【正文】 期間，導(dǎo)師知識(shí)之淵博，洞察力之敏銳，治學(xué)態(tài)度之嚴(yán)謹(jǐn)都令我無比欽佩。感謝我的指導(dǎo)老師，是他給了我一個(gè)清晰而 又 另我感興趣的研究方向，讓我能學(xué) 習(xí)研究我感興趣的知識(shí)。所以，在仿真中要多方收集資料，認(rèn)真計(jì)算相關(guān)參數(shù)，反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以力求反映真實(shí)的物理過程，達(dá)到仿真的目的。 可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高教學(xué)質(zhì)量 。 可以看出通過 MATLAB/SIMULINK對(duì)電力電子電路進(jìn)行仿真分析具有諸多優(yōu)點(diǎn)： 首先， MATLAB具有良好的用戶界面和 模 型結(jié)構(gòu) ， 尤其是 PSB可 以方 便 、快捷地 對(duì)所 研 究的電力電 子電路進(jìn)行各種 暫 態(tài)和穩(wěn)態(tài) 仿 真 ， 為電氣系統(tǒng)仿真省 去了復(fù)雜的 機(jī) 電建 模 過程 ， 提供 了 極 為有用的電力電子 器件模塊 ， 用戶 不 需自己推 導(dǎo)系統(tǒng)的 動(dòng) 態(tài) 數(shù)學(xué)模 型 及編 程 ， 系統(tǒng)建模過 程 更接近實(shí)際 電 路設(shè)計(jì)過 程 。至此，本文對(duì)這兩項(xiàng)技術(shù)中的一些典型電路均給出了詳細(xì)的仿真分析過程及結(jié)果分析，前者中有單相橋式全控整流、單相橋式有源逆變、三相半波有源逆變及 BUCK 直流 /直流變換電路；后者中有直流 PWM 變換電路。 圖 41. 感應(yīng) 電 動(dòng)機(jī)變 頻 調(diào)速系 統(tǒng) 的仿真 模 型 仿真結(jié)果及分析 仿真輸出結(jié)果如圖 42～圖 45所示 。 圖中的電 壓 檢測測得的 電 壓 為 整流后的 線 電壓 值 ,逆 變 后電壓 到 電 動(dòng) 機(jī) 之 間 接 有 的 三 相 LC 濾波 器 大大降低了諧波分量 。 電源部 分 直接從電網(wǎng) 獲 取通過雙繞 組三 相 變壓器調(diào)壓 后作 為 三相整流橋 的 輸入電 壓 。系統(tǒng)原理圖如圖 40 所示 。 8 感應(yīng) 電 動(dòng)機(jī) 變 頻 調(diào)速系 統(tǒng)的仿真分析 感應(yīng) 電 動(dòng)機(jī)變 頻 調(diào)速系 統(tǒng) 的電路原理圖 本次仿真采用 IGBTPWM 變頻調(diào)速系統(tǒng)。如果改變比較電壓或負(fù)載，可以觀察各種不同條件下變流電路的工作情況。 圖 38. 鋸齒波參數(shù)設(shè)置圖 仿真結(jié)果及分析 鋸齒波周期分別為 3e4s和 1e4s，幅值為 1，觀察變流器的輸出電流波形。較電壓為 ，鋸齒波周期分別為 3e4s和 1e4s，幅值為 1。鋸齒波與常數(shù)模塊Constant給出的電壓相比較，當(dāng)鋸齒波信號(hào)大于比較電壓信號(hào)時(shí)，延遲模塊 Relay的輸出為 1，觸發(fā) VT2和 VT3導(dǎo)通同時(shí)，鋸齒波與比較電壓的差值信號(hào)在倒相后使延遲模塊 Relay 1的輸出為 0 ，使 VT1和 VT4關(guān)斷；如果鋸齒波信號(hào)小于比較電壓信號(hào)，則 VT1和 VT4導(dǎo) 通， VT2和 VT3關(guān)斷， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電源電壓的調(diào)制，并且 VT1 、 VT4和 VT2 、 VT3的工作狀態(tài)是互補(bǔ)的。打開 SIMULINK窗口和模型瀏覽器，將需要的典型環(huán)節(jié)模塊提取到仿真平臺(tái)上一一連接形成仿真框圖。控制開關(guān)器件的通斷時(shí)間可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，若 VT1和 VT4的導(dǎo)通時(shí)間大于 VT2和VT3的導(dǎo)通時(shí)問，輸出電壓的平均值為正， VT2和 VT3的導(dǎo)通時(shí)間大于 VT1和 VT4的導(dǎo)通時(shí)間，則輸出電壓的平均值為負(fù)，所以可以用于直流電動(dòng)機(jī)的可逆運(yùn)行。 Ub1～Ub4分別由 PWM調(diào)制電路產(chǎn)生后經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路放大，再送到 MOSFET相應(yīng)的柵極，用以控制 MOSFET的通斷。 