对于电力电子系统的分析与仿真的毕业设计

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1、目 录1 绪论11.1 课题的背景及意义11.1.1 我国能源状况11.1.2 电力电子技术的应用21.1.3 国内外电力电子技术发展概况31.2 计算机仿真的意义51.3 本论文研究的主要内容62 SIMULINK模型库及使用72.1 SIMULINK的模块库介绍72.2 电力系统模块库的介绍72.3 SIMULINK仿真的步骤83 交流-直流变流器103.1 单相半波可控整流电路103.1.1 电路结构与工作原理103.1.2 单相半波可控整流电路建模103.1.3 仿真与分析113.2 单相桥式全控整流电路163.2.1 电路结构与工作原理163.2.2 单相桥式全控整流电路建模173.

2、2.3 仿真与分析173.3 三相桥式全控整流电路223.3.1 电路图及工作原理223.3.2 建立仿真模型223.3.3 仿真结果分析234 直流-直流变流器374.1 直流降压变流器374.1.1 电路图及工作原理374.1.2 建模与仿真374.2 直流升压变流器404.2.1 电路图及原理404.2.2 建模与仿真分析405 直流-交流变流器435.1 电路原理图435.2 建立仿真模型435.3 仿真结果466 交流-交流变流器486.1 单相交流调压器仿真486.1.1 电路图及原理486.1.2 仿真分析486.2 三相交流调压器仿真516.2.1 电路原理图516.2.2 建

3、模及仿真527 结论57参考文献58致 谢601 绪论1.1 课题的背景及意义1.1.1 我国能源状况 近年来能源及与之相关的环境成为全世界各国最为关注的热点，各国都在从自己本国的国情出发来解决能源与环境问题。对我国来说，由于人均能源资源短缺（尤其是油、气、水），环境容量（亦是资源）有限，西部生态脆弱，这个问题尤为严重，它将极大的制约我国的可持续发展以及为中华民族子孙万代生生息息留有生存空间。近年来，我国GDP每年以10%的速度发展，能源消耗急剧增加，环境、生态日益恶化。这种对自然无序的、掠夺性索取的发展模式已难以为继，实际上已造成当前十分严重的、不可逆转的后果，大自然的惩罚已经不断地凸现出来

4、，并还要继续加重。我国能源资源丰富多样，虽然总储量比较大，但人均能源资源很少。中国自然资源总量排世界第七位，能源资源总量约4万吨标准煤居世界第三位。中国煤炭保有储量为10024.9亿吨，但经查可采储量只有893亿吨（世界煤炭储量为1万多亿吨，储采比为219年。储量最大的国家依次为美国、中国、澳大利亚、印度、德国、南非、波兰。其中美国的储量比中国大一倍以上，除中国外，其余6国的储采比均在210年以上，中国若保持原开采强度，储采比不足百年），石油的资源量为930亿吨，天然气的资源量为38万亿立方米，现已探明的石油和天然气储量只占资源量的约20%和约6%，仅够开采几十年（全世界石油剩余可采储量仅为1

5、409亿吨，储存比为41。第15届世界石油大会认为上述石油资源的探明程度为79%，因此，不可能再找到足够大的石油资源了，石油短缺将不可避免地在下个世纪出现。）；煤层气资源量为35万亿立方米，相当于450亿吨标准煤，排世界第三位，但尚未成规模开发利用。因此，我国常规能源资源并不丰富，应建立正确的“资源意识”，并具有相应的“忧患意识”。 另一方面，我国的能源消费结构不合理，能源效率低，浪费严重。我国目前的能源效率是31.2%，比发达国家低10个百分点，落后20年。由于管理和技术水平落后以及价格、税收政策不完全合理，导致我国能源开发利用上的严重浪费。能源的经济效益很低，每产生1万美元产值所消耗的能源

6、是美国的3倍，是日本的7.2倍，也远高于巴西和印度等发展中国家2。能源紧张问题的解决是多方面的，重要的一点就是开源节流。一方面，加大对传统能源的勘察力度，加大对新能源的寻找力度；另一方面，在能源消费方面，提倡节约，用先进的技术改造传统落后的生产设备与工艺，降低能源消耗，提高能源效率，使我国产业结构向低消耗、高产出的方向转变，以促进我国经济的可持续发展。1.1.2 电力电子技术的应用电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。是对电能进行变换和控制线代工业电子技术，内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。近年来，功率变流技术得到了迅猛发展，经过变流技

7、术处理的电能在整个国民经济的耗电量中所占比例越来越大，成为其他工业技术发展的重要基础。电力电子技术应用非常广泛，举例如下：(1)电气传动电力电子技术是电动机控制技术发展的最重要的物质基础，电力电子技术的迅猛发展促使电动机控制技术水平有了突破性的提高。利用整流器或斩波器获得可变的直流电源，对直流电动机电枢或励磁绕组供电，控制直流电动机的转速和转矩，可以实现直流电动机变速传动控制。利用逆变器或交交直接变频器对交流电动机供电，改变逆变器或变频器输出的频率和电压、电流，即可经济、有效地控制交流电动机的转速和转矩，实现交流电动机的变速传动。交流电动机的变频调速在电气传动系统中占据的地位日趋重要，已获得巨

