【编辑推荐】
本书介绍基于MATLAB的电力电子技术和交直流调速系统仿真，在适当阐述工作原理基础上，重点介绍系统的仿真模型建立方法和仿真结果分析。本书具有以下特点：
（1） 内容新颖独特，将电力电子技术、交直流调速系统与MATLAB仿真有机结合。
（2） 运用MATLAB的Simulink和Power System工具箱，以及面向系统电气原理结构图的仿真方法，实现建模与仿真。
（3） 提供了大量应用实例并给出仿真结果，通过测量模块验证理论的正确性和仿真的优良性。
（4） 深刻理解MATLAB库中仿真模块工作原理，对仿真效果不佳的模块进行改造和结果验证。
（5） 对于MATLAB仿真中可能遇到的问题，进行深入讲解与分析，并提出更优的解决方案。
【内容简介】
采用MATLAB R2014a版本，此版本和后来发布的版本基本相同，但和以前发布的版本，在某些仿真模块上差别较大，为了适应读者的需求，特地采用此版本，并对老版本中某些重要的仿真模型依然保留，满足不同读者需求、以MATLAB的工具箱，面向系统电气原理结构图的仿真方法，实现了电力电子和交直流调速系统仿真，着重介绍了系统的建模方法和技巧，给出了仿真结果，并通过测量模块对仿真结果进行了定量分析，通过仿真结果证明理论的正确性以及仿真的优良性。适合高年级本科生，研究生，高校教师以及工程技术人员参考。
【作者简介】
陈中，盐城工学院教师，连续多年指导学生进行毕业设计以及学科竞赛，拥有丰富教学、实践经验，已出版《基于MSP430单片机的控制系统设计》《基于AVR单片机的控制系统设计》等五部著作。
【目录】
目录
第1章MATLAB简介与基本操作
1.1MATLAB简介
1.2Simulink/SimPowerSystems模型窗口
1.2.1Simulink的工作环境
1.2.2模型窗口工具栏
1.3有关模块的基本操作及仿真步骤
1.4测量模块及显示和记录模块的使用
1.5建立子系统和系统模型的封装
1.6模块的修改
1.7新版本中查找旧版本模块
1.8Simulink模型库中的模块
1.9SimPowerSystems模型库浏览
1.10仿真算法介绍
1.11S函数的编写
第2章电力电子整流电路仿真
2.1电力电子仿真常用的测量模块简介
2.2单相桥式整流电路仿真
2.2.1单相全控桥式整流电路的仿真
2.2.2单相半控桥式整流电路的仿真
2.3三相半波可控整流电路仿真
2.3.1三相半波可控整流电路接阻感性负载仿真
2.3.2三相半波可控整流电路接反电动势负载仿真
2.3.3考虑交流电源存在电感三相不可控整流电路仿真
2.3.4考虑交流电源侧存在电感的三相半波可控整流电路仿真
2.4三相桥式全控整流电路仿真
2.5三相半控桥式整流电路仿真
第3章电力电子有源逆变仿真
3.1半波可控整流电路接电动势性负载仿真
3.2考虑交流电源存在电感的有源逆变仿真
3.3三相全控桥式电路有源逆变工作状态仿真
3.4整流电路的电流畸变系数和有功功率测量的仿真
第4章电力电子无源逆变仿真
4.1负载换流逆变器仿真
4.1.1RLC串联谐振逆变器仿真
4.1.2并联谐振逆变器仿真
4.2强迫换流电压型逆变器仿真
4.2.1单相桥式串联电感式逆变器仿真
4.2.2三相串联电感式逆变电路仿真
4.2.3串联二极管式逆变器仿真
4.2.4具有辅助换流晶闸管逆变器仿真
4.3强迫换流电流型逆变器仿真
4.4全控型电力电子电压型逆变器仿真
4.4.1单相全桥逆变器仿真
4.4.2三相电压型逆变器仿真
4.5多重逆变电路仿真
4.5.1二重单相电压型逆变电路仿真
4.5.2三相电压型逆变器多重化仿真
4.6正弦波脉宽逆变器仿真
4.7跟踪型PWM控制技术仿真
4.7.1单相半桥式跟踪PWM逆变器仿真
4.7.2三相桥式跟踪PWM逆变器仿真
第5章交流调压和直流变换仿真
5.1交流调压仿真
5.1.1单相交流调压仿真
5.1.2三相交流调压仿真
5.2直流变换器仿真
5.2.1降压式斩波器仿真
5.2.2升压式斩波器仿真
5.2.3升/降压式斩波器仿真
5.3输入与输出隔离的直流变换器仿真
5.3.1单端反激式电路仿真
5.3.2单端正激式变换电路仿真
5.3.3推挽式直流变换电路仿真
