工廠供電系統(tǒng)仿真——三相半橋仿真和諧波分析【畢業(yè)設計+開題報告+文獻綜述】

1、<p>　　本科畢業(yè)設計(論文)</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　工廠供電系統(tǒng)仿真——三相半橋仿真和諧波分析</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程及其自動化 <

2、;/p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>

3、;　　隨著生產力的不斷發(fā)展，人們對電能質量的要求越來越高，而同時由電力電子裝置帶來的諧波問題危害著電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經濟運行。本文通過對三相半橋可控整流電路帶直流電動機負載仿真來模擬工廠供電系統(tǒng)，設好電動機的參數和供電電源的參數。在仿真的基礎上，對仿真波形進行諧波分析，利用快速傅里葉計算出各諧波參數，并與國家標準作比較。最后設計一個簡單的GUI，用戶只需點擊鼠標就能清楚知道各個數據。</p><p>　　關鍵

4、詞：仿真，傅里葉計算，GUI</p><p>　　Electric power system simulation</p><p>　　——three-phase half-bridge rectifier circuit and harmonic analysis</p><p><b>　　Abstract</b></p>&

5、lt;p>　　With the development of prolificacy, people have become increasingly demanding power quality, while the harmonic problems which resulted from power electronic devices will endanger the power system security, st

6、ability and the economy operations. Based on simulation of the three-phase half-bridge rectifier circuit with DC motor load, after setting the parameters of DC motor load and power supply .On the basis of simulation, har

7、monic analysis of the simulation waveform, use Fourier to calculate th</p><p>　　Key Words : Simulation, Fourier, GUI</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要…………………………………………………

8、………………………………Ⅲ</p><p>　　Abstract……………………………………………………………………………Ⅳ</p><p>　　引言…………………………………………………………………………………1</p><p>　　1 緒論………………………………………………………………………………2</p><p>　　1.1 電力系統(tǒng)

9、諧波…………………………………………………………….2</p><p>　　1.1.1 諧波的基本概念……………………………………………………2</p><p>　　1.1.2 電力系統(tǒng)諧波產生的原因…………………………………………3</p><p>　　1.1.3 國家諧波標準………………………………………………………3</p><p>　

10、　2 MATLAB電力系統(tǒng)仿真簡介…………………………………………………….4</p><p>　　2.1 MATLAB的特點……………………………………………………………4</p><p>　　2.2 Simulink 工具箱…………………………………………………………5</p><p>　　2.3 SimPowerSystems電力系統(tǒng)模塊庫…………………………

11、…………..5</p><p>　　3 三相半橋可控整流電路的仿真…………………………………………………6</p><p>　　3.1 三相半橋可控整流電路簡介…………………………………………….6</p><p>　　3.2 整流電路對電網影響分析……………………………………………….6</p><p>　　3.3 實驗仿真……………………

12、…………………………………………….7</p><p>　　3.3.1 系統(tǒng)的建模和模型參數設置………………………………………7</p><p>　　3.3.1.1 主電路的建模和參數仿真………………………………….7</p><p>　　3.3.1.2 控制電路的建模和參數仿真……………………………….14</p><p>　　3.3.2

13、系統(tǒng)的仿真參數設置………………………………………………14</p><p>　　3.3.3 系統(tǒng)的仿真、仿真結果的輸出及結果分析………………………15</p><p>　　3.4 小結……………………………………………………………………….18</p><p>　　4 傅里葉分析……………………………………………………………………..19</p>&l

14、t;p>　　4.1 離散傅里葉諧波分析原理……………………………………………….19</p><p>　　4.2 采集數據………………………………………………………………….20</p><p>　　4.3 傅里葉分析……………………………………………………………….21</p><p>　　4.4 供電質量分析…………………………………………………………….

15、22</p><p>　　4.5 小結……………………………………………………………………….24</p><p>　　5 GUI設計………………………………………………………………………….24</p><p>　　5.1 GUI設計…………………………………………………………………..24</p><p>　　5.1.1 GUI設計原則…

16、…………………………………………………….24</p><p>　　5.1.2 設計禁忌……………………………………………………………25</p><p>　　5.1.3 設計步驟…………………………………………………………..25</p><p>　　5.2 GUI實現(xiàn)…………………………………………………………………..26</p><p&g

17、t;　　5.2.1 組件的布局…………………………………………………………26</p><p>　　5.2.2 屬性的編輯………………………………………………………..26</p><p>　　5.2.3 回調函數…………………………………………………………..26</p><p>　　5.3 使用GUIDE創(chuàng)建GUI對象……………………………………………….26&

18、lt;/p><p>　　5.3.1 啟動GUIDE………………………………………………………..26</p><p>　　5.3.2 添加控件組件……………………………………………………..27</p><p>　　5.3.3 設置控件組件的屬性………………………………………………28</p><p>　　5.3.4 編寫相應的程序代碼……………

19、…………………………………29</p><p>　　5.3.5 運行GUI對象……………………………………………………..29</p><p>　　5.4 小結……………………………………………………………………….30</p><p>　　結論………………………………………………………………………………..31</p><p>　　參考文獻

20、…………………………………………………………………………..32</p><p>　　致謝………………………………………………………………………………..33</p><p>　　附錄Ⅰ………………………………………………………………………………34</p><p>　　附錄Ⅱ………………………………………………………………………………35</p>&

21、lt;p>　　附錄Ⅲ………………………………………………………………………………36</p><p>　　附錄Ⅳ………………………………………………………………………………37</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　一個理想的電力系統(tǒng)是以單一恒定頻率與規(guī)定幅值的穩(wěn)定電壓供電的。但實際上，隨著微電子、電力電子、抗干擾

22、等技術的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)及其設備日益朝著高電壓、大容量、系統(tǒng)化和自動化的方向發(fā)展，系統(tǒng)的組成和結構越來越復雜。同時在實際的電網中，由于大量電力電子元件（大都是非線性的）的投入使用，使得電壓和電流已不再是固定頻率和幅值，而是含有一定的諧波波形。對電力系統(tǒng)造成了很大的危害。</p><p>　　諧波存在于電力系統(tǒng)已經很多年了，國際上公認的諧波含義是：“諧波是一個周期電氣量的正弦波的分量，其頻率為基波頻率的整數倍?！?/p>

