《電力電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)》指導(dǎo)書

1、電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書合肥師范學(xué)院電子信息工程學(xué)院31電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書實(shí)驗(yàn)一 電力電子器件仿真過程：進(jìn)入MATLAB環(huán)境，點(diǎn)擊工具欄中的Simulink選項(xiàng)。進(jìn)入所需的仿真環(huán)境，如圖1.1所示。點(diǎn)擊File/New/Model新建一個(gè)仿真平臺。點(diǎn)擊左邊的器件分類，找到Simulink和SimPowerSystems，分別在他們的下拉選項(xiàng)中找到所需的器件，用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊所需的元件不放，然后直接拉到Model平臺中。 圖1.1實(shí)驗(yàn)一的具體過程：第一步：打開仿真環(huán)境新建一個(gè)仿真平臺，根據(jù)表中的路徑找到我們所需的器件跟連接器。元件名稱提取路徑觸發(fā)脈沖Simulink/Sources/Pulse

2、Generator電源Sim Power Systems/Electrical Sources/ DC Voltage Source接地端子Simulink/Sinks/Scope示波器Sim Power Systems/Elements/Ground信號分解器Simulink/Signal Routing/Demux電壓表Sim Power Systems/Measurements/ Voltage Measurement電流表Sim Power Systems/Measurements/Current Measurement負(fù)載RLCSim Power Systems/Elements/

3、Series RLC BranchGTO器件Sim Power Systems/Power Electronics/Gto提取出來的器件模型如圖1.2所示： 圖1.2第二步，元件的復(fù)制跟粘貼。有時(shí)候相同的模塊在仿真中需要多次用到，這時(shí)按照常規(guī)的方法可以進(jìn)行復(fù)制跟粘貼，可以用一個(gè)虛線框復(fù)制整個(gè)仿真模型。還有一個(gè)常用方便的方法是在選中模塊的同時(shí)按下Ctrl鍵拖拉鼠標(biāo)，選中的模塊上會出現(xiàn)一個(gè)小“+”好，繼續(xù)按住鼠標(biāo)和Ctrl鍵不動，移動鼠標(biāo)就可以將模塊拖拉到模型的其他地方復(fù)制出一個(gè)相同的模塊，同時(shí)該模塊名后會自動加“1”，因?yàn)樵谕环抡婺Ｐ椭?，不允許出現(xiàn)兩個(gè)名字相同的模塊。第三步，把元件的位置調(diào)整好

4、，準(zhǔn)備進(jìn)行連接線，具體做法是移動鼠標(biāo)到一個(gè)器件的連接點(diǎn)上，會出現(xiàn)一個(gè)“十字”形的光標(biāo)，按住鼠標(biāo)左鍵不放，一直到你所要連接另一個(gè)器件的連接點(diǎn)上，放開左鍵，這樣線就連好了，如果想要連接分支線，可以要在需要分支的地方按住Ctrl鍵，然后按住鼠標(biāo)左鍵就可以拉出一根分支線了。在連接示波器時(shí)會發(fā)現(xiàn)示波器只有一個(gè)接線端子，這時(shí)可以參照下面示波器的參數(shù)調(diào)整的方法進(jìn)行增加端子。在調(diào)整元件位置的時(shí)候，有時(shí)你會遇到有些元件需要改變方向才更方便于連接線，這時(shí)可以選中要改變方向的模塊，使用Format菜單下的Flip block 和Rotate block兩條命令，前者改變水平方向，后者做90度旋轉(zhuǎn)，也可以用Ctrl+

5、R來做90度旋轉(zhuǎn)。同時(shí)雙擊模塊旁的文字可以改變模塊名。然后單擊菜單欄中的Edit/Signal Properties命令來刷新模型。模塊的顏色也可以在激活模塊后，點(diǎn)擊右鍵，在background color中選擇自己喜歡的顏色。連接好的電路圖如圖1.3所示。 圖1.3第四步，模塊的參數(shù)設(shè)置。設(shè)者模型參數(shù)是保證仿真準(zhǔn)確和順利的重要一步，有些參數(shù)是由仿真任務(wù)規(guī)定的，如本例仿真中的電源電壓與電阻值等，有些參數(shù)是需要通過仿真來確定的。設(shè)置模型參數(shù)可以雙擊模塊圖標(biāo)彈出參數(shù)設(shè)置對話框，然后按框中提示輸入，若有不清楚的地方可以借助幫助來看相關(guān)功能。本例中，參數(shù)設(shè)置如下：1. 脈沖發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置。雙擊脈沖發(fā)

