基于SIMULINK的电力电子系统仿真研究.doc

本科毕业设计（2008届）题目基于SIMULINK的电力电子系统仿真研究学院信息科学与工程学院专业电气工程及其自动化班级学号学生姓名指导教师完成日期错误!未指定书签。信息科学与工程学院毕业(设计)论文.i.基于SIMULINK的电力电子系统仿真研究【摘要】针对电力电子电路，使用MATLAB/SIMULINK进行了仿真。包括三相交流桥式整流电路、斩波电路、逆变电路、基于SPWM的交流电机调速控制系统和AC-DC-ACPWM变换器。首先介绍各个元器件的使用和它在电路中作用，并了解整个电路的工作原理，在此基础上，通过MATLAB/SIMULINK软件来建立各电路的仿真模型，并且对各个模块和系统内部的参数进行设置，例如仿真算法、电子器件的选择和电源幅值和频率等，最终实现电力电子系统在MATLAB中的仿真。仿真结果和理论分析结果相一致，验证了仿真建模的有效性和正确性。【关键词】电力电子，MATLAB，仿真，模型,调速信息科学与工程学院毕业(设计)论文.ii.SimulationofPowerElectronicsSystemBasedonMATLAB/SIMULINK【Abstract】Inthelightofpowerelectronicscircuit,usedMATLAB/SIMULINKtocarryonthesimulation.Includingthree-phaseFull-Bridgecontrolledrectifier,choppingcircuit,invertercircuit,alternating-currentmachinespeedregulatingbasedonSPWMandAC-DC-ACPWMinverter.Firstintroducedeachcomponenttheuseanditaffectedintheelectriccircuit,andunderstoodthewholecircuittheory,inthisfoundation,establishedvariouselectriccircuitsthroughMATLAB/SIMULINKsoftwarethesimulationmodel,andsettheestablishmenttoeachmoduleandtheinteriorparameterofsystem,forexamplesimulationalgorithm,electronicdevicechoiceandelectricalsourcepeak-to-peakvalueandfrequencyandsoon,finallyrealizedsimulationthattheelectricpowerelectronicsalternating-currentcircuitinMATLAB.Simulationresultandtheoreticalanalysisresultconsistent,hasconfirmedthesimulationmodellingvalidityandtheaccuracy.【KeyWords】PowerElectronics,MATLAB,Simulation,Model,SpeedRegulating信息科学与工程学院毕业(设计)论文.iii.目录第一章绪论··························································11.1选题的背景与意义···········································11.2国内外电力电子技术的现状·······························11.2.1国外电力电子技术发展的状况······················11.2.2国内电力电子技术发展的状况······················21.3计算机仿真技术的发展及应用····························31.4本论文的主要研究内容及目标····························4第二章电力电子器件··············································52.1电力电子器件的概述········································52.1.1电力电子器件的一般概念及作用···················52.1.2电力电子器件的分类··································52.2常用电力电子器件的SIMULINK模型······················62.2.1IGBT模块···················································62.2.2晶闸管模块················································62.2.3PWM脉冲发生器模块·····································7第三章基于SIMULINK的常用电力电子电路建模·············93.1三相桥式整流电路···········································93.2斩波电路······················································113.2.1降压斩波电路··········································113.2.2升压斩波电路··········································123.3逆变电路······················································143.3.1SPWM逆变电路··········································14信息科学与工程学院毕业(设计)论文.iv.