基于MATLAB交流调压的仿真与研究Word格式.docx
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摘要
通过单相和三相交流调压电路讨论了利用MATLAB/SIMULINK对电力电子电路进行仿真的方法，并给出了仿真结果波形，证实了MATLAB软件的简便直观、高效快捷和真实准确性。
异步电机轻载时存在效率低下的问题,浪费大量电能。
在本文中设计了交流斩波调压系统，能够根据负载率的变化实时地调整输出电压，提高效率达到节能的目的。
深入研究异步电机的原理和工作特性后，分析了降压节能的可行性，即当异步电机机轻载的时候可以通过适当地降低定子电压的方法来实现节能。
并且利用仿真绘制了不同负载率情况下定子电压与电机效率的曲线，作为制定调压控制策略的依据。
把制定的称之为降压工作点的算法与常用的两种节能算法，最佳调压比和铜损等于铁损的算法作了综合对比，分析了各自的优缺点，得出降压工作点算法是一种较为理想的控制方法。
在完成了电路设计和软件编程后，进行了IGBT交流斩波调压系统实验，通过测得的数据和波形，分析了系统的一些特点并做出了解释。
在研究了斩波调压波形的谐波后，提出了两种消除和抑制谐波的方法，即适当提高斩波频率和加入无源低通滤波器。
关键词:
节能；
交流斩波调压；
IGBT；
谐波消除
ABSTRACT
ThispapermainlyintroducesthecharacteristicsandfunctionsofMATLAB/SIMULINKsoftwareanditsapplicationofsimulationinSingle–phaseandThree-PhaseAC/ACVoltageAdjustmentSystem.Thissoftwareisconvenient,simple，andofgoodvision.
Theasynchronousmotorusuallyworksinlowefficiencywithlightload,losingmuchenergy.Inthispaperanacchoppingvoltageregulatingsystemhasbeendesigned,whichcanchangeoutputvoltagewiththeloadchanging,inordertosaveenergy.
Withstudyinginthespiritandthecharacteristicoftheasynchronousmotordeeply,resultthefeasibilitywhichproperlyreducingthevoltagetosaveenergy.Thatisreducingthevoltageoftheasynchronousmotor’sstatortoapropervaluetosavingenergywhenitisworkinginlightload.Andsimulatetodrawafigurereflectingtherelationshipofvoltageandefficiencywhentheasynchronousmotorworksindifferentload.Thefigurecanbeusedtoformthevoltageregulatingmethod.Thereducingvoltageworkingpointarithmeticiscomparedwiththeothersavingenergyarithmetic.Thesearetheoptimumvoltageratioarithmeticandthecopperlossequaltotheironlossarithmetic.Afteranalyzingtheirmeritandshortage,concludethatreducingvoltageworkingpointarithmeticissatisfactory.
Whencompleteddesigninghardwareandprogrammingsoftware,thesystemisusedtodoexperiments.Thenanalyzethecharacteristicandexplainthevoltageandcurrentwaveaccordingtotheexperimentdataandwave.Studyingintheharmonicoftheacchoppingwave,thewaytoeliminatedandrestraintheharmonicisgiven.Theseareincreasingtheopenandclosefrequencyproperlyandreplenishingpassivelow-passfilter.
