基于MATLAB的電力電子技術(shù)課程設(shè)計報告

1、精選文檔電力電子技術(shù)課程設(shè)計報告題 目： 基于MATLAB的電力電子技術(shù) 仿真分析 院 （系）： 機(jī)電與自動化學(xué)院 專業(yè)班級： 電氣工程及其自動化11XX 學(xué)生姓名： XXX 學(xué) 號： 2011113XXXX 指導(dǎo)教師： XXX 2014年1月13日至2014年1月17日華中科技大學(xué)武昌分校電力電子技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計（調(diào)查報告/論文）題目基于MATLAB的電力電子技術(shù)仿真分析二、設(shè)計（調(diào)查報告/論文）主要內(nèi)容1.晶閘管的仿真模型及以單相半波整流器為例，說明晶閘管元件應(yīng)用系統(tǒng)的建模與仿真方法。2.晶閘管三相橋式整流帶電阻性負(fù)載時系統(tǒng)的建模與仿真。3.絕緣柵雙極型晶體管元件的仿真模型及一個

2、由IGBT元件組成的Boost變換器的建模與仿真。4.相位控制的晶閘管單相交流調(diào)壓器帶電阻性負(fù)載時系統(tǒng)的建模與仿真。三、原始資料MATLAB仿真軟件四、要求的設(shè)計（調(diào)查/論文）成果編寫詳細(xì)的設(shè)計說明書（附上本次設(shè)計心得體會） 說明書中完成相應(yīng)系統(tǒng)模型的建模、參數(shù)設(shè)置及仿真調(diào)試，寫出設(shè)計報告。1.晶閘管的仿真模型、參數(shù)設(shè)定方法、以單相半波整流器為例說明晶閘管元件應(yīng)用系統(tǒng)的建模與仿真方法，記錄相應(yīng)波形。2.晶閘管三相橋式整流帶電阻性負(fù)載時系統(tǒng)的建模過程與仿真調(diào)試，記錄波形。3.絕緣柵雙極型晶體管元件的仿真模型、參數(shù)設(shè)定方法、及由IGBT元件組成的Boost變換器的建模與仿真，記錄波形。4.相位控制

3、的晶閘管單相交流調(diào)壓器帶電阻性負(fù)載時系統(tǒng)的建模與仿真，記錄波形。以上4個類型的仿真過程中皆需包含具體電路形式，工作過程分析，在MATLAB中的建模，各組成環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)置過程，仿真波形，波形分析。五、進(jìn)程安排1. 下達(dá)設(shè)計任務(wù)書，講解設(shè)計要求、進(jìn)度安排、指導(dǎo)時間、注意事項(xiàng)等，提供參考資料。（0.5天）2. 學(xué)習(xí)并熟練MATLAB Simulink/Power System 工具箱等相關(guān)內(nèi)容（1.5天）3. 典型電力電子器件的仿真模型建模及仿真實(shí)例（0.5天）；4. 典型電力電子變換器的應(yīng)用仿真。（1天）5. 撰寫課程設(shè)計報告。（0.5天）6. 答辯。（1天）六、主要參考資料1 王兆安，劉進(jìn)軍.電

4、力電子技術(shù)（第五版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.2 周淵深. 電力電子技術(shù)與MATLAB仿真.北京：中國電力出版社, 2005.3 林飛,杜欣. 電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真.北京：中國電力出版社,2009.4 洪乃剛. 電力電子、電機(jī)控制系統(tǒng)的建模和仿真. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010.指導(dǎo)教師（簽名）：20 年 月 日目 錄第1章 MATLAB軟件及仿真集成環(huán)境Simulink簡介 (1)1.1 MATLAB及Simulink簡介 (1)1.2 Simulink系統(tǒng)的操作步驟 (1)1.3 電氣元件模塊庫 (2)第2章 電力電子技術(shù)仿真分析 (3)2.1單相半波可控整流電路仿

