电力电子仿真实验报告 (2)

基于Matlab/Simulink的电力

变换电路仿真

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2008年6月20日

目录

第3章整流电路的仿真 (19)

3.1 单相整流电路的仿真 (19)

3.1.1 单相半波可控整流电路 (19)

3.1.2 单相桥式可控整流电路 (21)

3.2 三相整流电路的仿真 (23)

3.2.1三相半波可控整流电路 (24)

3.2.2 三相桥式全控整流电路 (26)

第4章直流斩波电路的仿真 (31)

4.1降压斩波电路 (31)

4.2升压斩波电路 (34)

第5章三相交流调压器的仿真 (37)

5.1 三相交流调压器仿真基础 (37)

5.2 无中线星型联结调压器 (39)

5.3 支路控制三角形联结调压器 (40)

第6章结论 (42)

致谢 (43)

参考文献 (44)

第3章整流电路的仿真

整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电，电路形式多种多样，本章主要对单相和三相整流电路进行模拟方针，并对其波形进行分析[4]。

3.1 单相整流电路的仿真

3.1.1 单相半波可控整流电路

单相桥式半控整流电路原理图（图3-1）

u、整流变压器T、晶

所示，电路由交流电源

1

闸管VT、负载电阻R以及触发电路组成。在

变压器二次侧电压

u的正半周触发晶闸管VT，

2

则在负载上可以得到方向不变的直流电，改变图3-1 原理图

晶闸管的控制角可以调节输出直流电压和电流的大小，该电路的仿真过程可以分为建立仿真模型，设置模型参数和观测仿真结果等几个主要阶段，叙述如下：

1. 建立仿真模型

（1）首先建立一个仿真的新文件，命名为sanquan。

（2）提取电路与器件模块，组成上述电路的主要元件有交流电源，晶闸管、RLC负载等。

表3-1 元器件名称及路径

（3）将器件建立系统模型图如下

图3-2单相半波可控整流电路模型

2. 仿真参数的设置

电源电压为220V(有效值)、频率50Hz，晶闸管参数为默认值；选择仿真终止时间为0.08s，采用变步长算法ode23tb(stiff／TR．BDF2)。负载可以根据需要设成纯电阻、纯电感、阻感等，此例中为电阻负载R=10Ω。α=30°

3. 仿真结果及波形分析

图3-3 晶闸管的电流（VTi）和电压（VTu）

图3-3反映了通过晶闸管的电流及其电压，VT导通时，相当于短路其

两端电压为零，有电流通过，VT 关断时，电流为零，所受电压最大值为电源电压峰值。VT 的a 移相范围为180?。

图3-4 输出电压、电流和平均值波形

由上图3-4波形可以看出电阻负载时：该电压和电流都是脉动的直流，反映了电源的交流电经过整流后成为了直流电，实现了整流。因为是电阻负载整流后，电压与电流成正比，两者波形相同。电压的幅值R U =311V,电流的幅值R I =31.1A ，与计算结果R I =R U /R 相同。

其输出直流电压：

()

V U U d 4.92230cos 122045.02

cos 145.02

=÷+??=+= α

与仿真输出直流电压值相同。

如果要观察在其他控制角下，整流器的工作情况，只需修改脉冲触发器的延迟时间，重新启动仿真即可。 3.1.2 单相桥式可控整流电路

单相桥式全控整流电路带电阻感负载时的原理接线图如图3-5所示。 工作原理：

正半

VT1和VT4组成一对桥臂，在u

2

，得到触发脉冲即导通，当

周承受电压u

2

过零时关断。

U

2

VT2和VT3组成另一对桥臂，在u

负

2

，得到触发脉冲即导通，图3-5 原理图

半周承受电压-u

2

当u

过零时关断。

2

1．根据原理图利用SIMULINK中电力电子模块库建立相应的仿真模型如图3-6所示。

图3-6 单相桥式全控整流电路模型

U=220V(有效值)，R=10Ω, L=0.02H,晶闸管参数为

2.其参数设置为

AC

默认值。

3.启动仿真

选择仿真终止时间为0.06s，采用变步长算法ode23tb(stiff／TR．BDF2)， =30°。其波形如图3-7所示。

图3-7 输出电压、电流和电压平均值波形

从波形图3-7可知，电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不发生突变，电感对负载电流起平波作用。U 2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流Id ，并不关断。至wt=π+a 时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，因VT2和VT3本已承受正电压，故两管导通。VT2和VT3导通后，u 2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使其关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT1和VT3上，此过程称为换相，亦称换流。至下一周期重复上述过程，如此循环下去，实现整流。其输出直流电压值由下可得:

