电力电子课程设计--三相桥式PWM整流电路

课程设计说明书设计名称： 计算仿真技术实训 题 目： 三相桥式PWM整流电路 学生姓名： 专 业： 电气工程及其自动化班 级： 学 号： 指导教师： 日 期：2018 年 5 月 18 日 课程设计任务书电气工程及其自动化 专业 15 年级 1 一、 设计题目开发一个电力电子变换器仿真系统二、 主要内容1熟悉MATLAB仿真环境；2学习矩阵的表示方法和运算法则；3学习编写函数M文件；4建立一个电力电子变换器的数学模型和实物仿真模型，并封装为子系统；5建立一个控制系统仿真模型，并封装为子系统；6仿真研究系统的工作原理及其特性。三、 具体要求1通过实训项目，使学生理解计算机仿真的原理，了解和掌握计算机仿真的基础知识；2通过建立一个能解决现实中的具体问题的仿真系统，培养学生分析问题和解决问题的能力。四、 进度安排1.熟悉MATLAB仿真环境，根据实训题目，查找相应资料； （2学时） 2.学习矩阵的表示方法和运算法则； （2学时）3.学习编写函数M文件； （2学时）4.建立一个电力电子变换器的数学仿真模型并封装为子系统； （2学时）5.建立一个电力电子变换器的数学模型和实物仿真模型，并封装子系统；（2学时） 6.建立一个控制系统仿真模型，并封装为子系统； （2学时）7.系统调试，仿真研究系统的工作波形并保存； （2学时） 8.完成实训报告。 （2学时） 五、 完成后应上交的材料实训报告六、 总评成绩根据学生程序设计能力和实际操作的结果，结合实训报告和回答问题的情况综合考核。成绩评定分为五个等级：90100分：能独立完成仿真项目，系统设计合理，有新意，熟练掌握上机调试方法，完全达到设计功能要求，回答问题完全正确。8089分： 能独立完成仿真项目，系统设计合理，掌握上机调试方法，达到设计功能要求，回答问题基本正确。7079分： 能完成仿真项目，系统设计基本合理，基本掌握上机调试方法，基本达到设计功能要求，回答问题大部分正确。6069分： 独立设计能力较差，系统设计有不合理的地方，上机调试不太熟练，部分内容达不到设计功能要求，回答问题有一些错误。59分以下： 不能完成仿真项目，系统设计不完整，错误较多，不能上机调试和回答问题。 指导教师 签名日期 年 月 日系 主 任 审核日期 年 月 日佛山科学技术学院课程设计用纸目 录一设计背景1二电路设计221主电路原理分析23 系统仿真331建立仿真模型3 32仿真参数设置4 33仿真结果及分析4四设计总结7参考文献8佛山科学技术学院课程设计用纸一、设计背景目前，各类电力电子变换器的输入整流电路输入功率级一般采用不可控整流或相控整流电路。这类整流电路结构简单，控制技术成熟，但交流侧输入功率因数低，并向电网注入大量的谐波电流。据估计，在发达国家有 60%的电能经过变换后才使用，而这个数字在本世纪初达到 95%。电力电子技术在电力系统中有着非常广泛的应用。据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有 60%以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中，电力电子技术是关键技术之一。可以毫不夸地说，如果离开电力电子技术，电力系统的现代化就是不可想象的。而电能的传输中，直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。在各种电子装置中，以前大量采用线性稳压电源供电，由于高频开关电源体积小、重量轻、效率高，现在已逐渐取代了线性电源。因为各种信息技术装置都需要电力电子装置提供电源，所以可以说信息电子技术离不开电力电子技术。近年发展起来的柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。随着社会生产和科学技术的发展，整流电路在自动控制系统、测量系统和发电机励磁系统等领域的应用日益广泛。常用的三相整流电路有三相桥式不可控整流电路、三相桥式半控整流电路和三相桥式全控整流电路，由于整流电路涉及到交流信号、直流信号以及触发信号，同时包含晶闸管、电容、电感、电阻等多种元件，采用常规电路分析方法显得相当繁琐，高压情况下实验也难顺利进行。Matlab 提供的可视化仿真工具 Simulink 可直接建立电路仿真模型，随意改变仿真参数，并且立即可得到任意的仿真结果，直观性强，进一步省去了编程的步骤。本文利用 Simulink 对三相桥式全控整流电路进行建模，对不同控制角、桥故障情况下进行了仿真分析，既进一步加深了三相桥式全控整流电路的理论，同时也为现代电力电子实验教学奠定良好的实验基础。二、电路设计21主电路原理分析晶闸管按从 1 至 6 的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与 a、b、c 三相电源相接的 3 个晶闸管分别为 VT1、VT3、VT5， 共阳极组中与 a、b、c 三相电源相接的 3 个晶闸管分别为 VT4、VT6、VT2。编号如图示，晶闸管的导通顺序为 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。