基于SIMULINK的電力電子系統(tǒng)仿真研究.doc

本科畢業(yè)設計（2008屆）題目基于SIMULINK的電力電子系統(tǒng)仿真研究學院信息科學與工程學院專業(yè)電氣工程及其自動化班級學號學生姓名指導教師完成日期錯誤!未指定書簽。信息科學與工程學院畢業(yè)(設計)論文.i.基于SIMULINK的電力電子系統(tǒng)仿真研究【摘要】針對電力電子電路，使用MATLAB/SIMULINK進行了仿真。包括三相交流橋式整流電路、斬波電路、逆變電路、基于SPWM的交流電機調速控制系統(tǒng)和AC-DC-ACPWM變換器。首先介紹各個元器件的使用和它在電路中作用，并了解整個電路的工作原理，在此基礎上，通過MATLAB/SIMULINK軟件來建立各電路的仿真模型，并且對各個模塊和系統(tǒng)內部的參數進行設置，例如仿真算法、電子器件的選擇和電源幅值和頻率等，最終實現(xiàn)電力電子系統(tǒng)在MATLAB中的仿真。仿真結果和理論分析結果相一致，驗證了仿真建模的有效性和正確性?！娟P鍵詞】電力電子，MATLAB，仿真，模型,調速信息科學與工程學院畢業(yè)(設計)論文.ii.SimulationofPowerElectronicsSystemBasedonMATLAB/SIMULINK【Abstract】Inthelightofpowerelectronicscircuit,usedMATLAB/SIMULINKtocarryonthesimulation.Includingthree-phaseFull-Bridgecontrolledrectifier,choppingcircuit,invertercircuit,alternating-currentmachinespeedregulatingbasedonSPWMandAC-DC-ACPWMinverter.Firstintroducedeachcomponenttheuseanditaffectedintheelectriccircuit,andunderstoodthewholecircuittheory,inthisfoundation,establishedvariouselectriccircuitsthroughMATLAB/SIMULINKsoftwarethesimulationmodel,andsettheestablishmenttoeachmoduleandtheinteriorparameterofsystem,forexamplesimulationalgorithm,electronicdevicechoiceandelectricalsourcepeak-to-peakvalueandfrequencyandsoon,finallyrealizedsimulationthattheelectricpowerelectronicsalternating-currentcircuitinMATLAB.Simulationresultandtheoreticalanalysisresultconsistent,hasconfirmedthesimulationmodellingvalidityandtheaccuracy.【KeyWords】PowerElectronics,MATLAB,Simulation,Model,SpeedRegulating信息科學與工程學院畢業(yè)(設計)論文.iii.目錄第一章緒論11.1選題的背景與意義11.2國內外電力電子技術的現(xiàn)狀11.2.1國外電力電子技術發(fā)展的狀況11.2.2國內電力電子技術發(fā)展的狀況21.3計算機仿真技術的發(fā)展及應用31.4本論文的主要研究內容及目標4第二章電力電子器件52.1電力電子器件的概述52.1.1電力電子器件的一般概念及作用52.1.2電力電子器件的分類52.2常用電力電子器件的SIMULINK模型62.2.1IGBT模塊62.2.2晶閘管模塊62.2.3PWM脈沖發(fā)生器模塊7第三章基于SIMULINK的常用電力電子電路建模93.1三相橋式整流電路93.2斬波電路113.2.1降壓斬波電路113.2.2升壓斬波電路123.3逆變電路143.3.1SPWM逆變電路14信息科學與工程學院畢業(yè)(設計)論文.iv.