三相整流-逆变电路仿真-论文

　三相整流- - 逆变电路仿真- - 论文

　整流与逆变一直是电力电子变流技术的热点之一。其基本理论与方法已成熟几十年了，但随着整 流---逆变电路在工业生产和日常生活中的广泛应用，其对电网带来的谐波污染问题日益突出， 另一方面在电机调速应用领域，整流---逆变电路的性能直接影响着调速系统的性能，因此近些 年来对整流---逆变电路性能的改善方面提出了许多方法，并成为热点之一。在研究方法上，前 期仿真可节省经费，提高研究效率，成为理论阶段的一个重要环节。

　在 MATLAB 的 Simulink 中专门设置了电力系统“SimPowerSystems”的模块库，包括 10 类模块库，即电源元件库（ElectricalSources）、线路元件库（Elements）、电力电子元件库 （PowerElectornics）、电机元件库（Mahines）、连接元件库（Connectors）、电路测量模块库（Measurements）、附加元件库（Extras）、演示教程（Demos）、电力图形读者接口（Powergui）和电力系统元件库（Powerlib-models）。

　二、 设计要求

　1、 可自选参数搭建仿真系统。

　2、 可参考指导老师提供的参考资料搭建仿真系统。

　3、 可利用图书馆资源及网络资源查阅资料搭建仿真系统。

　4、 充分熟悉 SimPowerSystems 库中的各类元件。

　5、 报告中要介绍所用到的关键库元件应用原理、参数设定等。

　6、 列出建立系统的步骤。

　7、 列清仿真结果图。

　三、设计步骤

　1、添加元器件并设置相关参数：

　（1）、添加 AC Voltage Source 功能模块：点击 SimPowerSystem 模块库,->点击 Electrical Source,即可调出该模块，->并取名为 Va，->双击它,->弹出它的属性参数设置框，->将 Peak amplitude/V（峰值）设置为 10e3;Phase/deg（相位）设置为 0；将 Frequency/Hz（频率）设置为 50；同理，再调用该模块，取名为 Vb,将 Peak amplitude/V（峰值）设置为 10e3; Phase/deg（相位）设置为120；将 Frequency/Hz（频率）设置为 50；同理，再调用该模块，取名为 Vc,将Peak amplitude/V（峰值）设置为 10e3; Phase/deg（相位）设置为-120；将Frequency/Hz（频率）设置为 50；如图 1（a）、（b）、（c）所示。

　图 1（a）Va 参数设置对话框图 1（b）Vb 参数设置对话框

　图 1（c）Vc 参数设置对话框

　（2）、添加 Three-Phase Transformer(Tow Windings) 功能模块：点击SimPowerSystem 模块库, ->Elements,即可调出该模块，->并取名为三相变压器，->双击它,->弹出它的属性参数设置框，如图 2 所示，将它的 Norminal Power and frequency(额定功率)置为【50e3,50】；将 winging1（ABC）connection（原方绕组联接方式）置为 Y 型（即星形接法），在 Three-Phese Transformer(Two Windings)功能模块中，除了 Y 型接法以外，还有 Yn、Yg、Delta（Dl）（三角形接法）和 Delta（Dl1）等五种接法；->接着设置原方绕组参数，将原方绕组 的 图 2 设置三相变压器参数

　V1 Ph-ph（Vrms）（线电压有效值）、R1(电阻)和 L1（电感）置为：【10e.3,0.002,0.08】;同理设置副原方绕组：【1e.3,0.002,0.08】;最后设置变

　压器的 Magnetization Resistance Rm（磁化电阻）和 Magnetization Resistance Lm（磁化电抗）分别为 5 和 5；Measurements 选取 Windings voltages（测量绕组电压）。

　（3）、添加 Univeral Bride 功能模块，点击 SimPowerSystem 模块库，->点击 Powre Electronics，即可调出该模块，并将其命名为三相整流桥，双击它，弹出它的属性参数设置框如图 3 所示，将 桥臂数（Number of ration）选取为“3”，（因为为三相整流桥电路），将功能模块的端口配 置（Port configuration）选取“ABC as input teminals”(A、B 和 C 置为输入端口)，将电力电子器件（PowreElectronic device）选取“Thyristors”（即晶闸管整流桥），且将 Measurements 栏设置为 ALL voltages and currents,其他参数不作改动。

