基于MatlabSimulink的电力变换电路仿真论文1

变换电路仿真

【摘 要】MATLAB是一种科学计算软件，它是一种以矩阵为基础的交互式程序计算语言。

SIMULINK是基于框图的仿真平台，它挂接在MATLAB环境上，以MATLAB的强大计算功能为

基础，以直观的模块框图进行仿真和计算。

本文主要以MATLAB/SIMULINK仿真软件为基础，完成了对整流电路、斩波电路和交流调压电路的建模和仿真，并且给出了仿真结果波形，同时根据仿真结果进行了分析和计算。证实了该方法的简便直观、高效快捷和真实准确性。

本研究还设计并建立了图形用户界面（GUI），以方便打开各个仿真模型。 【关键词】：Matlab/Simulink；建模；仿真；整流电路；斩波电路；交流调压电路

目 录

第1章 前言

1.1MATLAB/SIMULIKE仿真的目的和意义 1.2本课题的研究内容

1.3本课题的研究意义 第2章 整流电路的仿真

2.1 三相整流电路的仿真 2.1.1 三相半波可控整流电路 2.1.2 三相桥式全控整流电路 第3章 结论 参考文献

第1章 前 言

1.1 MATLAB/SIMULINK仿真的目的和意义

在电力电子电路如变流装置的设计过程中，需要对设计出来的初步方案(电路)及有关元件参数选择是否合理，效果如何进行验证。如果通过实验来检验，就要将设计的系统用元件安装出来再进行调试和试验，不能满足要求时，要更换元件甚至要重新设计、安装、调试，往往要反复多次才能得到满意的结果。这样将耗费大量的人力和物力，且使设计效率低下、耗资大、周期长。

采用计算机进行仿真试验，则可大大地节约开支，提高设计效率，缩短设计周期。但是用其它计算机高级语言(如 C语言，BASIC语言或仿真语言)编程实现，对电力变流电路来说，由于大功率开关器件开关转换电流换相动态过程十分复杂，过渡过程一个接一个，一个未完，新的一个又开始了要分析输出电压、电流(带感性负载时)波形，特别是如大功率开关管关断时承受的尖峰电压大小形状，即阻容保护电路的保护效果如何，就要建立等效电路的数学模型。而这样的数学模型是很复杂的，即使建立起来了，用计算机编程实现得到真实的仿真结果也需要花大量的时间精力来编程和调试。然而采 MATLAB/SIMULINK可视化图形化仿真环境来对电力电子电路进行建模仿真则可使之变得直观，简单易行，效率高，真实准确[1]。

1.2 本课题的研究内容

本课题主要研究的是利用MATLAB/SIMULINK建立电力电子电路仿真模型并进行仿真。现将仿真的主要内容加以介绍：

三相整流电路主要研究其半波可控和桥式全控整流电路，分别建立其Simulink仿真模型，进行系统仿真，对其仿真波形进行对比分析，并和理论结果进行对比。

1.3 本课题的研究意义

利用Simulink中的模块库建立三相整流、电力变换电路，进行仿真后，对仿真波形进行比较分析。证实了该方法的简便直观、高效快捷和真实准确性。由于计算机中修改参数方便，可以通过改变方针参数就可观察各种现象，加深了对其电路原理的理解。

通过对本课题的研究最终能够熟悉并掌握Matlab /Simulink的使用环境，熟练使用Simulink模块库中模块建立电力电子电路的系统仿真模型，设定系统仿真参数，进行系统仿真。

第2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]。

2.1 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，使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。 2.1.1 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2-1所示。 a)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2-1 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2-2三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

图2-3 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，id波形基本平直。

30时：整流电压波形和电阻负载时相同。 30时（如a=60时的波形如图2-3所示）。

当u2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ud波形中出现负的部分，若a增大，ud波形中负的部分将增多，至a=90°时，u波形中正负而积相等，ud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：

Ud1.17U2cos1.17220cos60129V

和仿真结果相符合。 2.1.2 三相桥式全控整流电路

三相桥式全控整流电路主回路 接线图如图2-4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2-4 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）提取电路和器件模块，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2-1所示