8、大的节能效果。变频器是实现交流变频调速的重要环节。变频器电源主电路均采用交流直流交流方案。工频电源通过整流器编程固定的直流电压，然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器，将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出，电源输出波形近似于正弦波，用于驱动交流异步电动机实现无级调速。(2) 电源 工业和社会的各个领域需要不同种类的电源。例如，近年来以P-MOSFET和IGBT为主开关元件组成的逆变焊机取得了实质性进展。不间断电源（UPS）被广泛的应用于计算机、通信、仪器设备、各种微电子系统及公共场所。(3) 电网进化技术近年来，随着电力电子装置的应用与普及，电网波形畸变日趋严重。传统的无源滤波

9、方法难以应付日益严重的电网“公害”。人们从电力电子技术本身找到了解决的途径，这就是有源滤波器。(4) 电力系统应用高压直流输电（HVDC）在输电线路的送端将工频交流变为直流，在受端再将直流变回工频交流。高压直流输电从根本上解决了输电系统的稳定性问题，减少了线路的武功消耗，实现了远距离、大功率高压直流输电。在高压直流输电系统中，它需在线路两端设置整流、逆变及无功补偿装置。综上所述，电力电子技术已经渗透到航天、国防、工农业生产、交通、文教卫生、办公室自动化乃至于家庭的任何角落。伴随着器件与变流电路的进步，电力电子技术的应用领域也将会有新的突破4。1.1.3 国内外电力电子技术发展概况电力电子技术就

10、是采用功率半导体器件对电能进行转换、控制和优化利用的技术，它广泛应用于电力、电气自动化及各种电源系统等工业生产和民用部门。电子器件的特点之一就是开关控制，通态压降接近零，本身电耗小，与微机控制组成系统后，在对电能进行控制变换和调节的过程中都处于最高效率状态，因此，具有明显的节能效果。电力电子器件的发展大体分为三个阶段，从上世纪50年代的半控器件可控硅SCR(Semi-Conductor Rectifier)，发展到上世纪80年代以后的全控器件GTO(Gate Turn-off thyristor)、GTR(Giant Transistor)、POWER MOSFET(Power Metal O

11、xide Semiconductor Field Effect Transistor)，直至现在的第三代电力电子器件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、 IGCT(Integrated Gate Commucated Thyristor)、SIT(Static Induction Transistor)、MCT(MOS Controlled Thyristor)、SITH(Static Induction Thyristor)等。其发展趋势是电力电子器件的功率越来越大，开关频率越来越高。由电力电子器件构成的电力电子电路有AC-DC、DC-DC、DC-

12、AC、AC-AC四种类型，可以进行变流、能量变换、变频，主要用于电机调速和电源系统。除工业上的轧机、矿井卷扬机、机床、造纸用电机的调速外，风机、水泵电机调速可节约大量电能。在电源领域，电解、电镀和冶金用大电流直流电源，电炉、电磁搅拌机及热处理用的低频、中频、高频交流电源，焊机电源和各种控制电源应用了电力电子技术后，节能效果显著，并大大减少了对原材料的消耗。 电力电子技术的发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。20世纪80年代末期和90年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集成频高压和大电流于一身的功率半导体复合器件表明传统

13、电力电子技术已经进入现代电力电子时代。 变流电路的基本功能是实现电能形式的转换。其基本形式有四种：整流电路、逆变电路、调压电路、斩波电路，如图1.1所示。 图1.1 变流电路基本形式将交流电能转换为直流电能的电路，称为整流电路。由电力二极管可组成不可控整流电路。以往使用最方便的整流电路微晶闸管相控整流电路，其具有网侧功率因数低、谐波严重等缺点。由全控型器件组成的PWM整流电路具有高功率因数等优点，近年来得到进一步发展与推广，应用前景广泛。将直流电能转换为交流电能的电路，称为逆变电路。逆变电路不但能使直流变成可调的交流，而且可输出连续可调的工作频率。将一种直流电能转换成另一固定电压或可调电压的直

14、流电的电路，称为斩波电路或DC-DC变换电路。斩波电路大都采用PWM控制技术。将固定大小和频率的交流电能转换为大小和频率可调的交流电能的电路，称为调压电路或交流变换电路。交流变换电路可分为交流调压电路和交-交变频电路。交流调压电路在维持电能频率不变的情况下改变输出电压幅值。交-交变频电路亦称为周波变换器，它把电网频率的交流电直接变换成不同频率的交流电。近年来，以电力电子器件为基础的电气传动技术发展很快，从而为电机变频调速系统的开发和研制提供了先进的物质基础，给工业、民用业带来了无限的生机和活力，给国家节约了大量的能源，而且减少了环境污染。国际上自80年代变频调速器取得技术突破后，在许多领域得到

15、广泛应用。比较有名的厂家主要有美国的罗宾康(ROBICON)公司、罗克韦尔(ROCKWELL)自动化AB公司、GE公司，德国的西门子(SIEMENS)公司，瑞士的ABB公司及法国AISTOM公司等。由于电力电子技术的迅速发展，新的电力电子器件的出现以及现代控制理论方法在调速控制系统中的应用，变频器仍处于不断完善中。我国电机驱动系统的能源利用率非常低，在电机能耗中，高压电机的能耗超过了70%，因而电机的节能得到了政府和企业的广泛关注。在电机领域，一些发达国家采用变频调速率已高达70%，而中国只有10%左右。因此，高压变频器市场发展前景十分广阔。1.2 计算机仿真的意义所谓仿真(simulatio

