1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文在對三相橋式全控整流電路和三相橋式電壓型逆變電路作出理論分析的基礎上，建立了基于 MATLAB/Simulink 的三相橋式整流及逆變電路的仿真模型， 并對其直流和交流調速工作情況進行對比分析與研究，用 MATLAB 軟件自帶的 Power System 工具箱進行仿真 ，給出了仿真結果， 驗證了所建模型的正確性。</

2、p><p>　　關鍵詞 整流 逆變 MATLAB/Simulink 電機調速 PWM控制</p><p><b>　　目錄：</b></p><p><b>　　概述</b></p><p>　　電力電子技術在一般工業(yè)的應用</p><p>　　電力電子技術與電力拖動

3、</p><p>　　電力電子技術在直流電機調速系統的應用</p><p>　　電力電子技術在異步電機調速系統的應用</p><p>　　Matlab在仿真方面的應用</p><p><b>　　基本原理</b></p><p>　　三相橋式全控整流電路原理</p><p>

4、;<b>　　三相逆變橋原理</b></p><p><b>　　PWM控制技術原理</b></p><p>　　主電路設計，圖形分析</p><p><b>　　直流調速系統的仿真</b></p><p><b>　　交流調速系統的仿真</b></

5、p><p><b>　　總結體會</b></p><p>　　4．1 課程設計的收獲</p><p>　　4．2 本文的不足之處</p><p><b>　　附錄 參考文獻</b></p><p><b>　　概述</b></p>

6、<p>　　電力電子技術在一般工業(yè)的應用</p><p>　　工業(yè)中大量應用各種交直流電動機。直流電動機有良好的調速性能，為其供電的可供整流電源或直流斬波電源都是電力電子裝置。近年來，由于電力電子變頻技術的迅速發(fā)展，使得交流電動機的調速性能可與直流電動機相媲美，交流調速技術大量應用并占據主導地位，大至數KW的各種軋鋼機，小到幾百W的數控機床的伺服電動機，以及礦山牽引等場合都廣泛地采用電力電子交直流調

7、速技術。一些對調速性能要求不高的大型鼓風機等近年來也采用了變頻裝置，已達到節(jié)能的目的，還有些不調速的電機為了避免啟動時的電流沖擊而采用了軟啟動控制，這種軟啟動裝置也是電力電子裝置。</p><p>　　1．2 電力電子技術與電力拖動</p><p>　　20世紀60年代發(fā)展起來的電力電子技術，使電能可以變換和控 制，產生了現代各種高效、節(jié)能的新型電源和交直流速裝置，為工業(yè)生產，交通運輸

8、，樓宇、辦公、家庭自動化提供了現代化的高新技 術，提高了生產效率和人們的生活質量，使人類社會生產、生活發(fā)生 了巨大變化。隨著新型電力電子器件的研究和開發(fā)以及先進控制技 術的發(fā)展，電力電子和電力拖動控制裝置的性能也不斷優(yōu)化和提高，這種變化的影響將越來越大，電力電子技術和電力拖動控制系統綜合了電子電路、電機拖動、自動控制理論、微機原理和應用等多學科的知識，并且是兩門實踐性和應用性很強的課程。由于電力電子器件自身的開關非線性，給電力電子電路和

9、系統的分析帶來了一定的復雜性和困難，一般常用波形分析和分段線性化處理的方法來研究電力電子電路O現代計算機仿真技術為電力電子電路和系統的分析提供了嶄新的方法，可以使復雜的電力電子電路、系統的分析和設計變得更加容易和有效，也是學習電力電子技術和電力拖動控制系統的重要手段。仿真是在計算機平臺上虛擬實際的物理系統。早在20世紀50年代，人們就研究利用計算機的高速計算能力來幫助設計人員進行復雜的設計，以數學模型代替實際的物理器件和裝</p&

10、gt;<p>　　1. 3 電力電子技術在直流電機調速系統的應用</p><p>　　由于直流電動機具有良好的運行和控制特性，它們在許多行業(yè)中都得到了廣泛的應用。而且，直流調速系統在理論和工程實踐上都比較成熟，從控制角度來看，它是交流調速系統發(fā)展的基礎“1。根據直流他勵電動機的原理，可得它的電氣方程為：</p><p>　　式中：R表示電樞回路的總電阻；E表示電樞電動勢；&