5.3.4半桥式直流变换电路仿真
5.3.5全桥式直流变换电路仿真
5.4直流变换器闭环仿真
第6章直流调速系统仿真
6.1单闭环直流调速系统的仿真
6.1.1晶闸管直流电动机开环调速系统的仿真
6.1.2单闭环有静差转速负反馈调速系统的建模与仿真
6.1.3单闭环无静差转速负反馈调速系统的建模与仿真
6.1.4单闭环电流截止转速负反馈调速系统的建模与仿真
6.1.5单闭环电压负反馈调速系统的建模与仿真
6.1.6单闭环电压负反馈和带电流正反馈调速系统的建模与仿真
6.1.7单闭环转速负反馈调速系统定量仿真
6.2双闭环及PWM直流调速系统仿真
6.2.1转速、电流双闭环直流调速系统定量仿真
6.2.2转速超调的抑制——转速微分负反馈仿真
6.2.3α=β配合控制调速系统仿真
6.2.4逻辑无环流可逆直流调速系统仿真
6.2.5PWM直流调速系统仿真
第7章交流调速系统的MATLAB仿真
7.1交流调速系统仿真中常用模块简介
7.2单闭环交流调压调速系统的建模与仿真
7.2.1调压调速的基本工作原理
7.2.2调压调速的建模与仿真
7.3变频调速系统的建模与仿真
7.3.1SPWM内置波调速系统仿真
7.3.2SPWM外置波调速系统仿真
7.4电流滞环跟踪控制调速系统仿真
7.5电压空间矢量调速系统的建模与仿真
7.5.1电压空间矢量控制技术
7.5.2电压空间矢量控制技术仿真
7.6转速开环恒压频比的交流调速系统仿真
7.7转差频率改进方案的仿真
7.8转速、磁链闭环控制的矢量控制系统仿真
7.8.1矢量控制系统的基本思路
7.8.2按转子磁链定向矢量控制方案
7.8.3转速、磁链闭环矢量控制系统仿真
7.9定子磁链定向控制直接转矩控制系统仿真
7.9.1按定子磁链定向控制直接转矩控制系统的工作原理
7.9.2按定子磁链定向控制直接转矩控制系统仿真
7.10绕线转子异步电动机双馈调速系统仿真
7.10.1绕线转子异步电动机串级调速原理
7.10.2绕线转子异步电动机串级调速仿真
参考文献
【前言】
前言
《基于MATLAB的电力电子技术和交直流调速系统仿真》第1版已经出版接近5年了，受到了读者的好评，并被部分高校选为教材。随着MATLAB新版本的不断推出，当初采用的版本MATLAB 6.5.1已不符合潮流，故用MATLAB R2014a版本重新编写。
MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两部分。MATLAB是Matrix Laboratory的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、FORTRAN）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
基于框图仿真平台的Simulink是在1993年发行的，它是以MATLAB强大计算功能为基础，以直观的模块框图进行仿真和计算的。Simulink提供了各种仿真工具，尤其是它不断扩展的、内容丰富的模块库，为系统仿真提供了极大的便利。在Simulink平台上，通过拖曳和连接典型的模块就可以绘制仿真对象的框图，对模型进行仿真。在Simulink平台上，仿真模型可读性强，避免了在MATLAB窗口中使用MATLAB命令和函数仿真时需要熟悉记忆大量函数的问题。
Simulink环境下的电力系统模块库（PowerSystem Blockset）是由加拿大HydroQuebec和TESCIM Internation公司共同开发的，其功能非常强大，可用于电路、电力电子系统、电动机控制系统、电力传输系统等领域的仿真。
MATLAB软件更新很快，几乎每隔一段时间就有新版本推出，但从笔者个人实践中来看，MATLAB版本差别为： MATLAB 6.5版本和MATLAB 6.5.1版本相比，前者不分控制信号和主电路信号，MATLAB 7.0版本和MATLAB 6.5.1版本相比，前者多了Powergui模块； 而MATLAB R2014a版本与以前版本有较大差异，但与MATLAB R2018b版本相差不大。两者之间除了一些无关紧要的模块(如示波器模块)、模块名的设置稍有不同外，其他的操作方法和仿真模块基本上没有区别，就电力电子和交直流调速仿真而言，笔者更倾向于采用MATLAB 6.5.1版本，但其缺点是只能在Windows XP操作系统上运行，检测多次谐波比较烦琐。所以本书使用MATLAB R2014a版本。