6、生器，會彈出一個(gè)對話框，改變需要的參數(shù)后如圖1.4所示。其中參數(shù)行中從第一個(gè)開始分別為 振幅、 周期 、脈寬、 控制角（延遲時(shí)間）控制角a的設(shè)置按照 t=aT/360 圖1.42. 打開電源設(shè)置對話框，我們這里設(shè)置電源為220V，直接在參數(shù)行輸入數(shù)字即可。3. 參數(shù)設(shè)置，這里我們采用默認(rèn)設(shè)計(jì)，當(dāng)需要改變的時(shí)候也可以另外設(shè)置。4. 負(fù)載參數(shù)的設(shè)置，我們這里只是用到電阻負(fù)載，所以可以這樣設(shè)置，電阻R100，H0， C=inf 設(shè)置完如圖1.5所示： 圖1.5 5. 示波器的參數(shù)設(shè)置：當(dāng)我們開始連接的時(shí)候，示波器只有一個(gè)連接端子，這時(shí)我們需要增加示波器的接線端子，具體做法是雙擊示波器，彈出的對話框如

7、圖1.6示：圖1.6單擊工具欄中第二個(gè)小圖標(biāo)，即打印機(jī)圖標(biāo)的旁邊的圖標(biāo)。彈出第二個(gè)對話框圖1.7。 圖1.7只要在Number of axes 項(xiàng)中把1改成所需要增加的端子數(shù)字就可以，這里我們用到兩個(gè)端子，我們把它改成2就可以了。在Time range中設(shè)置一個(gè)數(shù)值，也即顯示時(shí)間，所設(shè)置的時(shí)橫坐標(biāo)。就是我們的的仿真時(shí)間6. 仿真參數(shù)設(shè)置:在仿真開始前還必須首先設(shè)置仿真參數(shù)。在菜單中選擇Simulation，在下拉菜單中選擇Simulation parameters，在彈出的對話款中可設(shè)置的項(xiàng)目很多，主要有開始時(shí)間、終止時(shí)間、仿真類型（包括步長和解電路的樹枝方法），積極相對誤差、絕對誤差等。步長

8、、解法和誤差的選擇對仿真運(yùn)行的速度影響很大，步長太長計(jì)算容易發(fā)散，步長太小運(yùn)算時(shí)間太長，本題使用ode23tb算法。仿真參數(shù)設(shè)計(jì)如圖1.8所示：圖1.8在參數(shù)設(shè)置完畢后既可以開始仿真。點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕“”開始仿真。在屏幕下方的狀態(tài)欄上可以看到仿真的進(jìn)程。若要中途停止仿真可以點(diǎn)擊“”按鈕。在仿真完畢之后既可以通過雙擊示波器來觀察仿真的結(jié)果。本例的仿真圖形（電阻）如圖1.9跟圖1.10所示： 圖1.9 晶閘管的波形 圖1.10負(fù)載的波形如果在一開始觀察不到示波器的波形，可以點(diǎn)擊工具欄上的望遠(yuǎn)鏡，會自動的給定一個(gè)合適的坐標(biāo)，觀察到我們需要的波形。如果我們想改變縱坐標(biāo)，可以單擊郵件，選擇彈出快捷菜單中的“

9、Axes properties”命令，出現(xiàn)如圖1.11所示示波器的縱坐標(biāo)參數(shù)設(shè)置對話框。圖1.11 本題如果要設(shè)置電阻電感負(fù)載，只需要在RLC參數(shù)中給電感量一個(gè)數(shù)值就可以了。 到這里，我們就把新器件GTO的仿真完成了。按照同樣的方法，再從Sim Power Systems/Power Electronics中調(diào)用其他需要仿真的新器件，就可以觀察到我們所需要的波形了。上面做的全控型器件，現(xiàn)在我們做一個(gè)半控型器件，也就是我們平時(shí)所說的普通晶閘管。我們在電力電子器件里面提取出一個(gè)晶閘來，這里注意晶閘管有兩種類型，Detailed Thyristor的是詳細(xì)的晶閘管模型，而Thyristor是普通晶閘

