基于matlab的電力電子技術仿真設計_課程設計

1、基于 matlab 地電力電子技術仿真設計第 1章 緒 論1.1 MA TLAB 地產(chǎn)生過程和影響在 20 世紀七十年代后期地時候：時任美國新墨西哥大學計算機科學系主任地Cleve Moler 教授出于減輕學生編程負擔地動機，為學生設計了一組調(diào)用LINPACK 和 EISPACK 庫程序地“通俗易用 ”地接口，此即用FORTRAN 編寫地萌芽狀態(tài)地MATLAB. 經(jīng)幾年地校際流傳，在Little 地推動下，由 Little 、 Moler 、 Steve Bangert 合作，于1984 年成立了MathWorks 公司，并把MATLAB 正式推向市場.從這時起，MATLAB 地內(nèi)核采用C 語

2、言編寫，而且除原有地數(shù)值計算能力外，還新增了數(shù)據(jù)圖視功能.MA TLAB 以商品形式出現(xiàn)后，僅短短幾年，就以其良好地開放性和運行地可靠性，使原先控制領域里地封閉式軟件包（如英國地UMIST ，瑞典地LUND 和 SIMNON ，德國地 KEDDC ）紛紛淘汰，而改以MATLAB 為平臺加以重建.在時間進入20 世紀九十年代地時候，MATLAB 已經(jīng)成為國際控制界公認地標準計算軟件.到九十年代初期，在國際上30 幾個數(shù)學類科技應用軟件中，MATLAB 在數(shù)值計算方面獨占鰲頭，而 Mathematica 和 Maple 則分居符號計算軟件地前兩名.Mathcad 因其提供計算、圖形、文字處理地統(tǒng)一

3、環(huán)境而深受中學生歡迎.MathWorks 公司于 1993 年推出 MA TLAB4.0 版本，從告別DOS 版 .電力電子技術MATLAB 實踐：電力電子技術中有關電能地變換與控制過程，有各種電路原理地分析與研究、大量地計算、電能變換地波形測量、繪制與分析等，都離不開MATLAB. 首先，它地運算功能強大，應用于交流電地可控整流、直流電地有源逆變與無源逆變中存在地整流輸出地平均值、有效值、與電路功率計算、控制角、導通角計算.其次，MATLAB地SimpowerSystems實體圖形化仿真模型系統(tǒng)，把代表晶閘管、觸發(fā)器、電阻、電容、電源、電壓表等實物地特有符號連接成一個整流裝置電路或是一個系統(tǒng)

4、，更簡單方便，節(jié)省設計制作時間和成本等.再有，交流技術討論地電能轉(zhuǎn)換與控制，需要對各種電壓與電流波形進行測量、繪制與分析，MA TLAB 提供了功能強大且方便使用地圖形函數(shù)，特別適合完成這項任務.MathWorks 公 司 瞄 準 應 用 范 圍 最 廣 地 Word ， 運 用 DDE 和 OLE ， 實 現(xiàn) 了 MATLAB 與Word 地無縫連接，從而為專業(yè)科技工作者創(chuàng)造了融科學計算、圖形可視、文字處理于一體地高水準環(huán)境 .1997 年仲春，MATLAB5.0 版問世，緊接著是5.1、 5.2，以及和1999 年春地 5.3 版 .與 4.0相比，現(xiàn)今地MA TLAB 擁有更豐富地數(shù)據(jù)類

5、型和結(jié)構(gòu)、更友善地面向?qū)ο?、更加快速精良地圖形可視、更廣博地數(shù)學和數(shù)據(jù)分析資源、更多地應用開發(fā)工具.（關于MATLAB5.0 地特點下節(jié)將作更詳細地介紹.） 誠然，到1999 年底， Mathematica 也已經(jīng)升到4.0 版，它特別加強了以前欠缺地大規(guī)模數(shù)據(jù)處理能力.Mathcad 也趕在 2000 年到來之前推出了Mathcad 2000 ，它購買了Maple 內(nèi)核和庫地部分使用權，打通了與MA TLAB 地接口，從而把其數(shù)學計算能力提高到專業(yè)層次. 但是，就影響而言，至今仍然沒有一個別地計算軟件可與MA TLAB 匹敵 . 在歐美大學里，諸如應用代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計、自動控制、數(shù)字信號處理、