橋式直流 PWM 變換電路的工作原理 橋式直流 PWM變換電路的實(shí)驗(yàn)原理如圖 36所示 。對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)有所掌握的話，對(duì)后續(xù)課程設(shè)計(jì)直流調(diào)速系統(tǒng)也會(huì)有很大啟發(fā)。實(shí)驗(yàn)電路中，前端為不 可 控整流、后端為開關(guān)型逆變器，此結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用最為廣泛。 圖 32. 脈寬 20%的電壓波形圖 圖 33. 脈寬 40%的電壓波形圖 16 圖 34. 脈寬 60%的電壓波形 圖 圖 35. 脈寬 80%的電壓波形圖 由圖 32圖 35 可以看出隨著脈沖寬度的增加 （ 即占空比的增加 ） ，輸出電壓 幅值 線性增大，這與理論分析是相符的。在各個(gè)脈沖寬度下 BUCK的仿真結(jié)果如圖 32圖 35。 計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn) 仿真 模型 圖 31. BUCK變換器電路模型圖 仿真參數(shù)設(shè)置 直流電 源 Vs=220V， IGBT和二極管設(shè)為默認(rèn)參數(shù)，電感 L=，電阻R=20 ? ，電容 C=12 ? F。這時(shí)二極管 VD 承受正向偏壓為電流 iL構(gòu)成通路，故稱 VD 為續(xù)流二極管。負(fù)載兩端電壓仍是上正下負(fù)。這時(shí)二極管承受方 向電壓而截止。 VDRLCVTC EGV C CV C C+++UoUi Ud Uo Ts Ton Toff 河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院本科學(xué)位論文 15 圖 29. Buck變換器電路圖 RlCL++ +UoUdUliL RlCL++ Ul+UoUdiL （ a）開關(guān)導(dǎo)通時(shí)的等效電路 （ b）開關(guān)斷開時(shí)的等效電路 圖 30. BUCK變換器等效電路 工作過程：當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通，如圖 30 ( a )所示， is=iL 流過電感線圈，電流線性增加，在負(fù)載 R 上流過電流 io ，兩端輸出電壓 Uo，極性上正下負(fù)。假定開關(guān)是理想的，則順時(shí)輸出電壓決定于開關(guān)的通斷狀態(tài)。 6 BUCK 直流 /直流降壓變換電路的仿真分析 BUCK 變換器的工作原理 直流降壓斬波變換電路產(chǎn)生一個(gè)低于直流輸入電壓 Ud的平均輸出電壓 U0。負(fù)載電壓和 電流波形如圖 27所示 。負(fù)載電壓 和電流波形如圖 26所示。時(shí) 電流和電壓波形 圖 25. α =90176。時(shí) 電流和電壓波形 圖 23. α =30176。時(shí)， 出現(xiàn)整流輸出電壓波形正負(fù)面積相等，電 平均值為 0，所以接阻感負(fù)載時(shí)控制角 α的移相范圍為 090176。時(shí)，接阻感負(fù)載時(shí)的工作情況與接電阻負(fù)載時(shí)存在較大差別：接 電阻負(fù)載時(shí)，當(dāng)電源電壓過零變負(fù)時(shí)，晶閘管被關(guān)斷，直到下一個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖到來，因此出現(xiàn)斷續(xù)，輸出電壓不能出現(xiàn)負(fù)值；接阻感負(fù)載時(shí)，由于電感的作用，延續(xù)了晶閘管的導(dǎo)通，負(fù)載電流仍是連續(xù)的，負(fù)載電壓波形進(jìn)入到負(fù)半周，并且 α越大，整流輸出電壓波形中負(fù)面積部分越多，整 流輸出電壓平均值越小。時(shí)， 接阻感負(fù)載和接電阻負(fù)載整流輸出電壓波形相同，這是因?yàn)檎鬏敵鲭娏骶B續(xù)，但輸出電流波形不同，由于電感的作用，使得負(fù)載電流波形相對(duì)變得比較平直。 負(fù)載為阻感負(fù)載 設(shè)置好各參數(shù)后，啟動(dòng)仿真，仿真結(jié) 果如圖 22圖 25所示。隨著控制角 α 的增大，整流輸出電壓的平均值減小，到 α=150176。時(shí)，輸出 電壓、電流波形發(fā)生斷續(xù)，即 α=30176。在 α＜ 30176。 時(shí) 電流和電壓波形 圖 21. α =150176。 時(shí) 電流和電壓波形 圖 19. α =90176。 時(shí) 電流和電壓波形 圖 17. α =30176。 12 圖 15. 