V U U d 5.17130cos 2209.0cos 9.02=??== α

与仿真结果相同。a 移相范围为90?。因此改变晶闸管触发角度则可观察不同触发角下到各种波形。

3.2 三相可控整流电路的仿真

当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路。其交流侧由三相电源供电。三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路、以及双反星形可控整流电路、十二脉波可控整流电路等，均可在三相半波的基础上进行分析。

本节主要对三相半波可控整流电路，三相桥式全控整流电路进行仿真分析。 3.2.1 三相半波可控整流电路

三相半波可控整流电路原 理图如图3-8所示。 三个晶闸管分别接入a 、b 、 c 三相电源，其阴极连接在一

起—共阴极接法。 图3-8 原理图

根据原理图利用SIMULINK 中电力电子模块库建立相应的仿真模型如图所示。

图3-9 三相半波可控整流电路模型

其参数设置为三相交流电源为220V(有效值)相位互差120°，R=10Ω,L=0.03H ；晶闸管参数为默认值；选择仿真终止时间为0.06s ，采用变步长算法ode23tb(stiff ／TR ．BDF2)，α=60°。

启动仿真，其波形如下

a)

图3-10 输出电压、电流及电压平均值波形

从上图波形可以看出此电路特点：阻感负载，L 值很大，i d 波形基本平直。

30≤α时：整流电压波形与电阻负载时相同。 30>α时（如a=60?时的波形如图3-10所示）。

当u 2过零时，由于电感的存在，阻止电流下降，因而VT1继续导通，直到下一相晶闸管VT2的触发脉冲到来，才发生换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反压使其关断。这种情况下u d 波形中出现负的部分，若a 增大，u d 波形中负的部分将增多，至a=90°时，u 波形中正负而积相等，u d 的平均值为零。可见阻感负载时a 的移相范围为90°。 可得本例中输出直流电压为：

V U U d 12960cos 22017.1cos 17.12=??== α

与仿真结果相符合。

3.2.2 三相桥式全控整流电路Array三相桥式全控整流电路主回路

接线图如图3-11所示。

完整的三相桥式全控整流电路

由整流变压器，6个桥式连接的晶闸

管、负载、触发器和同步环节组成。图3-11 原理图

六个晶闸管依次相隔60°触发，将电源交流电整流为直流电。

三相桥式整流电路的仿真使用了MATLAB模型库中的三相桥和触发集成模块，建立该电路的仿真过程可以分为建立仿真模型，设置模型参数和观测仿真结果等几个主要阶段，叙述如下：

1. 建立仿真模型

（1）首先建立一个仿真的新文件，命名为sanquan。

（2）提取电路与器件模块，组成上述电路的主要元件有交流电源，晶闸管、RLC负载等。其元器件名称及提取路径如表3-2所示

表3-2 三相整流电路模型主要元器件

（3）建立三相桥式整流电路仿真模型

图3-12 三相桥式整流电路仿真模型

2. 设置各项仿真参数

设定此电路为电阻负载(R的值为10Ω、a=30°。)

设置模型参数如下：

1) 电源参数设置：三相电源的电压峰值为220V×2，可表示为“220*sqrt（2)”，频率为50Hz，相位分别为0、-120°、-240°。

2) 整流变压器参数设置：一次绕组联结(winding 1 connection)选择Delta（D11)，线电压为=220V×3=380V；二次绕组联结(winding 2

connection)选择Y，线电压为100V×3=173V，在要求不高时变压器容量、互感等其他参数保持默认不变。

3）同步变压器参数设置：一次绕组联结(winding 1 connection)选择Delta（D11)，线电压为380V；二次绕组联结(winding 2 connection)选择Y，线电压为15V，其他参数保持默认不变。