6、模擬與數(shù)字通信、時間序列分析、動態(tài)系統(tǒng)仿真等課程地教科書都把MATLAB 作為內(nèi)容.這幾乎成了九十年代教科書與舊版書籍地區(qū)別性標志.在那里， MATLAB 是攻讀學位地大學生、碩士生、博士生必須掌握地基本工具. 在國際學術界，MATLAB 已經(jīng)被確認為準確、可靠地科學計算標準軟件.在許多國際一流學術刊物上，(尤其是信息科學刊物)，都可以看到MATLAB 地應用.在設計研究單位和工業(yè)部門，MATLAB 被認作進行高效研究、開發(fā)地首選軟件工具.如美國 National Instruments 公司信號測量、分析軟件LabVIEW ，Cadence 公司信號和通信分析設計軟件SPW 等，或者直接建筑

7、在MATLAB 之上，或者以MATLAB 為主要支撐.又如HP 司地 VXI 硬件， TM 公司地DSP， Gage 公司地各種硬卡、儀器等都接受 MATLAB 地支持 .1.2 MA TLAB 地基本組成和特點經(jīng)過近 20 年實踐，人們已經(jīng)意識到：MATLAB 作為計算工具和科技資源，可以擴大科學研究地范圍、提高工程生產(chǎn)地效率、縮短開發(fā)周期、加快探索步伐、激發(fā)創(chuàng)造活力.那么作為當前最新版本地 MATLAB 7.0 究竟包括哪些內(nèi)容？有哪些特點呢？5.0 以前版本地MATLAB 語言比較簡單.它只有雙精度數(shù)值和簡單字符串兩種數(shù)據(jù)類型，只能處理 1 維、 2 維數(shù)組.它地控制流和函數(shù)形式也都比較

8、簡單. 這一方面與當時軟件地整體水平有關，另方面與 MATLAB 僅限于數(shù)值計算和圖形可視應用地設計目標有關.從 5.0 版起， MATLAB 對其語言進行了根本性地變革，使之成為一種高級地“陣列 ”式語言 .1.3 MA TLAB 語言地傳統(tǒng)優(yōu)點MA TLAB 自問世起，就以數(shù)值計算稱雄.MA TLAB 進行數(shù)值計算地基本處理單位是復數(shù)數(shù)組(或稱陣列)，并且數(shù)組維數(shù)是自動按照規(guī)則確定地.這一方面使MATLAB 程序可 以被高度“向量化 ”，另方面使用戶易寫易讀.對一般地計算語言來說，必須采用兩層循環(huán)才能得到結(jié)果.這不但程序復雜，而且那討厭地循環(huán)十分費時. MA TLAB 處理這類問題則簡潔快

9、捷得多，它只需直截了當?shù)匾粭l指令y = exp(-2*t).*sin(5*t) ，就可獲得.這就是所謂地“數(shù)組運算”. 這種運算在信號處理和圖形可視中，將被頻繁使用.當 A 地列數(shù)大于行數(shù)時，x 有無數(shù)解.一般程序就必須按以上不同情況進行編程.然而對MATLAB 來說，那只需一條指令：x=Ab . 指令是簡單地，但其內(nèi)涵卻遠遠超出了普通教科書地范圍，其計算地快速性、準確性和穩(wěn)定性都是普通程序所遠不及地.第 2 章 MATLAB 軟件及仿真集成環(huán)境Simulink 簡介MATLAB 軟件是美國MathWorks 公司在 20 世紀 80 年代中期推出地高性能數(shù)值計算軟件,經(jīng)過近 30 年地開發(fā)和

10、更新?lián)Q代,該軟件已成為合適多學科功能十分強大地軟件系統(tǒng),成為線性代數(shù)、數(shù)字信號處理、自動控制系統(tǒng)分析、動態(tài)系統(tǒng)仿真等方面地強大工具.MATLAB 中含有一個仿真集成環(huán)境 Simulink, 其主要功能是實現(xiàn)各種動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真與分析.在 MA TLAB 啟動后地系統(tǒng)界面中地命令窗口輸入” SIMULINK” 指令就可以啟動SIMULINK 仿真環(huán)境.啟動 SIMULINK 后就進入了瀏覽器既模版庫，在圖中左側(cè)為以目錄結(jié)構(gòu)顯示地17 類模版庫名稱（因軟件版本地不同，庫地數(shù)量及其他細節(jié)可能不同），選中模版庫后，即會在右側(cè)窗口出現(xiàn)該模型庫中地各種元件或子庫.Simulink 支持連續(xù)、離散系統(tǒng)以及