Keyword:
SavingEnergy;
AcChoppingRegulatingVoltage;
IGBT;
HarmonicEliminated
目录
引言-1-
第1章单相交流调压的原理和仿真-2-
1.1相控式单相交流调压原理-2-
1.1.1电阻性负载-2-
1.1.2电感性负载-3-
1.2 MATLAB/SIMULINK简介-4-
1.2.1MATLAB语言-4-
1.2.2．SIMULINK仿真工具-5-
1.3单相交流调压的仿真与分析-7-
1.4本章小结-10-
第２章三相交流调压的原理-11-
2.1几种交流斩波调压方式的比较-11-
2.1.1单管反串联双向电子开关-11-
2.1.2单管双向电子开关-12-
2.1.3双管并联双向电子开关-13-
2.2交流斩波调压原理-14-
2.3本章小结-17-
第3章三相交流调压主电路设计方案的确定-18-
3.1主电路的大致结构图-18-
3.2主电路的仿真验证-18-
3.2.1轻载电机运行仿真-22-
3.3本章小结-24-
结论-25-
参考文献-26-
致谢-27-
附录：
外文资料翻译-28-
毕业设计进度安排表-42-
引言
电力电子技术以快速可控的电能变换为对象，以方便、节约、安全的使用电能为特点，大大地提高了人类生产和生活的效率和舒适性，从而使电力电子装置得到了日益广泛的普及。
交流斩波控制调压技术是一种新型高性能的交流调压技术，在中、小功率领域获得广泛应用，本文研究的基于IGBT的三相交流斩波调压，利用调压器使驱动电机启动时获得较大的启动电压，平稳工作时降低电压，使输出转矩与负载相匹配，从而提高电机的效率，节约电能。
但是斩控式交流调压的输出电压中含有高次谐波，这些高次谐波会对电网造成较大的谐波污染，会引起附加损耗和电机发热，同时高次谐波可能会产生电磁干扰导致周围的一些电子设备、计算机类敏感负载、通讯系统等不能正常工作。
因此对其谐波的抑制消除具有重要的意义[1]。
交流调压器利用可控电力电子器件组成双向功率开关，把输入的正弦交流电能按一定规则周期性地接通开断，控制一个周期中的间占空比，即可控制输出到负载端的电压有效值。
根据对功率开关制的方式，交流调压器主要有移相控制和斩波控制。
晶闸管相控调压是交流调压器用得最多的控制方式。
相控式交流调压器是通过控制晶闸管的开通相位来实现对输出电压的调节，现已广泛应用于灯光控制（如调节台灯和舞台灯光控制）及异步电动机的软启动，也用于异步电动机调速。
在供用电系统中，这种电路还常用于对无功功率的连续调节。
此外在高电压小电流或低电压大电流直流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。
这样的电路体积小，成本低，易于制造，存在的缺点是晶闸管是半控型器件，一旦被触发，输出电压的调整至少要延迟半个电源周期，电压不能及时得到调整，也不能立即切断电源。
随着国内外对电力系统供电质量及可靠性的要求日益提高，相控交流调压器的应用受到进一步的限制。
为此，国内外学者提出斩波控制交流调压器。
交流—交流变换是将一种形式的交流电变成另一种形式的交流电的电力变换技术。
在进行交流—交流变换时，可以改变相关的电压、电流、频率和相数等。
其中，不改变交流电的频率而只改变输出电压的电路称为交流调压电路。
交流调压主要应用在调温的工频加热和感应加热、灯光调节、感应电机软启动、风机和水泵的速度控制、电解电镀的交流侧调压等场合。
传统的交流调压是采用自耦变压器、感应调压器和饱和电抗器等电磁装置。
随着电力电子技术的发展，采用电力电子器件的开关特性来实现交流调压。
交流调压控制方式主要有：
（1）相位控制方式；
（2）通断控制方式；
（3）斩波控制方式。
其中，相控方式和斩控方式是连续调节方式，适用于各种需要连续调节输出交流电量的负载。
目前，交流调压大多数采用晶闸管为开关器件，以传统的相控方式实现交流调压，而基于IGBT器件的斩控方式调压应用在国内外研究相对较少。
本文主要研究单相和三相交流调压原理和仿真。