10、管，具體選擇看你對晶閘管參數(shù)的要求多高，詳細(xì)的晶閘管有很多參數(shù)可以設(shè)置。仿真的電路圖如圖示 模塊的參數(shù)的設(shè)置跟之前的一樣，為了得到更好的波形效果，我們把仿真的開始時(shí)間設(shè)置為4，結(jié)束時(shí)間設(shè)置為10。同若運(yùn)行仿真電路，我們可以得到仿真之后的各種波形。負(fù)載波形晶閘管波形實(shí)驗(yàn)二 單相半波可控整流電路仿真過程：1. 建立仿真模型（1） 首先我們新建一個(gè)仿真模型的文件。方法跟實(shí)驗(yàn)一樣。文件名自己給定。（2）提取電路元件模塊。組成單相半波可控整流電路的主要元器件有交流電源、晶閘管、RLC負(fù)載等。提取路徑基本上跟我們做的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是相同的，只是我們這里用到了交流電源（Sim Power Systems/Ele

11、ctrical Sources/ AC Voltage Source）。 提取出來的元件的如圖2.1所示圖2.1圖2.2(3)將電路元件模塊按單相半波可控整流的原理圖連接起來組成仿真電路。將元件調(diào)整的到合適的位置，有些器件需要多次用到的，可以點(diǎn)擊該模塊，然后按住鼠標(biāo)右鍵直接拖到想要放置的地方就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)制了。連接好的電路如圖2.2所示。 2.設(shè)置模型參數(shù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)一的方法我們可以雙擊模塊圖標(biāo)彈出的對話框來設(shè)置參數(shù)，本例中所設(shè)置的參數(shù)如下。（1） 交流電壓源，電壓為220V，頻率為50Hz，初始相位為0度。在電壓設(shè)置中要輸入的是電壓峰值，在該欄中鍵如“220*sqrt(2)”。如果在對話框最后的

12、測量旋轉(zhuǎn)選中電壓“voltage”，這樣電壓的數(shù)據(jù)可以送入多路測量器（Multimeter）。這里我們不用設(shè)置這個(gè)，因?yàn)槲覀冎苯佑昧耸静ㄆ鬟M(jìn)行觀察波形。（2） 晶閘管的參數(shù)我們采用了默認(rèn)的參數(shù)，也可以另外設(shè)置。（3） 負(fù)載RLC，當(dāng)負(fù)載是電阻負(fù)載時(shí)，R=1, H=0, C=inf（無窮大）（4） 負(fù)載RLC為電阻電感負(fù)載時(shí)，R1，H0.01，Cinf,關(guān)于負(fù)載的參數(shù)，這里是沒有一定的規(guī)定的，可以根據(jù)需要修改。3.仿真參數(shù)的設(shè)置，本例中我們設(shè)置仿真的終止時(shí)間為0.1S，算法ode23tb.通過仿真，我們給出幾個(gè)特殊角度的波形圖。電阻負(fù)載30度電阻負(fù)載60度電阻負(fù)載90度 電阻電感30度 電阻電感

13、60度 電阻電感90度到這里，我們基本上可以把單相半波可控整流的各個(gè)波形仿真出來了，觀察波形，跟我們在實(shí)驗(yàn)室用示波器看到的還是基本上一致的。實(shí)驗(yàn)三 單相橋式半控整流電路電阻負(fù)載：一、仿真步驟1啟動MATLAB，進(jìn)入SIMULINK后新建一個(gè)仿真模型的新文件。在這里可以任意添加電路元器件模塊。然后對照電路系統(tǒng)模型，依次往文檔中添加相應(yīng)的模塊。在此實(shí)驗(yàn)中，我們按下表添加模塊：序號元器件名稱提取元器件位置數(shù)量1交流電源Simpowersystems / Electrical Sourse / AC Voltage sourse12脈沖觸發(fā)器Simulink / Sources / Pulse Gen