11、連續(xù)離散混合系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)等多種類型系統(tǒng)地仿真分析，本書中將主要介紹和電力電子電路仿真有關地元件模式及仿真方法. 對于電力電子電路及系統(tǒng)地仿真，除需使用Simulink 中地基本模板外，用到地主要元件模型集中在電氣系統(tǒng)仿真庫SimPowerSystem 中，該模型庫提供了電氣系統(tǒng)中常用元件地圖形化地圖形化元件模型，包括無源元件、電力電子器件、觸發(fā)器、電機和測量元件等.圖形地元件模型使使用者可以快速并且形象地構(gòu)建所需仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu).在Simulink系統(tǒng)中，執(zhí)行菜單“File下"NeW、 "Model'命令即可產(chǎn)生一個新地仿真模型編輯窗口，在窗口中可以采用形象地圖形編

12、輯地方法建立仿真對象、編輯元件及系統(tǒng)相關參數(shù)，進而完成電路及系統(tǒng)地仿真系統(tǒng).具體步驟為：（ 1 ） 建立一個新地仿真模型編輯窗口后，首先從Simulink 模塊中選擇所仿真電路或系統(tǒng)所需要地元件或模塊搭建系統(tǒng)，方法為在Simulink 模塊庫中所選元件位置按住鼠標左鍵將元件拖拽至所建編輯窗口地合適位置，不斷重復該過程直至所有元件均放置完畢.（ 2） 在窗口中用鼠標左鍵單擊元件圖形，元件四周將出現(xiàn)黑色小方塊，表示元件已經(jīng)選中，對該元件可以進行復制（Ctrl+V ）、粘貼（Ctrl+V ）、旋轉(zhuǎn)（Ctrl+R ）、旋轉(zhuǎn)（Ctrl+I ）、刪除（Delete）等操作，也可以在元件處按住鼠標左鍵將元件

13、拖拽移動（ 3） 需要改變元件大小時可以選定該元件，將鼠標移至元件四周地黑色小方塊，待鼠標指針變?yōu)榧^形狀時按住鼠標左鍵將元件拖拽至合適尺寸.（ 4） 需要改變元件參數(shù)，可以在該元件處雙擊鼠標左鍵，即可彈出該元件地參數(shù)設置對話窗口進行參數(shù)設置.（ 5） 將元件放置完畢后，可采用信號線將元件間連接構(gòu)成電路或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，將鼠標放置在元件端子處，但鼠標指針變?yōu)椤?+”字形狀時，按住鼠標左鍵移動至需要連線地另一元件端子處，當鼠標指針變?yōu)椤?+”字形狀時，松開鼠標左鍵及建立兩端子之間地連線，若為控制模塊間傳遞信號，則在連線端部將出現(xiàn)箭頭表示信號地流向，不斷重復該過程直至系統(tǒng)連接完畢.（ 6） 仿 真 電

14、 路 或 系 統(tǒng) 模 型 建 立 完 畢 后 ， 還 需 要 使 用 “ Simulink 菜” 單 中 地 ” Confihuration Parameters 命令對仿真起止時間、仿真步長、允許誤差和求解算法進行設置和選擇，參數(shù)地具體選 ”擇方法與所仿真電路相關.（7）仿真模型建立完畢后，可以使用“file菜單中地" Save命令進彳T保存.2.1 常用電氣系統(tǒng)仿真庫元件及仿真模型對于電力電子電路及系統(tǒng)地仿真除需使用Simulink 中地基本模塊外，用到地主要元件模型集中在電氣系統(tǒng)仿真庫SimPowerSystem 中，該模型庫提供了電氣系統(tǒng)之中常用元件地圖形化元件模型，包括無源

15、元件、電力電子器件、觸發(fā)器、電機和測量元件等.用鼠標單擊“ SimPowerSystem”，即會在右側(cè)出現(xiàn)該模型庫中八個模版庫（子庫），下面主要介紹電源模版庫、電氣元件模版庫、電氣測量模版庫及電力電子器件模版庫.2.2 電氣元件模塊庫用鼠標雙擊“Elements圖標，在窗口中顯示 29種電氣元件.這些可以分為三大類：負載元件、傳輸 線和變壓器.雙擊串聯(lián)RLC 支路元件將彈出該元件地參數(shù)設置對話框,在 “ Resistance、 “” Inducatance、 ”“Capacitance參數(shù)下可以分別設置三個元件地參數(shù)，如果電路中不含三者中地某個元件，則相應參數(shù)應設為 0（電阻或電感）或inf（

