MATLAB控制系統(tǒng)仿真論文

1、MATLAB系統(tǒng)仿真論文1211020111周尹基于Matlab/Simulink的三相橋式半控整流電路的建模與仿真摘要:三相橋式半控整流電路在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中具有非常重要的作用。這里在研究半控整流電路理論基礎(chǔ)上,采用Matlab的可視化仿真工具Simulink建立三相橋式半控整流電路的仿真模型,對輸出電壓、控制角、故障現(xiàn)象以及負載特性進行了動態(tài)仿真與研究。仿真結(jié)果表明建模的正確性,并證明了該模型具有快捷、靈活、方便、直觀等一系列特點。關(guān)鍵詞:Matlab;整流電路;動態(tài)仿真;建模Abstract: Three phase bridge half controlled rectifier c

2、ircuit plays a very important role in modern power electronic technology.Here in the study of half controlled rectifier circuit based on the theory, simulation model using Matlab visual simulation tool Simulink based three phase half controlled bridge rectifier circuit, and the dynamic simulation an

3、d Research on the output voltage, the control angle, faults and load characteristics.The simulation results show that the model is correct, and it is proved that the model is fast, flexible, convenient, intuitive and a series of features.Key word: Matlab; rectifier circuit; dynamic simulation; model

4、ing1 緒論隨著社會生產(chǎn)和科學技術(shù)的發(fā)展,整流電路在自動控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和發(fā)電機勵磁系統(tǒng)等領(lǐng)域的應用日益廣泛。對于三相對稱電源系統(tǒng)而言,單相可控整流電路為不對稱負載,可影響電源三相負載的平衡性和系統(tǒng)的對稱性。故在負載容量較大的場合,通常采用三相或多相整流電路。三相或多相電源可控整流電路是三相電源系統(tǒng)的對稱負載,輸出整流電壓的脈動小、控制響應快,因此被廣泛應用于眾多工業(yè)場合。常用的三相整流電路有三相橋式不可控整流電路、三相橋式半控整流電路和三相橋式全控整流電路,由于整流電路涉及到交流信號、直流信號以及觸發(fā)信號,同時包含晶閘管、電容、電感、電阻等多種元件,采用常規(guī)電路分析方法顯得相當繁瑣,高壓

5、情況下實驗也難順利進行。Matlab提供的可視化仿真工具Simulink可直接建立電路仿真模型,隨意改變仿真參數(shù),并且立即可得到任意的仿真結(jié)果,直觀性強,進一步省去了編程的步驟。本文利用Simulink對三相橋式半控整流電路進行建模,對不同控制角、橋故障情況下進行了仿真分析,既進一步加深了三相橋式半控整流電路的理論,同時也為現(xiàn)代電力電子實驗教學奠定良好的實驗基礎(chǔ)。1.1 MATLAB的簡介MATLAB是一種適用于工程應用的各領(lǐng)域分析設(shè)計與復雜計算的科學計算軟件,由美國Mathworks公司于1984年正式推出,1988年退出3.X(DOS版本,19992年推出4.X(Windows版本;199

6、97年腿5.1(Windows版本,2000年下半年,Mathworks 公司推出了他們的最新產(chǎn)品MATLAB6.0(R12試用版,并于2001年初推出了正式版。隨著版本的升級,內(nèi)容不斷擴充,功能更加強大。近幾年來,Mathworks公司將推出MATLAB語言運用于系統(tǒng)仿真和實時運行等方面,取得了很多成績,更擴大了它的應用前景。MATLAB已成為美國和其他發(fā)達國家大學教學和科學研究中最常見而且必不可少的工具。MATLAB是“矩陣實驗室”(Matrix Laboratory的縮寫,它是一種以矩陣運算為基礎(chǔ)的交互式程序語言,著重針對科學計算、工程計算和繪圖的需要。在MATLAB中,每個變量代表一個

7、矩陣,可以有n*m個元素,每個元素都被看做復數(shù)摸索有的運算都對矩陣和復數(shù)有效,輸入算式立即可得結(jié)果,無需編譯。MATLAB強大而簡易的做圖功能,能根據(jù)輸入數(shù)據(jù)自動確定坐標繪圖,能自定義多種坐標系(極坐標系、對數(shù)坐標系等,能繪制三維坐標中的曲線和曲面,可設(shè)置不同的顏色、線形、視角等。如果數(shù)據(jù)齊全,MATLAB通常只需要一條命令即可做圖,功能豐富,可擴展性強。MATLAB軟件包括基本部分和專業(yè)擴展部分,基本部分包括矩陣的運算和各種變換、代數(shù)和超越方程的求解、數(shù)據(jù)處理和傅立葉變換及數(shù)值積分風,可以滿足大學理工科學生的計算需要,擴展部分稱為工具箱,它實際上使用MATLAB的基本語句編成的各種子程序集,