5、真 (3)2.1.1 單相半波可控整流電路基本原理 (3)2.1.2 電阻負(fù)載時仿真分析 (4)2.1.3 阻感負(fù)載仿真分析 (5)2.2 晶閘管三相橋式整流電路的仿真 (7)2.2.1電路圖及工作原理 (7)2.2.2 仿真模型及波形 (8)2.3 Boost變換器的仿真 (11)2.3.1電路圖及工作原理 (11)2.3.2 仿真模型及波形 (11)2.4 相位控制的晶閘管單相交流調(diào)壓器系統(tǒng)的仿真 (12)2.4.1電路圖及工作原理 (12)2.4.2仿真模型及波形 (13)第3章 總結(jié)(15)課程設(shè)計成績評定表 (16)第1章MATLAB軟件及仿真集成環(huán)境Simulink簡介1.1 MA

6、TLAB及Simulink簡介 MATLAB軟件是美國MathWorks公司在20世紀(jì)80年代中期推出的高性能數(shù)值計算軟件,經(jīng)過近30年的開發(fā)和更新?lián)Q代,該軟件已成為合適多學(xué)科功能十分強(qiáng)大的軟件系統(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)仿真等方面的強(qiáng)大工具。MATLAB中含有一個仿真集成環(huán)境Simulink,其主要功能是實(shí)現(xiàn)各種動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真與分析。在MATLAB啟動后的系統(tǒng)界面中的命令窗口輸入”SIMULINK”指令就可以啟動SIMULINK仿真環(huán)境。啟動SIMULINK后就進(jìn)入了瀏覽器既模版庫，在圖中左側(cè)為以目錄結(jié)構(gòu)顯示的17類模版庫名稱（因軟件版本的不同，庫的數(shù)量及

7、其他細(xì)節(jié)可能不同），選中模版庫后，即會在右側(cè)窗口出現(xiàn)該模型庫中的各種元件或子庫。Simulink支持連續(xù)、離散系統(tǒng)以及連續(xù)離散混合系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)等多種類型系統(tǒng)的仿真分析，本書中將主要介紹和電力電子電路仿真有關(guān)的元件模式及仿真方法。對于電力電子電路及系統(tǒng)的仿真，除需使用Simulink中的基本模板外，用到的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)中常用元件的圖形化的圖形化元件模型，包括無源元件、電力電子器件、觸發(fā)器、電機(jī)和測量元件等。圖形的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)。1.2 Simulink系統(tǒng)的操作步驟在Simulin

8、k系統(tǒng)中，執(zhí)行菜單“File”下“New”、“Model”命令即可產(chǎn)生一個新的仿真模型編輯窗口，在窗口中可以采用形象的圖形編輯的方法建立仿真對象、編輯元件及系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而完成電路及系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)。具體步驟為：建立一個新的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)所需要的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(biāo)左鍵將元件拖拽至所建編輯窗口的合適位置，不斷重復(fù)該過程直至所有元件均放置完畢。在窗口中用鼠標(biāo)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(jìn)行復(fù)制（Ctrl+V）、粘貼（Ctrl+V）、旋轉(zhuǎn)（Ctrl

9、+R）、旋轉(zhuǎn)（Ctrl+I）、刪除（Delete）等操作，也可以在元件處按住鼠標(biāo)左鍵將元件拖拽移動。需要改變元件大小時可以選定該元件，將鼠標(biāo)移至元件四周的黑色小方塊，待鼠標(biāo)指針變?yōu)榧^形狀時按住鼠標(biāo)左鍵將元件拖拽至合適尺寸。需要改變元件參數(shù)，可以在該元件處雙擊鼠標(biāo)左鍵，即可彈出該元件的參數(shù)設(shè)置對話窗口進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。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(biāo)放置在元件端子處，但鼠標(biāo)指針變?yōu)椤?”字形狀時，按住鼠標(biāo)左鍵移動至需要連線的另一元件端子處，當(dāng)鼠標(biāo)指針變?yōu)椤?”字形狀時，松開鼠標(biāo)左鍵及建立兩端子之間的連線，若為控制模塊間傳遞信號，則在連線端部將出現(xiàn)箭頭表示信號的

10、流向，不斷重復(fù)該過程直至系統(tǒng)連接完畢。仿真電路或系統(tǒng)模型建立完畢后，還需要使用“Simulink”菜單中的”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(jìn)行設(shè)置和選擇，參數(shù)的具體選擇方法與所仿真電路相關(guān)。仿真模型建立完畢后，可以使用“file”菜單中的”Save”命令進(jìn)行保存。1.3 電氣元件模塊庫對于電力電子電路及系統(tǒng)的仿真除需使用Simulink中的基本模塊外，用到的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)之中常用元件的圖形化元件模型，包括無源元件、電力電子器件、觸發(fā)器、電機(jī)和測量元件等。用

