【導(dǎo)讀】SIMULINK是基于框圖的仿真平臺，它掛接在MATLAB環(huán)境上，以。MATLAB的強(qiáng)大計(jì)算功能為基礎(chǔ)，以直觀的模塊框圖進(jìn)行仿真和計(jì)算。證實(shí)了該方法的簡便直觀、高效快捷和真實(shí)準(zhǔn)。本研究還設(shè)計(jì)并建立了圖形用戶界面，以方便打開各個(gè)仿真模型。

　　

【正文】 ，當(dāng) U2過零時(shí)關(guān)斷。 VT2和 VT3 組成另一對橋臂， 在 u2負(fù) 半周承受電壓 u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo) 通， 圖 35 原理圖 當(dāng) u2過零時(shí)關(guān)斷。 1． 根據(jù)原理圖利用 SIMULINK 中電力電子模塊庫建立相應(yīng)的仿真模型如圖 36 所示 。 圖 36 單相橋式全控整流電路模型 ACU =220V(有效值 )， R=10Ω , L=,晶閘管參數(shù)為默認(rèn)值。 選擇仿真終止時(shí)間為 ，采用變步長算法 ode23tb(stiff／TR． BDF2)， ? =30176。 其波形如圖 37 所示。 中國石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 23 圖 37 輸出電壓、電流和電壓平均值波形 從波形圖 37 可知， 電感對電 流變化有抗拒作用，使得流過電感的電流不發(fā)生突變 ，電感對負(fù)載電流起平波作用。 U2過零變負(fù)時(shí)，由于電感的作用晶閘管 VT1 和 VT4 中仍流過電流 Id，并不關(guān)斷。至 wt=? +a 時(shí)刻，給 VT2和 VT3 加 觸發(fā)脈沖，因 VT2 和 VT3本已承受正電壓，故兩管導(dǎo)通。 VT2和 VT3導(dǎo)通后， u2通過 VT2和 VT3 分 別向 VT1 和 VT4 施加反壓使 其 關(guān)斷，流過 VT1和 VT4 的電流迅速轉(zhuǎn)移到 VT1 和 VT3上，此過程稱為換相，亦稱換流。至下一周期重復(fù)上述過程，如此循環(huán)下去 ，實(shí)現(xiàn)整流。其輸出直流電壓 值 由下 可得 : VUU d 7 130c o s2 2 o 2 ????? ?? 與仿真結(jié)果相同。 a 移相范圍為 90?。 因此改變晶閘管觸發(fā)角度則可觀察不同觸發(fā)角下到各種波形。 三相可控整流電路 的仿真 當(dāng)整流負(fù)載容量較大，或要求直流電壓脈動較小時(shí)，應(yīng)采用三相整流電路。其交流側(cè)由三相電源供電。三相可控整流電路中，最基本的是三相半波可控整流電路，應(yīng)用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路、以及雙反星形可控整流電路、 十二脈波可控整流電路等，均可在三相半波的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析 。 中國石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 24 本節(jié)主要對 三相半波可控整流電路，三相橋式全控整流電路 進(jìn)行仿真分析 。 三相半波可控整流電路 三相半波可控整流電路原 理 圖如 圖 38所示 。 三個(gè)晶閘管分別接入 a、 b、 c三相電源，其陰極連接在一 起 — 共陰極接法。 圖 38 原理圖 根據(jù)原理圖利用 SIMULINK 中電力電子模塊庫建立相應(yīng)的仿真模型如圖所示 。 圖 39 三相半波可控整流電路模型 其參數(shù)設(shè)置為三相交流電源為 220V(有效值 )相位互差 120176。，R=10Ω ,L=； 晶閘管參數(shù)為默認(rèn)值；選擇仿真終止時(shí)間為 ，采用變步長 算法 ode23tb(stiff／ TR． BDF2)， α =60176。 啟動仿真，其波形如下 a)中國石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 25 圖 310 輸出電壓、電流及電壓平均值波形 從上圖波形可以看出此電路特點(diǎn)：阻感負(fù)載， L 值很大， id 波形基本平直。 ?30?? 時(shí)：整流電壓波形與電阻負(fù)載時(shí)相同。 ?30?? 時(shí)（如 a=60?時(shí)的波形如 圖 310 所 示）。 當(dāng) u2過零時(shí)，由于電感的存在，阻止電流下降，因而 VT1 繼續(xù)導(dǎo)通，直到下一相晶閘管 VT2 的觸發(fā)脈沖到來，才發(fā)生換流 ，由 VT2 導(dǎo)通向負(fù)載供電，同時(shí)向 VT1 施加反壓使其關(guān)斷。這種情況下 ud波形中出現(xiàn)負(fù)的部分，若 a增大， ud波形中負(fù)的部分將增多，至 a=90176。 時(shí)， u波形中正負(fù)而積相等， ud的平均值為零。