23、諧波頻率與基波頻率的比值（n=fn/f1）稱為諧波次數。諧波實際上是一種干擾量，使電網受到“污染”。</p><p>　　當前電力系統(tǒng)中諧波源是多種多樣的。主要有以下3種：</p><p>　　a)、鐵磁飽和型:各種鐵芯設備,如變壓器、電抗器等,其鐵磁飽和特性呈現(xiàn)非線性。</p><p>　　b)、電子開關型:主要為各種交直流換流裝置(整流器、逆變器)以及雙向晶閘管

24、可控開關設備等,在化工、冶金、礦山、電氣鐵道等大量工礦企業(yè)以及家用電器中廣泛使用,并正在蓬勃發(fā)展;在系統(tǒng)內部,如直流輸電中的整流閥和逆變閥等。 </p><p>　　c)、電弧型:各種冶煉電弧爐在熔化期間以及交流電弧焊機在焊接期間,其電弧的點燃和劇烈變動形成的高度非線性,使電流不規(guī)則的波動。現(xiàn)在為了競爭, 對電工設備傾向于采用在臨界情況下的設計。</p><p>　　同時，諧波的危害也是很

25、大的，主要有以下幾種：</p><p>　　a）引起串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振，放大諧波，造成危險的過電壓或過電流。</p><p>　　b）產生諧波損耗，使發(fā)電、變電和用電設備效率降低</p><p>　　c）加速電氣設備絕緣老化，使其容易擊穿，從而縮短他們的使用壽命</p><p>　　d）使設備（電機、繼電保護、自動裝置等）運轉不正?；虿荒苷_

26、操作</p><p>　　e）干擾通訊系統(tǒng)，降低信號的傳輸質量，破壞信號的正確傳遞，甚至損壞通信設備。</p><p>　　電力系統(tǒng)中的諧波的出現(xiàn)，對于電力系統(tǒng)運行是一種污染。它們降低了系統(tǒng)電壓正弦波形的質量，不但嚴重地影響了電力系統(tǒng)自身，而且還危害用戶和四周的通信系統(tǒng)。因此對電力系統(tǒng)諧波的研究對于改善電能質量，抑制和消除諧波具有十分重要的意義。</p><p>&

27、lt;b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1電力系統(tǒng)諧波</b></p><p>　　早在19世紀末，人們就發(fā)現(xiàn)了電壓、電流的波形畸變問題，并研究如何才能使畸變限制在可接受的范圍內。在此，法國科學家傅里葉為諧波計算奠定了良好的基礎。而電力系統(tǒng)諧波問題的研究大約起源于20世紀五六十年代，當時的研究主要是針對高壓直流輸電技術中變流器

28、引起的電力系統(tǒng)諧波問題。進入70年代后，隨著電力電子技術的發(fā)展及其在工業(yè)、交通及家庭中的廣泛應用，諧波問題日趨嚴重，從而引起世界各國的高度重視。國際上召開了多次有關諧波問題的學術會議，不少國家國際學術組織都制定了限制電力系統(tǒng)和用電設備的標準和規(guī)定。</p><p>　　我國對諧波問題的研究起步較晚，吳競昌、夏道止、張直平等人分別對我國的電力系統(tǒng)諧波問題進行研究并著寫了一些著作。我國國家技術監(jiān)督局于1993年頒布了

29、國家標準GB／T14549－93《電能質量公用電網諧波》，標準給出了公用電網諧波電壓、諧波電流的限制值。</p><p>　　1.1.1諧波的基本概念</p><p>　　國際上公認的諧波含義是：“諧波是一個周期電氣量的正弦波的分量，其頻率為基波頻率為基波頻率的整數倍?！?lt;/p><p>　　而我們自己國家也有標準，在中華人民共和國國家標準中，諧波的定義是：“諧波是

30、對周期性的交流量進行傅立葉級數分解，得到的頻率大于1的整數倍分量”。 從定義中我們可以看到：</p><p>　　（1）諧波次數必須是個正整數。例如我國電力系統(tǒng)的額定頻率是50Hz，則n次諧波的頻率為n×50Hz，有些國家電力系統(tǒng)的額定頻率為60Hz，則其基波頻率為60Hz，n次諧波的頻率為n×60Hz。諧波次數不能為非整數，因此也不能有非整數次諧波。</p><p>

31、　　（2）間諧波、次諧波和分數諧波不屬于以上定義的諧波范圍。按照IEC（International Electrotechnical Commission）有關文件中定義的間諧波（inter-harmonics）是指頻率不是基波頻率的整數倍的諧波分量；次諧波（subharmonics)為頻率低于基波頻率的間諧波；分數次諧波（fractional-harmonics）則是指頻率不是基波頻率整數倍的分量。由于間諧波、次諧波和分數諧波的頻率都

32、不是基波頻率的整數倍，所以本文不予討論。</p><p>　　1.1.2電力系統(tǒng)諧波產生的原因</p><p>　　在電力系統(tǒng)中，通常是以正弦波方式進行供電的，這不但給電力系統(tǒng)的分析設計帶來方便，而且使系統(tǒng)及用電設備的運行處于最佳狀態(tài)。在理想的交流電供電系統(tǒng)中，三相交流電壓是平衡的，其方均根值和頻率都應該是不變的，電壓和電流的波形為正弦無畸變，然而諧波的存在卻使電壓、電流的波形產生了畸變。

33、</p><p>　　諧波產生的原因是由諧波源造成的，當正弦基波電壓施加于非線性設備時，設備吸收的電流與施加的電壓波形不同，電流因而發(fā)生了畸變，由于負荷與電網相連，故諧波電流注入到電網中，這些設備就成了電力系統(tǒng)的諧波源。當前,電力系統(tǒng)的諧波源主要有三大類：（1）、鐵磁飽和型:各種鐵芯設備,如變壓器、電抗器等,其鐵磁飽和特性呈現(xiàn)非線性。（2）、電子開關型:主要為各種交直流換流裝置(整流器、逆變器)以及雙向晶閘管可控