第四章基于SIMULINK的電力電子應用系統(tǒng)建模164.1基于SPWM的交流電機調速控制系統(tǒng)164.2AC-DC-ACPWM變換器18第五章基于MATLAB/SIMULINK的仿真研究225.1SIMULINK仿真條件設置225.2常用電力電子電路仿真結果及分析235.2.1三相橋式全控整流電路的仿真結果及分析235.2.2斬波電路的仿真結果及分析2降壓斬波電路的仿真結果及分析2升壓斬波電路的仿真結果及分析295.2.3逆變電路的仿真結果及分析305.3電力電子應用系統(tǒng)仿真結果及分析335.3.1基于SPWM的交流電機調速控制系統(tǒng)電路的仿真結果及分析335.3.2AC-DC-ACPWM變換器電路的仿真結果及分析36第六章總結38參考文獻39致謝40信息科學與工程學院畢業(yè)(設計)論文第1頁第一章緒論1.1選題的背景與意義近幾年來，隨著現(xiàn)代社會的不斷進步，世界的經濟將發(fā)生巨大變革，知識經濟開始替代工業(yè)經濟，這對世界經濟的發(fā)展將有很大推動力。隨著神舟飛船的首次載人飛行，嫦娥饒月的的實現(xiàn)，中國的這些高科技技術的成功，讓西方國家震驚不已，誰擁有電力電子這種先進的高薪科技產品，誰就掌握競爭的優(yōu)勢。但是總體說來我國當前電力電子與電力傳動技術的水平落后于國際先進水平，遠遠跟不上我國國民經濟發(fā)展的需要，特別是還面臨著國外產品嚴重沖擊，因此，我們必需清醒地認識到這一挑戰(zhàn)并且要勇敢地面對。因此電力電子交流電路模擬仿真的研究已成為我國的研究熱點之一。電力電子電路最基本的拓撲形式，近年來一些新的電路拓撲形式如諧振型逆變電路、矩陣式變頻電路等不斷涌現(xiàn)。人們也期待著通過對電力電子電路拓撲的不斷研究，發(fā)現(xiàn)一些更新的拓撲形式，使電力電子裝置性能更為優(yōu)良。電力電子作為節(jié)能、節(jié)才、自動化、智能化、機電一體化的基礎,正朝著應用技術高頻化、硬件結構模塊化、產品性能綠色化的方向發(fā)展。電力電子技術的應用范圍已無處不在在如交通系統(tǒng)和電力系統(tǒng)，此外，電力電子技術用于宇宙開發(fā)也正在引起人們的廣泛關注。在不遠的將來,電力電子技術將使電源技術更加成熟、經濟、實用,實現(xiàn)高效率和高品質用電相結合。1.2國內外電力電子技術的現(xiàn)狀1.2.1國外電力電子技術發(fā)展的狀況自從半導體問世以來，經過幾十年來的發(fā)展，電力電子技術從以低頻技術處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學,向以高頻技術處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學方向轉變。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術已經進入現(xiàn)代電力電子時代。電力電子技術發(fā)展的變換主要體現(xiàn)在器件上2，幾十年來，以晶閘管為基礎的可控硅整流裝置使直流傳動占據了傳動領域的統(tǒng)治地位。然而，晶鬧管畢竟是一種半控型器件，只能導通，不能關斷，被稱為第一代半導體器件。半控型器件在信息科學與工程學院畢業(yè)(設計)論文第2頁交流傳動及變頻調速中無法大顯身手。70年代來，陸續(xù)發(fā)明的功率晶體管(GTR)門投可關斷品閘管(GTO)、功率MOS場效空管、絕緣柵極晶體管(IGBT)、靜電感應晶體管(SITH)等等全控型器件，在線路中，既能控制其導通又能控制其關斷，則被稱為第二代電力半導體器件。它們在結構上是把若干個(直至數十萬個)具有相同功能的元胞進行并聯(lián)集成，在制造上采用把晶閘管向高電壓、大電流方向發(fā)展所積累起來的各種經驗同微電子的微細加工方面的成就相結合的成果。90年代，將綜合這些器件的優(yōu)點而研制成MOS柵控晶閘管(MCT)和場控GTO(MOSGTO)將成為國際上第三代電力電子器件。這些器件進一步把具有不同功能的控制單元、邏輯單元、傳感單元、量測單元和保護單元集成一體，既具有電路功能，又使用更為方便可靠，正受到舉世矚目。電力電子技術是能源技術、電子技術和控制技術三大領域的交叉，其主要功能是利用大功率半導體器件及其相應的控制與保護電路實現(xiàn)對電能某些參量和特性（電壓、電流、頻率、相位、相數、波形等）的控制與交換，以實現(xiàn)電力的某些使用目的，并提高使用的質量與效率。80年代以來，電力電子技術作為高新技術、基礎技術和節(jié)能技術，其應用領域已經全面深入地滲透到經濟、國防、科技和社會生活的各個方面。它是當今世界發(fā)展最快、潛力巨大的產業(yè)之一，電力電子技術產業(yè)發(fā)展的成功與否，對一個國家的國民經濟整體水平有著重要的影響，所以，世界各國對電力電子技術都很重視，加快了電力電子產業(yè)化的進程。1.2.2國內電力電子技術發(fā)展的狀況不容置疑，我國國民經濟的發(fā)展對電力電子應用技術具有十分巨大的需求。為了迅速改變我國電力電子技術的落后狀況，適應國際市場嚴峻的競爭形勢，我國政府也下了很大的決心和采取了很多措施大力發(fā)展電力電子技術，電力電子技術已被列入國家“九五”科技發(fā)展規(guī)劃和國家關鍵新技術發(fā)展計劃。