可見阻感負(fù)載時(shí) a 的移相范圍為 90176。 可得本例中輸出直流電壓為 ： VUU d 1 2 960c o s2 2 o 2 ????? ?? 與仿真結(jié)果相符合。 中國石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 26 三相橋式全控整流電路 三相橋式全控整流電路主回路 接線圖如 圖 311所示 。 完整的三相橋式全控整流電路 由整流變壓器， 6個(gè)橋式連接的晶閘 管、負(fù)載、觸發(fā)器和同步環(huán)節(jié)組成。 圖 311 原理圖 六個(gè)晶閘管依次相隔 60176。觸發(fā)，將電源交流電整流為直流電。 三相橋式整流電路的仿真使用了 MATLAB 模型庫中的三相橋和觸發(fā)集成模塊，建立 該電路的仿真過程可以分為建立仿真模型，設(shè)置模型參數(shù)和觀測仿真結(jié)果等幾個(gè)主要階段，敘述如下： 1. 建立仿真模型 （ 1） 首先建立一個(gè)仿真的新文件，命名為 sanquan。 （ 2） 提取電路與器件模塊，組成上述電路的主要元件有交流電源，晶閘管、 RLC 負(fù)載等。 其元器件名稱及提取路徑 如表 32 所示 表 32 三相整流電路模型主要元器件 元器件名 稱 提取元器件路徑 交流電源 Electrical source/AC voltage source 整流變壓器 Element/Threephase transformer(two windings) 同步變壓器 Element/Threephase transformer(two windings) 三相電壓 電流測量單元 Measurements/ThreephaseVI measurement 三相晶閘管整流器 Extra library/threephase library/6pulse thyristor bridge RLC負(fù)載 Elements/series RLC bridge 6脈沖發(fā)生器 Extralibrary/controlblocks/synchronized6pulseg中國石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 27 enerator 觸發(fā)角設(shè)定 Simulink/sources/constans 傅里葉分析模塊 Extra library/ Measurements/Fourier （ 3）建立三相橋式整流電路仿真模型 圖 312 三相橋式整流電路仿真模型 2. 設(shè)置各項(xiàng)仿真參數(shù) 設(shè)定此電路為 電阻負(fù)載 (R 的值為 10Ω 、 a=30176。 。 ) 設(shè) 置模型參數(shù)如下： 1) 電源參數(shù)設(shè)置：三相電源的電壓峰值為 220V 2 ，可表示為“ 220*sqrt（ 2)”，頻率為 50Hz，相位分別為 0、 120176。、 240176。 2) 整流變壓器參數(shù)設(shè)置：一次繞組聯(lián)結(jié) (winding 1 connection)選擇Delta（ D11)，線電壓為 =220V 3 =380V；二次繞組聯(lián)結(jié) (winding 2 中國石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 28 connection)選擇 Y，線電壓為 100V 3 =173V，在要求不高時(shí)變壓器容量、互感等其他參數(shù)保持默認(rèn)不變。 3） 同步變壓器參數(shù)設(shè)置：一次繞組聯(lián)結(jié) (winding 1 connection)選擇Delta（ D11)，線電壓為 380V；二次繞組聯(lián)結(jié) (winding 2 connection)選擇Y，線電壓為 15V，其他參數(shù)保持默認(rèn)不變。 4）三相晶閘管整流器參數(shù)設(shè)置：使用默認(rèn)值。 5） 6 脈沖發(fā)生器設(shè)置：頻率為 50Hz，脈沖寬度取 1176。，取雙脈沖觸發(fā)方式。 6) 觸發(fā) 角設(shè)置：給定 alph 設(shè)置為 30176。 3． 仿真并觀察結(jié)果。設(shè)置仿真 時(shí)間 ，數(shù)值算法采用 ode15。啟動仿真得到波形圖如下。 圖 313 輸出電壓、電流波形及其電壓平均值 中國石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 29 圖 314 整流器輸入的三相線電壓波形 將圖 314 所示三相電壓波形與圖 313 所示的整流電壓相比較 ， 整流后的電壓是直流， 一個(gè)周期內(nèi)有六個(gè)波頭 且波形與三相輸入電壓波形相對應(yīng)。 整流電壓平均值如 圖 313 所 示 與 理論 計(jì)算值 ： VU d ???? ?相符。 證明仿真波形是準(zhǔn)確的。 因 為是電阻負(fù)載，整流后的電壓和電流波形相同，但幅值不同。改變控制角可觀察在不同控制角下整流器的工作情況。 