基于matlab的电力电子仿真设计报告.docx
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基于matlab的电力电子仿真设计报告
课程设计(综合实验)报告
(2010--2011年度第1学期)
名称:
电力电子技术课程设计
院系:
电气与电子工程学院
班级:
电气0711班
学号:
**********
******
*******
设计周数:
20--21周
成绩:
日期:
2011年1月13日
摘要和关键词
摘要:
随着电力电子技术的不断发展,可控整流电路在直流电动机控制、可变直流电源、高压直流输电等方面得到广泛应用。
本文建立了基于MATLAB软件中simulink中powersystem模块编写的单相半波可控整流电路、单相全控桥式整流电路、三相全控桥式整流电路、升降压斩波、三相桥式SPWM逆变电路的仿真模型,以下给出了仿真实例与仿真结果。
验证了模型的正确性,并展现了simulink仿真具有的快捷、灵活、方便、直观等优点。
从而为电力电子电路的教学及设计提供了有效工具。
关键词:
整流电路;电力电子;MATLAB;simulink;仿真
课程设计的任务************************************2
前言**********************************************2
报告正文(几个电力电子电路仿真实例)**************2
课程设计总结或结论********************************21
参考文献*****************************************22
一、课程设计的任务
(一)建立单相半波可控整流电路仿真模型:
1、对教材P43图2-1、P44图2-2和P46图2-4进行验证(交流电压有效值为220伏)。
2、改变直流侧负载电阻与电感值,观察各波形的变化。
3、改变晶闸管触发角,观察各波形的变化。
(二)建立单相全控桥式整流电路仿真模型:
1、对教材P47图2-5、P48图2-6进行验证(假设三相交流线电压有效值为380伏)。
2、改变直流侧负载电阻与电感值,观察各波形的变化。
3、改变晶闸管触发角,观察各波形的变化。
(三)建立P54图2.17所示的三相全控桥式整流电路仿真模型,假设三相交流线电压有效值为380伏,直流侧负载电阻为1欧姆,电感为20mH。
改变交流侧电感(0.001~0.1mH)、晶闸管触发角,观察交流电压、直流电压与交流电流的波形。
(四)建立P106图3.4所示的升降压斩波电路仿真模型,假设
,
,开关频率
。
改变占空比,观察电感上电压、电流波形的变化情况。
(五)在P153图6.7所示的三相桥式SPWM逆变电路中,假设
,三相负载电阻
,负载电感
,开关频率
。
并假设三相负载中含有电源,U相电源电压
(50V为峰值,频率为50Hz,相位为
,三相互差
)。
若每相电流有效值为35A,请确定幅值调制率
的取值(
定义为正弦波调制信号峰值与三角波载波信号峰值的比值,逆变电路输出相电压有效值
)。
若
取为0.8,每相电流有效值为35A,则直流侧电压应取何值?
画出
、
与
的波形。
(六)实现滞环比较方式PWM电流跟踪控制的仿真。
(七)以有源电力滤波系统的总体设计与仿真研究为例,给同学演示并讲解有源电力滤波系统主电路、谐波检测电路、控制策略与补偿特性,进而详细讲解电力电子仿真的若干方面问题。
二、前言
目前电力电子技术发展迅猛,直流开关电源应用广泛。
为了实现电源装置的高性能、高效率、
高可靠性,减小体积和重量,必须实现功率器件的软开关,因此,软开关技术得到了广泛的关注。
应用计算机仿真来研究电力电子装置,有利于提高研究效率,降低研发成本。
基于MATLAB/SIMULINK软件的电力电子电路仿真,更有助与初学者学习电力电子,加深对各种电路器件原理的理解。
本文介绍了基于MATLAB/SIMULINK的几个基本电力电子电路仿真分析。
三、报告正文
1、建立单相半波可控整流电路仿真模型:
对教材P43图2-1、P44图2-2和P46图2-4进行验证(交流电压有效值为220伏)。
A、单相半波可控整流电路(电阻负载):
按照书上43页的图2-1,用simulink进行仿真,电路图如下:
图中PulseGeneration1产生晶闸管的触发脉冲Vg,可通过更改其设置中的Phasedelay项的值改变触发角;示波器Scope1记录了交流电源侧电压U2,触发脉冲Vg,负载电压Ud,晶闸管两端电压Uvt的波形。
当控制触发角α=60̊̊时,仿真的波形结果如下:
通过改变PulseGeneration1中Phasedelay项的值改变触发角α的值,得:
当α=120̊时的仿真结果波形图如下:
当α=180̊时的仿真结果波形图如下:
从中可以看出此时晶闸管在整个周期中不导通、Ud=0,所以单相半波可控整流电路的触发角的范围是0到180̊。