三相半波可控整流系統(tǒng)模型圖 負(fù)載為電阻性負(fù)載 設(shè)置好各參數(shù)后，啟動(dòng)仿真，仿真結(jié) 果如圖 16~圖 21所示。要注意保證 觸發(fā)脈沖和主電路同步。、 120176。、 60176。觸發(fā)角 α分別設(shè)置為 0176。 三相晶閘管整流器參數(shù)設(shè)置 ：使用默認(rèn)值。、 － 120176。雙擊各模塊，在出現(xiàn)的對(duì)話框內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù) 。所以電阻電感性負(fù)載時(shí) ? 的移相范圍為90? 。 ? 大于 30? 時(shí)，例如 ? =60? ，當(dāng) 2U 過 0 時(shí)，由于電感的存在，組織電流下降因而 1VT 繼續(xù)導(dǎo)通，直到下一相晶閘管 2VT 的觸發(fā)脈沖到來，才發(fā)生換流，由 2VT 導(dǎo)通向負(fù)載供電，同時(shí)向 1VT 施加反壓使其關(guān)斷。 V T 1 V T 2 V T 3VD1 VD2 VD3RL三相電源電壓+Ud 圖 14. 三相半波可控整流電路試驗(yàn)原理圖 三相半波可控整流電壓平均值的計(jì)算 （ 1） ? ≤ 30? 時(shí)，負(fù)載電流連續(xù)，有： dU = 123?5626 2 s in ( )U td t? ?? ? ?????=236 cos2 U ??= 2cosU ? （ 3） （ 2） ? 30? 時(shí)，負(fù)載電流斷續(xù)，有： dU = 123?26 2 s in ( )U td t?? ? ????=2322 U?[1+cos 6? ??（ ） ] = 2U [1+cos 6? ??（ ） ] （ 4） 負(fù)載電流的平均值為： 河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院本科學(xué)位論文 11 dI = dUR （ 5） 晶閘管電流平均值： dtI =13 dI （ 6） 如果負(fù) 載為電阻電感性負(fù)載，且 L 值很大，整流電流 dI 的波形基本是平直的，流過晶閘管的電流接近矩形波。 10 圖 12. 有源逆變電壓波形圖 圖 13. 有源逆變電流波形圖 5 三相半波可控整流電路的仿 真分析 三相半波可控整流電路的工作原理 三相半波可控整流電路實(shí)驗(yàn)原理如圖 14所示，圖中用了三個(gè)晶閘管，與單向電路比較，其輸出電壓脈沖小，輸出功率大。太陽能或風(fēng)能發(fā)出的直流電經(jīng)過三相橋式交流電連接到統(tǒng)一的電網(wǎng)中去。 由圖 12 和圖 13 知負(fù)載平均電壓 Ud和平均電流均為負(fù)值，這一結(jié)果使可控整流電路的平均功率由 直流側(cè)輸向可控整流電路的交流側(cè)，也就是直流電能變換成了交流電能 。設(shè)置好參數(shù)， 點(diǎn) 擊模型 編 輯器上 的 黑色三角按鈕，開始仿真。 計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn) 有源逆變仿真結(jié)構(gòu)模型如圖 11所示。 （ 2）要求晶閘管的控制角 ?? 90? ，使 Ud為負(fù)值。圖中的 R、電抗 L 和觸發(fā)電路與單相全控橋式整流電路（圖 3）相同。 仿真 輸 出電 流 波 形也與 實(shí) 際相 符 。 經(jīng) 以上分析可 知 ， 仿 真輸出波 形 與實(shí)際相 符 合 。 即 電 阻性負(fù) 載 時(shí)晶閘 管 的導(dǎo) 通 角 為 (30176。 圖 9. 電感性負(fù)載電壓輸出波形圖 圖 10. 電感性負(fù)載電流輸出波形圖 對(duì) 比圖 7和圖 9可知 ， 兩種負(fù) 載 下交流電 壓 源波形和 觸 發(fā)脈沖波 形 完全相同 ，但藍(lán) 色 整流輸出 電 壓 的波形 發(fā) 生了變 化 。 在 圖 4中 ， 只需簡 單 地改變串 聯(lián) 的 RLC元 件 參數(shù) ： 電 感參 數(shù) 由 圖 中 的 0 改 為， 其 它 保 持 原 參數(shù) 不變 ， 負(fù)載即由圖 4中的 純 電阻性負(fù) 載 變?yōu)殡姼?性 負(fù) 載[5]。 由 此 可見 ， 仿真輸出 電 流波形也 與 實(shí)際相符 合 。 單 相橋式整 流 電路將正 弦 交流電壓 整 流為脈動(dòng) 直 流電壓 ， 仿真輸 出 電壓波形 與 實(shí)際將符 合 。仿真順利完成，雙擊示波器便可以觀察到各電壓輸出量的波形 (如圖 7所示 )和整流輸出電流的波形 (如圖 8所示 )。 圖 5. 脈沖參數(shù)設(shè)置圖 圖 6. 算法參數(shù)設(shè)置圖 圖 7. 電阻性負(fù)載電壓輸出波形圖 圖 8.