34、開關設備等,在化工、冶金、礦山、電氣鐵道等大量工礦企業(yè)以及家用電器中廣泛使用,并正在蓬勃發(fā)展;在系統(tǒng)內部,如直流輸電中的整流閥和逆變閥等。（3）、電弧型:各種冶煉電弧爐在熔化期間以及交流電弧焊機在焊接期間,其電弧的點燃和劇烈變動形成的高度非線性,使電流不規(guī)則的波動。</p><p>　　1.1.3國家諧波標準</p><p>　　我國國家技術監(jiān)督局于1993年頒布了國家標準GB／T1454

35、9－93《電能質量公用電網諧波》，并于1994年3月1號開始實施。此標準給出了公用電網諧波電壓、諧波電流的限制值，以保證供電電能質量，防止諧波對電網和用戶的各種電氣設備造成危害，保證電網及用戶安全經濟運行。表1-1是我國對110KV及以下公用電網所做的各諧波產生的電壓限值。</p><p>　　表1-1 各級電網諧波產生的電壓限值</p><p>　　2 MATLAB電力系統(tǒng)仿真簡介<

36、;/p><p>　　大家都知道電力系統(tǒng)的動態(tài)仿真研究不能在實驗室進行電力系統(tǒng)運行模擬實現(xiàn)。所以我們必須要在一個模擬平臺上實現(xiàn)。這時，MATLAB發(fā)揮了他的強大功能了。MATLAB是MathWorks公司于1984年推出的數學軟件，是一種用于科學工程計算的高效率的高級語言。MATLAB經過幾十年的研究與不斷完善，現(xiàn)已成為國際上最流行的科學計算與工程計算軟件工具之一，現(xiàn)在的MATLAB已經不僅僅是最初的“矩陣實驗室”了，

37、它已發(fā)展成為一種具有廣泛應用前景的、全新的計算機高級編程語言，可以說它是“第四代”計算機語言。而這次設計主要在這個軟件中的電力系統(tǒng)工具箱(SimPowerSystems)中實現(xiàn)。</p><p>　　2.1 MATLAB的特點</p><p>　　MATLAB系統(tǒng)由MATLAB開發(fā)環(huán)境、MATLAB數學函數庫、MATLAB語言、MATLAB圖形處理系統(tǒng)和MATLAB應用程序接口（API）五

38、大部分構成。MATLAB R2007a除了提供便利的開發(fā)環(huán)境、提供強大的數學應用功能、編程語言簡易高效等功能外還添加了一些新的功能。例如：</p><p>　　a） 編輯器中增強了分隔符匹配，包括語言構造如for、if和switch；瀏覽器搜索結果中也包括了演示。</p><p>　　b） 增加了新的inputParser類、新的assert函數、新的verLessThan函數；</

39、p><p>　　c） 支持多個線性代數和元素方式數值運算的多線程計算、提升了Windows XP64位平臺的性能；</p><p>　　正是由于它的功能強大，使它獲得了對應用學科的極強適應力，并很快成為應用學科計算機輔助分析設計、仿真、教學乃至科技文字處理不可缺少的基礎軟件。</p><p>　　2.2 Simulink工具箱</p><p>　

40、　Simulink是MathWorks公司開發(fā)的又一個產生重大影響的軟件產品。它提供了嶄新的控制系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具。該軟件有兩個特別明顯的功能：simu（仿真）與link（鏈接）。也就是說，可以直接利用鼠標在模型窗口中畫出所需要的控制系統(tǒng)模型，然后再利用該軟件提供的功能來對控制系統(tǒng)直接進行模擬。很明顯，這種做法使得一個原來很復雜的系統(tǒng)變得相當容易輸入。Simulink更提供了一個很人性化的圖形用戶界面，那就是GUI，該模型由模塊

41、組成的框圖來表示，用戶建?？赏ㄟ^簡單的單擊和拖動鼠標的動作就能完成。Simulink的模塊庫為用戶提供了多種多樣的功能模塊，其中有連續(xù)系統(tǒng)（Continuous）、離散系統(tǒng)（Discrete）、非線性系統(tǒng)（Nonlinear）等幾類基本系統(tǒng)構成的模塊，以及連接、運算模塊。而輸入源模塊（Sources）和接收模塊（Sinks）則為模型仿真提供了信號源和結果輸出設備。</p><p>　　2.3 SimPowerSy

42、stems電力系統(tǒng)模塊庫</p><p>　　SimPowerSystems庫是simulink下面的一個專用模塊庫，是在Simulink環(huán)境下進行電力、電子系統(tǒng)建模和仿真的先進工具。該庫為電路、電力電子系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、發(fā)電、輸變電系統(tǒng)和配電計算提供了強有力的解決方法。它含有130多個模塊，分布在7個可用字庫中。這7個子庫分別為“應用子庫”、“電源子庫”、“元件子庫”、“附加子庫”、“電機子庫”、“測量子庫”和“

43、電力電子子庫”。 在這7個基本模塊庫的基礎上，根據需要還可以組合、封裝出常用的更為復雜的模塊，添加到所需模塊庫中去，為電力研究者帶來了更大的便利。</p><p>　　3 三相半波可控整流電路的仿真</p><p>　　三相半波可控整流電路帶直流電動機負載仿真的系統(tǒng)主要由給定信號、同步脈沖觸發(fā)器、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動機等幾部分組成。</p><p>　

44、　三相半波可控整流電路帶直流電動機負載仿真主要使用Simulink中的SimPowerSystems工具箱，根據三相半波可控整流電路原理圖，建立好合適的仿真模型后，設定直流電動機負載的參數、供電電源參數以及相關參數后輸出相關關信號波形。</p><p>　　3.1 三相半波可控整流電路簡介</p><p>　　可控整流電路基本可分為單相可控整流電路、三相可控整流電路以及由此發(fā)展來的大功率

45、6相、12相整流電路等幾類。單相可控整流電路可分為單相半波整流電路和單相全控整流電路兩類，這種電路簡單、調整方便，只是適用負載功率較小的場合。當負載功率較大時，考慮到三相負載的平衡，應采用三相可控整流電路。三相可控整流電路也分為三相半波可控整流電路和三相橋式全控整流電路兩類。其中最基本的是三相半波可控整流電路。三相半波可控整流電路只采用三個晶閘管，只需要三套觸發(fā)電路，不需要寬脈沖或雙脈沖觸發(fā)。本次設計就是采用三相半波可控整流電路來模擬工

