电力电子建模与仿真例题
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Referenced Examples
3-Phase Thyristor Rectifier Bridge
注:本例的运行环境为matlab 7.11.0(2010b)
1、建立一个名为example_1的model文件
1)在matlab菜单栏上单击File,并在下拉菜单的New选项下单击Model:
2)建立model文件后,单击工具栏的保存按钮:
3)将文件名保存为example_1
这样就建立了一个名为example_1的model文件
下一步就可以在这个界面上绘制例题上的电气原理图仿真了.
用matlab对电路进行仿真通常经过以下几个步骤:
(a)放置所需要的各种元器件(包括电源),设置各元器件的属性。
(b)用导线连接各个元器件,形成电路图。
(c)执行仿真。
(d)观看仿真波形,分析仿真结果。
2.绘制电气原理图:
放置电路图中的电气元器件并分别设元器件属性置。
单击工具栏的Library Browser按钮添加元件
功能模块,并找到他们所在的模块库。
a)三相电源
SimPowerSystem/Electrical Sources/AC V oltage Source
单击右键,选择Add to example_1,这样就在example_1中添加了一个交流电源,为了接下来绘图的方便,可采用ctrl+R使模型旋转水平放置。
三相电源即需要三个交
流电源,可采用复制粘贴的办法。
下图为如何添加一个AC V oltage Source模型
接下来就要对交流电源的模型参数进行设置
双击a相的交流电源模型,弹出模块参数设置的对话框:
相电压峰值大小根据题目要求线电压峰值为208V进行计算,a相相角为0,频率为60Hz,这样a相交流电源就设置完成。
B相,C相的参数设置类似,注意B相相角
为240、C相为120。
最后添加一个SimPowerSystem/Elements/Ground.这样三相电源的部分全部添加完成。
b)电感(电阻)
SimPowerSystem/Elements/Series RLC Branch双击模型在branch type里选择L:
然后可以对电感的值进行设置,例如设为0.2mH:
如果是电阻与电感串联即可以选择RL。
C)整流桥
SimPowerSystem /Power Electronics/Universal Bridge将桥臂数设为3,电力电子器件的类型选择为晶闸管。
单击help可以看到整流桥的内部结构。
d)发波
SimPowerSystem/Extra Library/Control Blocks/ Synchronized 6-Pulse Generator 由于本模块还要设置相角,并且使block端的输入为0,因此还需要添加两个恒定值的模块。
Simulink/Commonly Used Blocks/constant
然后对恒定值进行设置。
e)测量模块
电流测量模块:SimPowerSystem/Measurements/Current Measurement
电压测量模块:SimPowerSystem/Measurements/V oltage Measurement
示波器:Simulink/Scope
如果希望示波器同时显示三个测量值的波形,则需要对示波器进行设置,双击示波器点击powermeters按钮:
然后将Number of axes设为3:
f)powergui模块
powergui模块(Power graphical user interface,电力图形用户界面)是一种用于电路和系统分析的图形用户界面。
双击powergui模块,单击Configure parameters:
本例中将仿真类型设为离散型即可。
这样仿真设置就设置好了。
最后进行连线完成电气仿真图:
完成电路图后,就要对该电路进行仿真。
首先要进行仿真设置:选择菜单Simulation中的Confrontation Parameters项。
进行如图所示的设置。
这样仿真的基本模型就搭好了,接下来按照题目要求进行仿真。
首先,根据前面所介绍的各元件模块的属性,按照电路原理图对其参数值作相应的改动,然后进行仿真,具体过程如下:
(1)根据例题要求,获得A相相电压Va,整流负载输出端电压Vd与电流Id:从元件库中拖入一个示波器,将其输入端数量改为三个(如图所示1),依次将测量Va,Vd,Id的测量
模块的输出端与示波器的输入端连接,在工具栏更改仿真时间,左击启动键进行仿真(如图所示)。
仿真完成后,双击示波器,所得到的波形如图2所示。
如果所看到的波形不完整,可以点击示波器显示窗口的(autoscale);如果想放大波形的某个位置可先点击(放大按钮,分别依次是XY轴同时放大,X轴放大,Y轴放大),再左击欲放大的点即可。
图 1
图 2
同样的方式获取a相相电压Va,电流Ia的波形:将(1)中的示波器进行复制,将输入端口数量改为2,其它操作雷同。
最后获取的波形图如图3所示。
图 3
同样的方式获取(va)pcc, (vab)pcc 与 ia 的波形,如图4所示。
图 4
(2)证明等式cos(α+u) = cos α -Id Vll Ls
22ϖ成立:在simpowersystems_extra
library_measurement 中拉入平均值测量模块mean value ,simulink_sinks 中拉入数值显示模块display 。
将Id 电流测量模块的输出端与mean value 的输入端连接,mean value 模块的输出端与display 输入端连接。
进行仿真,display 所显示数字即为Id 值。
按照前面介绍的示波器放大,将前面所获得的Id 波形的换向间隔部分进行放大,观察时间坐标,获取换向时间间隔(如图5所示),并将其换算为角度。
其他所需数值题目均已经给出,将所有数据带入得到等式左右
两边数值,并加以比较。
图5
(3)通过对Is进行傅里叶分析,计算各谐波与基波的有效值比值:测量Is即Ia,因此先将一个单输入端的示波器与Ia测量模块连接,双击示波器模块,打开属性窗口;点击parameters按钮,点击弹出窗口内的data history,选中save data to workspace并将variable name改为Is(如图6所示),方便分析时查找。
然后启动仿真,仿真结束后双击powergui模块,弹出窗口如图7,单击FFT analysis,弹出窗口如图8所示,在available signals栏可以选择想要FFT分析的波,此处选择Is;在FFT window中设置基波频率,波形分析的起始时间和周期数;FFT settings可以在下拉菜单里选择分析结果的显示型式,此处选择List(relative to fundmental)和Hertz,最后点击右下角display,FFT analysis一栏会显示出结果(如图9所示)。
此处可以得到所测波形的有效值,各谐波与基波的幅值比,还有THD等等。
图 6
图7
图8
图 9
(4)获取Is 的THD ,DPF 以及PF :在(3)的FFT 分析中可得到基波相位φ,THD%;
再由公式DPF=cos φ, PF =DPF THD 211
+算出题目所求。
(5)证明DPF (Displacement power factor )≅cos(α +
2u )≅2
)cos(cos u ++αα成立:式子中的u 可以从题(2)中获得,DPF 数值可以由题(4)中获得,然后代入所有数值,加以计算便可。
(6)在vpcc (耦合点AB 线电压)波形图中获得所需参数:将耦合点出的Vab 波形进行放大,分别利用X ,Y 放大获得缺口的放大波形(如图10所示)。
(a)Line-notch depth ρ(%):在波形图中获得该波的降落电压与峰值电压,两者比
值即所求。
点击Y 放大按钮,再左击想要获取Y 坐标示数的位置便可获得电压值。
(b) Line-notch area and :在图中观察并测量出缺口的时间间隔u ,并转换为弧度,最后按照u*U (drop )得出缺口面积。
(c) voltage THD%:可通过FFT 傅里叶分析对该电压进行分析,直接获取voltage THD%数值,方法与前面一致。
(7)测量Vd ,并且证明Vd = 1.35 VLL cos α -Id Ls π
ϖ3:通过前面所介绍的mean value 和display 模块,可以直接获得Vd 与Id 的平均值。
再将参数带入公式,可得出结果,最后加以比较。