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1、北京交通大学2012 -2013学年 第二学期考试试题名姓课程名称：计算机仿真技术号学班 气电 级班院学程工气电院学北京交通大学电气 班姓名：学号：题目：12脉波整流电路仿真三相桥式全控整流电路是应用广泛的整流电路，完整的三相桥式全控整流电路由整流变压器、晶闸管整流桥、负载、脉冲触发器和同步环节等组成。传统的6脉波全控整流电路交流侧存在较大的谐波电流。为了获得较好的谐波特性，可以采用多脉波整流电路，如 下图中所示的典型 12脉波全桥整流电路。4电路基本参数：三相电网电压10kV;整流变压器变比10kV/380V 50Hz ,副边两个绕组的相位相差30度；两组整流桥输出正端各接5mH电感后并联；
2、负载为阻感性负载，电阻R=1欧姆，电感 L = 50mH;仿真时间1s。1、12脉波整流电路建模（10分）根据题目给出的主电路和基本参数，建立完整的12脉波整流电路的模型，即包括主电路、同步电路、触发脉冲电路、仿真结果测量及显示电路等，给出建模思路说明和主要元 器件参数设置说明。解：在1000KW以上的大功率系统中，常采用双十三桥构成的十二相整流电路。对于晶闸 管-直流电动机系统，为了克服电压或电流脉动对生产机械造成的损害，也常常采取增加整 流电路的相数，而采用十二相整流电路。仿真电路图如下所示。CcnctirlE3bhUa2rVUb2n/Uc2n.12-Pulsegk._d./PDblack
3、*Tfrir-ee-Phaae Saurer* 2 i 3 3 " b H a b ¥ c rvyvThree-Pha&e Trafisformer (Three Windings)CantlfliUOvG0powerguiIan_wl/l3n_w2Uon_*b w2/Uob_3n HUniversal Bridge 1Sqqch-3OtKrete Mean value电源选择线电压10kV,频率50Hz。Three-Phase Source (mask) (link)Three-phase volt age source in series with RL bra
4、nch.ParametersPhase-t o-phase tins volt age (V): 10e3Phase angle of phase A tdegrees): 0Frequency (Hz): 50三相变压器2绕组选择Y接，3绕组选择D1接。在这里要注意，要和触发器的D1选择相同，不然会出现触发错误的现象。 Block Parameters: Three-Phase Transformer (Three Windings)Three-Phase TransTormer (Three Windings) (mask) (link)This block iniplenents a t
5、hr&e-phase transformer by using three singlephase trs5fotnier自.Set the binding connection to 'Yn' irhen you want to access the neutral point of the Wye (for winding 1 and 3 onlyj.Click the Apply or the OK button after a change to the Units popup to confirm ths convetsion of parajnetet.Co
6、nfiguration Parameters AdvancedWinding 1 connection (ABC teriRinals) : YWinding 1 conrijection (abc-2 terminals) : YWinding 3 ronnection (abc-3 terminals) : Delta (DI) _ Saturable cereMeaEurcjnentE NoneOK Cancel Help Apply变压器的变比为10kV/380V/380V ,为了忽略电感带来的换向重叠，使直流电压下降, 所以将绕组的电感设为0。Configurat ionParame
7、ters AdvancedUnits: SI-Nominal power and frequency PnCVAJ s fn (Hz) 25cle6 , 50 Winding 1 parameters VI Ph-Ph(Vrms , RI (Ohm) , L1(H) 10e3 0.002 0Winding 2 parameters V2 Ph'Ph(Vrms) 、 R2 (Ohm) 、 L2(H) 380 0* 002 0Winding 3 parameters V3 Fh-Fh(Vrms) , K3 (Ohm) , L3(H) 3B0 04 002 0Magnetization re