　图 3 设置三项整流桥参数

　（4）、需要在整流电路之后接上 LC 低通滤波器，L=100mH,C=400uF,则截止频率约为 8Hz。添加 Series RLC Basnch 模块，点击 SimPowerSystem 模块库，->点击 Electronics，即可调出该模块，并将其命名为滤波电感 100mH,双击它，弹出它的属性参数，将它的 Resistance 设置为 0，Inductance 设置为 100e3（即100mH）,Capacitance 设置为 inf，且将 Measurements 栏设置为 Branch voltages and current。设置如图 4 所示。

　图 4 滤波电感 100mH 参数设置 （5）、添加Parallel RLC Basnch 模块，点击 SimPowerSystem 模块库，->点击 Elements，即可调出该模块，->并命名为滤波电容 4000uF,双击它，弹出它的属性参数，将它的Resistance 设置为 inf，Inductance 设置为 inf,Capacitance 设置为 4000-6（即4000uf），且将 Measurements 栏设置为 Branch voltages and current。如图 5所示。

　（6）、添加 Univeral Bride 功能模块，点击 SimPowerSystem 模块库，->点击 Powre Electronics，即可调出该模块，并将其命名为三相逆变桥，双击它，弹出它的属性参数设置框如图 6 所示，将桥臂数（Number of ration）选取为“3”，（因为为三相逆变桥 图 5 滤波电感 4000uF 参数设置

　电路），将功能模块的端口配置（Port configuration）选取“ABC as output teminals”(A、B 和 C 置为输出端口)，将电力电子器件（PowreElectronic device）选取“IGBT/Diodes”（即 IGBT 逆变桥），且将Measurements 栏设置为 ALL voltages and currents,其他参数不作改动。

　图 6 三项逆变桥参数设置

　（7）、在逆变桥之后接 LC 低通滤波器，L=30mH,C=300uF,则截止频率约为53Hz。添加 3-phase Series RLC Basnch 模块，点击 SimPowerSystem 模块库，->点击 Elements，即可调出该模块，并将其命名为三相滤波电感 30mH,双击它，弹出它的属性参数，将它的 Resistance 设置为 0，Inductance 设置为 30e-3（即30mH）,Capacitance 设置为 inf，且将 Measurements 栏设置为 Branch voltages and current。如图 7 所示。463

　三相整流-逆变电路仿真

　图 7 三项滤波电感 30mH 参数设置

　（8）、添加 3-phase Series RLC Basnch 模块，点击 SimPowerSystem 模块库，->点击 Elements，即可调出该模块，并将其命名为三相滤波电容 300uF,双击它，弹出它的属性参数，将它的 Resistance 设置为 0，Inductance 设置为 0,Capacitance 设置为 300e-06（即300uF），且将 Measurements 栏设置为 Branch voltages and current。如图 8 所示。

　图 8 三项滤波电容 300uF

　（9）、添加 3-phase Parallel RLC Load 模块，点击 SimPowerSystem 模块库，->点击 Elements，即可调出该模块，并将其命名为负载 1kW0.5kva，双击它，弹出它的属性参数，如图 9 示，按照图示参数进行设置，包括额定线电压[Nominal phase- phase voltage(Vrms)]、额定频率[Nominal frequency(Hz)]、三相有功[Three-phase active power]、正无功[Three-phase Inductive

　reactive power Ql (var)]、和负无功[Three-phase Capacitive reactive power Qc

　(var)]。

　图 9 负载 1kW0.5kva 参数设置

　（10）、添加 Discrete PWM Generator 模块，点击 SimPowerSystem 模块库，->点击 Discrete Control Blocks, 即可调出该模块，并将其命名为脉冲发生器，双击它，弹出它的属性参数，如 图 10 所示，按照图中所示参数进行设置，即将发生器模式(Generator mode) 选取“Double 3-arn bridge(12 pulses)”(因为要控制两个三相桥电路)，将载波频率（Carrier frequency/Hz）选取“1000”（50Hz×20）,将调制比[Modulation index(0<m<1)]选取“0.9”，将输出电压频率（Frequwncy of output voltage/Hz）置为 50（逆变输出电压为 50Hz）其它参数不做改动.