第四章基于SIMULINK的电力电子应用系统建模············164.1基于SPWM的交流电机调速控制系统·····················164.2AC-DC-ACPWM变换器·······································18第五章基于MATLAB/SIMULINK的仿真研究·····················225.1SIMULINK仿真条件设置····································225.2常用电力电子电路仿真结果及分析·····················235.2.1三相桥式全控整流电路的仿真结果及分析········235.2.2斩波电路的仿真结果及分析························275.2.2.1降压斩波电路的仿真结果及分析············275.2.2.2升压斩波电路的仿真结果及分析············295.2.3逆变电路的仿真结果及分析························305.3电力电子应用系统仿真结果及分析·····················335.3.1基于SPWM的交流电机调速控制系统电路的仿真结果及分析·························································335.3.2AC-DC-ACPWM变换器电路的仿真结果及分析··36第六章总结·························································38参考文献·······························································39致谢·····································································40信息科学与工程学院毕业(设计)论文第1页第一章绪论1.1选题的背景与意义近几年来，随着现代社会的不断进步，世界的经济将发生巨大变革，知识经济开始替代工业经济，这对世界经济的发展将有很大推动力。随着神舟飞船的首次载人飞行，嫦娥饶月的的实现，中国的这些高科技技术的成功，让西方国家震惊不已，谁拥有电力电子这种先进的高薪科技产品，谁就掌握竞争的优势。但是总体说来我国当前电力电子与电力传动技术的水平落后于国际先进水平，远远跟不上我国国民经济发展的需要，特别是还面临着国外产品严重冲击，因此，我们必需清醒地认识到这一挑战并且要勇敢地面对。因此电力电子交流电路模拟仿真的研究已成为我国的研究热点之一。电力电子电路最基本的拓扑形式，近年来一些新的电路拓扑形式如谐振型逆变电路、矩阵式变频电路等不断涌现。人们也期待着通过对电力电子电路拓扑的不断研究，发现一些更新的拓扑形式，使电力电子装置性能更为优良。电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、机电一体化的基础,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。电力电子技术的应用范围已无处不在在如交通系统和电力系统，此外，电力电子技术用于宇宙开发也正在引起人们的广泛关注。在不远的将来,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用,实现高效率和高品质用电相结合。1.2国内外电力电子技术的现状1.2.1国外电力电子技术发展的状况自从半导体问世以来，经过几十年来的发展，电力电子技术从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。电力电子技术发展的变换主要体现在器件上2，几十年来，以晶闸管为基础的可控硅整流装置使直流传动占据了传动领域的统治地位。然而，晶闹管毕竟是一种半控型器件，只能导通，不能关断，被称为第一代半导体器件。半控型器件在信息科学与工程学院毕业(设计)论文第2页交流传动及变频调速中无法大显身手。70年代来，陆续发明的功率晶体管(GTR)门投可关断品闸管(GTO)、功率MOS场效空管、绝缘栅极晶体管(IGBT)、静电感应晶体管(SITH)等等全控型器件，在线路中，既能控制其导通又能控制其关断，则被称为第二代电力半导体器件。它们在结构上是把若干个(直至数十万个)具有相同功能的元胞进行并联集成，在制造上采用把晶闸管向高电压、大电流方向发展所积累起来的各种经验同微电子的微细加工方面的成就相结合的成果。90年代，将综合这些器件的优点而研制成MOS栅控晶闸管(MCT)和场控GTO(MOSGTO)将成为国际上第三代电力电子器件。这些器件进一步把具有不同功能的控制单元、逻辑单元、传感单元、量测单元和保护单元集成一体，既具有电路功能，又使用更为方便可靠，正受到举世瞩目。电力电子技术是能源技术、电子技术和控制技术三大领域的交叉，其主要功能是利用大功率半导体器件及其相应的控制与保护电路实现对电能某些参量和特性（电压、电流、频率、相位、相数、波形等）的控制与交换，以实现电力的某些使用目的，并提高使用的质量与效率。80年代以来，电力电子技术作为高新技术、基础技术和节能技术，其应用领域已经全面深入地渗透到经济、国防、科技和社会生活的各个方面。