8、sistance M (Ohn) 500Magnetization zLnductance Ln (H) 5 口口2、12脉波整流电路开环仿真(15分)(1)要求输出的负载平均电压为300V,根据直流电压平均值与触发角的关系，估算触发角，给出估算依据和说明。(2)设置整流桥的触发角，进行仿真。给出两组整流桥A相下桥臂晶闸管触发脉冲、A相同步电压信号的波形，要求在同一示波器下显示。(3)采用POWERGUI模块(或其他模块)对三相电网中的电流、一个整流桥的三相电流进行分析，分别记录从0.5s开始的一个基波周期的电流波形及FFT分析图，分析比较12脉波整流电路与 6脉波整流电路的谐波电流及THD特
9、性。角军：(1)由于电源并联输出电压不变，所以输入电压与输出电压的关系可以用三相全控整流桥公式得出，即 Ud =1.35Ull cosot ,所以口 =arccos(Ud) =arccos(300) =54.21 口，实际 仿真中 测试的 角度 为1.35 Ull1.35 38054.17°,当角度为54.17©时，输出电压平均值为 300V,以下的仿真均是在角度为54.170时的运行的。负载R上的电压波形如图所示。可以看出，负载R上的电压平直，为 300V,并且基本无波动，说明副边的电流也基本为恒定，等效为直流源。12脉波整流电路的直流侧输出电压Ud （R+L的电压）如下
10、图所示。输出电压波动范围为200V 400V,约有200V的电压波动。rrnrj » ataa"u»- IIsodTSL.IdaI.j ca,«,»,I UU -a-i- - 8- »- -1 -i- - J- - , :- -口 T .:? *, 一一一;一 :,： 一 ,；-7一一；:-1 1 QQIIiI1I0 0J 0,2 Q3 0.40,506070,80 91Time offset： 0直流侧输出电压的细节如下所示。输出电压平均值为300V。Diplsy输出电压波动范围对比三相全控整流桥，三相全控整流桥的直流侧输出波形如下
11、所示。为50V490V,约有440V的电压波动。卜图为三相全控整流电路输出电压的细节图。0.6150.6250.6350.E4Time oleet： 0由图可以看出，带平衡电抗器的12脉相控整流电路的电压脉动明显小于三相全控整流电路，电压的谐波分量明显减小，适合带对电压质量要求高的负载。不接平衡电抗器时L时，同双反星形电路一样，两组桥不能同时向负载供电，而只能交替地向负载供电，不过交替的间隔是兀/6。接入平衡电抗器 L后，当1组桥的瞬时电压高于 2组桥的瞬时电压，并同时伴有整流 电流输出时，会在平衡电抗器的两端产生感应电动势，其一半减小1组桥的电动势，另一半则增加2组桥的电动势，通过电抗器的平
12、衡作用， 同时维持两组桥都工作在三相全控桥相控 整流状态。当1组桥的瞬时线电压等于 2组桥的瞬时线电压时， 两组桥并联运行， 此时在平 衡电抗器上产生的感应电动势为零。之后当2组桥的瞬时线电压大于 1组桥的瞬时线电压时，则平衡电抗器上产生的感应电动势极性相反，继续维持两桥正常导通。(2)从上到下依次为：绕组 2的A相电压，绕组 2的AB线电压，绕组2对应整流桥的A相下管触发信号，绕组 3的AB线电压，绕组3对应整流桥的A相下管的触发信号Tme onset: 0可以看出，D1接绕组比Y接绕组滞后了 30度，同时对应的触发信号也比Y接的触发信号滞后了 30度。(3)使用powergui进彳T FF
13、T分析图，设置为离散模式，取样时间为 0.00005s。Solver PreferencesSimulation type: Discrete，Sample time (s):下列仿真波形依次为： 带平波电抗器的12脉波全控整流电路绕组 2(副边Y接绕组)的a相电流三相全控相控整流电路的交流侧A相电流 带平波电抗器的12脉波全控整流电路高压侧A相电流下图为绕组2的A相的电流波形。与三相全控的一相电流波形相似，只是在最高点有波动。三相全控相控整流电路的交流侧A相电流波形图如下所示。为阶梯波，在最点无抖Time offset: 0傅立叶频谱分析如下。Signal to analyzea Displ
14、ay selected signal Display FFT whdowSelected signal 50 cycles. FFT window (in red 1 cyclss100-10000 20.40.6 DE1Time (s)FFT analysisFundamental (50Hz) = 136 2 . HD= 31 42%(EluaE 再 punLl-至)6e204QQ 600Frequency (Hz)8001000最低次谐波为300Hz，是基波的6倍频。THD=31.42%。-Arailable signalsStructure:lan_w2Input;input 1Sna
15、l number.FFT windowOSStart time ($):Number of cycles： |1Ftfidaihental frecfusrwy (Ht 5QFFT settings -Display style:Bar (reiativfr to fundamental) 一Be5e v-aiue: |loFrequency axis:HertztMax Fre=c|u«ncy (Hz):1000DispSyClose动。傅立叶分析如下图所示。Signal to analyzea Display selected signal Display FFT wndowSe