46、廠供電系統(tǒng)仿真。</p><p>　　三相半波可控整流電路中的3個晶閘管采用共陰極接法，即陽極分別接到a、b、c三相交流電源中，他們的陰極連接在一起。采用這種接法是因為他們對應的觸發(fā)電路有公共端，連線方便。</p><p>　　我們知道只要改變晶閘管觸發(fā)角的值，整流電路的工作情況也相應的發(fā)生變化。那這觸發(fā)角的范圍有多大呢？我們通過研究電阻負載發(fā)現(xiàn)：若角持續(xù)增大，其整流電壓將越來越少，直至=

47、150°時，整流輸出電壓為零，所以角的移相范圍為0°~150°。此時，整流電壓平均值的計算也要分兩種情況：</p><p>　　（1）≦30°時，負載電流連續(xù)，有</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　當=0時，Ud 最大，為Ud=1.17U2。</p><

48、;p>　?。?）﹥30°時，負載電流斷續(xù)，晶閘管導通角減少，此時有 </p><p><b>　　（3-2） </b></p><p>　　由于整流電路輸出電壓的波形是脈動的，所以輸出電流的波形也是脈動的，可以看成一個恒定的直流分量和一個包含高頻成分的交流分量組合。因為負載只需要直流分量，為了消除負載電流中的交流分量，一般在電樞回路中串聯(lián)一個平波電抗

49、器，保證整流電流的波形在較大范圍內比較光滑。同時對于直流電動機負載，過大的交流分量會使電機的換相惡化和損耗增大，因此應該在直流側串聯(lián)平波電抗器，使輸出電流的波形比較光滑。</p><p>　　3.2 整流電路對電網影響分析</p><p>　　隨著整流裝置容量的不斷增大和技術水平的不斷提高，各工業(yè)部門應用的整流裝置數量也在快速的增長，同時整流裝置對電網以及電網上的其他負載的危害也在不斷加

50、大。</p><p>　　在整流電路中，變壓器元件的電流在大多數情況下，即使在最理想的情況下也是一定形狀的方波或階梯波，電流的波形和幅值取決于整流電路的形式和負載電流的平均值，也與控制角有關，高次諧波電流會引起電網電壓波形的畸變，這個畸變的電壓波形會影響電網上的其他負載，因此必須予以處理。這里我要解釋下高次諧波是怎么產生？</p><p>　　其實高次諧波是在變流裝置的兩端產生的。而變流裝

51、置實質上是一個非線性系數，交流側電流是變流裝置對直流電流進行調制的結果，直流側電壓是變流裝置對交流電壓進行調制的結果，兩個結果相互作用就在變流裝置的兩端產生了高次諧波了。</p><p>　　既然諧波的危害這么大，所以我們必須要找到擬制諧波的措施，現(xiàn)在抑制諧波措施大致有以下幾種方法：</p><p>　　1）增加整流電路的相數，可知諧波中最低次的頻率在不斷增高，其幅值也越來越小，能夠顯著減

52、少諧波的影響；</p><p>　　2）在整流裝置輸入端使用LC濾波器進行濾波；</p><p><b>　　3）減小控制角。</b></p><p>　　隨著電力電子器件的迅速發(fā)展與廣泛應用，對于各個工業(yè)部門提高生產技術水平、改善生產過程和提高經濟效益都有很大的作用。但是必須同時看到電網中諧波的含量也大大增加，造成了電力系統(tǒng)的污染嚴重。<

53、;/p><p><b>　　3.3 實驗仿真</b></p><p>　　3.3.1 系統(tǒng)的建模和模型參數設置</p><p>　　系統(tǒng)的建模包括主電路的建模和控制電路的建模兩部分。</p><p>　　3.3.1.1 主電路的建模和參數設置</p><p>　　三相半波可控整流電路的主電路由三相

54、對稱交流電壓源、3個晶閘管、平波電抗器、直流電動機、3個單獨脈沖觸發(fā)器、示波器等部分組成。</p><p>　　① 三相對稱交流電壓源的建模和參數設置</p><p>　　從電源模塊組中選取一個交流電壓源模塊，然后按住ctrl復制2個同樣的交流電壓模塊，這就是三相電源。并用模塊標題名稱修改方法將模塊標簽分別改為“VA”、“VB”、“VC”。最后在連接器模塊組中選取“Ground”元件，將三

55、個交流電壓源負極接地。</p><p>　　我們雙擊VA交流電壓源圖標，打開電壓源參數設置對話框，在其參數設置中，峰值取220*sqrt（2）V，初相位設置成0°，頻率為50Hz，采樣時間設為0，測量框選測電壓。如圖3-1所示。VB、VC的交流電源參數設置方法與A相基本相同，除了將初相位設置成互差120°外，其他參數與VA相同，由此可得到三相對稱交流電源</p><p>

56、;　　圖3-1 VA電源參數設置</p><p>　?、?晶閘管整流橋的建模和參數設置</p><p>　　從電力電子模塊組中選取“thyristor”模塊,按住ctrl復制2個相同的器件，然后雙擊該模塊，打開參數設置對話框，參數設置如圖3-2所示。參數設置的原則如下，如果是針對某個具體的交流裝置進行參數設置，對話框中的Ron、Lon 、Vf、Ic、Rs、Cs應取該裝置中晶閘管元件的實際

57、值，如果是一般情況，不針對某個具體的變流裝置，這些參數可先取默認值進行仿真。若仿真結果理想，就可認可這些設置的參數，若仿真結果不理想，則通過仿真實驗，不斷進行參數優(yōu)化，最后確定其參數。這一參數設置原則對其他環(huán)節(jié)的參數設置也是適用的。</p><p>　　圖3-2 晶閘管的參數設置</p><p>　?、?平波電抗器和電阻的建模和參數設置。</p><p>　　從元

58、件模塊中選取“Series RLC Branch”模塊，將模塊標簽改為“Z”，然后打開參數設置對話框，參數設置如圖3-3所示，平波電抗器的電感值是通過仿真試驗后得到的優(yōu)化參數。</p><p>　　圖3-3 平波電抗器的參數設置</p><p>　?、?直流電動機的建模和參數設置。</p><p>　　從電動機系統(tǒng)模塊組中選取“DC Machine”模塊，直流電動