它是当今世界发展最快、潜力巨大的产业之一，电力电子技术产业发展的成功与否，对一个国家的国民经济整体水平有着重要的影响，所以，世界各国对电力电子技术都很重视，加快了电力电子产业化的进程。1.2.2国内电力电子技术发展的状况不容置疑，我国国民经济的发展对电力电子应用技术具有十分巨大的需求。为了迅速改变我国电力电子技术的落后状况，适应国际市场严峻的竞争形势，我国政府也下了很大的决心和采取了很多措施大力发展电力电子技术，电力电子技术已被列入国家“九五”科技发展规划和国家关键新技术发展计划。到90年代，我国在某些现代电力电子技术，如软开关、功率因数校正、IGBT的应用、并联均流、智能控制、谐波治理、计算机仿真等的开发和应用方面取得了一些成就，有些研究成果已在产业部门中得到推广和应用。但是，总的说来我国电力电子技术的水平还远远落后于国际先进水平，远跟不上我国国民经济发展的需要，特别是还面临着国外产品严重冲击的严峻形势。国产功率器件目前主要还限于不控或半控器件（整流管和可控硅）。大功率结型全控器件（GTO，GTR）虽有引进，但因市场和质量等原因，至今未能形成批量生产能力；场控器件（功率MOS、IGBT等和智能功信息科学与工程学院毕业(设计)论文第3页率模块IPM）全靠进口。目前国产的电力电子装置还主要局限于利用大功率整流管和硅晶闸管生产的整流电源、直流调速和可控硅静止变频装置，而反映当代电力电子装置发展方向的高技术产品在我国目前尚处于研制开发阶段。这样一来，急需电力电子设备的一些大型企业就干脆直接从国外进口，而一般企业则因财力和企业技术水平所限，只得采用落后的技术和设备，这就严重地影响了我国电力电子技术的迅速发展和推广。这些问题制约了产业竞争力的保持和提高，延缓了电力电子产业化的发展进程。要加快我国电力电子技术产业化的步伐，增强其在国内外市场的竞争能力，是我们当代大学生应有的义务和责任3。1.3计算机仿真技术的发展及应用计算机仿真技术把现代仿真技术与计算机发展结合起来，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。它具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统（尤其是复杂系统）的重要工具。在我国，自从20世纪50年代中期以来，系统仿真技术就在航天、航空、军事等尖端领域得到应用，取得了重大的成果。自20世纪80年代初开始，随着微机的广泛应用，数字仿真技术在自动控制、电气转动、机械制造、造船、化工等工程技术领域也得到了广泛应用1。近年来计算机仿真技术在电力电子技术行业得到了广泛的应用。促进了电力电子产品研究、开发水平的提高，改善了电力电子产品的性能，缩短了产品的创新周期。可见，电路与系统的计算机仿真在电力电子技术的应用研究和产品开发中占有重要的地位，它可以加深工程师对电路与系统工作原理的理解，加速电路的设计和理论的完善，帮助生产企业提高自身开发的水平，改善产品性能并能有效地缩短产品更新换代的周期。目前常用的仿真软件有PSpice,Saber,Simplis和Matlab等几种。通常把电力电子仿真软件分为两种：即侧重于电路的仿真器和侧重于方程求解的仿真器。PSpice和Matlab分别是两类仿真器的代表。PSpice是较早出现的EDA软件之一，由MICROSIM公司于1985年推出。在电路仿真方面，它的功能可以说是最为强大，在国内被普遍使用.。PSpice最大的优点就是能够把仿真与电路原理图的设计紧密的结合在一起。PSpice广泛应用于各种电路分析、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出，并在同信息科学与工程学院毕业(设计)论文第4页一个窗口内同时显示模拟与数字电路。无论对哪种器件哪些电路进行仿真，包括IGBT、脉宽调制电路、模/数转换、数/模转换等，都可以得到精确的仿真结果，可以满足电力电子电路动态仿真的要求。但PSpice的仿真数据处理量庞大，仿真和处理速度慢，输出数据格式和兼容性差，这些方面也限制了PSpice的应用。Matlab是自动控制领域应用最广泛的仿真软件。其应用广泛的模块集合工具箱，可视化建模仿真，文字处理及实时控制等功能，成为广大科研人员的最值得信赖的助手和朋友。Matlab最新版本MATLAB2007b于2007年秋节正式发布，在R2007b中（MATLAB7.4,Simulink6.6），主要更新了多个产品模块、增加了多达350个新特性、增加了对64位Windows的支持，并新推出了.net工具箱。Matlab中的PowerSystemBolckset(PSB)含有在一定使用条件下的元件模型，包括电力系统网络元件、电机、电力电子器件、控制和测量环一相以及二相元件库等，再借助于其它模块库或工具箱，在Simulink环境下，可以进行电力系统的仿真计算，可以实现复杂的控制方法仿真，同时可以观察仿真的执行过程。仿真结果在仿真结束时利用变量存储在Matlab的工作空间中。PSpice和PSB仿真软件各有其应用的优势.其版本也在不断更新。PSB适用于中等规模电路的仿真以及变/定步长仿真算法的电路仿真。1.4本论文的主要研究内容及目标本论文主要研究利用MATLAB/SIMULINK的强大的运算能力，对电力电子电路和系统进行仿真分析研究，主要研究内容有1)几种主要电力电子器件的模型2)几种常用电力电子电路的建模和仿真，包括三相桥式整流电路，升压斩波电路，降压斩波电路，SPWM逆变电路。3)电力电子应用系统建模和仿真，包括基于SPWM的交流电机调速系统，AC-DC-ACPWM变换器。仿真结果和理论分析结果的一致,验证了基于MATLAB的电力电子系统建模和仿真的有效性和实用性。