MATLAB 在电力电子和运动控制系统实验教学中的应用1 引言
电力电子技术和运动控制系统综合了电子电路、电机拖动、自动控制理论、微机原理与应用等多学科知识,是综合性、实践性和应用性很强的课程。由于电力电子器件自身的开关非线性,给电路和系统的分析带来一定的困难,一般常用波形分析和分段线性处理的方法来研究电力电子电路。现代计算机仿真技术为电力电子电路和系统的分析提供了崭新的方法,可以使复杂的电力电子电路、系统的分析和设计更加容易和有效,也是学习电力电子技术和运动控制系统的重要手段。Matlab 仿真软件是实现这一手段的重要软件,用户只要将所需的功能模块从工具箱拖入工作窗口,连线及设置参数,就很容易构建出所需的模型并对其进行分析。
Matlab6. 5 版本中的电力系统工具箱( Power SystemBlockset 具有强大的功能,这给电力电子电路和系统仿真带来了很多方便。
2 电力系统工具箱简介
电力系统工具箱以Simulink 为运行环境,包括了电路、电力电子、机等电气工程学科中常用的元件模型,这些元件模型分布在以下7 个块库中。
电源模块库( Electrical Sources :包括交流、直流及可控的电压源和流源。 连接模块库(Connectors :包括地线、中性点、连接点等。
元件模块库( Elements :包括各种常用的电器和电路元件的模型,如阻、电容、变压器、电感和开关等。
电机模块库(Machines :交流、直流等各种电机模块。 测量模块库(Measurements : 包括电流、电压等测量模块。
电力电子模块库( Power Electronics :包括二极管、晶闸管、GTOMOSFET、IGBT 等电力电子器件。还有多功能桥,它可设定成电力电子器件的单臂、双臂和三臂桥。
附加模块库( Extra library :主要有①控制模块子集:内有6 种驱动块和信号 模块。②离散测量模块子集:提供了13 种离散化的测量模块③离散控制模块子集:提供了离散PI、PID 控制器,离散PWM 发生器和二阶滤波器等15 种离散化的控制模块。④测量模块子集:提供了8 种测量模块。⑤三相模块库子集:提供了18 种三相元气件模块。
3 电路仿真实例
以下采用Matlab 仿真方式来说明通过“电力电子技术”和“运动控制系统”两门专业课的2 个传统实验。和传统的硬件实验对比,此实验方法有很大优越性。
3. 1 三相桥式全控整流电路
三相桥式全控整流电路主电路由三相对称交流电压源、晶闸管整流桥、RLC 负载等部分组成。由于同步脉冲触发器与晶闸管整流桥是不可分割的两个环节,可看成一个组合体,将同步脉冲触发器归到主电路进行建模。三相桥式全控整流电路的仿真模型如图1 所示。
3. 1. 1 模型参数设置
三相对称交流电压源参数设置:三相对称交流电压源的幅值设为220V ,频率为 50Hz ,相位分别为0°、- 120°、-240°。三相晶闸管整流桥参数设置:使用默认值。
RLC 负载参数设置: R 的值为5Ω,L 的值为0. 01 ,C 的值为inf 。同步脉冲触发器设置:频率为50Hz ,脉冲宽度为1°,选择双脉冲触发方式。
触发角设定:给定Uct 设置为60°。
以上为电阻电感负载情况下的参数设定。若为纯电阻负载,只需将载RLC 参数中的L 值修改为0 ,其它参数设置不变。
3. 1. 2 仿真结果
当建模和参数设置完成后,即可开始进行仿真。仿真时间设为0. 05s ,数值算法采用ode15。图2 为电阻电感负载情况下的输出电流id 和输出电压ud 的仿真波形。
3. 2 转速负反馈单环直流调速系统电路
系统的建模包括主电路的建模和控制电路的建模两部分,其仿真模型如图3 所示。
3. 2. 1 主电路模型的参数设置
主电路由三相对称交流电压源、晶闸管整流桥、平波电器、直流电机等组成。其参数设置如下:
三相对称交流电压源、晶闸管整流桥、同步脉冲触发器的参数设置与三相桥式全控整流电路设置基本相同。
平波电抗器的参数设置:R 的值为0 ,L 的值为0. 1H ,C的值为inf 。 直流电机的参数设置:将励磁电压设置为220V ,其它为默认值。 3. 2. 2 控制电路模型的参数设置
控制电路由给定信号、速度调节器、限幅器、偏置信号、反相器和速度反馈等组成。其参数设置如下:
给定信号参数设置:设置为120rad/ s。
速度调节器参数设置:速度调节器采用比例调节器,系数选择为10 。 限幅器参数设置:上、下限幅值为[130 ,0 ] 。 偏置信号参数设置: - 180rad/ s。
3. 2. 3 仿真结果
图4 为转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩仿真波形。可以看出,这个结果和实际电机运行的结果相似,系统的建
结果分析,采用Matlab 仿真的方法与传统的硬件实验相比较,其仿真结果的 可信度高,不受空间、时间和物质条件的限制,并且可调动学生的积极性和激发学生的创造灵感。
4 结束语
将Matlab 仿真实验引入“电力电子技术”和“运动控制系统”教学,运用Matlab/ Simulink和Power System 工具箱进行建模和仿真时,学生不需自己编程和推导系统的动态数学模型,只需从工具箱的元件库
中复制所需的电气元件,按电气系统进行连接。系统的建模过程接近实际电路设计过程,元件库中的电气元件能较全面反映实际元件的电气特性。其仿真图形逼真、直观易懂和改变参数容易,既不担心元器件损坏,也没有任何危险,学生完全可以在无人指导的情况下、在计算机上自行完成电路仿真实验。在此基础上,再进行适当的真实性实验,则会收到理想的实验效果。
参考文献
[1 ] 周渊深. 交直流调速系统与MATLAB 仿真[M] . 北京: 中国电力出版社,2003. [2 ] 王兆安,等. 电力电子技术[M] . 北京:机械工业出版社, 2002. [3 ] 刘文良,等. MATLAB 在电力电子技术仿真中的应用 [J ] . 电气自动化,2001 (3 :53-54
图1 三相桥式全控整流电路仿真模型
图2 电阻电感负载时输出电流id和输出电压ud 的仿真波形
图3 转速负反馈单环直流调速系统仿真模型
图4 转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩仿真波形
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