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基于MATLAB的三相全控全波整流电路(6脉冲).pdf

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.26M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    基于 MATLAB 的三相全控整流建模与仿真 萧飞 河北惠仁医疗设备 2015 年 1 月 摘要 本文在对三相桥式全控整流电路理论分析的基础上， 桥式全控整流电路的仿真模型， 并对其带电阻负载时的工作情况进行了仿真分析与研究。 过仿真分析也验证了本文所建模型的正确性。 建立了基于 Simulink 的三相 通 关键词 Simulink 建模 仿真 三相桥式全控整流 对于三相对称电源系统而言，单相可控整流电路为不对称负载，可影响电源三相负载 的平衡性和系统的对称性。故在负载容量较大的场合，通常采用三相或多相整流电路。三 相或多相电源可控整流电路是三相电源系统的对称负载，输出整流电压的脉动小、控制响 应快，因此被广泛应用于众多工业场合。 本文在 Simulink 仿真环境下，运用 PowerSystemBlockset 的各种元件模型建立三相桥式 全控整流电路的仿真模型，并对其进行仿真研究。 一、 MATLAB 基础 MATLAB 是一种科学计算软件。 MATLAB 是 Matrix Laboratory(矩阵实验 室)的缩写，这是一种以矩阵为基础的交互式程序计算语言。 早期的 MATLAB 主 要用于解决科学和工程的复杂数学计算问题。 由于它使用方便、 输入便捷、 运算 高效、适应科技人员的思维方式，并且有绘图功能，有用户自行扩展的空间，因 此受到用户的欢迎， 使它成为在科技界广为使用的软件， 也是国内外高校教学和 科学研究的常用软件。 MATLAB 由美国 Mathworks 公司于 1984 年开始推出， 历经升级，到 2001 年已经有了 6．0 版，现在 MATLAB 6.5 、7.1、7.8 版都 已相继面世。早期的 MATLAB 在 DOS 环境下运行， 1990 年推出了 Windows 版本。 1993 年， Mathworks 公司又推出了 MATLAB 的微机版 ,充分支持在 MicrosoftWindows 界面下的编程，它的功能越来越强大，在科技和工程界广为 传播，是各种科学计算软件中用频率最高的软件。 1993 年出现了 SIMULINK ， 这 是 基 于 框 图 的 仿 真 平 台 ， SIMULINK 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。 SIMULINK 提供了各种仿真工具，尤其是它不断扩展的、内容丰富的模块库， 为系统的仿真提供了极大便利。在 SIMULINK 平台上，拖拉和连接典型模块就 可以绘制仿真对象的模型框图，并对模型进行仿真。在 SIMULINK 平台上，仿 真模型的可读性很强，这就避免了在 MATLAB 窗口使用 MATLAB 命令和函 数仿真时 ,需要熟悉记忆大量 M 函数的麻烦，对广大工程技术人员来说，这无 疑是最好的福音。现在的 MATLAB 都同时捆绑了 SIMULINK ，SIMULINK 的 版本也在不断地升级，从 1993 年的 MATLAB 4 ．0／SIMULINK 1 ．0 版 到 2001 年的 MATLAB 6．1／SIMULINK 4 ．1 版，2002 年即推出了 MATLAB 6．5 ／SIMULINK 5 ．0 版。 MATLAB 已经不再是单纯的 " 矩阵实验室 "了， 它已经成为一个高级计算和仿真平台。 SIMULINK 原本是为控制系统的仿真而 MATLAB 不易解决 建立的工具箱，在使用中易编程、易拓展，并且可以解决 的非线性、 变系数等问题。 它能支持连续系统和离散系统的仿真， 支持连续离散 混合系统的仿真，也支持线性和非线性系统的仿真，并且支持多种采样频率 (Multirate) 统的仿真 ,也就是不同的系统能以不同的采样频率组合，这样就可以仿 真较大、较复杂的系统。因此，各科学领域根据自己的仿真需要，以 MATLAB
    为基础，开发了大量的专用仿真程序，并把这些程序以模块的形式都放人 SIMULINK 中，形成了模块库。 SIMULINK 的模块库实际上就是用 MATLAB 基本语句编写的子程序集。 现在 SIMULINK 模块库有三级树状的子目录， 在一 级目录下就包含了 SIMULINK 最早开发的数学计算工具箱、控制系统工具箱的 内容，之后开发的信号处理工具箱 (DSPBlocks)、通信 系 统 工 具 箱 (Comm) 等 也 并 行 列 入 模 块 库 的 一 级 子 目 录 ， 逐 级 打 开 模 块 库 浏 览 器 (SIMULINKLibraryBrowser) 的 目 录 ， 就 可 以 看 到 这 些 模 块 。 从 SIMULINK4 ．1 版开始，有了电力系统模块库 (Power System Blockset)，该模块 库主要由加拿大 HydroQuebec 和 TECSIMInternational 公司共同开发。在 SIMULINK 环境下用电力系统模块库的模块，可以方便地进行 RLC 电路、电 力电子电路、 电机控制系统和电力系统的仿真。 本书中电力电子电路的仿真就是 在 MATLAB ／SIMULINK 环境下，主要使用电力系统模块库和 SIMULINK 两个模块库进行。通过电力电子电路的仿真， 不仅展示了 MATLAB ／SIMULINK 的强大功能，并且可以学习控制系统仿真的方法和技巧， 研究电路的原理和性能。 注：本例的软件平台为 MATLAB2013a ，鉴于软件的版本和破解等方面问题， 系统中库的模块也有差异，谨记！ 二、 三相桥式全控整流电路的原理 将其中阴极连接在一起的 3 个晶闸管（VT1、VT3、 VT5）称为共阴极组；阳 极连接在一起的 3 个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。此外，习惯上希 望晶闸管按从 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。从后面的分析可 知，按此编号，晶闸管的导通顺序为 VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。原理图 见图 1。 图 1 整流电路的负载为带反电动势的阻感负载。 假设将电路中的晶闸管换作二极 管，这种情况也就相当于晶闸管触发角 α=0o时的情况。此时，对于共阴极组的 3 个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的 3 个晶闸