第1章单相交流调压的原理和仿真
1.1相控式单相交流调压原理
通过某种装置对交流电压的有效值进行调整叫做交流调压。
交流调压的方式一般分为三种：
相控式、斩波式、通断式。
第一种的电路一般由晶闸管构成，通过改变控制角实现调压。
第二种又叫交流斩波器，一般要用全控型器件来实现。
第三种也叫功率控制器，主电路也相控电路相似，但控制规则不同。
单相相控交流调压电路如
图1-1所示。
两个晶闸管反并联与负载串联，通过改变控制角来调节晶闸管的导通时间，进而起到调节负载电压有效值的作用。
与晶闸管相控整流电路类似，负载性质会对电路的工作情况有较大的影响。
图1-１ 单相交流调压电路
1.1.1电阻性负载
电源正半周VT1承受正向电压，在ωt=α时触发VT1导通，负载电压Uo=u，由于是电阻性负载，负载电流Io=u/R，到ωt=π时，正半周结束，Io=0，VT1关断。
此后Uo=0。
在电源负半周，VT2承受正向电压，ωt=π+α时VT2被触发导通，Uo=u，ωt=2π时，VT2关断。
负载电压的波形如图1-2。
负载电压的有效值Uo为
（1-1）
随着控制角的增大，负载电压减小，控制角的移相范围为0<
α<
π。
由于是纯电阻负载，负载电流瞬时值Io与负载电压Uo呈正比关系，负载电压有效值与负载电流有效值的关系为
（1-2）
电源侧的视在功率S为
（1-3）
电源输出的有功功率（即负载消耗的功率）P为
（1-4）
功率因数为
（1-5）
相控作用使电流发生滞后，并且波形也发生畸变，所以即使纯电阻负载功率因数也不1。
而且控制角越大，功率因数越低，这是相控电路普遍存在的一个缺点。
图1-2 单相调压电路电阻负载波形
1.1.2电感性负载
带电感性负载的单相交流调压电流如图1-3。
ωt=α时VT1导通，负载电压Uo=u，电流开始上升，由于电感的作用，Io与Uo不呈正比关系，电感的作用还使晶闸管延迟关断，在电压正半周结束后的一段时间VT1仍导通，直到负载电流下降到0时VT1关断。
ωt=π+α时触发VT2，VT2的导通时间也将持续到负半周结束Io下降到零的时刻。
可见晶闸管的导通角θ>
π-α。
电感性负载时负载电压和电流的波形如图1-4所示。
图1-3 带感性负载的交流调压电路
图1-4 感性负载的电压和电流波形
1.2 MATLAB/SIMULINK简介
1.2.1MATLAB语言
MATLAB软件是由美国NewMexieo大学的CleveMoler博士于1980年开始开发的，1984年由CleveMOfer等人创立的Mathwork公司正式推出了第一个商业版本。
MATLAB是一套高性能的数值计算和可视化软件。
它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。
这使它成为国际控制领域应用最广的首选软件工具。
现在MATLAB软件不但广泛应用于控制领域，也应用于其它的工程和非工程领域。
在控制界，很多著名专家和学者为其擅长的领域开发了工具箱，而其中很多工具箱己经成为该领域的标准。
MATLAB语言有以下特点:
（l）起点高:
每个变量代表一个矩阵，它可以有Ｎ×
Ｍ个元素，每个元素都看作是复数，各种运算对矩阵和复数都有效。
（2）人机界面适合科技人员:
MATLAB的程序与科技入员的书写习惯相近，因此，它易读易写，易于科技人员交流。
MATLAB是以解释方式工作的，若有错误立即做出反应，便于编程者立即改正。
这些都减轻了编程和调试的工作量。
（3）强大而简易的作图功能:
能根据输入数据自动确定坐标绘图，能绘制多种坐标系的图形。
能绘制三维曲线和曲面，如果数据齐全，通常只需要一条命令即可绘出图形。
（4）智能化程度高:
绘图时自动选择最佳坐标以及按输入或输出自动选择算法;
数值积分时自动按精度选择步长，自动检测和显示程序错误的能力强，易于调试。
（5）功能丰富，可扩展性强:
MATLAB软件包括基本部分和专业部分。
基本部分包括:
矩阵的各种运算和各种变换、代数和超越方程求解、数值积分等。
各领域的科技人员在此基础上，根据本专业的知识编写出许多有用的工具箱为自己的专业服务。