16、lected signal 50 cycles. FFT window (in red 1 cyclss200-20000 2040.6 OB1Time (s)FFT analysisFundamental (50Hz) = 316 9. HD= 31.12%200400600Frequency (Hz)80010000 5 0 5 2 11(EluaErapunLl-W %) 6号-Arailable signalsFFT windowStart time ($):Number of cycles： |1Ftfidaihental frecfusrwy (Ht5QFFT settings -
17、Display style:Bar (reiativfr to fundamental) 一Bfl5e v«iue:卜加Frequency axis:HertztMax Fre=c|u«ncy (Hz):1000Close最低次谐波为300Hz，是基波的6倍频。THD=31.12%。其频谱和带平波电抗器的12脉波全控整流电路绕组 2 （副边Y接绕组）的a相电流相似，高频谐波下降的速率较慢，所占 成分比较多，对电路谐波干扰更大。带平波电抗器的12脉波全控整流电路高压侧 A相电流波形图如下所示。 可以看出,A相电流波形已经和正弦波形基本类似，电流的纹波明显变小。Time off
18、set: 0傅立叶分析图如下所示。00.20.4 O.fi OB1Time (s)20Signal to analyzea Display selected signal Display FFT wndowSelected signal 50 cycles. FFT window (in red 1 cyclfisFFT analysisFundamental (50Hz) = 25 25 7HD= 6 54%4 3 2 1(-EC* EEPUnLL求)6e/2004QQ 600Frequency (Hz)8001000-Arailable signalsStructure:Input;npu
19、t 1Snal number.FFT windowOSStart time ($):Number of cycles： |1Ftfidaihental frecfusrwy (Ht 5QFFT settings -Display style:Bar (reiativfr to fundamental) 一Bwb vjjiue: |l.QiFrequency axis:HertztMax Fre=c|u«ncy (Hz):1000Close对A相电流进行分析:假设直流侧为大电感负载，电流恒定，则iaN1的傅立叶级数表达式为iaiiaN12 3 二Idn.1 . . , 1 . ,1 .
20、 一 .1 一 C .sin t sin5 tsin7 t sin11 t sin13 t571113243. 1.1-1. . 1.ia2 =Id Jsin(t -30- sin5(5t-30 ) sin79t-30)+sin11t-30)+sin13®t - 30)n 5711132 3i b2 二 H.,1 .,1 ,、1 1dsin(同一1503 sin5(t -150s) sin7t _150口) +sin11(句t 150口) +57111 sin13( t -30 )136111111ia2 -ib2 =一 Id sint -sin5工t sin 7三4 一sin11
21、t sin13二t sin23工t sin25工t二5711132325N2 绕组 a、b 的相电流 iaN2、i bN2 为 iaN2 = i a2 + icN2 ,i bN2 = ib2 + iaN2由于三项对称，N2绕组C相电流离2 = -OaN2 +*N2）iaN2 = ia2 - (i aN 2 ibN2 ) = i a2 - iaN2 - (i b2 iaN2 ) = i a2 - ib2 - 2iaN21()iaN 2 - - (ia2 i b2 )3由于N2 =J3n1，若一次绕组N0=N1,则一次测A相电流应为iA=iaN1,. 3i aN 2-阪1 (ia2 - ib2)
22、/ 3由此可得iA,1，1，1，1 .一sin 句t+ sin11at+ sin13jt+sin23jt+ sin25cjt 11132325所以，带平衡电抗器的双三相桥式12脉波整流桥电路交流电源中只含有12K ±1次谐波电流，最低次谐波电流为11次，而三相桥6脉波整流电路交流电源中含有6K ±1次谐波电流，最低次谐波电流为5次。从图中也可以明显看出，最低次谐波出现在 550Hz, THD=6.54%明显变小，谐波的次数 增大并且比重变小，变得更容易滤除，对设备的干扰更小。所以12脉波整流电路可以明显改善电流波形，提高了电流的质量。3、12脉波整流电路闭环仿真（10分）采
