基于simulink的電力電子系統(tǒng)仿真(付俊章朝劍)-預(yù)覽頁(yè)
【正文】 有相同功能的元胞進(jìn)行并聯(lián)集成，在制造上采用把晶閘管向高電壓、大電流方向發(fā)展所積累起來(lái)的各種經(jīng)驗(yàn)同微電子的微細(xì)加工方面的成就相結(jié)合的成果。80年代以來(lái)，電力電子技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)和節(jié)能技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)全面深入地滲透到經(jīng)濟(jì)、國(guó)防、科技和社會(huì)生活的各個(gè)方面。到90年代，我國(guó)在某些現(xiàn)代電力電子技術(shù)，如軟開(kāi)關(guān)、功率因數(shù)校正、IGBT的應(yīng)用、并聯(lián)均流、智能控制、諧波治理、計(jì)算機(jī)仿真等的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方面取得了一些成就，有些研究成果已在產(chǎn)業(yè)部門(mén)中得到推廣和應(yīng)用。場(chǎng)控器件（功率MOS、IGBT等和智能功率模塊IPM）全靠進(jìn)口。要加快我國(guó)電力電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的步伐，增強(qiáng)其在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力，是我們當(dāng)代大學(xué)生應(yīng)有的義務(wù)和責(zé)任[3]。自20世紀(jì)80年代初開(kāi)始，隨著微機(jī)的廣泛應(yīng)用，數(shù)字仿真技術(shù)在自動(dòng)控制、電氣轉(zhuǎn)動(dòng)、機(jī)械制造、造船、化工等工程技術(shù)領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用[1]。目前常用的仿真軟件有PSpice,Saber,Simplis和Matlab等幾種。在電路仿真方面，它的功能可以說(shuō)是最為強(qiáng)大，在國(guó)內(nèi)被普遍使用.。但PSpice的仿真數(shù)據(jù)處理量龐大，仿真和處理速度慢，輸出數(shù)據(jù)格式和兼容性差，這些方面也限制了PSpice的應(yīng)用。 Matlab中的Power System Bolckset (PSB)含有在一定使用條件下的元件模型，包括電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)元件、電機(jī)、電力電子器件、控制和測(cè)量環(huán)一相以及二相元件庫(kù)等，再借助于其它模塊庫(kù)或工具箱，在Simulink環(huán)境下，可以進(jìn)行電力系統(tǒng)的仿真計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制方法仿真，同時(shí)可以觀察仿真的執(zhí)行過(guò)程。3) 電力電子應(yīng)用系統(tǒng)建模和仿真，包括基于SPWM的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，ACDCAC PWM 變換器。電力電子器件的主要用途是用于功率變換和智能化運(yùn)動(dòng)控制，基本功能主要有以下六種:①整流——交流(AC)→直流(DC)，通過(guò)整流二極管或晶閘管將定壓定頻交流電變換成直流電；②逆變——直流(DC) →交流(AC )，通過(guò)晶閘管SCR或大功率晶體管GTR、可關(guān)斷晶閘管GTO、絕緣柵晶體管IGB39。 電力電子器件的分類(lèi)按照電力電子器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度，可以將電力電子器件分為以下三類(lèi)[2]：1） 通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷的電力電子器件被稱(chēng)為半控型器件，這類(lèi)器件主要是指晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件，器件的關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。 常用電力電子器件的SIMULINK模型絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊[5]如圖26所示。另外，需要注意很多開(kāi)關(guān)器件在MATLAB中等效為電流源，不能自接與電感串聯(lián)。其電流上升時(shí)間和下降時(shí)間取為ｕs數(shù)量級(jí)?？蓪㈦娮柚翟O(shè)為非常小的值(如千分之一)以解決上述問(wèn)題。在仿真過(guò)程中，要注意選擇合適的算法，不同的算法對(duì)同一模型的計(jì)算時(shí)間及結(jié)果有時(shí)有很大差別；同時(shí)，適當(dāng)減小絕對(duì)容差和相對(duì)容差(在變步長(zhǎng)算法中)可加快仿真。導(dǎo)通的晶閘管在陽(yáng)極電流下降到零，或者晶閘管承受反向電壓時(shí)晶閘管關(guān)斷，但是晶閘管承受反向電壓的時(shí)間應(yīng)大于設(shè)置的關(guān)斷時(shí)間Tq，否則，盡管門(mén)極信號(hào)為零，晶閘管還可能導(dǎo)通，因此關(guān)斷時(shí)間是表示晶閘管內(nèi)載流子復(fù)合的時(shí)間，是晶閘管陽(yáng)極電流減少為零后到晶閘管能再次施加正向電壓而不會(huì)誤導(dǎo)通的一段時(shí)間間隔。