    管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。这样，任意 时刻共阳极组和共阴极组中各有 1 个晶闸管处于导通状态， 施加于负载上的电压 为某一线电压。此时电路工作波形如图 2 所示。 图 2 α=0 o 时波形 α=0o 时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二绕组相电压与 线电压波形的对应关系看出， 各自然换相点既是相电压的交点， 同时也是线电压 的交点。在分析 ud 的波形时，既可从相电压波形分析，也可以从线电压波形分 析。从相电压波形看， 以变压器二次侧的中点 n 为参考点， 共阴极组晶闸管导通 时，整流输出电压 ud1 为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输 出电压 ud2 为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压 ud = ud1－ud2 是两 条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。 直接从线电压波形看， 由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大 （正得 最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负得最多）的 相电压，输出整流电压 ud 为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此 输出整流电压 ud 波形为线电压在正半周的包络线。 由于负载端接得有电感且电感的阻值趋于无穷大， 电感对电流变化有抗拒作 用。流过电感器件的电流变化时，在其两端产生感应电动势 Li ，它的极性事阻
    止电流变化的。当电流增加时，它的极性阻止电流增加，当电流减小时，它的极 性反过来阻止电流减小。 电感的这种作用使得电流波形变得平直， 电感无穷大时 趋于一条平直的直线。 为了说明各晶闸管的工作的情况， 将波形中的一个周期等分为 6 段，每段为 60o，如图 2 所示，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况如表所示。由 该表可见，6 个晶闸管的导通顺序为 VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。 三、 三相桥式整流电路仿真模型建立和参数设置 （1）三相交流电源模块及参数设置 模块位置： Simcap/SimPowerSystem/Electrical Source/AC Voltage Source
    以上三图为电源参数设置界面。 三相电源的相位互差 120，设置交流峰值电压为 100V ， 频率为 50HZ 。 特别注意电源的默认频率为 60 赫兹，为适应中国电网请将其改为 50 赫兹。 （2）三相交流电源测量模块 模 块 位 置 ： Simcap/SimPowerSystem/Measurment Three Phase V-I Measurement 本模块可以测量三相交流电源的线电压、线电流、相电压、相电流。本例中采用测量 线电压，用以给锁相环模块提供合适的频率。上图为本例的设置参数。 （3）互感器模块 模 块 位 置 ： Simcap/SimPowerSystem/Element/Three-Phase Mutual Indutance
    上图为本例参数设置界面。 （4）通用桥臂模块 模 块 位 置 ： Simcap/SimPowerSystem/Power Electrics/Universal Bridge 通用变换器桥模块是由 6 个功率开关元件组成的桥式通用三相变换器模块。功率电子 元件的类别和变换器的结构可以通过对话框进行选择。功率电子元件和变换器的类型有 diode 桥、 thyristor 桥、 mosfet-diode 桥、 igbt-diode 桥、 ideal-switch 桥，桥的结构有单相、 两相和三相。 以上为可控硅参数设置界面。
    （5）RCL 串联支路模块 模块位置： Simcap/SimPowerSystem/Element/Series RLC Branch 本模块为电阻、电容和电感复合电路，可根据实际情况进行三种原件的自由组合及参 数设置。上图为本例参数设置界面。 （6）电压测量模块 模 块 位 置 ： Simcap/SimPowerSystem/Measurements/Voltage Measurement 电压测量模块用于测量电压，但更深层的含义是用来隔断电力器件和测量仪表之间的 直接相连。上图为本例参数设置界面。 （7）示波器模块 模块位置： Simlink/Sinks/Scope
    示波器输出模块用于实时显示系统的输出信号，无需赘言。 （8）锁相环模块 模 块 位 置 ： Simcap/SimPowerSystem/Control and Measurements Library/PLL/PLL(3ph) 锁相环模块用于将测到的频率锁定并输出到 6 脉冲触发器。 上图为本例参数设置界面。
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