16、n)指的是利用模型再现实际系统中发生的本质过程，并且通过上述模型的试验来研究已存在的或计划中的系统。换句话说，仿真就是利用模型对实际系统进行实验研究的过程。计算机仿真可以分为两个过程：建模与实验。所谓建模，就是根据研究对象的基本物理规律，对物理系统写出其运动规律的数学方程，即数学模型的过程。在建模过程中，数学模型代表的数学系统是实际系统在概念轴上的投影；建模的本质在于将所研究的系统投影到适当的概念轴上。换句话说，所建立的数学模型，实际上只是根据研究目的确定的模型，是对系统某一方面本质属性的抽象描述。所谓实验就是利用模型对系统方程进行求解。对于数学仿真而言，其过程就是利用适当的程序语言将所研究的

17、物理系统的数学模型编制成程序，并向其输入不同的条件进行计算的过程。目前在电力电子设计领域使用的仿真软件大体可以分为以下几类：一类是通用电路仿真软件，例如Spice，SABE等；另一类是专用仿真软件，例如电力系统仿真软件EMTP和控制系统仿真软件MATLIB等；第三类是专门为电力电子系统设计的仿真软件，例如为开关电源设计用的SIMPLIS等5。总之，利用计算机仿真的方法设计电力电子电路，可以提高设计工作的效率和质量。此时设计者可以将精力集中在设计而不是各种计算上，并且可以在硬件没有建立之前对系统进行研究、优化和对设计进行验证，进而为搭建成的硬件系统的试验与测试提供指导和帮助。当然研究人员也应当清

18、楚地了解运用各种仿真工具进行设计的局限性，避免导致错误的推断与设计8。1.3 本论文研究的主要内容本论文运用MATLAB软件对电力电子系统的运行状态进行仿真分析得出仿真曲线，包括整流、逆变、交流调压、直流变换等。具体内容有以下几项：(1) 整流电路的仿真用powersys模型库中的二极管和晶闸管等模块来构建，对三相整流电路模型库中有6-pulse diode bridge 、6-pulse thyristor bridge 、universal bridge 等模块调用。(2) 直流-直流变流器用于调整直流电的电压，它有多种类型，本论文主要介绍降压( Buck)变流器、升压(Boost) 变流

19、器和桥式(H 型)直流变流器的仿真。(3) 用SIMULINK 模块仿真三相电压源型SPWM 逆变器，使用模型库的多功能桥模块(Universal Bridge) 和PWM 脉冲发生器(PWM Generator) 来实现。(4) 典型的三相交流调压器有星型连接和三角形联结的多种方案。其中星型联结又有无中线和有中线两种电路，三角形联结有线路控制，支路控制和中点控制的不同电路。这里主要研究两种常用的无中线星形联结和支路控制三角形联结线路，建立其Simulink模型，分别对其电阻负载和电感负载在不同触发角度时进行仿真，分析其仿真波形。2 SIMULINK模型库及使用MATLAB 的SIMULINK

20、 是很有特色的仿真环境，在此环境中，可以用点击拖动鼠标的方式绘制和组织系统或电路，并完成对系统和电路的仿真。原来的MATLAB 仿真编程是在文本窗口中进行的，编制的程序是一行行的命令和MATLAB 函数，不直观也难以与实际的物理系统或电路建立形象的联系。在SIMULINK 环境中，系统的函数和电路元器件的模型都用框图来表达，框图之间的连线则表示了信号流动的方向。我们只要学习图形界面的使用方法和熟悉模型库的内容，就可以很方便地使用鼠标和键盘进行系统和电路的仿真。MATLAB 的工具箱已经有极其丰富的内涵，现在主要介绍系统仿真(SIMULINK) 和电力系统(Power System Block)

21、 两个模块库。2.1 SIMULINK的模块库介绍整个Simulink模块库是由各个模块组构成，标准的Simulink模块库中，包括：信号源模块组(Source)、仪器仪表模块组(Sinks)、连续模块组( Continuous)、离散模块组(Discrete)、数学运算模块组(Math)、非线性模块组(Nonlinear)、函数与表格模块组(Function&Tables )、信号与系统模块组(Signals&Systems)和子系统模块组(Subsystems)几个部分，此外还有和各个工具相与模块集之间的联系构成的子模块组，用户还可以将自己编写的模块组挂靠到整个模型库浏览器下。2.2 电力

22、系统模块库的介绍进入MATLAB系统后打开模块库浏览窗口，用鼠标左键双击其中的Power System Blocks即可弹出电力系统工具箱模块库，它包括连接元件库(Connectors)，电源库(Electrical Sources)，基本元件库(Elements)，元件库(Extra Library)，电机元件库(Machines)，测量元件库(Measurements)和电力电子元件库(Power Electronics)。这些模块库包含了大多数常用电力系统元件的模块。利用这些库模块及其它库模块，用户可方便、直观地建立各种系统模型并进行仿真。（1）电路元件模型 该部分包括断路器（Break

23、er)、分布参数线(Distribute Parameter Line)、线性变压器(Linear Transformer)、并联RLC负荷(Parallel RLC Load)，II型线路参数(II Section Line)、饱和变压器(Saturable Transformer)、串联RLC支路（Series RLC Branch)、串联RLC负荷(Series RLC load)、过电压自动装置（Surge Arrester)。这部分可以仿真交流输电线装置。 （2）电力电子设备模型此部分含有二极管（Diode)、GT0、理想开关(Ideal Switch)、MOS管(Mosfet)、可