調(diào)制波有兩種產(chǎn)生方式，一種是由PWM脈沖發(fā)生器自動(dòng)生產(chǎn)，另一種在脈沖發(fā)生器輸入端有外部輸入。當(dāng)選擇外部輸入調(diào)制信號(hào)時(shí)，調(diào)制波的頻率和相位則由外部輸入的信號(hào)波決定，但是外部輸入的信號(hào)波形幅值不能大于1。應(yīng)用最為廣泛。5）由于零線平均電流為零，所以可以不用零線。三相橋式全控整流電路仿真模型如圖32所示。、240176。5）：6脈沖發(fā)生器設(shè)置：頻率為50 Hz，脈沖寬度取1176。 降壓斬波電路 圖34所示的是降壓斬波電路的原理圖。負(fù)載電壓的平均值為： （31） 式中31，= ton/T ，稱(chēng)為占空比a ≤1，調(diào)節(jié)a的大小即可改變輸出電壓的大小。如圖34直流降壓斬波仿真電路。啟動(dòng)仿真。設(shè)V處于通態(tài)的時(shí)間為ton,.此階段電感L上積蓄的能量為EI1ton 。 a b圖36 a)升壓斬波電路的原理圖 b)工作波形圖建立如圖37升壓斬波電路模型：已知直流電源200V，要求將電壓提升到400V，且輸出電壓的脈動(dòng)控制在5%以?xún)?nèi)，負(fù)載的等值電阻為5歐。脈沖寬度為50%，C的值為100uF。PWM逆變電路也可以分為電壓型和電流型兩種。與計(jì)算法相對(duì)應(yīng)的是調(diào)制法，即把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過(guò)信號(hào)波的調(diào)制得到所希望的PWM波形。在SWPM逆變電路中如圖38，自流側(cè)電壓饑為550V，調(diào)制正弦波頻率為50HZ，三角載波頻率為600HZ，全控功率器件選用MOSFLT，,仿真后電動(dòng)機(jī)的相電壓、線電壓、定子電流波形及相電壓、線電壓頻譜圖。用SPWM波形來(lái)作為逆變器的觸發(fā)脈沖。圖41 基于SPWM的交流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖(1)輸入給定：圖中的step模塊，它內(nèi)部屬性設(shè)為：零時(shí)刻輸出0．5，一秒時(shí)跳變?yōu)?．75。Step模塊的輸出作為系統(tǒng)的頻率信號(hào)。三角渡頻率不變．所以是異步調(diào)制方式。實(shí)際系統(tǒng)中，SPWM波要送人驅(qū)動(dòng)電路．經(jīng)過(guò)整形，放大。(3)交流電動(dòng)機(jī)：S1MUL1NK提供了大量的實(shí)物仿真模塊。額定頻率為60Hz。使仿真效果更具備物理意義。6路IGBT模塊選用PSB庫(kù)的子庫(kù) Power Electronics中的Universal Bridge 模型，只需把 Universal Bridge 的屬性 Power Electronics Dvice 改為IGBT/DIODE 即可。三相LC濾波器是由三相電感和電容組合封裝的一個(gè)模塊，如圖47圖 47 LC濾波器第五章 基于MATLAB/SIMULINK的仿真研究 SIMULINK仿真條件設(shè)置SIMULINK是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包。 SIMULINK模塊庫(kù)內(nèi)資源相當(dāng)豐富，基本模塊庫(kù)包括連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)非線性系統(tǒng)、信號(hào)與函數(shù)、輸入模塊、接收模塊等等，使用方便。 SIMULINK提供了幾乎所有的仿真過(guò)程中常用的算法，為我們應(yīng)用提供了極大的方便。ode113:可變階次的Adams算法。ode4:四階Runge Kutta算法。本文所建的系統(tǒng)是含有一個(gè)微分方程的非線性系統(tǒng)，可以選用SIMULINK中的各種算法進(jìn)行仿真。仿真參數(shù)設(shè)置完成后即可啟動(dòng)仿真，得到的仿真結(jié)果。因?yàn)槭秦?fù)載是純電阻，整流后的電壓和電流波形相同，但Y軸坐標(biāo)不同。占空比為5。一般既要減少輸出電壓的脈動(dòng)又要使電感不太大，可以采取的措施是提高斬波頻率和采用電容濾波。IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由PWM信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，在發(fā)生器對(duì)話框中，選擇了內(nèi)產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)的方式，當(dāng)然也可以采用外調(diào)制信號(hào)輸入方式，這時(shí)需要外加三相正弦調(diào)制信號(hào)。波形的疏密程度決定了輸出電壓的高低。另外．由于電動(dòng)機(jī)慣性的作用．因此轉(zhuǎn)速波形沒(méi)有出現(xiàn)脈動(dòng)．轉(zhuǎn)速波形是平滑的。啟動(dòng)仿真，可以看到如下圖534 從上到下： 從波形上可以看出，負(fù)載電壓非常接近正弦波，著是由于LC濾波器大大減少了逆變電源輸出電壓的諧波。
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