本书依然保留了之前版本的一些重要仿真模型，而且如果读者使用的是MATLAB其他版本而达不到书中效果，可以在仿真模型基础上适当修改参数和算法。特此说明。
本书主要基于顾春雷副教授和笔者编著的《电力拖动自动控制系统与MATLAB仿真》进行扩展，增加了一部分内容，并修正了某些错误，电力电子部分主要以冷增祥、徐以荣编著的《电力电子技术基础》为蓝本，交直流调速部分主要以陈伯时编著的《电力拖动自动控制系统》为蓝本，开关电源部分主要以阚加荣编著的《开关电源及技术》为蓝本进行仿真，在此向顾春雷、冷增祥、徐以荣、陈伯时、阚加荣等人表示衷心感谢。
本书共分为7章： 第1章介绍MATLAB简介与基本操作，内容包括Simulink和Sim PowerSystems模型库中的各模块的含义，以及一些基本操作，如模块的修改、示波器的设置等； 第2章介绍电力电子整流电路仿真，包括不同类型整流电路带不同负载时的仿真模型和仿真结果分析； 第3章介绍电力电子有源逆变仿真，介绍不同类型整流电路有源逆变的仿真模型和仿真结果； 第4章介绍电力电子无源逆变仿真，包括晶闸管逆变和全控器件逆变； 第5章介绍交流调压和直流变换仿真； 第6章介绍直流调速系统仿真，重点是调节器参数和电动机参数的确定； 第7章介绍交流调速系统的MATLAB仿真，包括交流调速系统仿真模型的建立和仿真结果分析。
本书编写过程中得到了盐城工学院电气学院各位领导以及同事的大力支持和帮助，特别是陈冲副教授、阚加荣副教授，安徽徽电科技股份有限公司朱代忠工程师也给予了很大帮助，在此向他们表示衷心感谢。
由于笔者水平有限，书中可能有许多不足之处，欢迎读者批评指正。
谨以此书献给我的亲朋好友！
陈中
2019年8月
【免费在线读】
第3章电力电子有源逆变仿真
在电力电子技术中，把交流电变换成直流电称为整流，而把直流电变换成交流电称为逆变。逆变又分为有源逆变和无源逆变两类，所谓有源逆变，交流侧是供电电源，就是该交流电与交流电网相连，将直流电逆变成与交流电网同频率的交流电输送给电网，例如可控整流电路供给直流电动机负载时，当电动机处于制动或发电状态，则这种逆变称为有源逆变。而无源逆变是指交流侧是具体的用电设备，逆变输出的交流电与电网无联系，交流电仅供给具体用电设备，这种逆变称为无源逆变。全控整流电路既能工作在整流方式，又能工作在有源逆变方式，即电路在一定条件下，电能从AC→DC，在另外条件下，电能又可以从DC→AC，现在讨论有源逆变的仿真。
由于晶闸管只能单向导电，无论变流器运行在整流状态还是工作在逆变状态，其电路的电流方向是不可能改变的，要使负载侧反过来通过变流器向交流电源供电而且电流流向保持不变，则在负载侧必须存在一个直流电源，这个电源可以是电池，也可以是直流发电机或直流电动机工作在发电机状态或制动状态，这个电源的极性与整流电压极性相反，这样，欲使负载中直流电源的能量返回到交流电源中，则要求变流器能产生一个与原整流电压极性相反的电压，称为逆变电压，且
Udβ<E(31)
式中，Udβ为逆变电压的平均值。由于希望在能量交换中能量损失尽可能地小，因此回路的电阻R均较小，这样Udβ较接近于E。
通过以上分析可知，有源逆变产生的条件是负载存在一个直流电源E，由它提供能量，其电动势与变流器的整流电压相反，对晶闸管为正向偏置电压； 变流器在其直流侧输出应有一个与原整流电压极性相反的逆变电压Udβ，其平均值Udβ<E，以吸收能量，并将其能量返回给交流电源。
3.1半波可控整流电路接电动势性负载仿真
半波可控整流电路接电动势性负载的仿真模型如图31所示。
图31半波可控整流电路接电动势性负载的仿真模型
1. 主电路建模和参数设置
主电路主要有交流电源、3个单独晶闸管、阻感性负载和直流电源组成，交流电源A的参数设置： 峰值电压为220V，相位为0°，频率为50Hz； 其他两相B、C除了相位相差120°外，其余参数设置与A相相同； 单个晶闸管的参数为默认值。