　图 10 脉冲发生器参数设置

　（11）、添加 Selector 模块，点击 Simulink 模块库，->点击 Signal Routing模块库, 即可调出该模块，并将其命名为 S1，双击它，弹出它的属性参数对话框，如图 11（a)所示，按照图示参数进行设置，将 Elements 输入栏置为 1：6，表示选取 Discrete PWM Generator 模块输出的第一到第六路脉冲信号，为整流桥提供控制脉冲；再调用该模块一次，命名为 S2，按照图 11(b)所示参数设置它，将Elements 输入栏置为 7:12， 表示选取 Discrete PWM Generator 模块输出的第 7到第 12 路脉冲信号，为逆变桥提供控制脉冲。

　图 11（a）S1 参数设置

　图 11（b）S2 参数设置

　（12）、添加 Powergui 模块，在 SimPowerSystem 模块库中直接调用。双击它打开参数设置对话 框，将 Frequenoy 改为 50，将 Sample Time（s）设置为 1e-005，如图 12 所示。

　图 12Powergui 参数设置

　（13）、添加 Multimeter 模块, 点击 SimPowerSystem 模块库，->点击Measurements 模块库，即可调出它，双击它，在弹出的对话框中设置相关需要仿真的参数，且选中 Plot selected measurements。如图 13 所示。

　图 13 添加需要仿真的相关项目

　（14）、将采集负载 AB 之间的线电压波形的 Scope 模块命名为 U_AB,将它的Data History 中的变量名 Variable name 栏设置为 U_AB,将数据显示格式 Format栏设置为 Strcture with time。注意：在此参数设置时 Limit data points to last 不能选中。如图 14 所示。

　图 14U_AB 参数设置（15）、连接各功能模块，注意在三相整流 桥与地线的连接中，要加一个 L connector，最后得到待仿真电路图。如图 15所示。

　图 15 仿真电路

　2、在主菜单的 Simulation 选项的 Simulation parameters 设置仿真参数：Start Time 为 0,stop time 为 0.4，选取“ode23tb（Stiff/TR-BDF2）”解算器，其他为默认参数，启动仿真计算。设 置如图 16 所示。

　图 16 设置仿真参数

　3、仿真结果 ：

　（1）、待仿真参数设置好后，点击 MATLAB 主菜单上的运行按钮得到仿真结果如下图（仿真结果 （1）、（2）），方真内容包括流过整流桥 Thyristors 管 1 的电流和端电压波形，流过整流桥 IGBT 管 1 的电流和端电压波形，流过滤波电感 100mH 的电流和电压波形，流过滤波电容 4000uF 的电流和电压波形，整流器输出直流电压波形和逆变桥输入电压波形等。

　仿真结果（1）

　仿真结果（2）

　（2）、点击示波器得到负载 AB 线电压的仿真结果如下图（仿真结果 （3））：

　仿真结果（3）

　4、波形的傅里叶分析：

　点击 Powergui 模块，在弹出的对话框中点击 FFT Analysis，然后在弹出的Powergui：FFT Tools 中将 Structure 设置为 U_AB，Frequency axis 设置为Hertz，

　将 Display style 设置为 Bar[relative to Fund or DC]。点击 Display 得U_AB 的仿真结果如下图所示：

　四、参考资料：

　1、王兆安，黄俊，《电力电子技术》，北京，机械工业出版社，2000 年。

　2、周渊深，《电力电子技术与 MATLAB 仿真》，北京，中国电力出版社，2005年。

　五、总结体会

　通过本次课程设计，回顾了电力电子技术的相关知识。对 MATLAB 的使用有了进一步的认识。在利用 MATLAB 搭建电路时碰到了许多问题，如：L connector 模

　块的使用等，这些问题很小但也很关键，充分说明了在工科领域每一个细小的环节都容不得马虎。在示波器的参数设置时 由于选中了 Limit data points to last 选项，导致了负载 AB 的线电压的仿真和 U_AB 的傅里叶分析无法实现。通过反复的检查、校验最终实现了设计目的。要想在以后的学习生活中更好的解 决这些问题就必须更进一步的熟悉软件知识和相关理论知识。

　另一方面，通过这种仿真可以为电力领域的研究节省经费、提高效率，是理论研究阶段一个重要 的环节。通过本次试验进一步认识到了 MATLAB 模拟仿真对于电路设计的重要性。仿真技术必将 成为人们特别重视和大力发展的综合技术，应用于人类生产实践的全过程。