16、 電容）, 在電路圖形符號中這類元件也將自動消失.串聯(lián) RLC 負載元件則是通過設置每個元件地容量,由程序自動計算元件地參數(shù).并聯(lián)RLC 支路元件和并聯(lián)RLC 負載元件用于描述由電阻、電容、電感并聯(lián)地電路,參數(shù)設置方法類似.在不考慮變壓器鐵心飽和時不勾選“ Saturablecore ”.在 “ Magnetitionresistance Rm” 和 “ Magnetitionresistance LM” 參數(shù)下分別設置變壓器地勵磁繞組電阻、電感地標幺值.其他類型地變壓器參數(shù)設置方法類似.第 3 章 單相半波可控整流電路仿真3.1 電阻負載3.1.1 工作原理（1）在電源電壓正半波（0兀區(qū)間）

17、，晶閘管承受正向電壓，脈沖 uG在cot= "處觸發(fā)晶閘 管，晶閘管開始導通，形成負載電流id,負載上有輸出電壓和電流.（2）在w t=出寸刻，u2=0,電源電壓自然過零，晶閘管電流小于維持電流而關斷，負載電流 為零 .（3）在電源電壓負半波（兀2兀區(qū)間），晶閘管承受反向電壓而處于關斷狀態(tài)，負載上沒有輸出電壓，負載電流為零(4)直到電源電壓 u2地下一周期地正半波，脈沖 uG在cot=2兀+處又觸發(fā)晶閘管，晶閘管再次被觸發(fā)導通，輸出電壓和電流又加在負載上，如此不斷重復3.1.2 電路圖及工作原理圖3-1單相半波可控整流電路如上圖所示，當晶閘管 VT處于斷態(tài)時，電路中電流 Id=0,負

18、載上地電壓為 0, U2全部加在VT 兩端，在觸發(fā)角 “處，觸發(fā)VT使其導通，U2加于負載兩端，當電感 L地存在時，使電流id不能 突變，id從0開始增加同時L地感應電動勢試圖阻止 id增加，這時交流電源一方面供給電阻R消耗地能量，一方面供給電感L吸收地電磁能量，到 U2由正變負地過零點處處id已經(jīng)處于減小地過程中，但尚未降到零，因此VT仍處于導通狀態(tài)，當id減小至零，VT關斷并承受反向壓降，電感L延遲了 VT地關斷時刻使U形出現(xiàn)負地部分.3.1.3 仿真模型ContinuouspowergulPulfeeGeneratorAC VoVoltage M&iasurementTtiyri

19、stortage SourceCurrent MeasurementSenes fLC Branch1SSSITiltage Measurement!Scope圖3-2單相半波可控整流電路電阻負載電路仿真模型，£ Scope parametersGeneral Data Hstory | Tip: try ri訓 ticking on axes Axes '"3' . .：. .Time range: Tick lab日時 | 厚|SamplingSample time 0圖3-3示波器環(huán)節(jié)參數(shù)設置菜單圖3-5單相半波可控整流電路電阻電感負載電路仿真模型圖3

20、-4單相半波可控整流電路電阻負載電路波形3.2阻感負載a： Y-TrgJICenurjcusmn3.3接續(xù)流二極管圖3-6單相半波可控整流電路電阻電感負載電路波形JU1- ILB圖3-7單相半波可控整流電路電阻電感負載接續(xù)流二極管電路波形昌苜 | 應 10# A !£ S | 6 A圖3-8單相半波可控整流電路電阻電感負載接續(xù)流二極管電路波形第4章單相橋式全控整流電路仿真4.1 單相橋式全控整流電路在單相橋式全控整流電路中，晶閘管 VT1和VT4組成一對橋臂，VT2和VT3組成另一對橋臂 當為電阻負載時，若4個晶閘管均不導通，負載電流id為零，ud也為零，VT1、VT4串聯(lián)承受電壓u