阻感性负载参数设置： 电阻为10Ω，电感为1H，直流电源模块为DC Voltage Source，其参数为200V，注意其电源极性是左负右正。
2. 单相桥式整流电路控制电路的仿真模型
单相桥式整流电路控制电路的仿真模型主要有3个脉冲触发器组成,Pulse Generator分别通向VT1、VT2、VT3 3个晶闸管，参数设置为： 峰值为1，周期为0.02s，脉冲宽度为10，相位延迟时间由触发延迟角决定，如表21所示。
仿真算法采用ode15s，仿真时间为1s，仿真结果如图32所示。
图32半波可控整流电路接电动势性负载的仿真结果
从仿真结果可以看出，当触发延迟角为α=30°时，晶闸管输出电压与式(224)相同，其平均电压值为157.64V，整流电路输出电压公式为
Ud=Ud0cosα=E IdR(32)
Ud0为α=0°时电路的*输出平均值。为了求出Ud0，把α=0°进行仿真，得到Ud0=181V，又α=30°，根据式(32)得到Ud=156V，与图32仿真结果相同。
当触发延迟角为α=120°，α=150°时，晶闸管输出电压为电源负半周，由于存在一个与原来整流电压极性相反的电源E，逆变将产生，平均电压值公式为
Udβ=Ud0cosα，90°<α<180°(33)
将Ud0=181V，α=120°，α=150°代入式(33)得Udβ=-90.5V，Udβ=-156.75V。而从仿真结果(见图32)可以看出，当α=120°，α=150°时，逆变平均电压为-91.8V、-158.1V。
事实上，对于三相半波可控整流电路，如果α>90°，且负载端不存在与其整流电压极性相反的电源，则输出平均电压恒为零，而且输出波形不可能连续，见图246。
上面仿真是采用分立式脉冲，下面也可以用现成的模块Universal Bridge进行三相半波可控整流电路有源逆变仿真，仿真模型如图33所示。
负载参数保持不变，整流桥参数为默认值,仿真结果如图34所示。
可以看出仿真结果和前面相同。
图33三相半波可控整流电路有源逆变仿真模型
图34三相半波可控整流电路有源逆变仿真结果
图34(续)
3.2考虑交流电源存在电感的有源逆变仿真
在前面分析整流电路时，没有考虑电源侧电感的影响，认为换相是瞬时完成的。实际的交流供电电源，总存在电源阻抗，如电源变压器的漏电感、导线铜电阻以及为了限制短路电流加上交流进线电抗等，当存在电抗时，在电源相线中的电流不可能突变，换流时原来导通相电流衰减到零需要一段时间，而导通电流相电流的上升时间也需要一段时间，即电路的换流有一段换流时间。由于交流侧的感抗比它的电阻大很多，为了突出感抗的影响，把电阻忽略。考虑交流电源存在电感时三相半波可控整流电路逆变仿真模型如图35所示。
图35考虑交流电源存在电感时三相半波可控整流电路有源逆变仿真模型
从图35可以看出，其仿真模型与图31基本相同，只不过在电源侧加了电感，电感取值为0.01H,电阻为10Ω，电感为1H，α=120°,仿真算法采用ode15s，仿真时间为1s，仿真结果如图36所示。
图36考虑交流电源存在电感时三相半波可控整流电路有源逆变仿真结果
从图36可以看出，当考虑电源侧存在电感时，其输出的瞬时电压存在换流重叠角现象。
现把X轴放大，可以看出换流重叠角为λ=0.00032s，转换为γ=5.76°，将α=120°也即β=60°代入式(34)，即
Udβγ=-364πU2［cosβ cos(β-γ)］(34)
得Udβγ=-98.7V，而仿真结果为Udβγ=-99.2V。
用现成的模块Universal Bridge进行三相半波可控整流电路逆变仿真模型仿真，仿真模型如图37所示，整流桥参数为默认值，其他参数保持不变。
图37考虑交流电源存在电感时三相半波可控整流电路有源逆变仿真模型
仿真结果如图38所示。
图38考虑交流电源存在电感时三相半波可控整流电路有源逆变仿真结果
为了进一步观测考虑交流电源存在电感时三相半波可控整流电路逆变仿真情况，现把负载换成直流电动机，观测晶闸管逆变的负载两端波形，电源侧电感为0.01H,平波电抗器为0.001H，仿真模型如图39所示。
图39考虑交流电源存在电感时三相半波可控整流电路带电动机逆变仿真模型