8、用于解決某一方面的問題,或?qū)崿F(xiàn)某一類的新算法?，F(xiàn)在已經(jīng)有控制系統(tǒng)、信號處理、圖象處理、系統(tǒng)辨識、模糊集合、神經(jīng)元網(wǎng)絡及小波分析等多種工具箱,并且向公式推倒、系統(tǒng)仿真和實時運行等領(lǐng)域發(fā)展。MATLAB語言的難點是函數(shù)較多,僅基本部分就有七百多個,其中常用的有二三百個。MATLAB在國內(nèi)外的大學中,特別是數(shù)值計算應用最廣的電氣信息類學科中,已成為每個學生都應該掌握的工具。MATLAB大大提高了課程教學、解題作業(yè)、分析研究的效率。1.2 SIMULINK仿真工具簡介SIMULINK是Mathworks公司開發(fā)的MATLAB仿真工具之一,其主要功能是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真與分析。SIMULINK支持線

9、性系統(tǒng)仿真和非線性系統(tǒng)仿真;可以進行連續(xù)系統(tǒng)仿真,也可以進行離散系統(tǒng)仿真,或者兩者混合的系統(tǒng)仿真;同時也支持具有多種采樣速率的采樣系統(tǒng)仿真。利用SIMULINK對系統(tǒng)進行仿真與分析,可以對系統(tǒng)進行適當?shù)膶崟r修正或者按照仿真的最佳效果來調(diào)試及確定控制系統(tǒng)的參數(shù),以提高系統(tǒng)的性能,減少設(shè)計系統(tǒng)過程中反復修改時間,從而實現(xiàn)高效率地開發(fā)實際系統(tǒng)的目標。由于SIMULINK可以直接利用MATLAB的數(shù)學、圖形和編程功能,用戶可以直接在SIMULINK下完成數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化參數(shù)等工作。工具箱提供的高級的設(shè)計和分析能力可以通過SIMULINK的屏蔽手段在仿真過程中執(zhí)行。SIMULINK的模型庫可以通過專用元件

10、集進一步擴展。2電路結(jié)構(gòu)及原理2.1 電路結(jié)構(gòu)在中等容量的整流裝置或不要求可逆的電力拖動中,可采用比三相全控橋式整流電路更簡單、經(jīng)濟的三相橋式半控整流電路,如圖1所示。它由共陰極接法的三相半波可控整流電路與共陽極接法的三相半波不可控整流電路串聯(lián)而成,因此這種電路兼有可控和不可控兩者的特性。共陽極組的三個整流二極管總是在自然換流點換流,使電流換到陰極電位更低的一相中去;而共陰極組的三個晶閘管則要在觸發(fā)后才能換到陽極電位高的那一相中去,輸出整流電壓Ud的波形是二組整流電壓波形之和,改變共陰極組晶閘管的控制角,可獲得0-2.34U2的直流可調(diào)電壓。 圖1 三相橋式半控整流電路2.2 工作原理三相橋式

11、半控整流電路由共陰極接法的三相半波可控整流電路與共陽極接法的三相半波不可控整流電路串聯(lián)而成,因此,這種電路兼有可控和不可控的特性。共陽極組3個整流二極管總是在自然換相點換流,使電流換到比陰極電位更低的一相;而共陰極組3個晶閘管則要在觸發(fā)后才能換到陽極電位高的一個。當觸發(fā)角=0°時,觸發(fā)脈沖在自然換流點出現(xiàn),共陰極接法的晶閘管整流電路輸出電壓最大,其數(shù)值為2,34U2,三相半控橋式整流電路的輸出電壓Ud的波形與三相全控橋式整流單路在=0°時輸出的電壓波形一樣。當觸發(fā)角<60°時,在T1時,Ug1觸發(fā)VT1管導通,電源電壓Uuv通過VT1、VD3加于負載。在T2

12、,共陽極組二極管自然換流,所以T2之后,VD1導通,VD3自關(guān)斷,電源電壓Uvw通過VT1、VD2加于負載。在T3時刻,由于Ug3還未出現(xiàn),VT3不能導通,VT1維持導通,到T4時刻,觸發(fā)VT3管,VT3導通后使VT1管承受,反向電壓而關(guān)斷,電路轉(zhuǎn)為VT3與VD1導通,依次類推,負載R上得到三個間隔完整三個波峰缺角的脈沖波形。當觸發(fā)角=60°時,Ud 波形只剩下三個波峰,波形剛好維持持續(xù),為了計算輸出電壓Ud ,計算Ud 波形在T1-T4期間的面積積分,把坐標原點移到0,輸出電壓平均值為:21.17(1cos d U U =+當60°<<180°時,=

13、120°時的波形,VT1管在Uuw 電壓的作用下,T1時刻開始導通,到T2時刻U 相對電壓為零時VT1管扔不會關(guān)斷,因為使VT1管正向?qū)ǖ牟皇窍嚯妷憾蔷€電壓,到T3時刻Uuv=0,VT1才關(guān)斷。在T3-T4期間,VT3雖受Uuv 正向電壓,但門極無觸發(fā)脈沖,故VT3不導通,波形出現(xiàn)斷續(xù)。到T4時刻,VT3才觸發(fā)導通,一直到uv u 線電壓為零時才關(guān)斷。其平均電壓為:21.17(1cos d U U =+即三相橋式半控整流電路為電阻性負載時,觸發(fā)角為0°<<180°時的輸出電壓。3 建模與仿真3.1 建模三相橋式半控整流電路廣泛應用于中等容量的整流裝