B、单相半波可控整流电路(阻感负载):
把上图中的电阻改成阻感得电路图如下:
设置负载为R=1,L=0.05,当触发角α=30̊时的仿真结果波形图如下:
当触发角为α=90̊时的仿真结果波形图如下:
更改电阻电感的取值,当R=1,L=0.1时,触发角α=90̊时的仿真结果波形图如下:
由仿真波形可知,由于负载主要呈电感,电感有储能作用,当U2过零时,电路中的电流还未减小到0,所以晶闸管继续导通,知道电流过零,Ud会出现负半波部分。
C、单相半波可控整流电路(阻感负载,有续流二极管):
图中增加了续流二极管VDr,当晶闸管关断后,许留二极管起续流作用,在VDr,负载回路中仍有电流流过,使得负载电流Id为连续电流。
设置负载为R=1,L=0.5,当触发角α=60̊时的仿真结果波形图如下:
从图中可以看到Id连续,而晶闸管和续流二极管叠加后就是Id的波形。
改变其负载参数及晶闸管触发角可以得到与书上相同的结果,从而验证电路的正确性及该参数下的导通特性。
2、建立单相全控桥式整流电路仿真模型:
对教材P47图2-5、P48图2-6进行验证(假设三相交流线电压有效值为380伏)。
A、单相桥式全控整流电路(带电阻负载):
仿真主电路图如下:
此电路中PulseGenerator1为VT1和VT4提供触发脉冲,PulseGenerator2为VT2和VT3提供触发脉冲,且之间相差180°。
仿真结果如下:
参数设置为R=100,1脉发生器的触发角为45°,2触发器的触发角为225°,仿真波形
1脉发生器的触发角为90°,2触发器的触发角为270°,仿真波形如下:
以上波形结果与书上的完全吻合,验证了该电路的波形特点。
B、单相桥式全控整流电路(带阻感负载):
仿真主电路图如下:
参数设置R=1,L=0.05,当负载为阻感负载时,由于电感的储能作用,当电压过零时,电流还未过零,晶闸管继续导通,此时得到的负载电流Id为连续的,且为对桥的晶闸管电流Ivt的叠加。
1脉发生器的触发角为45°2触发器的触发角为225°仿真波形如下图:
改变电感参数与晶闸管的触发角可得到类似的波形,与书上的波形完全吻合,从而验证了单相桥的工作原理及其波形特点。
3、建立P54图2.17所示的三相全控桥式整流电路仿真模型,假设三相交流线电压有效值为380伏,直流侧负载电阻为1欧姆,电感为20mH。
改变交流侧电感(0.001~0.1mH)、晶闸管触发角,观察交流电压、直流电压与交流电流的波形。
器仿真主电路图如下:
此电路中的六个晶闸管从VT1到VT6每个晶闸管的触发脉冲都相差60°,一个周期360°中,分成六个阶段,每个阶段60°有上、下桥中各一只晶闸管导通,直流侧负载设置R=1,L=20e-3,当VT1晶闸管的触发角为30°时,仿真波形如下:
触发脉冲波形为:
仿真结果为:
当设置VT1晶闸管的触发角为60°时,仿真波形如下所示:
从仿真波形可以看出输出整流电路Ud为两个相电压相减的结果,是线电压中最大的一个,因此输出整流电压Ud波形为线电压在正半周期的包络线。
而在阻感负载中,由于电感的储能作用,负载侧电流Id为连续的直线输出。
需要注意的问题是:
为确保电路的正常工作,需要保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲,为此可采用两种方法:
1、使脉冲宽度大于60°,称为宽脉冲触发;2、在触发某个晶闸管的同时,给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲,即双脉冲触发。
本例中我把6个触发脉冲器的占空比设置为20%。
通过仿真的波形结果可知与书上的波形图完全吻合,反映出了该种电路的波形特点。
4、建立P106图3.4所示的升降压斩波电路仿真模型,假设
,
,开关频率
。
改变占空比,观察电感上电压、电流波形的变化情况。
该电路的仿真电路图如下:
如图设置直流电压为E=15V,电感L=0.05e-3,GTO的开关频率为20KHz,则应把图中的pulseGenerator中的参数周期设为5e-5。
当占空比设为30%的仿真结果波形图如下:
当占空比设为60%的仿真结果波形图如下:
把占空比改为80%时的仿真波形如下:
由仿真结果可以看出:
电感上的电压电流波形的变化情况:
随着占空比的增大UL的波形从正半波的占空比慢慢变大但正值也减小,负半波占空比减小但是值变大;而电感电流IL的值随着占空比的增大而增大,且始终为连续平稳直流波。
5、在P153图6.7所示的三相桥式SPWM逆变电路中,假设
,三相负载电阻
,负载电感
,开关频率
。
并假设三相负载中含有电源,U相电源电压
(50V为峰值,频率为50Hz,相位为
,三相互差
)。
若每相电流有效值为35A,请确定幅值调制率
的取值(
定义为正弦波调制信号峰值与三角波载波信号峰值的比值,逆变电路输出相电压有效值
)。
若
取为0.8,每相电流有效值为35A,则直流侧电压应取何值?