11、lt;/p><p>　　表示電樞供電電源的空載電壓；Ud表示電動機的電樞電壓。且R和E分別為：</p><p>　　式中：表示供電電源的內阻；Ra表示電樞電阻；表示線路或者外接電阻；表示由電動機結構所決定的電動勢系數；?為勵磁磁通；n為轉速。</p><p><b>　　由上面的式子可得：</b></p><p>　　該式表

12、明，通過調節(jié)電動機的電樞電壓或者減弱勵磁磁通?或者改變電樞回路總電阻R均可以實現電動機速度的調節(jié)功能。對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統而言，以調節(jié)電動機的電視電壓為主要的調試方式。</p><p>　　1. 4 電力電子技術在異步電機調速系統的應用</p><p>　　電機控制是一個不斷發(fā)展的課題。而交流電機控制具有種種優(yōu)點，是近年來國內外研究開發(fā)的熱點。</p>&

13、lt;p>　　交流電動機的轉速公式：</p><p><b>　　n——轉速</b></p><p><b>　　——供電頻率</b></p><p><b>　　p——極對數</b></p><p><b>　　S——轉差率</b></p&g

14、t;<p>　　改變頻率是有效的調速手段</p><p>　　1. 5 Matlab在仿真方面的應用 </p><p>　　MATLAB是一種科學計算軟件。MATLAB是Matrix Laboratory (矩陣實驗室)的縮寫，這是一種以矩陣為基礎的交互式程序計算語言。早期的 MATLAB 主要用于解決科學和工程的復雜數學計算問題。由于它使用方便、輸入便捷、運算、高效、

15、適應科技人員的思維方式，并且有繪圖功能，有用戶自行擴展的空間，因此特別受到用戶的歡迎，使它成為在科技界廣為使用的軟件，也是國內外高校教學和科學研究的常用軟件。 </p><p>　　MATLAB由美國Mathworks公司于1984年開始推出，歷經升級，到2001年已經有了6.0 版，現在MATLAB 6.1、6.5、7.0 版都已相繼面世。早期的 MATLAB 在DOS環(huán)境下運行，1990年推出了Windows

16、版本。1993年，Mathworks 公司又推出了MATLAB 的微機版，充分支持在 Microsoft Windows 界面下的編程，它的功能越來越強大，在科技和工程界廣為傳播，是各種科學計算軟件中使用頻率最高的軟件。 </p><p>　　MATLAB 比較易學，它只有一種數據類型(即 64 位雙精度二進制)，一種標 準的輸入輸出語句，它用解釋方式工作，不需要編譯，一般人門后經過自學就可以掌握。如果有不清楚

17、的地方，可以通過它的幫助( help)和演示 (demo)功能得到啟示。學習 MATLAB 的難點在于，它有大量函數，這些 MATLAB 函數僅基本部分就有700多個，其中常用的有 200 -300個，掌握和記憶起來都比較困難。 </p><p>　　1993 年出現了 SIMULINK，這是基于框圖的仿真平臺，SIMULINK 掛接在 MATLAB 環(huán)境上，以MATLAB 的強大計算功能為基礎，以直觀的模塊框

18、圖進行仿 真和計算。SIMULINK 提供了各種仿真工具，尤其是它不斷擴展的、內容豐富的 模塊庫，為系統的仿真提供了極大便利。在SIMULINK 平臺上，拖拉和連接典型 模塊就可以繪制仿真對象的模型框圖，并對模型進行仿真。在SIMULINK 平臺 上，仿真模型的可讀性很強，這就避免了在MATLAB 窗口使用MATLAB 命令和函數仿真時，需要熟悉記憶大量M 函數的麻煩，對廣大工程技術人員來說，這無疑是最好的福音。現在的MATLA

19、B 都同時捆綁了SIMULINK， SIMULINK 的版本也在不斷地升級，從1993 年的 MATLAB 4.0/SIMULINK 1.0 版到2001 年的 MATLAB 6. 1/SIMULINK 4. 1 版， 2002 年即推出了MATLAB 6. 5/SIMULINK5.0 版。MATLAB 已經不再是單純的"矩陣實驗</p><p

20、>　　SIMULINK 原本是為控制系統的仿真而建立的工具箱，在使用中易編程、易 拓展，并且可以解決 MATLAB 不易解決的非線性、變系數等問題。它能支持連 續(xù)系統和離散系統的仿真，支持連續(xù)離散混合系統的仿真，也支持線性和非線 性系統的仿真，并且支持多種采樣頻率( Multirate )系統的仿真，也就是不同的 系統能以不同的采樣頻率組合，這樣就可以仿真較大、較復雜的系統。因此， 各科學領域根據自己的仿真需要，以MATLAB