图 3-1 主电路原理图其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通，构成电流通路，因此为保证电路启动或电流断续后能正常导通，必须对不同组别应到导通的一对晶闸管同时加触发脉冲，所以触发脉冲的宽度应大于 3 的宽脉冲。宽脉冲触发要求触发功率大，易使脉冲变压器饱和，所以可以采用脉冲列代替双窄脉冲；每隔 3 换相一次，换相过程在共阴极组和共阳极组轮流进行，但只在同一组别中换相。接线图中晶闸管的编号方法使每个周期内 6 个管子的组合导通顺序是 VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6；共阴极组 T1，T3，T5 的脉冲依次相差 2 3；同一相的上下两个桥臂，即 VT1 和 VT4，VT3 和 VT6，VT5 和 VT2 的脉冲相差 ，给分析带来了方便；当 =O 时，输出电压 Ud 一周期内的波形是 6 个线电压的包络线。所以输出脉动直流电压频率是电源频率的 6 倍，比三相半波电路高 l 倍，脉动减小，而且每次脉动的波形都一样，故该电路又可称为 6 脉动整流电路。同理，三相半波整流电路称为 3 脉动整流电路。 0 时，Ud 的波形出现缺口，随着 角的增大，缺口增大，输出电压平均值降低。当 =2 3 时，输出电压为零，所以电阻性负载时， 的移相范围是 O2 3；当 O 3 时，电流连续，每个晶闸管导通 2 3；当 3 2 3 时，电流断续，每个晶闸管导通小于 2 3。23 = 3 是电阻性负载电流连续和断续的分界点。3、 系统仿真 31建立仿真模型（1）首先建立一个仿真的新文件，命名为PWM。（2）提取电路与器件模块，组成上述电路的主要元件有三相交流电源，晶闸管、RLC 负载等。表 4-1 三相整流电路模型主要元器件（3）将器件建立系统模型图如下根据三相桥式全控整流电路的原理可以利用 Simulink 内的模块建立仿真模型如图 2 所示，设置三个交流电压源 Va，Vb，Vc 相位角依次相差 120，得到整流桥的三相电源。用 6个 Thyristor 构成整流桥，实现交流电压到直流电压的转换。6 个 PULSE generator 产生整流桥的触发脉冲，且从上到下分别给 16 号晶闸管触发脉冲。 32仿真参数设置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）三相晶闸管整流器参数设置：使用默认值。3）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。4) 触发角设置：可以根据需要将 alph 设置为 30、60、90。5）采用变步长算法 ode23tb(stiffTRBDF2)。6）负载可以根据需要设成纯电阻、纯电感、阻感等，本次仿真中为电阻负载 R=10 ，阻感负载 R=10 ，L=1H 。33仿真结果及分析设置仿真时间 0.06s，数值算法采用 ode23tb(stiffTRBDF2)。启动仿真，根据三相桥式全控整流电路的原理图，对不同的触发角 会影响输出电压进行仿真。从以下仿真波形图可知改变不同的控制角，输出电压在发生不同的变化。 整流器输入的三相电压波形：1、阻性负载时，仿真结果对波形的变化分析如下（电压和电流波形）：（1） =30时：（2） =60时：（3） =90时：2、 阻感性负载时，仿真结果对波形变化（电压和电流波形）：（1）=0时：（2） =30时：（3） =60时：（4） =90时：从以上仿真波形图可知改变不同的控制角，由于电感的存在，电流的波形基本趋于平直化。从仿真波形上看稍微有所波动，不过最终会趋向于零或是在零附近很小的范围内波动。所以，仿真结果基本正确。综上所述，三项全桥整流电路的仿真结果基本上与理论知识相一致，所以仿真试验的任务基本完成。4、 设计总结 通过仿真和分析，可知三相桥式全控整流电路的输出电压受控制角 和负载特性的影响，文中应用 Matlab 的可视化仿真工具 simulink 对三相桥式全控整流电路的仿真结果进行了详细分析，并与相关文献中采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。采用 MatlabSimulink 对三相桥式全控整流电路进行仿真分析，避免了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程，得到了一种直观、快捷分析整流电路的新方法。应用MatlabSimulink 进行仿真，在仿真过程中可以灵活改变仿真参数，并且能直观地观察到仿真结果随参数的变化情况。应用 Matlab 对整流电路故障仿真研究时，可以判断出不同桥臂晶闸管发生故障时产生的波形现象，为分析三相桥式整流电路打下较好的基础，是一种值得进一步应用推广的功能强大的仿真软件，同进也是电力电子技术实验较好辅助工具。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。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