集合，利用Simulink几乎可以做到不书写一行代码完成整个动态系统的建模工作。Simulink是用来建模、分析和仿真各种动态系统的交互环境，包括连续系统，离散系统和混合系统。Simulink提供了采用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形交互平台。通过Simulink提供的丰富的功能块，可以迅速地创建动态系统模型。同时Simulink还集成了Stateflow，用来建模、仿真复杂事件驱动系统的逻辑行为。另外，Simulink也是实时代码生成工具Real-TimeWorkshop的支持平台。特点（1）丰富的可扩充的预定义模块库；（2）交互式的图形编辑器；（3）模型分割实现复杂模型的管理；（4）支持M语言和C语言方式的功能模块扩展；（5）进行系统交互式或批处理式仿真；（6）支持交互式定义输入和浏览输出；（7）图形化调试工具检查和诊断模型行为；（8）通过MATLAB进行数据分析和可视化数据，开发图形用户界面，以及创建模型数据、参数；兰州理工大学6第二章单相交流调压电路原理2.1设计要求计算机仿真具有精度高，可靠性高，成本低的优点。已经广泛应用与电力电子电路（或系统）的分析和设计中。计算机仿真不仅可以取代系统的许多繁琐的人工分析，减轻劳动强度，提高分析和设计能力，避免因为解析法在近似处理中带来的较大误差，还可以与实物试制和调试相互补充，最大限度降低设计成本，缩短系统研制周期。可以说，电路的计算机仿真技术大大加速了电路的设计和实验过程。通过本次仿真，学生可以初步认识电力电子计算机仿真的优势，并掌握电力电子计算机仿真的基本方法。交流调压电路的电路参数要求：输入交流电压源220V，工频50Hz,。R=50Ω，输出可调。选择不同电感值，仿真负载阻抗角大于、等于、小于触发角时的输出波形，并进行理论分析。2.2设计内容（1）制定设计方案；（2）主电路设计；（3）保护电路设计及驱动电路设计；（4）仿真并分析波形2.3相控式单相交流调压原理通过某种装置对交流电压的有效值进行调整叫做交流调压。交流调压的方式一般分为三种：相控式、斩波式、通断式。第一种的电路一般由晶闸管构成，通过改变控制角实现调压。第二种又叫交流斩波器，一般要用全控型器件来实现。第三种也叫功率控制器，主电路也相控电路相似，但控制规则不同。单相相控交流调压电路如图2-1所示。两个晶闸管反并联与负载串联，通过改变控制角来兰州理工大学7调节晶闸管的导通时间，进而起到调节负载电压有效值的作用。与晶闸管相控整流电路类似，负载性质会对电路的工作情况有较大的影响。图2-1单相交流调压电路当负载为纯阻性负载时，其负载波形如图2-2所示。此时电压、电流波形完全相同，只是幅值不同，当电源电压U在正半周时，晶闸管VT1承受正向电压，但是没有触发脉冲晶闸管VT1没有导通，在α时刻来了一个触发脉冲，晶闸管VT1导通，晶闸管VT2在电源电压是正半周时承受反向电压截止，当电源电压反向过零时，负载电压、电流为零。当电源电压U在负半轴时，VT2承受正向电压，在时刻给触发脉冲，晶闸管VT2导通，形成负半轴的回路。图2-2阻性负载波形兰州理工大学8当负载为阻感性负载时，其负载电压、电流波形如图2-3所示。当电源电压U在正半周时，晶闸管VT1承受正向电压，但是没有触发脉冲晶闸管VT1没有导通，在α时刻来了一个触发脉冲，晶闸管VT1导通，晶闸管VT2在电源电压是正半周时承受反向电压截止，当电源电压反向过零时，由于负载电感产生感应电动势阻止电流变化，故电流不能马上为零，随着电源电流下降过零进入负半周，电路中的电感储存的能量释放完毕，电流到零，晶闸管VT1关断。电源电压U在负半周时，晶闸管VT2承受正向电压，但是没有触发脉冲晶闸管VT2没有导通，在π+α时刻来了一个触发脉冲，晶闸管VT2导通，晶闸管VT1在电源电压是负半周时承受反向电压截止，当电源电压反向过零时，由于负载电感产生感应电动势阻止电流变化，故电流不能马上为零，随着电源电流下降过零进入负半周，电路中的电感储存的能量释放完毕，电流到零，晶闸管VT2关断。图2-3阻感性负载波形兰州理工大学9第三章单相交流调压电路仿真3.1单相交流调压电路仿真1.建立一个仿真模型的新文件。在MATLAB的菜单栏上点击File，选择New，再在弹出菜单中选择Model，这时出现一个空白的仿真平台，在这个平台上可以绘制电路的仿真模型。2.在simulink菜单下面找到simpowersystems从中找出所需的晶闸管，交流电源，电压表，电流表，示波器，阻感负载等。3.将找到的模型正确的连接起来，如图3-1所示。图3-1单相交流调压电路4.参数设置⑴触发脉冲参数设置如下图所示:其中将周期（period）设置为0.01触发脉冲宽度（pulsewidth）设置为5兰州理工大学10相位滞后（phasedelay）也就是触发角可设为0.0017触发角α相位滞后换算公式00相位滞后=(触发角/180)×0.01300.0017450.0025900.0051200.00671500.00831800.01⑵负载参数设置如果负载为电阻性负载，则将电感（inductance）设为0，电容（capacitance）设为inf,本次仿真中的负载为纯电阻性，其参数设置如下图所示⑶电源参数设置电源电压设为180V，频率设为50Hz,相位角设为0，如需改变可另行设置⑷仿真器设置为便于观察波形，将仿真时间设为0.08（四个周期）兰州理工大学113.2纯阻性负载波形分析（1）正相相位滞后0.0017（30度）、反相相位滞后0.0117（210度）；其波形图如图3-2所示。波形中依次为：正向脉冲信号波形、反向脉冲信号波形、VT1电流