11、鼠標(biāo)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。 用鼠標(biāo)雙擊“Elements”圖標(biāo)，在窗口中顯示29種電氣元件。這些可以分為三大類:負(fù)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的參數(shù)設(shè)置對話框,在“Resistance”、“Inducatance”、“Capacitance”參數(shù)下可以分別設(shè)置三個元件的參數(shù),如果電路中不含三者中的某個元件,則相應(yīng)參數(shù)應(yīng)設(shè)為0(電阻或電感)或inf(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(fù)載元件則是通過設(shè)置每個元

12、件的容量,由程序自動計算元件的參數(shù)。并聯(lián)RLC支路元件和并聯(lián)RLC負(fù)載元件用于描述由電阻、電容、電感并聯(lián)的電路,參數(shù)設(shè)置方法類似。 在不考慮變壓器鐵心飽和時不勾選“Saturable core”。在“Magnetition resistance Rm”和“Magnetition resistance LM”參數(shù)下分別設(shè)置變壓器的勵磁繞組電阻、電感的標(biāo)幺值。其他類型的變壓器參數(shù)設(shè)置方法類似。第2章 電力電子技術(shù)仿真分析2.1單相半波可控整流電路仿真2.1.1 單相半波可控整流電路基本原理：單相半波可控整流電路工作過程：（1）在電源電壓正半波（0區(qū)間），晶閘管承受正向電壓，脈沖uG在t=處觸發(fā)晶閘

13、管，晶閘管開始導(dǎo)通，形成負(fù)載電流id,負(fù)載上有輸出電壓和電流。 （2）在t=時刻，u2=0，電源電壓自然過零，晶閘管電流小于維持電流而關(guān)斷，負(fù)載電流為零。 （3）在電源電壓負(fù)半波（2區(qū)間），晶閘管承受反向電壓而處于關(guān)斷狀態(tài)，負(fù)載上沒有輸出電壓，負(fù)載電流為零。 （4）直到電源電壓u2的下一周期的正半波，脈沖uG在t=2+處又觸發(fā)晶閘管，晶閘管再次被觸發(fā)導(dǎo)通，輸出電壓和電流又加在負(fù)載上，如此不斷重復(fù)。 原理圖如下： 圖2-1 單相半波可控整流電路如上圖所示，當(dāng)晶閘管VT處于斷態(tài)時，電路中電流Id=0，負(fù)載上的電壓為0，U2全部加在VT兩端，在觸發(fā)角處，觸發(fā)VT使其導(dǎo)通

14、，U2加于負(fù)載兩端，當(dāng)電感L的存在時，使電流id不能突變，id從0開始增加同時L的感應(yīng)電動勢試圖阻止id增加，這時交流電源一方面供給電阻R消耗的能量，一方面供給電感L吸收的電磁能量，到U2由正變負(fù)的過零點(diǎn)處處id已經(jīng)處于減小的過程中，但尚未降到零，因此VT仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)id減小至零，VT關(guān)斷并承受反向壓降，電感L延遲了VT的關(guān)斷時刻使U形出現(xiàn)負(fù)的部分。2.1.2 電阻負(fù)載時仿真分析：仿真電路圖為：圖2-2 單相半波可控整流電路電阻負(fù)載電路仿真模型 仿真波形為：圖2-3 單相半波可控整流電路電阻負(fù)載電路波形 在實(shí)驗(yàn)中，各個元件模塊使用的參數(shù)如下：交流電壓源 提取路徑： SimulinkSim

15、PoweSysten AC Voltage Source 本實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為頻率50Hz，電壓幅值220V，其他為默認(rèn)設(shè)置，如右圖所示。 晶閘管 提取路徑：SimulinkSimPoweSystenThyristor 設(shè)置緩沖電阻Rs=500，緩沖電容Cs為無窮大inf RLC元件 提取路徑：SimulinkSimPoweSystenElements Series RLC Branch設(shè)置電阻R=1，電感L=5e-3H，電容為無窮大inf，脈沖信號發(fā)生器 提取路徑：SimulinkSimlinkSourcePulse Generator 設(shè)置振幅A=3V，周期T=0.02，占空比10%，時相延遲