圖 315 整流變壓器二次側(cè)各相電流波形 圖 315中整流變壓器二次側(cè)各相電流波反映了晶閘管中流過電流的波中國石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 30 形，由此波形可以看出，晶閘管一周期中有 120176。處于通態(tài)， 240176。處于斷態(tài)，由于負(fù)載為電阻，故晶閘管處于通態(tài)時(shí)的電流波形與相應(yīng)時(shí)段的 ud 波形相同。 以 變壓器二次側(cè) a 相電流的波形 為例 ，該波形的特點(diǎn)是，在 VT1處于通態(tài)的 120176。 期間， ia為正，若 ia波形的形狀與同時(shí)段的 ud波形相同，在 VT4 處于通態(tài)的 120176。 期間， ia波形的形狀也與 同時(shí)段的 ud波形相同，但為負(fù)值 。 變壓器二次側(cè) b相 和 c 相 電流的波形 與 變壓器二次側(cè) a 相電流的波形 相同，只是相位不同，依次相差 120176。 。 a 角的移相范圍是 120176。 ， 如果繼續(xù)增大至 120176。 ， 整流輸出電壓 ud波形將全為零，其平均值也為零 [5]。 中國石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 31 第 4 章 直流斬波電路 的仿真 直流斬波電路（ DC Chopper）是一種將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電的電路。也稱為直流 直流變換器（ DC/DC Converter）。它有多種類型，這里主 要介紹 降壓變流器 、 升壓變流器的仿真 [7]。 降壓斬波電路 直流降壓變流器用于降低直流電源的電壓，使負(fù)載側(cè)電壓低于電源電壓，其原理電路如右圖所示。 在開關(guān)器件 V 導(dǎo)通時(shí) ， 有電流經(jīng)電感 L向負(fù)載供電， 在 V關(guān)斷時(shí)，電感 L釋放儲 能，維持負(fù)載電流，電流經(jīng) 圖 41 原理圖 負(fù)載和二極管 VD形成回路。調(diào)節(jié)開關(guān)器件 V的通斷周期，可以調(diào)整負(fù)載側(cè)輸出電流和電壓的大小。負(fù)載側(cè)輸出電壓的平均值為 ： （ 41） 式 （ 41） 中 T 為 V開關(guān)周期 ,ont 為導(dǎo)通時(shí)間，為占空比。 根據(jù)對輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同，斬波電路可有三種控制方式 : （ l） 保持開關(guān)周期 T 不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間 ont ，稱為脈沖寬度調(diào)制 (Pulse Width Madulation,縮寫為 PWM)或脈沖調(diào)寬型。 （ 2） 保持開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間 ont 不變，改變開關(guān)周期 T,稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型。 （ 3） ont 和 T 都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型 。 降壓變流器的主電路的設(shè)計(jì)除要選擇開關(guān)器件和二極管外，還需要確定EETtEtt tU ????? onof fonono中國石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 32 電感 L 的參數(shù)，電感參數(shù)的計(jì)算是復(fù)雜的，但采用仿真很方便。仿真的模型線路如下圖所示。 圖 42 降壓斬波電路 模型 在模型中采用了 IGBT,IGBT 的驅(qū)動信號由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生，設(shè)定脈沖發(fā)生器的脈沖周期和脈沖寬度可以調(diào)節(jié)脈沖占空比。模型中連接多個(gè)示波器，用于觀察線路中各部分電壓和電流波形，并通過傅立葉分析來檢測輸出電壓的直流分量和諧波。 1. 設(shè)直流降壓變流器電源 電壓 E=200V，輸出電壓 RU =100V，電阻負(fù)載為 5Ω 。設(shè)計(jì)電感值。仿真步驟 如下 ： （ 1） 在模型中設(shè)置參數(shù)，設(shè)置電源 E電壓為 200V，電阻的阻值為 5Ω ，脈沖發(fā)生器脈沖周期 T=,脈沖寬度為 50%， IGBT 和二極管的參數(shù)可以保持默認(rèn)值。 （ 2） 設(shè)置仿真時(shí)間為 ，算法采用 ode15s。啟動仿真，仿真波形如下。 