23、用电流闭环控制，使两组整流桥输出的电流都为100A。说明相关参数，分别给出两组整流桥的电流输出波形、交流侧输入电流波形、10kV电网电流波形。电流闭环控制框图如下图所示。指令电流(Iref= 100) +-rX)一八输出电流反馈Io1触发角PI调节器1触发角予PI调节器2输出电流反馈Io2角军：闭环仿真电路图如下所示。不加PI控制前，假设两路的输出电流为100A时，总输出电流为200A,输出电压为200V,通过计算得出，控制角度为 67度。则以67度为基 准值进行仿真。则设计思路为：使指令电流信号为100A,与反馈叠加，通过 PI控制器后，添加 67度的偏移量(即两组电路的基准值。如果不加基准
24、值，运行仿真后，系统也可以自动找到 平衡的触发角，也可以完成仿真波形，加入67度是初始给系统一个角度定位，使系统仿真速度更快，其余波形没有差别)，完成控制环节。*Jpl*iid*(!A E;北国Hmk即*“i口*c"也EhmaH4靠n “31两个PI控制器参数相同，设置如下：Kp为0.7, Ki为10。Main PIDData d | StateController settingsController form: ParallelPropoTTiQinal (P) ： 0. 71nttaral (I):10运行仿真，负载 R上通过的电流如图所示。Tima offset: D250可
25、以看到电流在0.1s左右有超调尖峰，然后平滑下降，稳定在 200A。两路输出电流（L1、L2上流过的电流）如图所示。电流在 0.2s就达到稳定，在100A 附近波动，波动范围是 80A 120A。Time oilT？et: 0下图为两路输出电流互补，叠加以后流过负载，可以看到，输出到负载上的电流维持在 200A不变。求。输出电流的平均值如下所示，两路电流的平均值均在100A左右，说明调节基本达到要下图为没有经过 PI调节的通过L1、L2的电流，可以看到，电流在 3s时仍然不稳定, L1路仍然有下降的趋势，L2路有上升的趋势。Time offset: 0和130.4A的关系，两路所承担的电流值不
26、想等，这会使绕组 且减少了绕组从两路的输出电流平均值可以看出，两路电流并不是100A和100A的关系，而是69.96A3上承担更多的电流负担，并下面对比有PI和无PI控制时的三项绕组原边和两个副边的相电流。下图为添加PI控制器的相电流波形。从上到下的电流依次为原边A相电流IA,绕组2a相流过的电流Ian_w2,绕组3a端输出电流Ian_w3。Tine offset: 0下图为三个相电流的细节图。可以看出，绕组2a相流过的电流Ian_w2和绕组3a端输出电流Ian_w3的波形基本相同，幅值一致，两绕组承担的电流负担相同。卜图为没有添加 PI控制器的相电流波形。从上到下的电流依次为原边 A相电流I
27、A,绕组2a相流过的电流Ian_w2 ,绕组3a端输出电流Ian_w3。可以看出，绕组 2和绕组3的电 流波形在3s还未稳定，绕组 2相电流有减小趋势，绕组 3电流有增大趋势。从细节图可以看出绕组 2和绕组3的相电流的幅值相差很多， 峰值绕组2为90A,绕组3为140A。通过相电流波形也可以看出，绕组 2和绕组3的电流负担不同，一个承担了过 多的负担，一个利用率不足。而是不断在变化。这说明对控制角度进行跟踪，可以看到触发角度，并不是稳定不动,角度随着输出的变化，也在调节中，才使得两路的输出电流各保持在100A。可以看到，触发角也基本互补变化，变化角度在65度95度。.|79画角度的平均值都为
28、79度左右。口邱国2不用PI控制直接将角度设为 79度，直流侧L1、L2输出波形如下。电流已经非常不平均。L1支路（即绕组2电流）基本上承担了所有的电流量，L2支路基本没有电流流过。2.652662.672£32692.7TlriiC Offset Q由以上仿真结果可以看出，加入 PI控制后，可以实现对触发角的动态控制，从而控制了直流侧两路电流的平均值，使电流更均匀，保证了两绕组的利用率。4、总结与体会（5分）总结仿真中遇到的问题，以及对本门课程的心得体会等。答： 我认为计算机仿真是一门非常实用的课程，我们学习计算机仿真的同时，正好也同时 在学习电力电力课程， 最直接的收益就是， 做
29、完了计算机仿真， 对电力电子技术的理解就加深了，理解起来也更加容易了。计算机仿真最重要的事情， 就是一定要亲自动手去做。 这些仿真模型的建立、 参数的设定、波形的分析能力，都是需要亲自去搭建、去设置、去计算才能学会的，平时不努力，只靠拷贝别人的仿真结果， 是不可能学会、 学好学一门课程的， 最重要的学不会这样一个实用的、对以后都有帮助的仿真技术。仿真的过程中， 总是遇到各种各样的问题。 就拿大作业来说， 刚开始仿真显示的平均值总是不对， 和理论计算的结果总是有很大差距， 我抱着电力电子课本研究了一下午， 也找不出来问题。 最后终于发现， 是平均值的模块 In mean 选择错误， 应该选择 Discrete 离散模块。使用离散模型后，结果就准确的显示了出来。 有时候遇到问题，而老师不在身边， 我也会利用百度等工具，更加深入的了解simulink 的一些仿真功能，完成所需的仿真。最后感谢老师对我们耐心的指导， 除了上课之外， 在周三下午答疑时会耐心的在机房给我们解答问题，使我们可以快速准确的完成仿真。我相信学习的这门技术， 一定会陪伴我走很远， 在我以后的学习工作中， 一定会经常和它见面的。这门课学的很开心，也很有意思。再次谢谢老师的指导。