59、機的勵磁繞組“F+—F-”接直流恒定勵磁電源，勵磁電源可以從電源模塊組中選取直流電壓源模塊，并將電壓參數設置為220V。電樞繞組“A+—A-”接經平波電抗器和晶閘管整流橋輸出的直流電壓，電動機經TL端口接恒轉矩負載。</p><p>　　電動機的參數設置步驟如下，雙擊直流電動機圖標，打開直流電動機的參數對話框，直流電動機的參數設置如圖3-4所示。參數設置的原則與晶閘管整流橋相同。</p><p

60、>　　圖3-4 直流電動機參數設置</p><p>　?、?脈沖觸發(fā)器的建模和參數設置。</p><p>　　從脈沖源模塊中選取“Pulse Generator”模塊，并將模塊標簽改為“脈沖發(fā)生器”，這時按住ctrl復制2個相同的模塊。雙擊脈沖發(fā)生器，打開其參數設置，在我們看到有一欄“Phase delay”,此欄就是來表示晶閘管的觸發(fā)角。不過脈沖發(fā)生器中不能直接用角度來表示觸發(fā)角

61、，只能通過脈沖的延長時間t表示，我們通過t=T/360°來轉換兩者之間的關系，此式中的T為脈沖發(fā)生器的脈沖周期，必須與交流電源的周期同步。本次設計采用=0°時，此時t通過公式可以求出為t=0.01/6。不過這只是VA相的脈沖觸發(fā)角度，為了使三相交流電源達到同步，VA、VB、VC相各相差120°。那就是VB相的t=0.05/6,VC相的t=0.09/6。設置同步電壓頻率為50Hz,脈沖寬度為50。具體參數設置

62、如圖3-5。 </p><p>　　圖3-5 脈沖發(fā)生器的參數設置 </p><p>　?、?波形顯示模塊建模數設置</p><p>　　從電力電子模塊組中選取“scope” 模塊，“Demux” 模塊和“Multimeter”模塊，將它們連接起來，如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6

63、 波形顯示圖</p><p>　　雙擊“scope”模塊圖標，打開示波器的波形顯示圖，在工具欄點擊，打開示波器參數對話框，參數設置如圖3-7所示。這里可以設置顯示波形數目，時間范圍等，根據自己的要求進行修改。</p><p>　　圖3-7 示波器參數設置</p><p>　　雙擊“Demux”模塊，打開參數對話框，如圖3-8所示。此模塊也可以根據波形數目多少進行

64、設置。</p><p>　　圖3-8 Demux參數設置</p><p>　　雙擊“Multimeter”模塊，打開對話框，如圖3-9所示。電氣元件框中顯示可測量的電氣量，根據仿真的要求，把需要測量的量添加到右側的被選測量框中。</p><p><b>　　⑦ 其他附加模塊</b></p><p>　　如在電源側加電阻

65、，作為線路上的電阻，此電阻可以用來產生諧波。又如需要測量電源兩端的電壓，可以直接用電壓表連接示波器，就能觀察電壓波形。</p><p>　　圖3-9 萬用表參數設置</p><p>　　3.3.1.2 控制電路的建模和參數設置</p><p>　　晶閘管直流調速系統(tǒng)的控制電路只有一個給定環(huán)節(jié)，那就是“Constant”模塊，它可以從輸入源模塊組中選取，然后雙擊該

66、模塊圖標，打開參數設置對話框，將參數設置為200N/m。這既是電動機的負載轉矩，通過改變它的值，可以影響著電動機的電流。參數設置為200N/m是讓諧波在電源側的影響較明顯。實際調速時，給定信號是在一定范圍內變化的，我們可通過仿真實踐，確定給定信號允許的變化范圍。</p><p>　　將主電路和控制電路的仿真模型按照晶閘管直流調速系統(tǒng)電氣原理圖的連接關系進行模型連接，即可得圖3-10所示的三相半橋可控整流電路帶直流

67、電動機負載的仿真模型。</p><p>　　圖3-10 三相半橋可控整流電路仿真模型</p><p>　　3.3.2 系統(tǒng)的仿真參數設置</p><p>　　在MATLAB的模型窗口打開“Simulation”菜單，進行“configuration Parameters”設置，如圖3-11所示。</p><p>　　圖3-11 仿真參數

68、設置</p><p>　　單擊“configuration Parameters”菜單后，得到仿真參數設置對話框，參數設置如圖3-12所示，仿真中選擇的算法為ode23。由于實際系統(tǒng)的多樣性，不同的系統(tǒng)需要采用不同的仿真算法，到底采用哪一種算法，可通過仿真實踐進行比較選擇。仿真“Start time”一般設為0，“Stop time”根據實際情況而定，這里取10s，因為電動機的啟動過程很慢，需要一段時間后才能在恒

69、定速度下轉動。</p><p>　　圖3-12 仿真參數設置對話框及參數設置</p><p>　　3.3.3 系統(tǒng)的仿真、仿真結果的輸出及結果分析</p><p>　　當建模和參數設置完成后，即可開始進行仿真。在MATLAB的模型窗口點擊仿真按鈕，系統(tǒng)開始仿真，仿真結束后可輸出仿真結果。雙擊示波器，通過示波器模塊觀察仿真輸出波形，如圖3-13（a）、（b）、（c

70、）、（d）所示。</p><p>　　圖3-13（a） 點源電壓波形</p><p>　　圖3-13（b） A相晶閘管電壓波形</p><p>　　圖3-13（c） 電動機電樞電流波形</p><p>　　圖3-13（d） 電動機電樞電壓波形 </p><p>　　從圖3-13可以得出以下結論：</p>

71、<p>　?、?電動機的輸入轉矩很大，因此電動機電樞電流也很大，流經平波電抗器的電流與電樞電流一樣大。由于平波電抗器對電流變化有抗拒作用，流經電抗器的電流變化時，在其兩端產生感應電動勢，它的極性是阻止電流變化的，當電流增加時，它的極性阻止電流增加，當電流減少時，它的極性反過來阻止電流減小。這使得流經電抗器的電流不能發(fā)生突變。電阻上的電壓很小，是因為電阻阻值很小，即使電流很大，也只有少許壓降，電壓幾乎全部加在電動機的電樞繞組上