24、控晶闸管(Thyristor)的仿真模型。这些设备模型不仅可以单独进行仿真而且可以组合在一起仿真整流电路等直流输变电的电力电子设备。（3）电机设备模型此部分有异步电动机(Asynchronous Machine)、励磁系统(Excitation System)、水轮电机及其监测系统(Hydraulic Turbine and Governor(HTG)、永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Machine)、简化的同步电机(Simplified Synchronous Machine)、同步电机(Synchronous Machine)。这些模型可以仿真电力系

25、统中发电机设备，电力拖动设备等。 （4）接线设备模型 这一部分包括一些电力系统中常用的接线设备。如接地设备、输电线母线等。（5）测量设备模型该部分模型是用来采集线路的电压或电流值的电压表和电流表。这 一部分还起着连接SIMULINK模型与POWERLIB模型的作用。 （6）Powerlib扩展库扩展模块组包含了上述各个模块组中的各个附加子模块组用户可以根据自己的电力系统结构图使用POWERLIB和SLMULINK中相应的模型来组成仿真的电路模型。2.3 SIMULINK仿真的步骤利用SIMULINK环境仿真一个系统的过程基本上可以分为如下几个步骤:（1）根据要仿真的系统框图，在SIMULINK

26、 窗口的仿真平台上构建仿真模型。此过程要首先打开SIMULINK 窗口和模型浏览器，将需要的典型环节模块提取到仿真平台上，然后将平台上的模块一一连接，形成仿真的系统框图。一个完整的仿真模型应该至少包括一个源模块( Sources) 和一个输出模块( Sinks) 。（2）设置模块参数。完成模块提取和组成仿真模型后，需要给各个模块赋值。这时，用鼠标双击模块图标，弹出模块参数对话框，并在对话框中输入模块参数，输入完成后点击OK 按钮，对话框自动关闭，该模块的参数设置完成。（3）设置仿真参数。在对绘制好的模型进行仿真前，还需要确定仿真的步长、时间和选取仿真的算法等，也就是设置仿真参数。设置仿真参数可

27、点击SIMULINK 窗口的菜单上的Simulation ，在下拉的子菜单中点击Simulation Parameters 命令或用键盘中的Ctrl + E 键。这时弹出仿真参数设置的对话框，对话框中有Solver 、Workspace I/O Diagnostics 、Advanced 和Real-Time Workshop5 大项内容，其中最常需设置的是解算器“Solver” 。其中仿真时间(Simulation time) 有开始时间(Start time) 和终止时间(Stop time) 两项，连续系统中仿真时间一般从零开始，可以先预设一个仿真的终止时间，在仿真过程如果预设的时间不足

28、，可以即时修改。算法选择(Solver options) 中计算类型(Type) 有可变步长( Variablestep)和固定步长(Fixed-step) 两种，在可变步长和固定步长下还有多种数值计算方法可供选择。该栏中经常还要设置的有仿真误差，这有相对误差(Relative tolerance) 和绝对误差(Absolute) tolerance) 两项，系统默认的相对误差1/1000。选择合适的计算误差，对仿真的速度和仿真计算能否收敛影响很大，尤其在仿真不能收敛时，适当放宽误差可以取得效果，绝对误差一般可取“自动(auto) ”。（4）启动仿真。设置仿真参数和选择解法器之后，就可以启动仿

29、真而运行。选择Simulink菜单下的start选项来启动仿真，如果模型中有些参数没有定义，则会出现错误信息提示框。如果一切设置无误，则开始仿真运行，结束时系统会发出一鸣叫声。3 交流-直流变流器 交流-直流变流器又称整流器、AC-DC 变流器，其作用是将交流电转变为直流电，一般也称整流，并且在整流的同时还对直流电压电流进行调节，以符合用电设备的要求。常用的整流器有单相和三相整流器，从控制角度区分，有不控、半控和全控整流电路之分，从输出直流的波形来区分，又有半波和全波整流之分。二极管、晶闸管是常用的整流器件，现在采用全控型器件的PWM 方式整流器也越来越多。整流电路的仿真可以用powersys

30、 模型库中的二极管和晶闸管等模块来构建，对三相整流电路模型库中有6-pulse diode bridge 、6-pulse thyristor bridge 、universal bridge 等模块可以调用，使用这些模块可以使仿真更方便。复杂的大功率多相整流器可以在三相桥的基础上构建。这里主要介绍常用的单相和三相的相控整流电路的仿真。3.1 单相半波可控整流电路3.1.1 电路结构与工作原理单相半波可控整流电路原理图如图3.1所示，电路由交流电源、整流变压器T、晶闸管VT、负载电阻R以及触发电路组成。在变压器二次侧电压的正半周触发晶闸管VT，则在负载上可以得到方向不变的直流电，改变晶闸管的控

31、制角可以调节输出直流电压和电流的大小。 图3.1 单相半波可控整流电路原理图3.1.2 单相半波可控整流电路建模（1）建立一个新的模型窗口，打开电力电子模块组，复制一个晶闸管到模型窗口中；打开晶闸管参数设置对话框，设置Ron=0.001，Lon=0H，Uf=0.8V；Ic=0A，Rs=10，Cs=4.7e-6F。（2）打开电源模块组，复制一个电压源模块到模型窗口中，打开参数设置对话框，设置为：幅值50V，初相位0，频率是50HZ的正弦交流电。（3）打开元件模块组，复制一个串联RLC元件模块到模型窗口中，打开参数设置对话框，按仿真要求设置参数。（4）打开测量模块组，复制一个电压测量装置以测量负载