画出
、
与
的波形。
仿真主电路图如下:
图中的触发脉冲采用软件自带的PWMPulseGenerator,按照题目的要求设置参数如下图:
载波频率即开关频率设置为1000HZ,调制比m为0.8,输出电压频率为50HZ。
仿真结果波形如下图:
仿真结果和理论结果完全符合。
若
取为0.8,每相电流有效值为35A,则直流侧电压应取值计算结果如下:
四、课程设计总结或结论
这次课程设计历时二个星期多左右,通过这两个星期的学习,发现了自己的很多不足,自己知识的很多漏洞,看到了自己的实践经验还是比较缺乏,理论联系实际的能力还急需提高。
课程设计是培养学生综合运用所学知识发现、提出、分析和解决实际问题锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。
随着科学技术发展的日新日异,电子技术已经成为当今世界空前活跃的领域,在生活中可以说得是无处不在。
因此作为二十一世纪的大学来说掌握电子的开发技术是十分重要的。
而仿真软件matlab中的simulink模块中的simpowersystem是专门针对电力系统而设置的专业仿真模块,通过该软件搭建的仿真电路,观察波形输出,初学者可以学到不少东西,由于现实器件的限制,模拟仿真就给我们提供了一个准确理解学习理论的良好途径。
回顾此次电力电子技术课程设计,至今我们仍感慨颇多,的确,从选题到定稿,从理论到实践,在整整一星期的日子里,可以说得是苦多于甜,但是可以学到很多很多的东西,同时不仅可以巩固了以前所学过的知识,而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
在设计的过程中遇到问题,可以说得是困难重重,这毕竟第一次做的,难免会遇到过各种各样的问题,比如有时候被一些小的,细的问题挡住前进的步伐,让我们总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。
最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。
自己看起来多完美的设计在实践下就漏洞百出了。
并且我在做设计的过程中发现有很多东西,也知道自己的很多不足之处,知道自己对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固。
以前认为学了没用的课程现在也用到了。
比如《电工基础》、《电力电子器件》、《开关电源技术》等课程,看起来不是很有用的东西现在去都集中在一块儿了。
所谓“态度决定一切”,于是偶然又必然地收获了诸多,概而言之,大约以下几点:
温故而知新。
课程设计开始的时候思绪全无,举步维艰,对于理论知识学习不够扎实的我们深感“书到用时方恨少”,于是想起圣人之言“温故而知新”,便重拾教材与实验手册,对知识系统而全面进行了梳理,遇到难处先是苦思冥想再向同学请教,终于熟练掌握了基本理论知识,而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识,学会了如何思考的思维方式,找到了设计的灵感。
思路即出路。
当初没有思路,诚如举步维艰,茫茫大地,不见道路。
在对理论知识梳理掌握之后,茅塞顿开
实践出真知。
到今天,课程设计基本告成,才切身领悟“实践是检验真理的唯一标准”学海无涯,学无止境。
尽管课程设计是在本学期开始,我们的教材学习完毕,掌握许多知识,但是还有很多地方理解领悟不到位,由于SPWM控制信号的产生比较复杂,我们查阅很多资料,尝试过用不同方法设计产生,电路接线虽很复杂,但其能实现的功能很强大,以后还需进一步学习运用。
这次课程设计终于顺利完成了,在设计中遇到了很多问题,最后在老师的悉心指导和与同学的讨论,努力思索下终于迎刃而解。
同时从中发现了还有很多工具及理论还未掌握,在以后的学习生活中更应加深对这方面内容的理解与学习。
这次课程设计还培养了我们严谨科学的思维,通过它架起理论与实践桥梁。
与传统授课方式相比,通过利用Simulink仿真软件,只要对模块的参数作相应的修改,不需再重新构建仿真模型,便可得到各输出量对应不同条件下(如负载不同、控制角不同)的波形,使教学更具有实时性、直观性,也一改传统教学中出现的静止不变的电压和电流波形,使学生可以观测到动态的电压、电流波形,有助于理论知识的理解,更好的掌握课程
所授内容,激发学习兴趣。
通过实际应用,证明此新型的教学方式可以充分调动学生的主观能动性,提高教学质量,值得推广和借鉴。
五、参考文献
1王兆安、黄俊.主编《电力电子技术(第4版)》.北京:
机械工业出版社,2002
2张一工、肖湘宁.主编《现代电力电子技术原理与应用》.北京:
科学出版社,1999
3李传琦.主编《电力电子技术计算机仿真实验》.北京:
电子工业出版社,2006
4周渊深.主编《电力电子技术与MATLAB仿真》.北京:
中国电力出版社,2005
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