72、。</p><p>　　② 從觸發(fā)角時的情況可以總結出三相半橋可控整流電路的一些特點：三個晶閘管的共陰極連接方式使三者都有可能導通，但彼此之間有排他性，只能是誰的陽極電位高誰導通，由a、b、c三點的電位高低來決定。在一個周期中，三個晶閘管輪流導通，每管各導通120°。</p><p>　?、?由于負載是電動機，而且加的輸入轉矩很大，因此，對電源側的電壓產生很大的影響，電壓波形中含

73、有諧波成分。</p><p><b>　　3.4 小結</b></p><p>　　本次設計在系統(tǒng)建模的時候，分成主電路和控制電路2兩部分單獨設計。在對脈沖發(fā)生器、晶閘管、直流電動機、平波電抗器等進行參數設置時，應遵循的原則是：如果針對某個具體的裝置進行參數設置，則對話框中的有關參應取該裝置的實際值；如果不針對某個具體裝置的一般情況，可先取這些裝置的參數默認值進行仿真

74、。若仿真結果理想，可認可這些設置的參數；若仿真結果不理想，則通過仿真試驗，不斷進行參數優(yōu)化，最后確定其參數。同時，在選仿真時間時，根據實際情況而定，以能夠仿真出完整的波形為前提。由于實際系統(tǒng)的多樣性，沒有一種仿真算法是萬能的。不同的系統(tǒng)需要采用不同的仿真算法，到底采用那一種算法更好，這需要通過仿真實踐，從仿真能否進行、仿真速度、仿真精度等方面進行比較選擇。</p><p><b>　　4 傅立葉分析&

75、lt;/b></p><p>　　傅立葉分析作為數學的一個分支，很好的影響著數學思想的發(fā)展，同時它也在信號處理領域有著廣泛應用，顯示生活中大部分信號都包含多個不同頻率組件，這些信號組件頻率會隨著時間快/慢的變化。從時間的角度來看，傅立葉分析包括連續(xù)時間和離散時間的傅立葉變換，總共有四種不同的傅立葉分析類型。本文主要采用離散傅立葉變換。</p><p>　　4.1 離散傅立葉進行諧波

76、分析原理</p><p>　　在離散采樣的基礎上，利用傅立葉變換法計算各次諧波，是當今電力系統(tǒng)中諧波分析最有效的方法之一。</p><p>　?。?-1） </p><p>　　當電力系統(tǒng)的電壓和電流都含有n次諧波，且都是周期函數時，則電壓電流可表示為各次諧波分量的迭加。當u（t）和i（t）滿足“狄利克雷條件”時，根據傅立葉級數收斂定理，電壓電流

77、可以表示為傅立葉級數的形式，通過變換能得到各次諧波的幅值、相位。</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　　（4-3）</b></p><p>　　式中、—n次諧波電壓、電流的有效值；</p><p><b>　　—基波角速度；</b><

78、/p><p>　　、—n次諧波電壓、電流的初相角；</p><p>　　可見只要求出了、、、，就能求出第n次諧波的幅值和相位，從而使問題得到解決。</p><p>　　根據傅立葉級數理論，可以得到</p><p><b>　　（4-4）</b></p><p><b>　?。?-5）<

79、/b></p><p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　?。?-7）</b></p><p><b>　　因</b></p><p><b>　　設、如下：</b></p><p><b>

80、　　（4-8）</b></p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　恰好這兩式就是u（t）和i（t）的傅立葉變換公式。根據等的傅立葉公式，可得</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p><b>　?。?-11）</b>

81、</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　由此可見，確定等的關鍵在于傅立葉變換的求解，求得、、、后，可求出各次諧波的有效值</p><p><b>　?。?-14）</b></p>&

82、lt;p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　由于計算機只能進行離散的數值計算，因此對周期連續(xù)函數u(t)在基波周期T內進行N點的等間隔同步采樣，得到電壓和電流的序列{u（k）}，{i（k）}，其離散傅立葉變換(DFT)為</p><p><b>　　（4-16）</b></p><p><b

83、>　?。?-17）</b></p><p><b>　　4.2 采集數據</b></p><p>　　MATLAB軟件中，采集數據是通過“workspace”實現(xiàn)，首先從元件模塊組中選取“to workspace”模塊，然后雙擊該圖標，打開參數對話框，如圖4-1所示。再把“to workspace”模塊接到產生電源側的電壓波形上，如圖4-2所示。再

84、次運行仿真模型，workspace界面中就產生了兩組數據，一組是時間的輸出（tout），還有一組是時間對應的值的輸出（simout）。將這些數據保存起來，用于調用。</p><p>　　圖4-1 to workspace 參數設置</p><p>　　圖4-2 帶數據保存功能的三相半橋可控整流電路</p><p><b>　　4.3 傅立葉分析<

85、/b></p><p>　　我們仿真的周期是0.02s，仿真時間是10s，所以真真仿真有500個周期，這里我們取最后一個周期。調用Workspace中保存的數據，編寫一個能對波形進行傅立葉分析的程序用M文件將它保存起來，程序如附錄Ⅰ所示。運行M文件，產生如圖4-3所示的波形。</p><p>　　圖4-3 一個周期的x(n)波形</p><p>　　我們然后

86、對這些你收到的數據進行傅里葉分析，運行程序如附錄Ⅱ所示的M文件，運行M文件，得到如圖4-4所示</p><p>　　圖4-5 DFT變換結果</p><p>　　4.4 供電質量分析</p><p>　　國家有關部分對電力系統(tǒng)諧波畸變允許值和諧波源注入供電點的諧波電流值作定，對諧波源和供電點電壓或電流的諧波含量或畸變值進行監(jiān)測，對新接入的諧波源負荷進行必要的驗算和管

87、理。以保證電能質量以及電力系統(tǒng)和用戶設備的安全和正常運行，另一方面，電力用戶為保證自身設備的安全和正常運行，也應當把自己的用電設備差生的諧波畸變保持在規(guī)定的限度內。對電力系統(tǒng)的污染必須由產生諧波污染的用戶采取措施，將其設備產生的諧波限制在規(guī)定值以下。因此，除了要求現(xiàn)有的諧波源用戶采取措施外，對新接入系統(tǒng)的打諧波源負荷必須經供電部門進行驗算，確定其允許值和是否需要采取措施。供電部門在確定新接入用戶的諧波含量和畸變允許值時，除考慮系統(tǒng)中原有