32、电压。（5）打开测量模块组，复制一个电流测量装置以测量负载电流。（6）打开Sinks模块组,复制一个示波器装置以显示电路中各物理量的变化关系，并按要求设置输入端口的个数。（7）建立给晶闸管提供触发信号的同步脉冲发生器（Pulse Generater）模型。参数设置为：脉冲幅值为10V，周期为0.02s，脉宽占整个周期的30%，相位延迟（1/50）*（60/360）s=1/300s（即=60）。（8）适当连接后，可以得到仿真电路。如图3.2所示：图3.2 单相半波可控整流电路（电阻性负载）仿真电路图3.1.3 仿真与分析下列所示波形图中，波形图分别代表电源上的电压、负载上的电压、晶体管VT上的电

33、流和电压。下图分别是延迟角为30、60、90、120时电阻性负载及阻感性负载的波形变化。（1） 当延迟角=30时，波形图如图3.3、图3.4所示：图3.3 =30单相半波可控整流电路（电阻性负载）波形图图3.4 =30单相半波可控整流电路（阻感性负载）波形图（2） 当延迟角=60时，波形图如图3.5、图3.6所示：图3.5 =60单相半波可控整流电路（电阻性负载）波形图图3.6 =60单相半波可控整流电路（阻感性负载）波形图（3） 当延迟角=90时，波形图如图3.7、图3.8所示： 图3.7 =90单相半波可控整流电路（电阻性负载）波形图图3.8 =90单相半波可控整流电路（阻感性负载）波形图

34、（4） 当延迟角=120时，波形图如图3.9、图3.10所示： 图3.9 =120单相半波可控整流电路（电阻性负载）波形图图3.10 =120单相半波可控整流电路（阻感性负载）波形图由图可见，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的移相范围为180。由上图波形还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=311V,电流的幅值=31.1A，与计算结果=/R相同。其输出直流电压： （式3.1）与仿真输出直流电

35、压值相同。由于在实际生活中有很多负载是电感性负载，如直流电动机的绕组、电磁离合器的线圈、电磁铁等，它们既含有电阻又含有电感，且电感量较大。由于电磁感应作用，当通过电感元件L 的电流发生变化时，在电感中产生阻碍电流变化的感应电动势，将使电流的变化总是滞后于外加电压的变化。因此，可控整流电路带有电感性负载时，其工作情况与电阻性负载不同。3.2 单相桥式全控整流电路3.2.1 电路结构与工作原理单相桥式全控整流电路（电阻性负载）是典型单相桥式全控整流电路，共用了四个晶闸管，两只晶闸管接成共阳极，两只晶闸管接成共阴极，每一只晶闸管是一个桥臂，桥式整流电路的工作方式特点是整流元件必须成对以构成回路，负载

36、为电阻性。与单相半波整流电路仿真波形相比较，输出的电压和电流波形频率都提高了约一倍，流过每个晶闸管的平均电流Idt只有负载平均电流的一半。变压器二次侧电流I2的波形是对称的正负矩形波，而晶闸管承受的最大正反向电压则和单相半波可控整流电流一样。单相桥式全控整流电路电路图如图3.11所示：图3.11 单相桥式全控整流电路工作原理：VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当U2过零时关断。VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2负半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。3.2.2 单相桥式全控整流电路建模单相桥式全控整流电路仿真电路图如图3.12所示：

37、图3.12 单相桥式全控整流电路仿真电路图3.2.3 仿真与分析波形图分别代表晶体管VT上的电流、晶体管VT上的电压、电源输出电流、负载电流、负载电压。下列波形分别是延迟角为30、60、90、120时的波形变化。（1） 当延迟角=30时，波形图如图3.13、图3.14所示：图3.13 =30单相桥式全控整流电路（电阻性负载）波形图图3.14 =30单相桥式全控整流电路仿真结果（阻-感性负载时）波形图（2） 当延迟角=60时，波形图如图3.15、图3.16所示：图3.15 =60单相桥式全控整流电路（电阻性负载）波形图图3.16 =60单相桥式全控整流电路仿真结果（阻-感性负载时）波形图（3）

38、当延迟角=90时，波形图如图3.17、图3.18所示：图3.17 =90单相桥式全控整流电路（电阻性负载）波形图 图3.18 =90单相桥式全控整流电路仿真结果（阻-感性负载时）波形图（4） 当延迟角=120时，波形图如图3.19、图3.20所示：图3.19 =120单相桥式全控整流电路（电阻性负载）波形图 图3.20 =120单相桥式可控整流仿真结果（阻-感性负载时）从波形图3.20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。U2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=+a时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，

39、因VT2和VT3本已承受正电压，故两管导通。VT2和VT3导通后，u2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: （式3.2）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。3.3 三相桥式全控整流电路3.3.1 电路图及工作原理三相可控整流电路中应用最多的是三相桥式全控整流电路，如图3.21所示。图3.21 三相桥式全控整流电路原理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