到90年代，我國在某些現(xiàn)代電力電子技術，如軟開關、功率因數校正、IGBT的應用、并聯(lián)均流、智能控制、諧波治理、計算機仿真等的開發(fā)和應用方面取得了一些成就，有些研究成果已在產業(yè)部門中得到推廣和應用。但是，總的說來我國電力電子技術的水平還遠遠落后于國際先進水平，遠跟不上我國國民經濟發(fā)展的需要，特別是還面臨著國外產品嚴重沖擊的嚴峻形勢。國產功率器件目前主要還限于不控或半控器件（整流管和可控硅）。大功率結型全控器件（GTO，GTR）雖有引進，但因市場和質量等原因，至今未能形成批量生產能力；場控器件（功率MOS、IGBT等和智能功信息科學與工程學院畢業(yè)(設計)論文第3頁率模塊IPM）全靠進口。目前國產的電力電子裝置還主要局限于利用大功率整流管和硅晶閘管生產的整流電源、直流調速和可控硅靜止變頻裝置，而反映當代電力電子裝置發(fā)展方向的高技術產品在我國目前尚處于研制開發(fā)階段。這樣一來，急需電力電子設備的一些大型企業(yè)就干脆直接從國外進口，而一般企業(yè)則因財力和企業(yè)技術水平所限，只得采用落后的技術和設備，這就嚴重地影響了我國電力電子技術的迅速發(fā)展和推廣。這些問題制約了產業(yè)競爭力的保持和提高，延緩了電力電子產業(yè)化的發(fā)展進程。要加快我國電力電子技術產業(yè)化的步伐，增強其在國內外市場的競爭能力，是我們當代大學生應有的義務和責任3。1.3計算機仿真技術的發(fā)展及應用計算機仿真技術把現(xiàn)代仿真技術與計算機發(fā)展結合起來，并在某些實驗條件下對模型進行動態(tài)實驗的一門綜合性技術。它具有高效、安全、受環(huán)境條件的約束較少、可改變時間比例尺等優(yōu)點，已成為分析、設計、運行、評價、培訓系統(tǒng)（尤其是復雜系統(tǒng)）的重要工具。在我國，自從20世紀50年代中期以來，系統(tǒng)仿真技術就在航天、航空、軍事等尖端領域得到應用，取得了重大的成果。自20世紀80年代初開始，隨著微機的廣泛應用，數字仿真技術在自動控制、電氣轉動、機械制造、造船、化工等工程技術領域也得到了廣泛應用1。近年來計算機仿真技術在電力電子技術行業(yè)得到了廣泛的應用。促進了電力電子產品研究、開發(fā)水平的提高，改善了電力電子產品的性能，縮短了產品的創(chuàng)新周期。可見，電路與系統(tǒng)的計算機仿真在電力電子技術的應用研究和產品開發(fā)中占有重要的地位，它可以加深工程師對電路與系統(tǒng)工作原理的理解，加速電路的設計和理論的完善，幫助生產企業(yè)提高自身開發(fā)的水平，改善產品性能并能有效地縮短產品更新?lián)Q代的周期。目前常用的仿真軟件有PSpice,Saber,Simplis和Matlab等幾種。通常把電力電子仿真軟件分為兩種：即側重于電路的仿真器和側重于方程求解的仿真器。PSpice和Matlab分別是兩類仿真器的代表。PSpice是較早出現(xiàn)的EDA軟件之一，由MICROSIM公司于1985年推出。在電路仿真方面，它的功能可以說是最為強大，在國內被普遍使用.。PSpice最大的優(yōu)點就是能夠把仿真與電路原理圖的設計緊密的結合在一起。PSpice廣泛應用于各種電路分析、激勵建立、溫度與噪聲分析、模擬控制、波形輸出、數據輸出，并在同信息科學與工程學院畢業(yè)(設計)論文第4頁一個窗口內同時顯示模擬與數字電路。無論對哪種器件哪些電路進行仿真，包括IGBT、脈寬調制電路、模/數轉換、數/模轉換等，都可以得到精確的仿真結果，可以滿足電力電子電路動態(tài)仿真的要求。但PSpice的仿真數據處理量龐大，仿真和處理速度慢，輸出數據格式和兼容性差，這些方面也限制了PSpice的應用。Matlab是自動控制領域應用最廣泛的仿真軟件。其應用廣泛的模塊集合工具箱，可視化建模仿真，文字處理及實時控制等功能，成為廣大科研人員的最值得信賴的助手和朋友。Matlab最新版本MATLAB2007b于2007年秋節(jié)正式發(fā)布，在R2007b中（MATLAB7.4,Simulink6.6），主要更新了多個產品模塊、增加了多達350個新特性、增加了對64位Windows的支持，并新推出了.net工具箱。Matlab中的PowerSystemBolckset(PSB)含有在一定使用條件下的元件模型，包括電力系統(tǒng)網絡元件、電機、電力電子器件、控制和測量環(huán)一相以及二相元件庫等，再借助于其它模塊庫或工具箱，在Simulink環(huán)境下，可以進行電力系統(tǒng)的仿真計算，可以實現(xiàn)復雜的控制方法仿真，同時可以觀察仿真的執(zhí)行過程。仿真結果在仿真結束時利用變量存儲在Matlab的工作空間中。PSpice和PSB仿真