2.SimPower仿真工具箱及其应用

SimPowerSystem仿真工具箱及其应用SimPowerSystem工具箱简介相控整流电路的Simulink仿真直流电机PWM调速系统的Matlab/Simulink仿真直流电机PWM调速系统的基本工作原理基于SimPowerSystem的直流电机PWM调速系统仿真器件建模/系统建模中若干问题的仿真验证电力电子系统Matlab/Simulink仿真时需注意的问题总结目录2/50SimPower（全称为SimPowerSystems）是Simulink中专门用于电力电子系统仿真的工具箱。与Pspice和Saber等仿真软件进行电路级别的仿真分析不同，SimPower中的模型更加关注器件的外特性，易于与控制系统相连接。SimPowerSystem工具箱简介3/50一个具体实例：SimPowerSystem工具箱简介d1dd11dLooLoisEutLLuiutCRCSimPowerSystem仿真模型数学模型iSiiOLiiBuckDC/DC变换器的电路模型4/50利用基本电气/电子元器件，根据电力电子系统的拓扑结构，建立仿真模型。具有电源、电力电子器件、RLC、电机、变压器、传输线、PWM信号生成、测试、FACTS和HVDC等基本/扩展模型。使用Simulink强有力的变步长解算器和零点穿越检测功能，可提供高度精确的电力电子系统仿真结果。提供Powergui交互式模块，便于电力电子系统仿真分析。提供大量演示模型（Demo），可直接仿真运行和案例学习。SimPowerSystem工具箱简介SimPower工具箱的特点：5/50SimPowerSystem工具箱简介ElectricalSources(电源)——交流/直流电源、可控源、电池等。SimPower工具箱中的模型库：6/50SimPowerSystem工具箱简介Elements(元件)——变压器、断路器、RLC支路、传输线等。SimPower工具箱中的模型库：7/508/44SimPowerSystem工具箱简介Machines(电机)——直流/异步/同步/步进/开关磁阻电机等。SimPower工具箱中的模型库：SimPowerSystem工具箱简介Measurements(测量)——单相（三相）电压/电流、阻抗测量。SimPower工具箱中的模型库：9/5010/44SimPowerSystem工具箱简介PowerElectronics(电力电子)——二极管/SCR/GTO/IGBT等。SimPower工具箱中的模型库：11/44SimPowerSystem工具箱简介ApplicationLibraries——风力发电/电力传动/FACTS/HVDC等。SimPower工具箱中的模型库：SimPowerSystem工具箱简介ExtraLibrary——滤波器、锁相环、PWM发生、坐标变换等。SimPower工具箱中的模型库：SimPowerSystem工具箱简介相控整流电路的Simulink仿真直流电机PWM调速系统的Matlab/Simulink仿真直流电机PWM调速系统的基本工作原理基于SimPowerSystem的直流电机PWM调速系统仿真器件建模/系统建模中若干问题的仿真验证电力电子系统Matlab/Simulink仿真时需注意的问题总结目录13/50点此图标后，进入Simulink仿真环境相控整流电路的Simulink仿真启动Simulink后，即进入Simulink模块库，如左图所示。以目录结构显示了多种模块库名称（因软件版本的不同，库的数量及其细节可能有所不同）。对电力电子系统的仿真，除需要使用Simulink中的基本模块库外，用到的主要元件模型集中在SimPowerSystems中（有的Matlab版本，其包含在“Simscape模块库下”）。电力电子系统仿真常用的两个模块库隐藏于此相控整流电路的Simulink仿真TVTRu1u2uVTudid单相半波可控整流电路晶闸管模块√Simulink仿真模型相控整流电路的Simulink仿真TVTRu1u2uVTudid单相半波可控整流电路电源模块Simulink仿真模型相控整流电路的Simulink仿真信号幅值初相角,a相0度，b相-120度，c相120度默认值为60Hz，需改为50HzTVTRu1u2uVTudid单相半波可控整流电路RLC模块视需要选择类型不建议选择此模块：Simulink仿真模型相控整流电路的Simulink仿真TVTRu1u2uVTudid单相半波可控整流电路电压、电流测量模块Simulink仿真模型相控整流电路的Simulink仿真TVTRu1u2uVTudid单相半波可控整流电路触发脉冲生成模块Simulink仿真模型相控整流电路的Simulink仿真单位为秒，非角度或弧度触发信号脉冲宽度需改为电源周期：0.02sTVTRu1u2uVTudid单相半波可控整流电路示波器模块Simulink仿真模型相控整流电路的Simulink仿真相控整流电路的Simulink仿真TVTRu1u2uVTudid单相半波可控整流电路信号汇总模块（两种实现形式）Simulink仿真模型相控整流电路的Simulink仿真注意：要使用原始模块名称搜索：找不到的模块，可在此处搜索。而不要用修改后的用户个人定义的名称搜索：相控整流电路的Simulink仿真TVTRu1u2uVTudid在此位置设置仿真运行时间点此按钮，启动仿真仿真解算器(数值积分方法)观察仿真结果相控整流电路的Simulink仿真TVTRu1u2uVTudid触发角=45度时，单相半波可控整流电路的仿真波形（电阻负载）SimPowerSystem工具箱简介相控整流电路的Simulink仿真直流电机PWM调速系统的Matlab/Simulink仿真直流电机PWM调速系统的基本工作原理基于SimPowerSystem的直流电机PWM调速系统仿真器件建模/系统建模中若干问题的仿真验证电力电子系统Matlab/Simulink仿真时需注意的问题总结目录26/50直流电机PWM调速系统的基本工作原理eKIRUn直流电动机的调速方法：调节电枢供电电压U；减弱励磁磁通；改变电枢回路电阻R。晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）直流电机PWM调速系统的基本工作原理自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制（PWM）的高频开关控制方式形成的“PWM变换器-直流电动机调速系统”，简称直流电机PWM调速系统。直流电机PWM调速系统：用PWM调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。基本原理：原理图电压波形图ssondUUTtU28/50直流电机PWM调速系统的基本工作原理可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是“H桥结构”。这时，电动机两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，最常用的是双极式控制方式。Ug4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT32ABVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4134+Us29/50直流电机PWM调速系统的基本工作原理U,iUdid+UsttonT0-Us正向电动运行波形U,iUdid+UsttonT0-Us反向电动运行波形sonsonsond)12(UTtUTtTUTtUPWM变换器（双极式控制）的平均输出电压为：30/50直流电机PWM调速系统的结构图：参考文献：1.王兆安,刘进军.电力电子技术(第5版)[M].机械工业出版社,2009.2.阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统(第4版)[M].机械工业出版社，2010.直流电机PWM调速系统的基本工作原理二极管不控整流电路直流电机PWM调速系统31/50直流电机PWM调速系统的SimPower仿真模型(开环)：直流电机PWM调速系统的SimPower仿真二极管不控整流电路的模型直流电机PWM调速系统的模型D=0.5Ui_peak=220VACUdc=220VDCUo_avg=110VDC32/50仿真实验结果：直流电机PWM调速系统的SimPower仿真Ui_peak=220VACUdc=220VDCUo_avg=110VDC电机转速（rad/s）励磁电流（A）电枢电流（A）电磁转矩(Nm)直流电机电枢电压器件建模的知识回顾与仿真验证通态电阻Ron通态电感Lon正向压降Vf下降时间Tf拖尾时间Tt初始电流Ic缓冲电阻Rs缓冲电容Cs绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的SimPowerSystem仿真模型：模型符号仿真模型内部结构图器件建模的知识回顾与仿真验证gsCgdCdsjCbRmosIebEcerC伏安特性——静态特性IGBT的SimPower模型较精确的器件模型35/50器件建模的知识回顾与仿真验证实际的IGBT开关特性SimPowerSystem中的IGBT模型及其关断特性需要精确的器件级建模0.50.5050.510.5150.520.5250.53-100-50050100voltage(V)0.50.5050.510.5150.520.5250.53-20-1001020time(s)current(A)系统建模的知识回顾与仿真验证0.100.120.140.160.18-400-300-200-1000100200300400-40-30-20-10010203040voltage(V)time(s)current(A)Ecic二极管不控整流电路波形PWM整流器波形37/50SimPowerSystem工具箱简介相控整流电路的Simulink仿真直流电机PWM调速系统的Matlab/Simulink仿真直流电机PWM调速系统的基本工作原理基于SimPowerSystem的直流电机PWM调速系统仿真器件建模/系统建模中若干问题的仿真验证电力电子系统Matlab/Simulink仿真时需注意的问题总结目录38/50引言电力电子仿真的特殊性与困难性：电力半导体器件工作在开关状态；强非线性时变电路，参数和结构都是时变的；模拟量、数字量、离散量并存，表现为混杂特性；主电路与控制电路并存；参数相差多个数量级，变量值相差多个数量级；时间常数相差多个数量级，称为刚性系统或病态系统；有时需要考虑杂散参数影响，具有很大的系统不确定性；通常还要驱动机械系统，形成复杂的机电系统(如倒立摆)。39/50仿真运行后，系统报如下错误：电力电子系统仿真时需注意的问题解决方法：手动添加“Powergui模块”。对于部分Matlab版本，仿真运行后，系统可自动添加该模块；对于另一部分Matlab版本，需要手动自行添加，否则报错。仿真运行后只显示后半部分波形电力电子系统仿真时需注意的问题解决方法：取消示波器“只显示后5000个点数据”的默认设置。仿真解算器一般采用ode23s，ode23t，ode23tb等算法（默认算法为ode45），其针对刚性系统可获得较满意的仿真速度和精度。电力电子系统的仿真速度一般较慢。电力电子系统仿真时需注意的问题电力电子系统仿真时需注意的问题“Powergui模块”（Powergraphicaluserinterface）在电力电子系统仿真中具有重要作用。其解算器具有“Continuous”、“Discrete”和“Phasor”三种类型，一般需选择“Discrete”（默认“Continuous”）。√电力电子系统仿真时需注意的问题“Powergui模块”中的“FFTAnalysis”功能是最重要的一项功能（以柱状图/列表形式，对谐波分析和显示）。√电力电子系统仿真时需注意的问题“强电信号”与“弱电信号”不能直接相连，需使用“测量元件”作为接口模块。Simpow