40、管、负载、触发器和同步环节组成。六个晶闸管依次相隔60触发，将电源交流电整流为直流电。在三相桥式全控整流电路中，每一个导电回路中有2个晶闸管，即用2个晶闸管同时导通以控制导电的回路。3.3.2 建立仿真模型三相桥式全控整流电路的仿真模型如图3.22。图3.22 三相桥式全控整流电路仿真模型3.3.3 仿真结果分析带纯电阻性负载的情况相应的参数设置：（1）交流电压源参数U=100 V，f=60 Hz，相位依次延迟120；（2 闸管、负载参数同上；（3）通用变换器桥参数Rs=inf，Cs=inf，Ron=1e-3 ；（4）同步6 脉冲触发器f=60 Hz，脉冲宽度为10；（5）常数模块根据需要设置

41、为0或1。下面为带电阻性负载三相桥式全控整流电路不同控制角的仿真结果对比。 a）整流器输入的三相线电压波形b) 整流变压器二次侧三相电流波形图3.23 =30三相桥式全控整流电路（电阻性负载）仿真结果c) 整流输出电压平均值及整流器输出电压电流波形图3.23 =30三相桥式全控整流电路（电阻性负载）仿真结果 a）整流器输入的三相线电压波形图3.24 =60三相桥式全控整流电路（电阻性负载）仿真结果b) 整流变压器二次侧三相电流波形c) 整流输出电压平均值及整流器输出电压电流波形图3.24 =60三相桥式全控整流电路（电阻性负载）仿真结果a）整流器输入的三相线电压波形b) 整流变压器二次侧三相电

42、流波形图3.25 =90三相桥式全控整流电路（电阻性负载）仿真结果c) 整流输出电压平均值及整流器输出电压电流波形图3.25 =90三相桥式全控整流电路（电阻性负载）仿真结果a）整流器输入的三相线电压波形图3.26 =120三相桥式全控整流电路（电阻性负载）仿真结果b) 整流变压器二次侧三相电流波形c) 整流输出电压平均值及整流器输出电压电流波形图3.26 =120三相桥式全控整流电路（电阻性负载）仿真结果带电阻电感性负载的情况：带电阻电感负载的仿真与带纯电阻负载的仿真方法基本相同，只需将RLC 串联分支设置为电阻电感性负载，即负载参数设置为R=1 ，L=0.01 H，C=inf。此时的仿真结

43、果对比如下。a）整流器输入的三相线电压波形b) 整流变压器二次侧三相电流波形图3.27 =30三相桥式全控整流电路（阻感性负载）仿真结果c) 整流输出电压平均值及整流器输出电压电流波形图3.27 =30三相桥式全控整流电路（阻感性负载）仿真结果a） 整流器输入的三相线电压波形图3.28 =60三相桥式全控整流电路（阻感性负载）仿真结果b) 整流变压器二次侧三相电流波形c) 整流输出电压平均值及整流器输出电压电流波形图3.28 =60三相桥式全控整流电路（阻感性负载）仿真结果a）整流器输入的三相线电压波形b) 整流变压器二次侧三相电流波形图3.29 =90三相桥式全控整流电路（阻感性负载）仿真结

44、果c) 整流输出电压平均值及整流器输出电压电流波形图3.29 =90三相桥式全控整流电路（阻感性负载）仿真结果a) 整流器输入的三相线电压波形图3.30 =120三相桥式全控整流电路（阻感性负载）仿真结果b) 整流变压器二次侧三相电流波形c) 整流输出电压平均值及整流器输出电压电流波形图3.31 =120三相桥式全控整流电路（阻感性负载）仿真结果当60时（=30图3.25（c）ud波形连续，工作情况与带电阻负载时相似。区别在于：得到的负载电流id波形不同。当电感足够大时，id的波形可近似为一条水平线。当 60时（=90图3.27（c）电阻电感负载时的工作情况与电阻负载时不同，阻感负载时，ud波

45、形会出现负的部分。三相桥式全控整流电路的角移相范围为90。三相桥式全控整流电路的特点：（1）共阴极组和共阳极组各1个管子同时导通，且不能为同一相器件。（2）触发脉冲按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。共阴极组的脉冲依次差120，共阳极组也依次差120。同一相的上下两个桥臂脉冲相差180。（3）ud一周期脉动6 次，且波形都一样，故为6 脉波整流电路。（4）可采用宽脉冲或双脉冲触发保证同时有2 个晶闸管导通。（5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，最值也相同。根据上述分析，整流变压器采用星形接法带阻感负载时，变压器二次侧电流的有效值为 （式3.3）晶闸管电

46、压、电流等的定量分析与三相半波时一致。对于半控电路验证了触发角的移相范围是0120。对全控电路带电阻负载时的工作情况，验证了当触发角60时，负载电流连续；当60时，负载电流不连续。但带电阻电感性负载时负载电压会出现负的部分；同时验证了触发角 的移相范围是090。4 直流-直流变流器直流-直流变流器也称直流斩波器(DC Chopper) 或DC-DC 变流器。直流-直流变流器用于调整直流电的电压，它有多种类型，这里主要介绍降压式直流-直流变流器(Buck Coverter)和升压式直流-直流变流器(Boost Converter)的仿真，其他直流变流器的仿真也可以用同样的方法进行。4.1 直流降