这些工具箱就是专业部分。
现在它们己有控制系统、信号处理、图象处理、系统辩识、模糊控制、神经元网络、小波分析等20多个工具箱，并且还在继续扩展。
MATLAB语言集计算、数据可视和程序设计于一体，并能用人们熟悉的符号表示出来，在工程计算方面具有不可比拟的优越性:
它还为图形处理提供了丰富的函数。
数学函数库中包括了大量的数学函数;
因此，MAILAB已成为世界上应用最广泛的工程计算应用软件之一[2]。
1.2.2．SIMULINK仿真工具
SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。
SIMULINK界面友好，它为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，用户建模通过简单的单击和拖动就能实现，使得建模就像用纸和笔来画画一样容易。
它与传统的仿真软件包相比，具有更直观、方便、灵活的优点。
SIMULINK允许用户定制和创建自己的模块。
用ＳIMULINK创建的模型是分层的，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构来查看下一级中更加详细的内容。
这种方法使得用户可以深入地理解模型的组织结构和各部分是如何相互作用的。
由于MATLAB和SIMULINK是集成在一起的，因此用户可以分别对系统中各组成部分和整个系统进行仿真、分析和修改。
SIMULINK是MATLAB的重要组成部分，支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统，而且系统可以是多进程的。
SIMULINK模块库内资源相当丰富，基本模块库包括连续系统、离散系统非线性系统、信号与函数、输入模块、接收模块等等，使用方便。
由基本模块又形成了其它的一些专用库，MATLAB中提到的工具箱，很多在SIMULINK中都形成了专用模块库，仿真起来简单快捷。
电气系统模块库以SIMULINK为运算环境，涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统的仿真模型。
运行SIMULINK以后，打开Blockset＆Toolboxes，系统模块库Powerlib。
也可以在MATLAB的命令窗口直接键入Powerlib。
它由以下6个子模块库组成:
（1）电源模块库:
包括直流电压源、交流电压源、交流电流源、可控电压源和可控电流源等。
（2）基本元件模块库:
包括串联RCL负载/支路、并联RCL负载/支路、线性变压器、饱和变压器、互感、断路器、N相分布参数线路和浪涌放电等。
（3）电力电子模块库:
包括二极管、晶闸管、GTo、MoSFET、IGBT和理想开关等。
为满足不同仿真目的的要求并捉高仿真速度，还有晶闸管简化模型。
（4）电机模块库:
包括励磁装置、水轮机及其调节器、异步电动机、同步电动机及其简化模型和永磁同步电动机等。
（5）连接模块库:
包括地、中性点和母线（公共点）。
（6）测量模块库:
包括电流和电压测量。
在6个基本模块库的基础上，根据需要，可以组合封装出常用的更为复杂的模块，添加到所需模块库中去。
实际上，附加模块库（PowerlibExtras）中的“三相电气系统”就是用6个基本子库中的相关模块构造并封装起来的。
可以用“LookUnderMask”命令打开其中的各模块，查看其内部结构以了解构造方法和规律。
附加模块库中还包括:
均方根测算、有功与无功功率测算、傅立叶分析、可编程定时器和同步触发脉冲脉冲发生器等。
在建成模型结构后，就可以启动系统仿真功能来分析系统的动态特性。
启动仿真后，SIMULINK通过鼠标操作就可以实现在线修改参数、改变仿真算法、暂停/继续或停止仿真，不需其它复杂的操作。
对仿真结果的实时观测和保存，可通过下面的方法来实现:
（l）实时观测
可以用SIMULINK中的显示模块对输出结果进行实时观测。
scope模块相当于示波器，用来观测被测量的波形。
