基于MATLAB的电力电子电路建模仿真方法的研究_潘湘高

收稿日期:2002-11-11

第20卷　第5期

计　算　机　仿　真

2003年5月

文章编号:1006-9348(2003)05-0113-02

基于MATLAB 的电力电子电路建模仿真方法的研究

潘湘高

(常德师范学院电气工程系,湖南常德415003)

摘要:通过三相桥式可控整流电路实例讨论了利用MATLAB SIMULINK 对电力电子电路进行建模仿真的方法,并给出了仿真结果波形,证实了该方法的简便直观、高效快捷和真实准确性。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,就可以很快地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,这样就可以极大地加快系统的分析或设计过程。关键词:电力电子电路;建模;仿真中图分类号:TP391.9 文献标识码:B

1　前言

在电力电子电路如变流装置的设计过程中,需要对设计出来的初步方案(电路)及有关元件参数选择是否合理,效果如何进行验证。如果通过实验来检验,就要将设计的系统用元件安装出来再进行调试和试验,不能满足要求时,要更换元件甚至要重新设计、

安装、调试,往往要反复多次才能得到满意的结果。这样将耗费大量的人力和物力,且使设计效率低下,耗资大,周期长。

图1　电力系统工具箱模块库

采用计算机进行仿真试验,则可大大地节约开支,提高设计效率,缩短设计周期。但是用其它计算机高级语言(如C 语言,BASIC 语言或仿真语言)编程实现,对电力变流电路来说,由于大功率开关器件开关转换电流换相动态过程十分

复杂,过渡过程一个接一个,一个未完,新的一个又开始了。要分析输出电压、电流(带感性负载时)波形,特别是象大功率开关管关断时承受的尖峰电压大小形状,即阻容保护电路的保护效果如何,就要建立等效电路的数学模型。而这样的数学模型是很复杂的,即使建立起来了,用计算机编程实现得到真实的仿真结果也需要花大量的时间精力来编程和调试。然而采用MATLAB /SIMULINK 可视化,图形化仿真环境来对电力电子电路进行建模仿真则可使之变得直观,简单易行,高效快捷,真实准确。

本文以三相桥式可控整流电路为例介绍了利用MAT -LAB /SIMULINK 建立电力电子电路仿真模型并进行仿真的方法,给出了仿真结果波形。

2　SIMULINK 中电力系统工具箱和仿真元件简介

可视化图形仿真功能是在SIMULINK 环境下进行的。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,如图1所示。它包括连接元件库(Connectors ),电源库(Electrical Sources ),基本元件库(Elements ),其它元件库(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。

3　三相桥式可控整流系统仿真模型的建立

打开新建模型窗口,将所需元件模块从模块库中拖入新建模型窗口并改名,设定有关参数后将各模块连接组成仿真模型,如图2所示。

3.1　相交流电源A 、B 、C 设定为220V ,50Hz ,相位互差120°;3.2　La 、Lb 、Lc 为三相电源等效电感,设定为5mH ;3.3　晶闸管三相可控整流桥模型参数设定为晶闸管通态电

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图2　三相桥式可控整流系统仿真模型

阻(Thyristor on -state resistance )0.01Ψ,通态电感(Thyristor on -state inductance )10μH ,

阻容保护回路电阻(Snubber

resistance )2K Ψ,电容(Snubber capacitance )4.7μF ;

3.4　三相可控整流桥触发脉冲产生模块设定为双窄脉冲方式(Double pulsing ),脉冲宽度为10°;

3.5　建立同步电压信号测量转换模块并封装成子系统TB ;3.6　R —L 负载模块参数设定为220V ,50Hz ,1000W ,1000Var ;3.7　建立输出电压vl ,共阴极组三个晶闸管电流id 及晶闸管电压Uak 检测显示模块。

4　仿真运行及仿真结果波形分析

图3　共阴极组三个晶闸管AK 之间

的电压波形

先双击图2中Step 模块设定触发角(alpha de )为30°,再点击图2下拉菜单仿真(Simu -lation )按钮,选择仿真参数(Simulation pa -rameters )命令设定有关仿真参数。设定停止

时间(Stop time )为0.08秒,仿真算法选择可变步长(Variable step )积分算法函数ode23s (Runge -Kutta 法),其它参数选项可用默认值。然后点击图2启动仿真按钮(黑三角形)即开始进行仿真,双击各个显示模块就能显示其信号波形。图3为共阴极组三个晶闸管AK 之间的电压Uak (V )波形,每个晶闸管30°承受正向电压,导通120°其余时间承受反向电压。图4为共阴极组三个晶闸管的电流i 的波形,可清楚地看出电流换相过程。图5为输出电流id (A )和输出电压vl (V )的波形,可清楚地看出电流由0增加到稳态值的过程,电流大

图4　共阴极组三个晶闸管的电流波形

小对晶闸管换流过程的影响。改变各个参数设定再进行仿真就可得到不同参数时的仿真波形,从而分析各个参数对系统的影响,这样就为系统设计参数的确

定图5　输出电流(A )和输出电压(V )波形

提供了科学方便的手段。改

变各个参数的设定直到得到满意的结果为止。

5　结论

从上述系统仿真结果波形可以看出,利用

MATLAB /

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。参考文献:

[1]　黄文梅等.系统分析与仿真———MATL AB 语言及应用.长沙:国

防科技大学出版社,1999.

[2]　薛定宇.反馈控制系统设计与分析———MA TL AB 语言应用.北

京:清华大学出版社,2000.

[3]　范影乐等.MATL AB 仿真应用详解.北京:人民邮电出版社,

2001.

作者简介

潘湘高(1963.3-),男(汉族),湖南平江人,副高职

称,在读硕士,主要从事自动化技术,计算机控制的研究和教学工作,发表各种论文多篇。

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