14、erator23晶閘管模型Simpowersystems /Power Electronics /Detailed Thyristor24二極管模型Simpowersystems /Power Electronics /Diode25電流表模型Simpowersystems /Measurements /Current Measurement16電壓表模型Simpowersystems /Measurements / Voltage Measurement27信號分解模型Simulink /Signal Routing /Demus18RLC串聯(lián)電路Simpowersystems /Eleme

15、nts /Series RLC Branch19示波器模型Simulink /Sinks /Scope12添加好模塊后，要對各元器件進(jìn)行布局。一個(gè)良好的布局面板，更有利于閱讀系統(tǒng)模型及方便調(diào)試。圖3.13設(shè)置模塊參數(shù)。依次雙擊各模塊，在出現(xiàn)的對話框內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。1），交流電源參數(shù)設(shè)置：電壓設(shè)置為220V，頻率設(shè)為50Hz，其它默認(rèn)。 圖3.22），脈沖觸發(fā)器設(shè)置：振幅（amplitude）設(shè)為5。周期（Period）設(shè)為0.02秒。脈沖寬度（pulse width）設(shè)為2。相位延遲角（phase delay），即觸發(fā)角。它的設(shè)置在調(diào)試時(shí)需要修改，以實(shí)現(xiàn)在不同角度觸發(fā)時(shí)，觀測電路各變量的波形

16、的變化。因?yàn)樗且悦霝閱挝?，故需把角度換算成秒。其計(jì)算可按以下公式：t=T/360。例如觸發(fā)角45度，周期T0.02，則t=0.0025，則此空中應(yīng)填入0.0025。 圖3.3第二個(gè)觸發(fā)器的設(shè)置只需觸發(fā)角比第一個(gè)大180度，即加上0.01，其它不變。3）示波器的設(shè)置：雙擊示波器，彈出示波器面板，在第一排控件欄中單擊第二個(gè)控件，彈出參數(shù)設(shè)置窗口，如下所示： 圖3.4把坐標(biāo)系數(shù)目設(shè)為7，其它不必修改。Time range是橫坐標(biāo)設(shè)置。4模型仿真。在模型仿真時(shí)要先設(shè)置仿真參數(shù)，仿真參數(shù)的設(shè)置與實(shí)驗(yàn)一相同。設(shè)置好后，即可開始仿真。點(diǎn)擊開始控件。仿真完成后就可以通過示波器來觀察仿真的結(jié)果。以下是分別在0

17、度，30度，45度，60度時(shí)的仿真結(jié)果。0度： 30度：45度： 60度：電阻電感負(fù)載：帶電阻電感性負(fù)載的仿真與帶電阻性負(fù)載的仿真方法基本相同，但須將RLC的串聯(lián)分支設(shè)置為電阻電感負(fù)載。本例中設(shè)置的電阻R1，L0.01H，電容為inf。電阻電感負(fù)載分別在0度，30度，45度，60度時(shí)的仿真結(jié)果：0度： 30度：45度： 60度：實(shí)驗(yàn)四 單相橋式全控整流電阻負(fù)載：一、仿真步驟1啟動MATLAB，進(jìn)入SIMULINK后新建一個(gè)仿真模型的新文件。并布置好各元器件。如下圖所示：圖4.12參數(shù)設(shè)置。各模塊參數(shù)的設(shè)置基本與上一實(shí)驗(yàn)相同，但要注意觸發(fā)脈沖的給定?；閷堑膬蓚€(gè)示波器的控制角設(shè)置必須相同，否則

18、就會燒壞晶閘管。二、模型仿真設(shè)置好后，即可開始仿真。點(diǎn)擊開始控件。仿真完成后就可以通過示波器來觀察仿真的結(jié)果。以下是分別在0度，30度，45度，60度時(shí)的仿真結(jié)果。0度： 30度：45度： 60度：電阻電感負(fù)載：帶電阻電感性負(fù)載的仿真與帶電阻性負(fù)載的仿真方法基本相同，但須將RLC的串聯(lián)分支設(shè)置為電阻電感負(fù)載。本例中設(shè)置的電阻R1，L0.01H，電容為inf。電阻電感負(fù)載分別在0度，30度，45度，60度時(shí)的仿真結(jié)果：0度： 30度：45度：60度：實(shí)實(shí)驗(yàn)五 三相半波整流電路電阻負(fù)載：一、仿真步驟1啟動MATLAB，進(jìn)入SIMULINK后新建一個(gè)仿真模型的新文件。并布置好各元器件。如下圖所示：圖