XYGraph模块相当于示波器输入x、Y变量时的显示，它在仿真启动时自动生成。
DisPlay用来观测变量的数值，对记录数据有一定的作用。
（2）保存
SIMULINK中用来保存数据的模块有两个，一是ToFile，一是Toworkspace。
前者将数据以一定的形式存储到文件中，仿真结束后可以用MATLAB中的命令对其进行计算或绘图;
后者将仿真结果送到工作空间，仿真结束后，在没有关机之前，可以用命令对其进行观察或操作。
SIMULINK不仅可以通过菜单进行直接仿真，也可以在MATLAB命令窗口中以命令的方式对用SIMULINK组成的文件进行仿真，同时可以在命令中选择参数和算法，这对用MATLAB语言编写程序是很方便的。
上面简单介绍了MATLAB中SIMULINK仿真软件的基本模块。
它的内部给用户建好了同步电动机、异步电动机、永磁同步机的模型。
在仿真过程中用户只需直接把模型调到自己的仿真程序中即可。
其它的比如电力电子器件等模型也是系统内建的模型，用起来都是很方便的。
1.3单相交流调压的仿真与分析
图1-1和图1-3的单相交流调压电路的仿真模型如图1-5所示。
模型中交流电压模块us，反并联晶闸管模块VT1，2和RLC模块RL组成了交流调压的主电路。
常数模块@，函数模块Fen和触发模块pulse1，2组成了晶闸管的控制电路。
其中常数模块用于给定控制角α，函数模块的作用是将以度表示控制角变换为触发模块 pulse1，2的移动相控制信号，变换式如图中所示。
图1-5 单相交流调压仿真图
其中双向晶闸管开关模块由分支电路打包形成图1-6，分支电路中包含了俩个反并联的晶闸管模块，In1和Out1分别是晶闸管双向开关的输入端和输出端，CF1和CF2分别是晶闸管VT1和VT2的触发信号输入端，输出端m1用于测量晶闸管VT1两端的电压和电流。
图1-6 反并联晶闸管分支电路
单相交流调压在阻感负载是时，控制角α移相范围是180°
，α=0°
时的位置定在电源电压过零的时刻。
本模型可以用于仿真电阻，电感和电容负载时的工作情况，只要改变RL模块参数即可。
在电容负载时，晶闸管需要超前触发，控制角α可以设为-90°
～90°
之间，以观察不同α时的输出电压电流的变化。
交流调压器模型采用后沿固定在180°
的脉宽冲触发方式，以保证晶闸管能正常触发。
根据以上要求设计的交流调压触发电路如图1-7。
触发电路由同步、锯齿波形成和移相控制等环节组成。
电路的输入In1是同步电压输入端，同步电压经Relay模块产生与同步电压半周等宽的方波，该方波经斜率设定（Ratelimiter）产生锯齿波，锯齿波与移相控制电压（In2）叠加调节锯齿波的过零点，在经延迟Relay1产生前沿可调后沿固定的晶闸管触发脉冲，触发电路各部分的输出波形见图。
从上至下为：
触发信号，半周等宽方波，电流信号，同步信号。
触发电路的下半部分用于产生方向晶闸管的触发脉冲。
图1-7 pulse1，2脉冲发生器模块电路
图1-8 输入脉冲信号
下面我们来观察交流调压器在α≥φ和α≤φ输出电压和电流波形
仿真步骤：
1.按图1-5绘制交流调压器仿真模型；
2.设置模块参数如下表1-1；
表1.1 交流调压器主要参数设置
模块
电源Uin
Relay1,Relay2
Ratelimiter1
Ratelimiter2
Relay3,Relay4
参
数
设
置
220V
Switchonpoint
Eps
Risingslewrate
1000
eps
50Hz
Switchoffpoint
Fallingslewrate
-1e8
Outputwhenon
10
1
Outputwhenoff
3.设置仿真参数，仿真时间设置0.04ｓ，仿真算法ode15s；
4.启动仿真，结果如图1-9和图1-10。
其中图1-9为α＝90°
时的调压;
器输出电压、电流波形。
由于晶闸管的斩波作用并且控制角较大，输出电压，电流波形的正负半周不是连续
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