北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)仿真 大作業(yè)

1、學(xué)院 電氣工程學(xué)院 班級(jí) 電氣 班 學(xué)號(hào) 姓名 -裝 -訂-線-北京交通大學(xué) 2012 -2013學(xué)年 第二學(xué)期考試試題課程名稱：計(jì)算機(jī)仿真技術(shù) 北京交通大學(xué) 電氣 班 姓名：學(xué)號(hào)：題目：12脈波整流電路仿真三相橋式全控整流電路是應(yīng)用廣泛的整流電路，完整的三相橋式全控整流電路由整流變壓器、晶閘管整流橋、負(fù)載、脈沖觸發(fā)器和同步環(huán)節(jié)等組成。傳統(tǒng)的6脈波全控整流電路交流側(cè)存在較大的諧波電流。為了獲得較好的諧波特性，可以采用多脈波整流電路，如下圖中所示的典型12脈波全橋整流電路。電路基本參數(shù)：三相電網(wǎng)電壓10kV；整流變壓器變比10kV/380V 50Hz，副邊兩個(gè)繞組的相位相差30度；兩組整流橋輸出

2、正端各接5mH電感后并聯(lián)；負(fù)載為阻感性負(fù)載，電阻R1歐姆，電感L50mH；仿真時(shí)間1s。1、 12脈波整流電路建模（10分）根據(jù)題目給出的主電路和基本參數(shù)，建立完整的12脈波整流電路的模型，即包括主電路、同步電路、觸發(fā)脈沖電路、仿真結(jié)果測(cè)量及顯示電路等，給出建模思路說(shuō)明和主要元器件參數(shù)設(shè)置說(shuō)明。解：在1000KW以上的大功率系統(tǒng)中，常采用雙十三橋構(gòu)成的十二相整流電路。對(duì)于晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，為了克服電壓或電流脈動(dòng)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械造成的損害，也常常采取增加整流電路的相數(shù)，而采用十二相整流電路。仿真電路圖如下所示。電源選擇線電壓10kV，頻率50Hz。三相變壓器2繞組選擇Y接，3繞組選擇D1接。在這

3、里要注意，要和觸發(fā)器的D1選擇相同，不然會(huì)出現(xiàn)觸發(fā)錯(cuò)誤的現(xiàn)象。變壓器的變比為10kV/380V/380V，為了忽略電感帶來(lái)的換向重疊，使直流電壓下降，所以將繞組的電感設(shè)為0。2、 12脈波整流電路開(kāi)環(huán)仿真（15分）（1）要求輸出的負(fù)載平均電壓為300V，根據(jù)直流電壓平均值與觸發(fā)角的關(guān)系，估算觸發(fā)角，給出估算依據(jù)和說(shuō)明。（2）設(shè)置整流橋的觸發(fā)角，進(jìn)行仿真。給出兩組整流橋A相下橋臂晶閘管觸發(fā)脈沖、A相同步電壓信號(hào)的波形，要求在同一示波器下顯示。（3）采用POWERGUI模塊（或其他模塊）對(duì)三相電網(wǎng)中的電流、一個(gè)整流橋的三相電流進(jìn)行分析，分別記錄從0.5s開(kāi)始的一個(gè)基波周期的電流波形及FFT分析圖，

4、分析比較12脈波整流電路與6脈波整流電路的諧波電流及THD特性。解：（1）由于電源并聯(lián)輸出電壓不變，所以輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系可以用三相全控整流橋公式得出，即，所以，實(shí)際仿真中測(cè)試的角度為，當(dāng)角度為時(shí)，輸出電壓平均值為300V，以下的仿真均是在角度為時(shí)的運(yùn)行的。負(fù)載R上的電壓波形如圖所示?？梢钥闯?，負(fù)載R上的電壓平直，為300V，并且基本無(wú)波動(dòng)，說(shuō)明副邊的電流也基本為恒定，等效為直流源。12脈波整流電路的直流側(cè)輸出電壓Ud（R+L的電壓）如下圖所示。輸出電壓波動(dòng)范圍為200V400V，約有200V的電壓波動(dòng)。直流側(cè)輸出電壓的細(xì)節(jié)如下所示。輸出電壓平均值為300V。對(duì)比三相全控整流橋，三相全控

5、整流橋的直流側(cè)輸出波形如下所示。輸出電壓波動(dòng)范圍為50V490V，約有440V的電壓波動(dòng)。下圖為三相全控整流電路輸出電壓的細(xì)節(jié)圖。由圖可以看出，帶平衡電抗器的12脈相控整流電路的電壓脈動(dòng)明顯小于三相全控整流電路，電壓的諧波分量明顯減小，適合帶對(duì)電壓質(zhì)量要求高的負(fù)載。不接平衡電抗器時(shí)L時(shí)，同雙反星形電路一樣，兩組橋不能同時(shí)向負(fù)載供電，而只能交替地向負(fù)載供電，不過(guò)交替的間隔是/6。接入平衡電抗器L后，當(dāng)1組橋的瞬時(shí)電壓高于2組橋的瞬時(shí)電壓，并同時(shí)伴有整流電流輸出時(shí)，會(huì)在平衡電抗器的兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其一半減小1組橋的電動(dòng)勢(shì)，另一半則增加2組橋的電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)電抗器的平衡作用，同時(shí)維持兩組橋都工作在