14、置或要求不可逆的電力拖動中,完整的三相橋式半控整流電路由三個晶閘管和三個二極管、三相電源。觸發(fā)器等組成。根據(jù)原理圖,我們調(diào)用出三個電源,三個晶閘管,三個二極管,為了實現(xiàn)仿真,我們還需要調(diào)用出觸發(fā)脈沖,電流表,電壓表,信號分解器跟信號合成器(Mux 跟示波器。各個元器件的模塊提取路徑跟之前介紹的提取路徑一樣,提取出來的元件跟布局如圖2所示 圖2根據(jù)原理圖,我們連接仿真電路。連接好的電路如圖3所示 圖33.2 參數(shù)設(shè)置1. 電源參數(shù)設(shè)置:三相電源的電壓峰值電壓為380V,可表示為“220*sqrt(2”,頻率為50Hz,相位分別為0度,-120度,-240度。2. 負載參數(shù)設(shè)置:電阻R=10 H=

15、0 C=inf 電阻電感R=10 H=0.01 C=inf 脈沖參數(shù)設(shè)置:觸發(fā)信號的參數(shù)設(shè)置是本例的難點。本例中有三個觸發(fā)脈沖,由寬可設(shè)為2,振幅設(shè)為5。延遲角的設(shè)置要特別注意,在三相電路中,觸發(fā)延時時間并不是直接從a換算過來,由于a角的零位定在自然換相角,所以在計算相位延時時間時要增加30度相位。因此當a=0度時,延時時間應設(shè)為0。0033。其計算可按以下公式:t=(+30T/360觸發(fā)角a= 0 度時,延遲角依次設(shè)置為:0。00167,0。00837,0。01507觸發(fā)角a=30度時,延遲角依次設(shè)置為:0。0033,0。01,0。0167觸發(fā)角a=45度時,延遲角依次設(shè)置為:0。00417

16、,0。01087,0。01757觸發(fā)角a=60度時,延遲角依次設(shè)置為:0。005,0。0117,0。01843. 晶閘管采用默認的參數(shù)設(shè)置3.3 仿真打開設(shè)置窗口,選擇ode23tb 算法,將相對誤差設(shè)置Le-3,開始時間為0,停止時間為0.05。圖中Ud 、Id 分別為負載電壓(V 和負載電流(A ,Uak1為晶閘管VT1兩端的電壓(V 。設(shè)置好各個參數(shù)后,單擊運行按鈕,就可以進行仿真了。下面我們給出幾個特殊角的波形。 電阻負載0度電阻負載30度 電阻負載60度 電阻電感負載60度 電阻電感負載0度 電阻電感負載30度本個仿真要注意對脈沖觸發(fā)時間的設(shè)置要準確,而且對示波器的坐標要調(diào)整好。4

17、結(jié)論4.1電阻性負載的結(jié)論分析當=30°時,在T1時,Ug1觸發(fā)VT1管導通,電源電壓Uuv通過VT1、VD3加于負載。在T2,共陽極組二極管自然換流,所以T2之后,VD1導通,VD3自關(guān)斷,電源電壓Uuw通過VT1、VD1加于負載。在T3時刻,由于Ug3還未出現(xiàn),VT3不能導通,VT1維持導通,到T4時刻,觸發(fā)VT3管,VT3導通后使VT1管承受,反向電壓而關(guān)斷,電路轉(zhuǎn)為VT3與VD1導通,依次類推,負載R上得到三個間隔完整三個波峰缺角的脈沖波形。當=120°時的波形,VT1管在Uuv電壓的作用下,T1時刻開始導通,到T2時刻U 相對電壓為零時VT1管扔不會關(guān)斷,因為使V

18、T1管正向?qū)ǖ牟皇窍嚯妷憾蔷€電壓,到T3時刻Uuw=0,VT1才關(guān)斷。在T3-T4期間,VT3雖受Uuv正向電壓,但門極無觸發(fā)脈沖,故VT3不導通,波形出現(xiàn)斷續(xù)。純電阻性負載或電感性負載有續(xù)流二極管情況下的移相范圍為0-180°,最大導通角為120°。4.2阻感性負載的結(jié)論分析當=30°時,Ud波形連續(xù),電路的工作情況和帶電阻負載的情況非常相似,各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓Ud波形、晶閘管承受電壓波形等都一樣。區(qū)別在于由于負載不同,同樣的整流輸出的電壓加到負載上,得到的負載電流Id波形不同,電阻負載時Id波形與Ud波形形狀一樣,而阻感負載時,由于電感的作用,使得負載電流波形變得平直,當電感足夠大時,負載電流的波形可近似為一條水平線。當=120°時的波形,門極無觸發(fā)脈沖,故VT3不導通,波形出現(xiàn)斷續(xù)。電路的工作情況和帶電阻負載的情況非常相似,各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓Ud波形、晶閘管承受電壓波形等都一樣。電感性負載的移相范圍為0-180°。參考文獻 1 王兆安。劉進軍。電