21、為基礎，開發(fā)了大量的專用仿真 程序，并把這些程序以模塊的形式都放入SIMULINK 中，形成了模塊庫。 SIMU- LINK 的模塊庫實際上就是用MATLAB 基本語句編寫的子程序集?，F在SIMULINK 模塊庫有三級樹狀的子目錄，在一級目錄下就包含了SIMULINK 最早開發(fā)的數學 計算工具箱、控制系統工具箱的內容，之后開發(fā)的信號處理工具箱 (DSP Blocks) 、通信系統工具箱(Comm) 等也并行列入模塊庫的一級子目

22、錄，逐級打 開模塊庫瀏覽器 (SIMULINK Library Browser) 的目錄，就可以看到這些模塊。從SIMULINK</p><p>　　電力系統模型庫 </p><p>　　電力系統模型庫(Power System Blockset)是專用于 RLC 電路、電力電子電路、電機傳動控制系統和電力系統仿真用的模型庫。</p><p>　　電

23、源 (Electrical Sources) 模塊庫</p><p>　　電器元件 (Elements) 模塊庫</p><p>　　電機 (Machines) 模塊庫 </p><p>　　電力電子元件(Power Electronics) 模塊庫</p><p>　　連接件(Connectors )模塊庫</p>

24、<p>　　測量儀器 (Measurements) 模塊庫</p><p>　　其他電氣模塊庫(Extra Library )</p><p><b>　　第二章 基本原理</b></p><p>　　2．1 三相橋式全控整流電路原理</p><p>　　三相可控整流電路中應用最多的是三相橋式全控整流電路，

25、 如下圖所</p><p>　　示。在三相橋式全控整流電路中，每一個導電回路中有2 個晶閘管，即用2</p><p>　　個晶閘管同時導通以控制導電的回路。上文已經就三相橋式半控整流電路</p><p>　　在純電阻性負載時進行了較為詳盡的分析， 而且全控電路與半控電路在純</p><p>　　電阻性負載時的工作情況基本一致。以下重點分析帶電

26、阻電感負載時的工</p><p><b>　　作情況。</b></p><p>　　當α≤60°時（α=0°圖8（a））ud波形連續(xù)，工作情況與帶電阻負載時相似。區(qū)別在于：得到的負載電流id波形不同。當電感足夠大時，id的波形可近似為一條水平線。</p><p>　　當α >60°時（α=90°圖8

27、（b））電阻電感負載時的工作情況與電阻負載時不同，阻感負載時，ud波形會出現負的部分。三相橋式全控整流電路的α 角移相范圍為90°。晶閘管及輸出整流電壓的情況如下表</p><p>　　三相橋式全控整流電路的特點：（1）共陰極組和共陽極組各1 個管子同時導通，且不能為同一相器件。（2）觸發(fā)脈沖按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60°。共陰極組的脈沖依次差120&

28、#176;，共陽極組也依次差120°。同一相的上下兩個橋臂脈沖相差180°。（3）ud一周期脈動6 次，且波形都一樣，故為6 脈波整流電路。（4）可采用寬脈沖或雙脈沖觸發(fā)保證同時有2 個晶閘管導通。（5）晶閘管承受的電壓波形與三相半波時相同，最值也相同。</p><p>　　根據上述分析，整流變壓器采用星形接法帶阻感負載時，變壓器二次側電流的有效值為</p><p>　

29、　晶閘管電壓、電流等的定量分析與三相半波時一致。三相橋式全控整流電路的仿真模型如圖</p><p>　　帶電阻電感性負載的情況</p><p>　　帶電阻電感負載的仿真與帶純電阻負載的仿真方法基本相同，只需將RLC 串聯分支設置為電阻電感性負載，即負載參數設置為R=1 Ω，L=0.01 H，C=inf。此時的仿真結果分別如圖</p><p>　　2．2 三相逆變橋

30、原理</p><p>　　三相橋式逆變電路如圖2-1所示，圖中應用GTO作為逆變開關，也可用其它全控型器件構成逆變器，若用晶閘管時，還應有強迫換流電路。 </p><p>　　從電路結構上看，如果把三相負載看成三相整流變壓器的三個繞組，那么三相橋式逆變電路猶如三相橋式可控整流電路與三相二極管整流電路的反并聯，其中可控電路用來實現直流到交流的逆變，不可控電路為感性負載電流提供續(xù)流回路，完成無