4）三相晶闸管整流器参数设置：使用默认值。

5）6脉冲发生器设置：频率为50Hz，脉冲宽度取1°，取双脉冲触发方式。

6) 触发角设置：给定alph设置为30°。

3．仿真并观察结果。设置仿真时间0.06s，数值算法采用ode15。启动仿真得到波形图如下。

图3-13 输出电压、电流波形及其电压平均值

图3-14 整流器输入的三相线电压波形

将图3-14所示三相电压波形与图3-13所示的整流电压相比较，整流后的电压是直流，一个周期内有六个波头且波形与三相输入电压波形相对应。

整流电压平均值如图3-13所示与理论计算值：

V U d 6.20230cos 10034.2=??= 相符。证明仿真波形是准确的。 因为是电阻负载，整流后的电压和电流波形相同，但幅值不同。改变控制角可观察在不同控制角下整流器的工作情况。

图3-15 整流变压器二次侧各相电流波形

图3-15中整流变压器二次侧各相电流波反映了晶闸管中流过电流的波

形，由此波形可以看出，晶闸管一周期中有120°处于通态，240°处于断态，由于负载为电阻，故晶闸管处于通态时的电流波形与相应时段的u

d

波形相同。以变压器二次侧a相电流的波形为例，该波形的特点是，在VT1

处于通态的120°期间，i

a 为正，若i

a

波形的形状与同时段的u

d

波形相同，

在VT4处于通态的120°期间，i

a 波形的形状也与同时段的u

d

波形相同，但

为负值。变压器二次侧b相和c相电流的波形与变压器二次侧a相电流的波形相同，只是相位不同，依次相差120°。

a角的移相范围是120°，如果继续增大至120°，整流输出电压u

d

波形将全为零，其平均值也为零[5]。

第4章 直流斩波电路的仿真

直流斩波电路（DC Chopper ）是一种将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电的电路。也称为直流--直流变换器（DC/DC Converter ）。它有多种类型，这里主要介绍降压变流器、升压变流器的仿真[7]。

4.1 降压斩波电路

直流降压变流器用于降低直流电源的电压，使负载侧电压低于电源电压，其原理电路如右图所示。

在开关器件V 导通时， 有电流经电感L 向负载供电， 在V 关断时，电感L 释放储

能，维持负载电流，电流经 图4-1 原理图

负载和二极管VD 形成回路。调节开关器件V 的通断周期，可以调整负载侧输出电流和电压的大小。负载侧输出电压的平均值为：

（4-1）

式（4-1）中T 为V 开关周期,on t 为导通时间，为占空比。

根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式:

（l ） 保持开关周期T 不变，调节开关导通时间on t ，称为脉冲宽度调制(Pulse Width Madula-tion,缩写为PWM)或脉冲调宽型。

（2） 保持开关导通时间on t 不变，改变开关周期T,称为频率调制或调频型。

（3） on t 和T 都可调，使占空比改变，称为混合型。

降压变流器的主电路的设计除要选择开关器件和二极管外，

还需要确定

E

E T t

E t t t U α==+=on off on on o

电感L的参数，电感参数的计算是复杂的，但采用仿真很方便。仿真的模型线路如下图所示。

图4-2 降压斩波电路模型

在模型中采用了IGBT,IGBT的驱动信号由脉冲发生器产生，设定脉冲发生器的脉冲周期和脉冲宽度可以调节脉冲占空比。模型中连接多个示波器，用于观察线路中各部分电压和电流波形，并通过傅立叶分析来检测输出电压的直流分量和谐波。

U=100V，电阻负载

1. 设直流降压变流器电源电压E=200V，输出电压

R

为5Ω。设计电感值。仿真步骤如下：

（1）在模型中设置参数，设置电源E电压为200V，电阻的阻值为5Ω，脉冲发生器脉冲周期T=0.2ms,脉冲宽度为50%，IGBT和二极管的参数可以保持默认值。

（2）设置仿真时间为0.02s，算法采用ode15s。启动仿真，仿真波形如下。

图4-3 二极管两端电压和电流

图4-3所示二极管两端电压（图上部），可也看到，在二极管关断瞬间由于电感di/dt作用使二极管两端出现尖峰。导通期间电感L释放储能，维

持负载电流，电流下降（图下部）。

图4-4 输出电压、电流及直流电压波形