6、三相全控橋相控整流狀態(tài)。當(dāng)1組橋的瞬時(shí)線電壓等于2組橋的瞬時(shí)線電壓時(shí)，兩組橋并聯(lián)運(yùn)行，此時(shí)在平衡電抗器上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零。之后當(dāng)2組橋的瞬時(shí)線電壓大于1組橋的瞬時(shí)線電壓時(shí)，則平衡電抗器上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)極性相反，繼續(xù)維持兩橋正常導(dǎo)通。（2）從上到下依次為：繞組2的A相電壓，繞組2的AB線電壓，繞組2對(duì)應(yīng)整流橋的A相下管觸發(fā)信號(hào)，繞組3的AB線電壓，繞組3對(duì)應(yīng)整流橋的A相下管的觸發(fā)信號(hào)?？梢钥闯觯珼1接繞組比Y接繞組滯后了30度，同時(shí)對(duì)應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)也比Y接的觸發(fā)信號(hào)滯后了30度。（3）使用powergui進(jìn)行FFT分析圖，設(shè)置為離散模式，取樣時(shí)間為0.00005s。下列仿真波形依次為： 帶平

7、波電抗器的12脈波全控整流電路繞組2（副邊Y接繞組）的a相電流 三相全控相控整流電路的交流側(cè)A相電流 帶平波電抗器的12脈波全控整流電路高壓側(cè)A相電流下圖為繞組2的A相的電流波形。與三相全控的一相電流波形相似，只是在最高點(diǎn)有波動(dòng)。 傅立葉頻譜分析如下。最低次諧波為300Hz，是基波的6倍頻。THD=31.42%。 三相全控相控整流電路的交流側(cè)A相電流波形圖如下所示。為階梯波，在最點(diǎn)無(wú)抖動(dòng)。傅立葉分析如下圖所示。最低次諧波為300Hz，是基波的6倍頻。THD=31.12%。其頻譜和帶平波電抗器的12脈波全控整流電路繞組2（副邊Y接繞組）的a相電流相似，高頻諧波下降的速率較慢，所占成分比較多，對(duì)電

8、路諧波干擾更大。 帶平波電抗器的12脈波全控整流電路高壓側(cè)A相電流波形圖如下所示?？梢钥闯?，A相電流波形已經(jīng)和正弦波形基本類(lèi)似，電流的紋波明顯變小。傅立葉分析圖如下所示。對(duì)A相電流進(jìn)行分析：假設(shè)直流側(cè)為大電感負(fù)載，電流恒定，則的傅立葉級(jí)數(shù)表達(dá)式為繞組a、b的相電流、為由于三項(xiàng)對(duì)稱，繞組c相電流故 則 由于若一次繞組則一次測(cè)A相電流應(yīng)為由此可得所以，帶平衡電抗器的雙三相橋式12脈波整流橋電路交流電源中只含有12K1次諧波電流，最低次諧波電流為11次，而三相橋6脈波整流電路交流電源中含有6K1次諧波電流，最低次諧波電流為5次。從圖中也可以明顯看出，最低次諧波出現(xiàn)在550Hz，THD=6.54%明顯

9、變小，諧波的次數(shù)增大并且比重變小，變得更容易濾除，對(duì)設(shè)備的干擾更小。所以12脈波整流電路可以明顯改善電流波形，提高了電流的質(zhì)量。3、 12脈波整流電路閉環(huán)仿真（10分）采用電流閉環(huán)控制，使兩組整流橋輸出的電流都為100A。說(shuō)明相關(guān)參數(shù)，分別給出兩組整流橋的電流輸出波形、交流側(cè)輸入電流波形、10kV電網(wǎng)電流波形。電流閉環(huán)控制框圖如下圖所示。解：閉環(huán)仿真電路圖如下所示。不加PI控制前，假設(shè)兩路的輸出電流為100A時(shí)，總輸出電流為200A，輸出電壓為200V，通過(guò)計(jì)算得出，控制角度為67度。則以67度為基準(zhǔn)值進(jìn)行仿真。則設(shè)計(jì)思路為：使指令電流信號(hào)為100A，與反饋疊加，通過(guò)PI控制器后，添加67度的

10、偏移量（即兩組電路的基準(zhǔn)值。如果不加基準(zhǔn)值，運(yùn)行仿真后，系統(tǒng)也可以自動(dòng)找到平衡的觸發(fā)角，也可以完成仿真波形，加入67度是初始給系統(tǒng)一個(gè)角度定位，使系統(tǒng)仿真速度更快，其余波形沒(méi)有差別），完成控制環(huán)節(jié)。兩個(gè)PI控制器參數(shù)相同，設(shè)置如下：Kp為0.7，Ki為10。運(yùn)行仿真，負(fù)載R上通過(guò)的電流如圖所示。可以看到電流在0.1s左右有超調(diào)尖峰，然后平滑下降，穩(wěn)定在200A。兩路輸出電流（L1、L2上流過(guò)的電流）如圖所示。電流在0.2s就達(dá)到穩(wěn)定，在100A附近波動(dòng)，波動(dòng)范圍是80A120A。下圖為兩路輸出電流互補(bǔ)，疊加以后流過(guò)負(fù)載，可以看到，輸出到負(fù)載上的電流維持在200A不變。輸出電流的平均值如下所示，