31、功能量的續(xù)流和反饋，因此D1～D6稱為續(xù)流二極管或反饋二極管。 </p><p>　　在三相橋式逆變電路中，各管的導通次序同整流電路一樣，也是T1、T2、T3……T6、T1……各管的觸發(fā)信號依次互差60。根據各管的導通時間可以分為180 導通型和120導通型兩種工作方式，在180導通型的逆變電路中，任意瞬間都有三只管子導通，各管導通時間為180，同一橋臂中上下兩只管子輪流導通，稱為互補管。在120導通型逆變電路中

32、，各管導通120，任意瞬間只有不同相的兩只管子導通，同一橋臂中的兩只管子不是瞬時互補導通，而是有60的間隙時間，當某相中沒有逆變管導通時，其感性電流經該相中的二極管流通。</p><p>　　導通方式及基本參數在180導通型的三相逆變器中，每隔60的各階段其等效電路及相應相電壓、線電壓數值如圖2-2所示。 </p><p>　　根據圖2-2中各階段的相電壓數值，可以得出任何一相的相電壓波形

33、為六階梯波，各相互差120，如圖2－3（a）所示。而線電壓可由相電壓相減得出，其波形如圖2－3（b）所示，為脈寬120的矩形波。 </p><p>　　初相角為零的六階梯波，其基波可用付氏級數求得，如A相相電壓可表示為：</p><p>　　其余兩相各差120。相電壓中無余弦項、偶數項和三的倍數次諧波，電壓中最低為五次諧波，含量為基波的20％。 </p><p>　

34、　對于基波無初相角的矩形波線電壓，其一般表達式為： </p><p>　　根據圖2－3可以算出六階梯波的相電壓和方波線電壓的有效值分別為：</p><p>　　實際的電壓波形與上面分析的結果略有誤差，這是由于在分析中忽略了換流過程，也未扣除逆變電路中的電壓降落的緣故。 </p><p>　　當三相逆變器按120 導通方式工作時，其輸出電壓波形如圖2－4所示，與前面相

35、反，這里相電壓為矩形波，而線電壓為六階梯波。 </p><p>　　對180導通方式和120導通方式進行比較可知：在120方式中，上下兩管之間有60的間隙，對換流的安全有利，但是管子的利用率較低，并且若電機采用星形接法，則始終有一相繞組斷開，在換流時會引起較高的感應電勢，應采取過電壓保護措施。而180導通方式無論電動機在三角形還是星形接法時，正常工作都不會產生過電壓，因此對于電壓型逆變器，180導通方式應用較為普

36、遍。 </p><p>　　2．3 PWM控制技術原理</p><p>　　面積等效原理是PWM控制技術的重要理論基礎。原理內容：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。 </p><p>　　實例將

37、圖2-5a、b、c、d所示的脈沖作為輸入，加在圖2-6a所示的R-L電路上，設其電流i(t)為電路的輸出，圖2-6b給出了不同窄脈沖時i(t)的響應波形。 </p><p>　　圖2-5 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 </p><p>　　圖2-6 沖量相同的各種窄脈沖的響應波形 </p><p>　　用PWM波代替正弦半波。將正弦半波看成是由N個彼此相連的脈

38、沖寬度為/N，但幅值頂部是曲線且大小按正弦規(guī)律變化的脈沖序列組成的。把上述脈沖序列利用相同數量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應的正弦波部分面積（沖量）相等，這就是PWM波形。對于正弦波的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱SPWM（Sinusoidal PWM）波形。PWM波形可分為等幅PWM波和不等幅PWM波兩種，

39、由直流電源產生的PWM波通常是等幅PWM波?；诘刃娣e原理，PWM波形還可以等效成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等。 </p><p>　　圖2-7 用PWM波代替正弦半波 </p><p>　　第三章 主電路設計，圖形分析</p><p>　　3. 1直流調速系統的仿真</p><p>　　直流調速是現代電力拖動自

40、動控制系統中發(fā)展較早的技術。在20 世紀60 年代，隨著晶閘管的出現，現代電力電子和控制理論、計算機的結合促進了電力傳動控制技術研究和應用的繁榮。晶閘管-直流電動機調速系統為現代工業(yè)提供了高效、高性能的動力。盡管目前交流調速的迅速發(fā)展，交流調速技術越趨成熟，以及交流電動機的經濟性和易維護性，使交流調速廣泛受到用戶的歡迎。但是直流電動機調速系統以其優(yōu)良的調速性能仍有廣闊的市場，并且建立在反饋控制理論基礎上的直流調速原理也是交流調速控制的基