88、的諧波含量外，還應留有適當裕度，為今后接入系統(tǒng)的新用戶考慮。</p><p>　　從仿真的結果跟傅里葉變換的圖形中，我們可以看出，這次仿真的基波的頻率為50Hz,幅值大約為311V。而我們檢測的波形中只有奇次諧波，從圖形中清楚地可以看出7次諧波的頻率為350Hz，幅值大約為16V。并通過公式計算得出7次諧波含量= ，然后根據《電能質量公用電網諧波》來判斷諧波是否超出允許范圍。各級電網諧波產生的電壓限值見表4-1。

89、</p><p>　　表4-1 各級電網諧波產生的電壓限值</p><p>　　從表中看出，7次諧波的含量超出了電壓允許值。</p><p>　　為了形象的讓用戶了解諧波分量與標準的對比情況，我們再新建一個M文件，編寫程序，程序如附錄Ⅲ所示。運行該程序，得到如圖4-4所示的圖形。</p><p>　　圖4-4 諧波分量與標準對比情況<

90、/p><p><b>　　4.5 小結</b></p><p>　　傅里葉分析在諧波分析中占有很重的比例，本次設計通過仿真收集數據，并調出一個周期來看看有多少數據很一個周期的波形。最后編寫一個程序讓計算機進行傅里葉分析，最后讓它與國家標準作比較。</p><p><b>　　5 GUI設計</b></p><

91、;p>　　圖形用戶界面（Graphical User Interface）簡稱GUI，是由窗口、光標、按鍵、菜單、文字說明等對象構成的一個用戶界面。它是用戶和計算機進行信息交流的工具和方法。一個設計優(yōu)秀的GUI能夠非常直觀地讓用戶知道如何操作MATLAB的界面。</p><p>　　GUI實際上是一套MATLAB工具集，它主要有六部分組成：版面設計工具、屬性編輯器、菜單編輯器、調整工具、對象瀏覽器、TAB次

92、序編輯器。且GUI的編程與M文件編程有很大的區(qū)別，它除了要編寫程序功能的內核代碼外，還需要編寫前臺界面。它的前臺界面由一系列交互組件組成，如按鈕、單選框、文本框、標簽文字、滑動條等。只有把實現(xiàn)程序功能的內核代碼和這些交互組件的鼠標或鍵盤事件關聯(lián)起來，即通過設置這些交互組件的回調函數，才能完成特定交互事件下后臺程序完成的功能。</p><p><b>　　5.1 GUI設計</b></p

93、><p>　　一個設計優(yōu)秀的GUI在它設計程序前，首先必須考慮設計對象的結構和開發(fā)流程。開發(fā)前的思考、開發(fā)文檔的編輯對于理清編程者的思路、提高開發(fā)效率有十分重要的作用。這也是軟件工程思想所需要的基本要求。不同的要求，設計出來的GUI也千差萬別。一個優(yōu)秀的界面基本上符合下面的標準：易用性、統(tǒng)一性、規(guī)范性和合理性。</p><p>　　5.1.1 GUI設計原則</p><p&

94、gt;<b>　?。?） 易用性</b></p><p>　　設計界面時，應力求簡潔、直接、清晰的反應界面的功能和特征。界面設計應滿足“寧可讓程序多干，不可讓用戶多干”的原則。對于一些相對固定的數據，不應讓用戶頻頻輸入（特別是漢字），而應讓用戶用鼠標輕松選擇。</p><p>　　組件名稱應該易懂，用詞準確，屏棄模楞兩可的字眼，要與同一界面上的其它組件易于區(qū)分，能望文

95、知意最好。理想的情況是用戶不用查閱幫助就能知道該界面的功能并進行相關的正確操作。界面的設計應該對用戶透明。</p><p><b>　　（2） 統(tǒng)一性</b></p><p>　　在界面設計中應該保持界面的統(tǒng)一性。統(tǒng)一性既包括使用標準的組件，也指使用相同的信息表現(xiàn)方法，如在字體、標簽風格、顏色、術語、顯示錯誤信息等方面確保一致。最忌諱的是每換一個屏幕用戶就要換一套操作

96、命令與操作方法。</p><p><b>　　（3） 規(guī)范性</b></p><p>　　通常界面設計都按Windows界面的規(guī)范性來設計，即包括“菜單條、工具欄、按鈕、右鍵快捷菜單”（GUI設計）的標準格式，可以說：界面遵循規(guī)范化的程度越高，則易用性相應就越好。</p><p><b>　?。?） 合理性</b><

97、/p><p>　　屏幕對角線相交的位置是用戶直視的地方，正上方四分之一處為易吸引用戶注意力的位置，在放置窗體時要注意利用這兩個位置。界面大小應該適合美學觀點，感覺協(xié)調舒適，能在有效的范圍內吸引用戶的注意力。</p><p>　　應注意在一個窗口內部所有組件的布局和信息組織的藝術性，使得用戶界面美觀。在一個窗口中按TAB鍵，移動聚焦的順序不能雜亂無章，tab的順序是先從上至下，再從左至右。一屏中

98、首先應輸入的和重要信息的控件在TAB順序中應當靠前，位置也應該放在窗口上較醒目的位置。布局力求簡潔、有序、易于操作。</p><p>　　5.1.2 設計禁忌</p><p>　　在GUI的設計規(guī)則中，不可不提到GUI設計的一些禁忌，在這里舉例說名一些GUI設計上的細節(jié)但卻是常見的錯誤問題。</p><p><b>　?。?）頁面設置問題</b>

99、;</p><p>　　將復選框用作單選按鈕使用；無初始值的多選一設置；單選按鈕之間的間隔太大;屬性標記對齊方式不一致；使用容易被忽略的圖片鏈接;需要向下滾動才能看到當前頁面中的重要信息；無意義的虛假進度條等等。這些都是在GUI頁面設計中應盡量避免出現(xiàn)的錯誤。</p><p><b>　　（2）功能實現(xiàn)問題</b></p><p>　　同一頁面