中國石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 33 圖 43 二極管兩端電壓和電流 圖 43 所示二極管兩端電壓（圖上部），可也看到，在二極管 關(guān)斷 瞬間由于電感 di/dt 作用使二極 管兩端出現(xiàn)尖峰。 導(dǎo)通期間電感 L釋放儲能，維持負(fù)載電流，電流下降（圖下部）。 圖 44 輸出電壓、電流及直流電壓波形 中國石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 34 圖 44 所示為電阻兩端的變換器輸出的電壓波形 ，電流波形以及 經(jīng)傅立葉分析得到的輸出的電壓直流分量。由圖可知所設(shè)參數(shù)滿足降壓要求但是電壓的波動很大。修改電感參數(shù)進(jìn)行多次仿真，可發(fā)現(xiàn)增大電感可以減少輸出電壓的脈動，但電壓達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間被延遲。 可以采取的措施是提高斬波頻率和電容濾波。 升 壓斬波電路 直流升壓變流器用于需要提升直流電壓的場合，其原理圖如 圖 45 所示。 在電 路中 IGBT 導(dǎo)通時(shí)，電流 由 E經(jīng)升壓電感 L 和 V 形成回路， 電感 L 儲能；當(dāng) IGBT 關(guān)斷時(shí)，電 感產(chǎn)生的反電動勢和直流電源電壓 方向相同互相疊加，從而在負(fù)載側(cè) 圖 45 原理圖 得到高于電源的電壓，二極管的作用是阻斷 IGBT 導(dǎo)通是，電容的放電回路。調(diào)節(jié)開關(guān)器件 V的通斷周期，可以調(diào)整負(fù)載側(cè)輸出電流和電壓的大小。負(fù)載側(cè)輸出電壓的平均值為 : （ 42） 式 （ 42） 中 T 為 V開關(guān)周期 ,ont 為導(dǎo)通時(shí)間， ott 為關(guān)斷時(shí)間 。 升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個(gè)原因 :一是 L儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容 C可將輸出電壓保持住。在以上分析中，認(rèn)為 V處于通態(tài)期間因電容 C 的作用使得輸出電壓 Uo 不變，但實(shí)際上 C 值不可能為無窮大，在此階段其向負(fù)載放電， U。必然會有所下降，故實(shí)際輸出電壓會略低于理論 所得結(jié)果，不過，在電容 C值足夠大時(shí)，誤差很小，基本可以忽略 。 EtTEt ttUof fof fof fono ???中國石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 35 直流升壓變流器的電感和電容的值設(shè)計(jì)，可以通過仿真來確定。 已 知直流電源 200V，要求將電壓提升到 400V，且輸出電壓的脈動控制在 5%以內(nèi)，負(fù)載的等值電阻為 5Ω 。設(shè)計(jì)一個(gè)直流升壓變流器，并選擇電感和電容參數(shù)值。 仿真設(shè)計(jì)步驟如下： 1. 根據(jù)直流升壓變流器原理圖建立變流器的仿真模型如圖所示 。 圖 46 升壓斬波電路 模型 2. 在模型中設(shè)置仿真參數(shù)： （ 1） 設(shè)置電源 E電壓為 200V，電阻的阻值為 5Ω 。 （ 2） 脈沖發(fā)生器脈沖周期 T=,脈沖寬度為 50%。 （ 3） IGBT 和二極管的參數(shù)可以保持默認(rèn)值。 （ 4） 初選 L的值為 ， C 的值為 100181。F。 3. 啟動仿真 設(shè)置仿真時(shí)間為 ，算法采用 ode15s。 仿真波形 如 圖 47 所示 。 中國石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 36 圖 47輸出電壓波形 觀察仿真結(jié)果，可見在上述給定條件下輸出電壓幅值為 400V,符合公式（ 42）的計(jì)算結(jié)果。說明構(gòu)建的仿真模型的正確性。 從仿真結(jié)果還可以看出 選擇的參數(shù)基本滿足要求， 只是輸出電壓存在波動， 如果需要進(jìn)一步減少輸出電壓波動，可以提高脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖的周期，并選擇多組 LC 參數(shù)比較以得到更滿意的結(jié)果。 中國石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 37 第 5 章 三相交流調(diào)壓 的仿真 三相交流調(diào) 壓仿真基礎(chǔ) 交 交變流包括交流調(diào)壓和交 交變頻。交流調(diào)壓是指不改變交流電壓的頻率而只調(diào)節(jié)電壓的大小的方法。交 交變頻是通過電力電子電路的開關(guān)控制將工頻三相交流電改變?yōu)槠渌l率的單相或三相交流電，也稱直接變頻器和周波變流器，一般交 交變頻器在改變頻率的同時(shí)也調(diào)節(jié)電壓的大小 [3]。