19、6.12參數(shù)設(shè)置。電源參數(shù)設(shè)置：電壓設(shè)置為380V，頻率設(shè)為50Hz。要注意初相角的設(shè)置，a相的電壓源設(shè)為0，b相的電壓源設(shè)為-120，c相的電壓源設(shè)為-240。負(fù)載參數(shù)設(shè)置：電阻設(shè)為1，電感為0，電容無窮大inf。脈沖參數(shù)設(shè)置：觸發(fā)信號的參數(shù)設(shè)置是本例的難點(diǎn)。本例中有三個(gè)觸發(fā)脈沖，由電路原理可知觸發(fā)角依次相差120度。因?yàn)殡娫措妷侯l率為50Hz，故周期設(shè)置為0.02s，脈寬可設(shè)為2，振幅設(shè)為5。延遲角的設(shè)置要特別注意，在三相電路中，觸發(fā)延時(shí)時(shí)間并不是直接從a換算過來，由于a角的零位定在自然換相角，所以在計(jì)算相位延時(shí)時(shí)間時(shí)要增加30度相位。因此當(dāng)a0度時(shí)，延時(shí)時(shí)間應(yīng)設(shè)為0.0033。其計(jì)算可按

20、以下公式：t=（+30）T/360。觸發(fā)角a0度時(shí)，延遲角依次設(shè)置為：0.00167，0.00837，0.01507觸發(fā)角a30度時(shí)，延遲角依次設(shè)置為：0.0033，0.01，0.0167觸發(fā)角a45度時(shí)，延遲角依次設(shè)置為：0.00417，0.01087，0.01757觸發(fā)角a60度時(shí)，延遲角依次設(shè)置為：0.005，0.0117，0.0184晶閘管參數(shù)設(shè)置： 圖6.2二、模型仿真設(shè)置好后，即可開始仿真。選擇算法為ode23tb，stop time設(shè)為0.1。點(diǎn)擊開始控件。仿真完成后就可以通過示波器來觀察仿真的結(jié)果。以下是分別在0度，30度，45度，60度時(shí)的仿真結(jié)果。0度： 30度：45度：

21、60度：電阻電感負(fù)載：帶電阻電感性負(fù)載的仿真與帶電阻性負(fù)載的仿真方法基本相同，但須將RLC的串聯(lián)分支設(shè)置為電阻電感負(fù)載。本例中設(shè)置的電阻R1，L0.01H，電容為inf。電阻電感負(fù)載分別在0度，30度，45度，60度時(shí)的仿真結(jié)果：0度： 30度：45度： 60度：實(shí)驗(yàn)六 三相橋式半控整流電路三相橋式半控整流電路廣泛應(yīng)用于中等容量的整流裝置或要求不可逆的電力拖動中，完整的三相橋式半控整流電路由三個(gè)晶閘管和三個(gè)二極管、三相電源。觸發(fā)器等組成。根據(jù)原理圖，我們調(diào)用出三個(gè)電源，三個(gè)晶閘管，三個(gè)二極管，為了實(shí)現(xiàn)仿真，我們還需要調(diào)用出觸發(fā)脈沖，電流表，電壓表，信號分解器跟信號合成器（Mux）跟示波器。各個(gè)

22、元器件的模塊提取路徑跟之前介紹的提取路徑一樣，提取出來的元件跟布局如圖7.1所示 圖7.1 根據(jù)原理圖，我們連接仿真電路。連接好的電路如圖7.2所示圖7.2參數(shù)設(shè)置：1. 電源參數(shù)設(shè)置：三相電源的電壓峰值電壓為380V，可表示為“220*sqrt(2)”，頻率為50Hz，相位分別為0度，-120度，-240度。2. 負(fù)載參數(shù)設(shè)置：電阻R10 H0 Cinf 電阻電感R10 H0.01 Cinf脈沖參數(shù)設(shè)置：觸發(fā)信號的參數(shù)設(shè)置是本例的難點(diǎn)。本例中有三個(gè)觸發(fā)脈沖，由寬可設(shè)為2，振幅設(shè)為5。延遲角的設(shè)置要特別注意，在三相電路中，觸發(fā)延時(shí)時(shí)間并不是直接從a換算過來，由于a角的零位定在自然換相角，所以在