47、压变流器4.1.1 电路图及工作原理直流降压变流器(Buck Chopper) 用于降低直流电源的电压，低于电源电压，其原理电路如图4.1所示。在开关器件VT 导通时有电流经电感L 向负载供电，在VT 关断时，电感L 释放储能，维持负载电流，电流经负载和二极管VD 形成回路。调节开关器件VT 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。式中T为VT开关周期，为VT 导通时间，为占空比。图4.1 直流降压斩波器原理图4.1.2 建模与仿真降压变流器主电路的设计除要选择开关器件和二极管外，还需要确定电感L的参数，电感参数的计算是复杂的，但是采用仿真却很方便。仿真的模型

48、如图4.2所示。在模型中开关器件采用了IGBT， IGBT 的驱动信号由脉冲发生器Pulse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。图4.2 直流降压斩波器仿真模型设直流降压变流器电源电压E=200V ，输出电压U=100V ，电阻负载为5 。仿真步骤如下:（1）在模型中设置参数，设置电源E 电压为200，电阻的阻值为5，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0.0028 ，算法采用ode15s 。启动仿真。（3）仿真结果如下。a） 电压波形图图4.3 二极管两端电压和电流b）电流波形图图4.3 二极

49、管两端电压和电流图4.3可看到，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4.4 输出电压波形图4.4所示为电阻两端的变换器输出的电压波形。由图可知所设参数满足降压要求但是电压的波动很大。修改电感参数进行多次仿真，可发现增大电感可以减少输出电压的脉动，但电压达到稳定的时间被延迟。可以采取的措施是提高斩波频率和电容滤波。4.2 直流升压变流器4.2.1 电路图及原理直流升压变流器( Boost Chopper) 用于需要提升直流电压的场合，其原理电路如图4.5所示。在电路IGBT导通时，电流由电源、E经升压电感L和VT形成回路，

50、电感L的电流增加，电感储能;当IGBT关断时，电感产生的反电动势和直流电源电压串联共同向负载供电，由于在IGBT关断时电感的反电动势和直流电源电压方向相同互相叠加，从而在负载侧得到高于电源的电压。二极管的作用是阻断IGBT导通时，电容的放电回路。直流升压变流器的电感和电容值设计，同样可以通过仿真来确定。图4.5 直流升压变流器原理图4.2.2 建模与仿真分析设直流电源200V ，要求将电压提升到400V ，且输出电压的脉动控制在5%以内，负载的等值电阻为5设计一个直流升压变流器，并选择斩波频率、电感和电容参数。仿真设计步骤如下:（1）根据直流升压变流器原理电路建立变流器的仿真模型，如图4.6所

51、示。图4.6 直流升压变流器仿真模型 （2）设置元件参数。取脉冲发生器脉冲周期为0.2ms，脉冲宽度为50 %，初选L 的值为0.lmH , C 的值为100F。（3）设置仿真参数，取仿真时间3ms，仿真算法采用ode15s。观察仿真结果，从图4.7可见，选择的参数已能满足要求，输出电压达到400V，脉动在5 %以内。 仿真如下结果。(a) 晶闸管输出电流图4.7 直流升压变流器仿真结果 (b) 电源电流 (c) 负载电压图4.7 直流升压变流器仿真结果从仿真结果可以看出选择的参数基本满足要求，只是输出电压存在波动，如果需要进一步减少输出电压波动，可以提高脉冲发生器产生脉冲的周期，并选择多组L

52、C参数比较以得到更满意的结果。5 直流-交流变流器直流-交流变流器也称逆变器，所谓逆变，就是与整流相反，把直流电转换成某一固定频率或可变频率的交流电（DC/AC）的过程。当把转换后的交流电直接供给负载时，则成为无源逆变。通常所讲的逆变，若不加说明，一般都是指无源逆变。本章主要介绍三相电压源型SPWM逆变器。5.1 电路原理图 图5.1 三相SPWM 逆变电路图 图中VD1-VD6是逆变器的六个功率开关器件（这里画的是IGBT），各由一个续流二极管反并联，整个逆变器由恒值直流电压U供电。采用双极性控制方式。U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波uc，三相的调制信号u、u和u依次相差12

53、0。逆变电路采用三相桥式方式, 负载为三相绕线式感应电动机, 逆变电路的直流侧选用两个相同电压源串联形式, 并取两电压源中点为零点。相电压为逆变电路输出与直流侧电压源中点电压差,如图5.1所示5.2 建立仿真模型三相电压源型SPWM逆变器是在通用变频器中使用最多的，用SIMULINK模块仿真三相电压源型SPWM逆变器很方便，使用模型库的多功能桥模块(Universal Brid-ge) 和PWM脉冲发生器(PWM Generator)就能实现。三相电压源型SPWM逆变器的仿真模型如图5.2所示。图5.2 三相SPWM 逆变器仿真模型对多功能桥设为三相桥臂，三相在输出端，开关器件选择了IGBT。

54、并且在测量中选择了电压和电流，这是为便于通过多路测量器(Multimeter)观测IGBT承受的电压和电流，为选择1GBT参数提供依据。IGBT的驱动信号由PWM信号发生器产生，在发生器对话框中，选择了内产生调制信号方式，当然也可以采用外调制信号输入方式，这时需要外加三相正弦调制信号。选择三角波频率仅为600Hz ，这样观察电压波形比较清楚，实用频率要高得多。SPWM逆变器模型的参数设置如图5.3。(a) 多功能桥对话框图5.3 SPWM 逆变器模型的参数设置(b) PWM 发生器对话框图5.3 SPWM 逆变器模型的参数设置5.3 仿真结果图5.4所示为逆变器输出的三相相电压波形。 图5.4