100、包含重復功能的鏈接或按鈕;窗口的標題和調用的命令不一致；當前無效的控件不充分置灰顯；取消按鈕無法真正取消操作：返回按鈕不能達到預期的目的；在同一個窗體上，命令按鈕超過六個；圖片按鈕對鼠標按下操作沒有視覺上的變化等等。這些系統(tǒng)功能實現(xiàn)上出錯的問題，對于GUI的設計者來說是不能忽略的。</p><p>　　（3）面向用戶的顯示問題</p><p>　　顯示對用戶無意義的錯誤提示；只顯示只讀數據

101、而無任何說明；要求用戶輸入隨機數據而無制約性提示；不考慮用戶可能的人為錯誤輸入；不同類型的頁面窗口顯示相同的標題；具有相似功能卻有不同顯示的用戶操作界面等等。這些顯示問題會嚴重影響到用戶與系統(tǒng)交互的質量。</p><p>　　5.1.3 GUI設計步驟</p><p>　　為了高效率地開發(fā)一個GUI，必須按照一定的開發(fā)步驟，而不能“需要即添加”。具體步驟如下：</p><

102、;p>　　a）分析界面所要求實現(xiàn)的主要功能，以明確設計任務；</p><p>　　b）在紙上繪出界面草圖，并站在使用者的角度審查草圖；</p><p>　　c）按照構思的草圖上機制作靜態(tài)界面，并檢查它；</p><p>　　d）編寫界面動態(tài)功能的程序，對功能進行逐項檢查</p><p>　　以上過程，僅僅是一般原則。在設計中，步驟之間也

103、許要交叉執(zhí)行或復合執(zhí)行。設計和實現(xiàn)過程不是一步到位，可能需要反復修改，才能獲得滿意的界面效果。建議先進行界面布局編碼，后進行動態(tài)交互功能的編碼。</p><p><b>　　5.2 GUI實現(xiàn)</b></p><p>　　GUI編程實現(xiàn)主要分為三大塊：組件的布局、屬性的編輯和回調函數的編輯。</p><p>　　5.2.1 組件的布局</

104、p><p>　　在GUI的版面設計區(qū)添加組件的方法其實很簡單，只要用鼠標從組件面板里點擊并拖拉組件即可實現(xiàn)。而菜單的添加有專門的菜單編輯器來完成。完場組件的添加后，就可以使用GUI的特征工具調整組件的位置和使用TAB次序編輯器調整TAB次序已達到最優(yōu)化配置。布局完成。</p><p>　　5.2.2 屬性編輯</p><p>　　沒有編輯屬性前，一般組件的屬性值都是默認

105、值。通過屬性編輯器可以更該當前組件的屬性值。在菜單編輯器里可以更改菜單的一些屬性值。當然，改變了組件一些屬性時，可能會影響到界面的版式和效果，這時還要回到組件的布局進行優(yōu)化。</p><p>　　在完成上兩步后，GUI實現(xiàn)的關鍵還是在于回調函數的處理。沒有回調函數的界面就失去GUI設計的意義。</p><p>　　5.2.3 回調函數</p><p>　　選擇需要添

106、加回調函數的組件，點擊“View”的菜單項，進入M文件編輯器環(huán)境。GUIDE會在GUI文件中添加一個子函數，對應回調函數的編輯，用戶可以直接編輯期望的命令。</p><p>　　5.3 使用GUIDE創(chuàng)建GUI對象</p><p>　　5.3.1 啟動GUIDE</p><p>　　在MATLAB的工作空間中輸入“guide”命令，出現(xiàn)了如圖5-1所示GUIDE模板

107、設計界面，Create new GUI 包含了四種初始化了的實際模板界面：Blank GUI(Default)創(chuàng)建一個空白的GUI；GUI with Uicontrols創(chuàng)建一個帶有控件組件的GUI；GUI with Axes and Menu創(chuàng)建一個帶有軸對象和菜單的GUI；Model Question Dialog 創(chuàng)建一個對話框。Open Existing GUI打開以前的GUI設計來編輯。這里我們選擇BlankGUI（空白模板）

108、，單擊OK。可以看到在輸出編輯器中打開一個新的GUI設計窗口，如圖5-2所示。它相當于GUIDE各種工具的一個控制面板。這個控制面板大體上可分為三個區(qū)域，即控件區(qū)、菜單區(qū)和繪圖區(qū)。單擊網格區(qū)域的右下角并進行拖拉，可以改變用戶界面的大小。</p><p>　　圖5-1 GUIDE模板設計版面</p><p>　　圖5-2 GUI設計窗口</p><p>　　5.3

109、.2 添加控件組件</p><p>　　Matlab7版本的控件區(qū)共有13種不同類型的控件，比較常用的分別有 pusbbuton（按鈕)、radiobutton（單選框）、togglebutton（開關按鍵）、checkbox（檢錄按鍵）、listbox（列表框）、popupmenu（彈出框）、slidcr（滾動條）、edit（可編輯文本框）、text（靜態(tài)文本框）、axes（平面坐標圖）和panel（控件區(qū)域框

110、）。</p><p>　　在GUI中添加各種控件，并把它們拖拉到設計區(qū)。本次設計要求在GUI中添加兩個坐標軸、兩個彈出菜單、兩個按鈕、兩個檢錄按鈕，然后按照要求排列組合控件。排列好后的圖形界面如圖5-3所示。</p><p>　　圖5-3 排列好的圖形界面</p><p>　　5.3.3 設置控件組件的屬性</p><p>　　下表列出了控

111、件組件的屬性值</p><p>　　表5-1 屬性值的修改</p><p>　　5.3.4 編寫相應的程序代碼</p><p>　　在輸出編輯器中完成GUI的設計和屬性設置以后，下一步工作就是進行編程。其主要內容包括：</p><p>　　a）創(chuàng)建GUI M文件；</p><p>　　b）打開GUI M文件；</

112、p><p>　　c）在回調函數間共享數據；</p><p><b>　　d）識別回調函數。</b></p><p>　　第一次保存或運行GUI時，GUIDE會生成一個函數式M文件，它包含每個控件通常要用到的回調函數的框架，以及一些初始化代碼，一個初始函數回調和一個輸出函數回調。在所有M文件中，初始化函數是首先調用的。一般用它進行數據初始化和控件默認