16、（1/50）x（/360）s， 示波器 設(shè)置Number of axes 為5，顯示5段波形，分別為脈沖電壓Ug，晶閘管兩端電壓UVT，負(fù)載電流id，負(fù)載電壓ud，電源電壓U2 。電壓電流測量 無需設(shè)置直接使用2.1.3 阻感負(fù)載仿真分析 仿真電路圖為：圖2-4 單相半波可控整流電路電阻電感負(fù)載電路仿真模型 各個角度仿真波形為：圖2-5 單相半波可控整流電路阻感負(fù)載電路波形（a=30）圖2-6 單相半波可控整流電路阻感負(fù)載電路波形（a=60）圖2-7 單相半波可控整流電路阻感負(fù)載電路波形（a=90）圖2-8 單相半波可控整流電路阻感負(fù)載電路波形（a=120）圖2-9 單相半波可控整流電路阻感負(fù)

17、載電路波形（a=180）在實(shí)驗(yàn)中，各個元件模塊使用的參數(shù)設(shè)置同電阻負(fù)載。2.2 晶閘管三相橋式整流電路的仿真2.2.1電路圖及工作原理以=0°為例，6個晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)閂T1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，觸發(fā)脈沖為寬脈沖寬度大于60°，保證了每個時刻均有兩個晶閘管導(dǎo)通，當(dāng)VT1-VT2導(dǎo)通時橋臂輸出電壓為Uac，然后VT2-VT3導(dǎo)通輸出電壓為Ubc，VT3-VT4導(dǎo)通輸出電壓為Uba，VT4-VT5導(dǎo)通輸出電壓為Uca，VT5-VT6 導(dǎo)通輸出電壓為Ucb， VT6-VT1導(dǎo)通輸出電壓為Uab。因此輸出整流電壓Ud波形為線電壓在正半周的包絡(luò)線。原理圖如下：圖

18、2-10晶閘管三相橋式整流電路2.2.2 仿真模型及波形仿真電路圖為：圖2-11晶閘管三相橋式整流電路仿真模型各個角度仿真波形為：圖2-12 晶閘管VT1的電壓和電流圖2-13 通過A,B,C三相的電流設(shè)置觸發(fā)脈沖分別為0，30°、60°、90°、120°，產(chǎn)生的相應(yīng)波形分別如圖所示：第一列為負(fù)載電壓ud波形，第二列負(fù)載電流id波形，第三列脈沖信號第四列電壓Ug波形，A,B,C三相電壓波形。圖2-14 電阻負(fù)載（a=0）圖2-15 電阻負(fù)載（a=30）圖2-16 電阻負(fù)載（a=60）圖2-17 電阻負(fù)載（a=90）圖2-18 電阻負(fù)載（a=120）在實(shí)驗(yàn)

19、中，各個元件模塊使用的參數(shù)如下：交流電壓源 三相交流電源通過三個頻率為50Hz，幅值為220V，相位兩兩相差120，測量“measurements”三相都要選Voltage，以便使用萬用表測量電壓通用橋 輸入端A,B,C為三相交流的相電壓輸入端子，輸入端g為觸發(fā)脈沖輸入端子，+,-為整流器輸出正負(fù)極端子。在測量“Measurements”選“All voltages and currents”以便測量橋臂內(nèi)晶閘管的電壓和電流，其他參數(shù)為默認(rèn)值。常量 三相橋式全控整流系統(tǒng)仿真模型要使用兩個常量模塊，一個提供觸發(fā)角的值，一個設(shè)置為0連接同步6脈沖觸發(fā)器的使能端Block，使其能正常工作。 同步6脈