21、2,設VT1和VT4地漏電阻相等，則各承受u2地一半.若在觸發(fā)角 a處給VT1和VT4加觸發(fā)脈沖，VT1和VT4即導通，電流從電源 a端經(jīng)VT1、R、VT4流回電源b端.當u2過零時，流經(jīng)晶 閘管地電流也降到零，VT1和VT4關斷.在u2負半周，仍在觸發(fā)延遲角a處觸發(fā)VT2和VT3 ,VT2和VT3導通，電流從電源 b端流出，經(jīng) VT3、R、VT2流回電源a端.到u2過零時，電流又將 為零，VT2和VT3關斷.此后又是 VT1和VT4導通，如此循環(huán)地工作下去，便構(gòu)成了一個全波整 流系統(tǒng).SW圖4-1單相全控橋整流電路單相橋式全控整流電路電阻負載地電路采用四只晶閘管構(gòu)成全控橋式全控整流電路，采用

22、Trig14、Trig23兩個觸發(fā)脈沖環(huán)節(jié)分別產(chǎn)生1、4管及2、3管地驅(qū)動信號，由于兩對晶閘管分別于正、負半周導通，觸發(fā)延遲角相差180。，因此兩個觸發(fā)環(huán)節(jié)地延遲時間相差180°.電路中交流電源電壓峰值為100V,頻率為50Hz,初始相角為0°,負載電阻為2仿真結(jié)果如下圖：t飛和Mt:»g« rrPulMF jlKr pnT|rsl；Ti "；Tryr拈.gT 一寓二Hmm,Ccrtmjcbi圖4-2單相橋式全控整流電路電阻負載仿真模型J ScopeEIHI100500-50100500-50MO1005000,020.040.060.080.

23、1Time offset 0圖4-3單相橋式全控整流電路電阻負載仿真波形4.2 單相橋式全控整流電路電阻電感負載單相橋式全控整流電路電阻電感負載與單相橋式全控整流電路電阻負載差別在于負載不同, 將負載參數(shù)設為 R=1Q , L=0.1H,其他參數(shù)不變，仿真結(jié)果如下圖:ppvr erg uiFuiremy的*C-a:ail4d T-怙yrlc皿巾1C«tiil«4 ThyristwS z l：j qjfi LFfiBS-jrftrrfl-itTlea TL/mcr之圖4-4單相橋式全控整流電路電阻電感負載仿真模型圖4-5單相橋式全控整流電路電阻電感負載仿真波形第5章三相橋式全

24、控整流電路仿真5.1三相橋式全控整流電路電阻負載電路三相橋式全控整流電路電阻負載電壓峰值為100V,頻率為50Hz,初始相角為30°,負載為電阻負載，電阻為 2由于三相橋式全控整流電路口角地起點為相電壓交點，因此本模型中隊因a角為60°地A、B、C三相對應地六個觸發(fā)環(huán)節(jié)中地延遲時間分別為3.33ms、6.67ms、10ms、13.33ms、16.67ms、0.仿真結(jié)果如下圖：加需七gui口JiAC V:lhge Sc-jrt eAC V4Hl(«SCfi1-B-®in_A£止油囪界Sl-de 2.：II機1仃"工華甘印i廊“，常：&#

25、171;li W TtyDnilri:y廠IStfith RLC 日 1aMMVsIzaDe "-iee 曰VoltsVsltsgs，自王廣電山A!Zals FZelared 1用幣.駕獸醫(yī)Conm加，Synowiad3jI«!英”口:調(diào)圖5-1三相橋式全控整流電路電阻負載電路仿真模型圖5-2三相橋式全控整流電路仿真電阻負載仿真波形5.2三相橋式全控整流電路電阻電感負載電路 L* Q 工總P «一際Kmi H.圖. I'agrB圖5-3三相橋式全控整流電路電阻電感負載電路仿真模型FEI百圖5-4三相橋式全控整流電路電阻電感負載電路波形圖總結(jié)通過這幾天對課程設計所作地努力，成功完成了對電力電子技術中地單相半波可控整流電路、單相橋式全控整流電路、三相半波可控整流電路、三相橋式半控整流電路地計算機仿真實驗通過實踐證明了MA TLAB/SIMUINK 在電力電子仿真上地廣泛應用.特別在數(shù)值計算應用最廣地電氣信息類學科中，熟練掌握MA TLAB 可以大大提高分析研究地效率.通過這個課題學習MA TLAB 軟件地基本知識和使用技巧，熟練