55、 三相SPWM逆变器输出电压波形从图5.4可以看出，系统输出正弦波周期为0.02s，即频率为50HZ。6 交流-交流变流器交流调压即交-交变流，它是指不改变交流电压的频率而只调节电压的大小的方法。过去交流调压用变压器实现，在电力电子技术出现后，采用电力电子器件的交流调压器不仅可以对电压进行连续调节，并且体积小、重量轻、控制灵活方便，在灯光控制、家用风扇调速、交流电机的调压调速和软起动、以及交流电机的轻载节能运行中得到了广泛的应用。下面介绍交流调压器仿真。6.1 单相交流调压器仿真6.1.1 电路图及原理交流调压线路有采用晶闸管器件的相位控制和采用全控元件的PWM控制两种方式，g频电路anlu)

56、 idge) 这里主要介绍品闸管控制的交流调压电路。由晶闸管控制的单相交流调压电路如图6.1所示。反并联连接的晶闸管VT1和VT2组成了交流双向开关，在交流输入电压的正半周，VTl导通，在交流输入电压的负半周，VT2导通，控制品闸管的导通时刻，可以调节负载两端的电压。 图6.1 单相交流调压电路6.1.2 仿真分析单相交流电压电路的仿真模型如图6.2所示。模型由交流电源、反并联晶闸管模块(VTl，2)、触发模块(pulsel，2)、阻感负载(RL)和观测示波器组成。 图6.2 单相交流调压电路仿真模型其中双向晶闸管开关模块由分支电路组成(见图6.3)，分支电路的Inl端和Out1端分别是晶闸管

57、双向开关的输入和输出端，In2 端和In3端分别是晶闸管VT1和VT2的触发端，Out2端用于观测晶闸管VTl两端的电压和电流。 图6.3 反并联晶闹管分支电路交流调压晶闸管控制角的移相范围是180，=0的位置定在电源电压过零的时刻。在阻感负载时按控制角与负载阻抗角= arctan (L/R)的关系，电路有两种工作状态。1.时调压器输出电压和电流的正负半周是不连续的，在这范围内调节控制角，负载的电压和电流将随之变化。2.时调压器输出处于失控状态，即虽然控制角变化，但负载电压不变，且是与电源电压相同的完整正弦波。这是因为阻感负载电流滞后子电压，因此如果控制角较小，在一个晶闸管电流尚未下降到零前，

58、另一个晶闸管可能已经触发(但不能导通)，一旦电流下降到零，如果另一个晶闸管的触发脉冲还存在，则该晶闸管立即导通，使负载上电压成为连续的正弦波，出现失控现象。正因为如此交流调压器晶闸管必须采用后沿固定在180的宽脉冲触发方式，以保证晶闸管能正常触发。根据以上要求设计的交流调压器触发电路如图6.4所示。图6.4 交流调压器触发分支电路交流调压器的触发电路由同步、锯齿波形成和移相控制等环节组成。电路的输入端Inl是同步电压输入端，同步电压经延迟Relay环节产生与同步电压正半周等宽的方波，该方波经斜率设定(Rate Limi ter) 产生锯齿波，锯齿波与移相控制电压(输入端In2)叠加调节锯齿波的

59、过零点，再经延迟Relayl产生前沿可调，后沿固定的晶闸管触发脉冲，触发电路的下半部分用于产生负半周晶闸管的触发脉冲。仿真步骤如下:（1）按图6.2绘制仿真模型（2）设置模块参数，移相控制电压U可在0l0V 之间任意调节。（3）设置仿真参数。仿真时间为0.04s，仿真算法采用ode15s。（4）启动仿真，仿真结果如图6.5所示。其中图6.5a所示为移相控制电压=2V 时的调压器输出电压波形。由于控制角较小，输出电压为完整的正弦波，交流调压器失去调压控制作用。图6.5b所示为负载上的电压和电流仿真波形图。 (a) 调压器输出电压波形 (b) 负载电流和电压波形 图6.5 单相交流调压器仿真波形6

60、.2 三相交流调压器仿真当交流功率调节容量较大或者为某些三相负载控制方式时，通常采用三相交流调压器。三相交流调压器有星形联结和三角形联结的多种方案。其中星形联结又有无中线和有中线两种电路，三角形联结有线路控制、支路控制和中点控制的不同电路。6.2.1 电路原理图现以电阻负载接成星形为例进行分析，电路如图6.6所示。 图6.6 三相三线交流调压电路 由于没有零线，每相电流必须和另一相构成回路，与三相全控桥整流一样，应采用宽脉冲或双窄脉冲触发。把图中的晶闸管换成二极管可看出，在电阻负载时，从相电压过零时刻开始，相应的二极管就导通。因此=0的点应定在各相电压过零点，不论单相还是三相调压器，都是从相电压由负变正的零点初开始计算的，这一点与三相整流电路不同。 晶闸管VT1、VT3、VT5的触发相位依次相差120，VT2、VT4、VT6的触发相位依次也相差120，同向的两个晶闸管的触发相位差180。这样，自VT1至VT6的触发相位依次相差60。6.2.2 建模及仿真其仿真模型如图6.7所示