41、礎。現在的直流和交流調速裝置都是數字化的，使用的芯片和軟件各有特點，但基本控制原理有其共性，本章主要通過仿真研究直流調速的基本原理和調速性能。 </p><p>　　直流電動機電樞由三相晶閘管調節(jié)晶閘管 整流電路經平波電抗器L供電，并通過改變觸發(fā)器移相控制信號U c的控制角，從而改變整流器的輸出電壓實現直流電動機的調速。</p><p>　　上圖為Matlab直流調速系統仿真實驗的模型，第

42、一部分為三相交流源，第二部分為三個相減器，分別測出三個線電壓，接到脈沖觸發(fā)器上，通過調節(jié)其參數，來控制觸發(fā)角，本實驗我采用了a=60,在脈沖觸發(fā)器器后我們接有示波器來測量脈沖波形。第三部分為三相橋式全控整流電路，其觸發(fā)波形由觸發(fā)器提供，輸出隨著觸發(fā)角的不同而不同，其電壓圖形通過又一個相減器連到示波器上，我們可以通過示波器看到經整流后的電壓波形。第四部分為直流電動機，在連接直流電動機和三相整流電路中間，連有平波電感器，直流電動機上接有他勵

43、直流電源來提供勵磁，這樣在輸出端接有示波器，我們可以通過觀察示波器的圖形來測出，直流電機的轉速，轉矩，電壓，電流的波形。</p><p><b>　　直流電機輸出波形</b></p><p><b>　　6脈沖波</b></p><p>　　a =60時整流后輸出電壓的波形</p><p>　　3

44、. 2交流調速系統的仿真</p><p>　　上圖為Matlab交流調速系統仿真實驗的模型，第一部分為三相交流電源，第二部分為三相整流電路，輸出的電壓經過平波電感器接到由PWM組成的三相橋式逆變電路，通過與相連的示波器我們可以看調制電路的PWM波形，這是第三部分，第四部分為異步電機，通過最后的示波器我們可以看到輸出的波形。我這個實驗的調制電路的參數為，載波頻率f =50*27Hz，調制度m =0.8</p

45、><p><b>　　PWM波形</b></p><p><b>　　三相異步電機</b></p><p><b>　　逆變線電壓</b></p><p><b>　　逆變相電流</b></p><p><b>　　整流直流&

46、lt;/b></p><p><b>　　第四章 總結體會</b></p><p>　　4．1 課程設計的收獲 </p><p>　　通過此次電力電子課程設計我了解了如何使用Matlab軟件中的Simulink仿真功能，學習了Word排版技術，加深了上網查資料的能力，在掌握這些基礎的工具之后對三相全控橋整流電路在直流電機調速的應用以及三

47、相橋式SPWM逆變電路在異步電機調速的應用有了更深刻的理解，向理論聯系實際又邁進了一步。</p><p>　　對我來說，收獲最大的是方法和能力.那些分析和解決問題的方法與能力。在整個過程中，我發(fā)現像我們這些學生最最缺少的是經驗,沒有感性的認識，空有理論知識，有些東西很可能與實際脫節(jié)。總體來說，我覺得做這種類型的作業(yè)對我們的幫助還是很大的，它需要我們將學過的相關知識都系統地聯系起來，從中暴露出自身的不足，以待改進。

48、</p><p><b>　　本文的不足之處</b></p><p>　　由于能力有限，經驗不足，錯誤之處還請老師批評指正。</p><p>　　本文中在對三相橋式全控整流原理和PWM控制的基本原理的分析基礎上建立了直流電機調速系統和異步電機調速系統，但這些所謂的系統只是最簡單的最主要的電路圖而已，距實際應用還有相當大的距離，許多東西還要深入學

49、習研究。</p><p><b>　　第五章 參考文獻</b></p><p>　　[1]王兆安等，電力電子技術，第一版，機械工業(yè)出版社。</p><p>　　[2]邵丙衡，電力電子技術，第一版，鐵道出版社1997.</p><p>　　[3]黃俊，半導體變流技術，第四版，機械工業(yè)出版社2002</p>&

50、lt;p>　　[4]張立，現代電力電子技術，第一版，科學出版社，1995</p><p>　　[5]孫樹樸等，電力電子技術，第一版，中國礦業(yè)大學出版社1999</p><p>　　[6]葉斌，電力電子技術習題集，第一版，鐵道出版社1995</p><p>　　[7]林渭勛，現代電力電子電路，第二版，浙江大學出版社2002</p><p>