表2-1 三相整流电路模型主要元器件

元器件名称 交流电源 整流变压器 提取元器件路径 Electrical source/AC voltage source Element/Three-phase transformer(two windings) Element/Three-phase transformer(two windings) Measurements/Three-phaseV-I measurement 同步变压器 三相电压-电流测量单元 三相晶闸管整流器 Extra library/three-phase library/6-pulse thyristor bridge RLC负载 6脉冲发生器 Elements/series RLC bridge Extralibrary/controlblocks/synchronized6-pulsegenerator 触发角设定 傅里叶分析模块 Simulink/sources/constans Extra library/ Measurements/Fourier (3)建立三相桥式整流电路仿真模型

图2-5 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2-6 输出电压、电流波形及其电压平均值

图2-7 整流器输入的三相线电压波形

将图2-7所示三相电压波形和图2-13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和三相输入电压波形相对应。

整流电压平均值如图2-6所示和理论计算值：

Ud2.34100cos30202.6V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2-8 整流变压器二次侧各相电流波形

图2-8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和相应时段的ud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，ia为正，若ia波形的形状和同时段的ud波形相同，在VT4处于通态的120°期间，ia波形的形状也和同时段的ud波形相同，但为负值。变压器二次侧b相和c相电流的波形和变压器二次侧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ud波形将全为零，其平均值也为零[5]。

第3章 结 论

从本文上述系统仿真结果波形可以看出，利用 SIMULINK对系统建模及仿真的结果(波形)具有真实性和极高的可信度。利用该方法还能对非常复杂的电路、电力电子变流系统、电力拖动自动控制系统进行建模仿真。 系统的建模和实际系统的设计过程非常的相似，用户不用进行编程，也无需推导电路、系统的数学模型，就可以很快得到系统的仿真结果。通过对仿真结果分析就可以将系统结构进行改进或将 有关参数进行修改使系统达到要求的结果和性能，这样就大大加快了系统的分析或设计过程[6] 。

本文还反映出利用Matlab提供的电力系统工具箱，可以方便、快捷地对所研究的电力

电子电路进行各种暂态和稳态仿真。这对于电路工作状态分析和电路设计指导都有很大帮助,尤其是Simulink在复杂的具有各种控制策略的电力电子系统方面有很大潜力。仿真结果的可靠性主要取决于系统Matlab模型的正确程度 ,但Simulink不能直接解决具有不同电路初始状态的仿真问题。随着仿真技术在电力科学研究中的普及和发展,使用基于图形界面仿真建模方式的仿真软件Matlab适用范围极广,几乎可用于所有工程领域的仿真[7]。

随着计算机通信技术、网络技术、数据库技术、面向对象技术、Internet技术以及软件标准化技术的飞速发展，电力电子系统仿真软件将向网络化、专业化、实时化和具有更高的开放性、可移植性和可扩展性方向发展。电力电子系统仿真软件也将逐步向全过程动态仿真和大规模实时仿真系统方向发展。

参考文献

[1] 潘湘高. 基于MATLAB的电力电子电路建模仿真方法的研究. 计算机仿真，第20卷 第5期.

[2] 薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB／Simulink的系统仿真技术和使用.北京：清华大学出版社，2002.

[3] 洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.北京：机械工业出版社，2007.

[4] 贺益康，潘再平.电力电子技术基础.浙江：浙江大学出版社，2003. [5] 李维波.MATLAB在电气工程中的使用.北京：中国电力出版社，2007.

[6] 郑亚民，蒋保臣.基于Matlab／Simulink的整流滤波电路的建模和仿真[Jl.电子技术，2002.

[7] 郭龙钢，刘兆魁.基于Matlab／Simulink的电力电子电路仿真.河南科技大学学报(自然科学版)，第 26卷 第 5期.

[8] 惠杰，王相锋，何国锋.基于 MATLAB的电力电子仿真.山东电力高等专科学校学报，2006：57-59.

[9] 邓国扬，盛义发.基于Matlab/ S imulink的电力电子系统的建模和仿真.南华大学学报（理工版)，第17卷 第1期.

[10] 张占松，孙时生，伍言真．电路和系统的仿真实践[M]．北京：科学出版社，2000． [11] Koki Ogur.Inductor Snubber-Assisted Series Resonant ZCS-PFM High Frequency Inverter Link DC-DC Converter with Voltage Multiplier. IEEE 2002．

[12] Attia，John Okyere.Electronics and Circuit Analysis using MATLAB. CRC Press LLC，1999