20、沖觸發(fā)器 頻率設(shè)置為50Hz，脈沖用寬脈沖設(shè)置為80°。 萬用表 三相橋式全控整流系統(tǒng)仿真模型使用了兩個萬用表，其中一個選中Isw1和Usw1，分別測量iVT1，uVT1。另一個萬用表選擇Usrc：A，Usrc：B，Usrc：C，分別測量A,B,C三相電壓。示波器 三相橋式全控整流系統(tǒng)仿真模型使用了兩三個示波器，最主要的一個設(shè)置Number of axes 為4，另一個設(shè)置Number of axes 為2，第三個示波器設(shè)置Number of axes 為3。 電壓電流測量 由于同步6脈沖觸發(fā)器的AB,BC,CA端為同步線電壓輸入端，而三相電源提供的是相電壓所以要通過三個電壓表進(jìn)行轉(zhuǎn)

21、換，其他電流電壓測量無需設(shè)置直接使用。 RLC R=10，L=0H,C=inf（無窮大）。2.3 Boost變換器的仿真2.3.1電路圖及工作原理首先假設(shè)電路中電感L的值很大，電容C值 也很大。當(dāng)IGBT處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，充電電流基本恒定為I1，同時電容C上的電壓向負(fù)載R供電。因C值很大，基本保持輸出電壓u0為恒值，記為U0 。設(shè)IGBT處于通態(tài)的時間為ton，此階段電感L上積蓄的能量為EI1ton。當(dāng)IGBT處于斷態(tài)時E和L共同向電容C充電并向負(fù)載R提供能量。設(shè)IGBT處于斷態(tài)的時間為toff，則在此期間電感L釋放的能量為（U0 -E）I1toff。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期

22、T中電感L上積蓄的能量與釋放的能量相等，EI1ton=（U0 -E）I1toff 化簡為 U0=T*E/toff 輸出電壓高于電源電壓。原理圖如下：圖2-19 升壓斬波電路（電阻負(fù)載）原理圖2.3.2 仿真模型及波形仿真電路圖為：圖2-20 升壓斬波電路（電阻負(fù)載）仿真電路圖系統(tǒng)仿真波形為:圖2-21 升壓斬波電路（電阻負(fù)載）仿真波形圖在實(shí)驗(yàn)中，各個元件模塊使用的參數(shù)如下： 直流電壓源 設(shè)置A=100V，“measurements”選None（不測量電壓） 脈沖信號發(fā)生器設(shè)置振幅A=3V，周期T=0.0001占空比40%，時相延遲0s 絕緣柵雙極型晶體管 勾選“Show measurement

23、 port”項(xiàng)，其他為默認(rèn) 二極管 勾選“Show measurement其他為默認(rèn)設(shè)置 RLC元件 R=50,L=0H，C=3e-6F 示波器 設(shè)置Number of axes 為5，顯示5段波形2.4 相位控制的晶閘管單相交流調(diào)壓器系統(tǒng)的仿真2.4.1電路圖及工作原理在交流電源U1的正半周和負(fù)半周，分別對VT1和VT2的觸發(fā)延遲角進(jìn)行控制，使得輸出電壓波形為正弦電壓的一部分，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的，負(fù)載阻抗角 =arctan(L/R),負(fù)載電壓相位滯后于晶閘管輸出電壓相位，把=0°的時刻定在電源電壓過零的時刻，顯然阻感負(fù)載下穩(wěn)態(tài)時的移相范圍為-。圖2-22 單相交流調(diào)壓器原理

24、圖2.4.2仿真模型及波形仿真電路圖為：圖2-23 單相交流調(diào)壓器仿真電路圖各個角度仿真波形為：圖2-24 單相交流調(diào)壓器仿真波形圖（a=30）圖2-25 單相交流調(diào)壓器仿真波形圖（a=60）圖2-26 單相交流調(diào)壓器仿真波形圖（a=90）圖2-27 單相交流調(diào)壓器仿真波形圖（a=120）圖2-28 單相交流調(diào)壓器仿真波形圖（a=150）在實(shí)驗(yàn)中，各個元件模塊使用的參數(shù)如下： 交流電壓源 參數(shù)設(shè)置為頻率50Hz，電壓幅值220V，為移相控制角兩個脈沖信號發(fā)生器相位相差180° 脈沖信號發(fā)生器 振幅A=12V，周期T=0.02，占空比30%，時相延遲（1/50）x（/360）其他為默認(rèn)設(shè)置 RLC元件 R=1，H=1e-3H，C=inf 萬用表 選擇Usrc：U1，測量交流電源電壓 示波器 設(shè)置Number of