11、兩路電流的平均值均在100A左右，說(shuō)明調(diào)節(jié)基本達(dá)到要求。下圖為沒(méi)有經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)的通過(guò)L1、L2的電流，可以看到，電流在3s時(shí)仍然不穩(wěn)定，L1路仍然有下降的趨勢(shì)，L2路有上升的趨勢(shì)。從兩路的輸出電流平均值可以看出，兩路電流并不是100A和100A的關(guān)系，而是69.96A和130.4A的關(guān)系，兩路所承擔(dān)的電流值不想等，這會(huì)使繞組3上承擔(dān)更多的電流負(fù)擔(dān)，并且減少了繞組2利用率。下面對(duì)比有PI和無(wú)PI控制時(shí)的三項(xiàng)繞組原邊和兩個(gè)副邊的相電流。下圖為添加PI控制器的相電流波形。從上到下的電流依次為原邊A相電流IA，繞組2a相流過(guò)的電流Ian_w2，繞組3a端輸出電流Ian_w3。下圖為三個(gè)相電流的細(xì)節(jié)圖。

12、可以看出，繞組2a相流過(guò)的電流Ian_w2和繞組3a端輸出電流Ian_w3的波形基本相同，幅值一致，兩繞組承擔(dān)的電流負(fù)擔(dān)相同。下圖為沒(méi)有添加PI控制器的相電流波形。從上到下的電流依次為原邊A相電流IA，繞組2a相流過(guò)的電流Ian_w2，繞組3a端輸出電流Ian_w3。可以看出，繞組2和繞組3的電流波形在3s還未穩(wěn)定，繞組2相電流有減小趨勢(shì)，繞組3電流有增大趨勢(shì)。從細(xì)節(jié)圖可以看出繞組2和繞組3的相電流的幅值相差很多，峰值繞組2為90A，繞組3為140A。通過(guò)相電流波形也可以看出，繞組2和繞組3的電流負(fù)擔(dān)不同，一個(gè)承擔(dān)了過(guò)多的負(fù)擔(dān)，一個(gè)利用率不足。對(duì)控制角度進(jìn)行跟蹤，可以看到觸發(fā)角度，并不是穩(wěn)定不

13、動(dòng)，而是不斷在變化。這說(shuō)明角度隨著輸出的變化，也在調(diào)節(jié)中，才使得兩路的輸出電流各保持在100A?？梢钥吹剑|發(fā)角也基本互補(bǔ)變化，變化角度在65度95度。角度的平均值都為79度左右。 不用PI控制直接將角度設(shè)為79度，直流側(cè)L1、L2輸出波形如下。電流已經(jīng)非常不平均。L1支路（即繞組2電流）基本上承擔(dān)了所有的電流量，L2支路基本沒(méi)有電流流過(guò)。 由以上仿真結(jié)果可以看出，加入PI控制后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)觸發(fā)角的動(dòng)態(tài)控制，從而控制了直流側(cè)兩路電流的平均值，使電流更均勻，保證了兩繞組的利用率。4、 總結(jié)與體會(huì)（5分）總結(jié)仿真中遇到的問(wèn)題，以及對(duì)本門(mén)課程的心得體會(huì)等。答：我認(rèn)為計(jì)算機(jī)仿真是一門(mén)非常實(shí)用的課程，我

14、們學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)仿真的同時(shí)，正好也同時(shí)在學(xué)習(xí)電力電力課程，最直接的收益就是，做完了計(jì)算機(jī)仿真，對(duì)電力電子技術(shù)的理解就加深了，理解起來(lái)也更加容易了。計(jì)算機(jī)仿真最重要的事情，就是一定要親自動(dòng)手去做。這些仿真模型的建立、參數(shù)的設(shè)定、波形的分析能力，都是需要親自去搭建、去設(shè)置、去計(jì)算才能學(xué)會(huì)的，平時(shí)不努力，只靠拷貝別人的仿真結(jié)果，是不可能學(xué)會(huì)、學(xué)好學(xué)一門(mén)課程的，最重要的學(xué)不會(huì)這樣一個(gè)實(shí)用的、對(duì)以后都有幫助的仿真技術(shù)。仿真的過(guò)程中，總是遇到各種各樣的問(wèn)題。就拿大作業(yè)來(lái)說(shuō)，剛開(kāi)始仿真顯示的平均值總是不對(duì)，和理論計(jì)算的結(jié)果總是有很大差距，我抱著電力電子課本研究了一下午，也找不出來(lái)問(wèn)題。最后終于發(fā)現(xiàn)，是平均值的模塊In mean選擇錯(cuò)誤，應(yīng)該