23、計(jì)算相位延時(shí)時(shí)間時(shí)要增加30度相位。因此當(dāng)a0度時(shí)，延時(shí)時(shí)間應(yīng)設(shè)為0.0033。其計(jì)算可按以下公式：t=（+30）T/360。觸發(fā)角a0度時(shí)，延遲角依次設(shè)置為：0.00167，0.00837，0.01507觸發(fā)角a30度時(shí)，延遲角依次設(shè)置為：0.0033，0.01，0.0167觸發(fā)角a45度時(shí)，延遲角依次設(shè)置為：0.00417，0.01087，0.01757觸發(fā)角a60度時(shí)，延遲角依次設(shè)置為：0.005，0.0117，0.01843. 晶閘管采用默認(rèn)的參數(shù)設(shè)置4. 仿真參數(shù)設(shè)置：打開設(shè)置窗口，選擇ode23tb算法，將相對誤差設(shè)置Le-3,開始時(shí)間為0，停止時(shí)間為0.05。設(shè)置好各個(gè)參數(shù)后，單

24、擊運(yùn)行按鈕，就可以進(jìn)行仿真了。下面我們給出幾個(gè)特殊角的波形。電阻負(fù)載0度電阻負(fù)載30度電阻負(fù)載60度電阻電感負(fù)載60度 電阻電感負(fù)載0度 電阻電感負(fù)載30度本個(gè)仿真要注意對脈沖觸發(fā)時(shí)間的設(shè)置要準(zhǔn)確，而且對示波器的坐標(biāo)要調(diào)整好。實(shí)驗(yàn)七 三相橋式全控整流電阻負(fù)載：一、仿真步驟1啟動MATLAB，進(jìn)入SIMULINK后新建一個(gè)仿真模型的新文件。并布置好各元器件。如下圖所示：圖8.12參數(shù)設(shè)置。電源參數(shù)設(shè)置：電壓設(shè)置為380V，頻率設(shè)為50Hz。要注意初相角的設(shè)置，a相的電壓源設(shè)為0，b相的電壓源設(shè)為-120，c相的電壓源設(shè)為-240。負(fù)載參數(shù)設(shè)置：電阻設(shè)為1，電感為0，電容無窮大inf。通用變換器橋

25、的設(shè)置：（1），模塊的功能：通用變換器橋模塊是由6個(gè)功率開關(guān)元件組成的橋式通用三相變換器模塊。功率電子元件的類別和變換器的結(jié)構(gòu)可通過對話框進(jìn)行選擇。功率電子元件和變換器的類型有Diode橋、Thyristor橋、MOSFET-Diode橋、IGBTDiode橋、Ideal Switch橋，橋的結(jié)構(gòu)有單相、兩相和三相。（2），仿真模塊的圖標(biāo)、輸入和輸出。通用變換器橋模塊的圖標(biāo)如右圖所示。模塊的輸入和輸出取決于所選擇的變換器橋的結(jié)構(gòu)。當(dāng)A、B、C被選擇為輸入端，則直流DC（+，-）端就是輸出端。當(dāng)A、B、C被選擇為輸出端，則直流DC（+，-）端就是輸入端。除二極管橋外，其它橋的“g（pulse）”輸入端可接受來自外部模塊的觸發(fā)信號。（3），通用變換器橋仿真模塊的參數(shù)：本例中個(gè)參數(shù)設(shè)置如下圖。圖8.2（4），同步6脈沖觸發(fā)器的參數(shù)設(shè)置該模塊有5個(gè)輸入端，其圖標(biāo)如圖所示?！癮lpha_deg”是移相控制角信號輸入端，單位為度。該輸入端可與“常數(shù)”模塊相連，也可與控制系統(tǒng)中的控制器輸出端相連，從而對觸發(fā)脈沖進(jìn)行移相控制。輸入端AB、BC、CA是同步線電壓的輸入端，同步線電壓就是連到三相交流電壓