電力電子matlab仿真

1、電力電子技術(shù)matlab仿真第一章 MATLAB 基礎(chǔ)第一章 MATLAB 基礎(chǔ)1.1 MATALB 介紹1.2 MATALB 的安裝和啟動(dòng)（自學(xué)）1.3 MATALB 環(huán)境1.4 MATALB 計(jì)算基礎(chǔ)1.5 MATALB 程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1.6 MATALB 常用的其他命令（自學(xué)）1.7 MATALB 的繪圖功能1.8 電力電子電路波形圖的繪制1.1 MATALB 介紹 MATLAB的名稱源自Matrix Laboratory，它是一種科學(xué)計(jì)算軟件，專門以矩陣的形式處理數(shù)據(jù)。MATLAB將高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化集成在一起，并提供了大量的內(nèi)置函數(shù)，從而被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算、控制系統(tǒng)、信息處理

2、等領(lǐng)域的分析、仿真和設(shè)計(jì)工作。 目前MATLAB產(chǎn)品族可以用來進(jìn)行：數(shù)值分析 數(shù)值和符號(hào)計(jì)算 工程與科學(xué)繪圖 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 數(shù)字圖像處理 數(shù)字信號(hào)處理 通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 財(cái)務(wù)與金融工程 電力電子電路電力拖動(dòng)的仿真就是在MATLAB/SIMULINK 環(huán)境下，主要使用電力系統(tǒng)模塊庫和SIMULINK兩個(gè)模塊庫進(jìn)行。1.3 MATALB 環(huán)境 1. 3.1 MATLAB 的主菜單 1.3.2 MATLAB 的工具欄 1.3.3 MATLAB 的命令窗口 1.3.4 MATLAB 的工作間1. 3.1 MATLAB 的主菜單1.3.2 MATLAB 的工具欄新建 打開 剪切 復(fù)制 粘貼 撤

3、消 恢復(fù) 仿真 幫助1.3.3 MATLAB 的命令窗口 MATLAB 的命令窗口(Command Window) 是MATLAB的主要工作區(qū)， 是人機(jī)對(duì)話的主要環(huán)境。 在命令窗口中鍵入各種命令，可以得到相應(yīng)的結(jié)果。1.3.4 MATLAB 的工作間1. 工作空間窗口 變量管理中心，可以顯示變量名稱、尺寸、字節(jié)和類別等信息。2.工作空間管理命令Who 列出變量的簡(jiǎn)明列表Whos 列出變量大小類型等1.4 MATALB 計(jì)算基礎(chǔ) MATLAB 的計(jì)算主要是數(shù)組和矩陣的計(jì)算，并且定義的數(shù)值元素是復(fù)數(shù)，這是MATLAB 的重要特點(diǎn)。1.4.1 常量和變量1.4.2 數(shù)組和矩陣的表示和賦值(1) 一維

4、數(shù)組的表示和賦值。 一維數(shù)組(行矢量)是用方括號(hào)括起的一組元素(或數(shù)) ，元素之間用空格或逗號(hào)分隔，組成數(shù)組的元素可以是具體的數(shù)值、變量名或算式。 舉例如下: x= l 2 3 4 5 61.4.2 數(shù)組和矩陣的表示和賦值n 維數(shù)組和矩陣的表示和賦值。 n 維數(shù)組或矩陣的表示和賦值的規(guī)則是矩陣或數(shù)組的元素列入方括號(hào)()中，每行的元素間用空格或逗號(hào)分隔，行與行之間用分號(hào)或回車鍵隔開。 舉例如下，即 A=1 2 3;4 5 6;7 8 9 A 為矩陣名，方括號(hào)內(nèi)表示一個(gè)3x3 的矩陣。 矩陣內(nèi)的元素可以是數(shù)值、變量或者表達(dá)式。1.4.3 MATLAB 的算術(shù)運(yùn)算1.4.4 MATLAB 的關(guān)系運(yùn)算

5、1.4.5 MATLAB 的邏輯運(yùn)算1.4.7 MATLAB 常用的函數(shù)1.4.7 MATLAB 常用的函數(shù)1.5 MATALB 程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)解釋性高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言，對(duì)程序中的語言邊解釋邊執(zhí)行。順序、選擇和循環(huán)三種基本控制結(jié)構(gòu)組成。包括表達(dá)語句、控制語句、調(diào)試語句和空語句。MATLAB 程序的基本結(jié)構(gòu)如下，即 % 說明 清除命令 定義變量 逐行執(zhí)行的命令 循環(huán)和轉(zhuǎn)移 逐行執(zhí)行的命令 end 逐行執(zhí)行的命令1.5.1 表達(dá)式、表達(dá)式語旬和賦值語句1.表達(dá)式 由運(yùn)算符連接的常量、變量和函數(shù)構(gòu)成MATLAB 的表達(dá)式。2. 表達(dá)式語句 單個(gè)的表達(dá)式就是表達(dá)式語句，一行可以只有一個(gè)表達(dá)式語句，也可以有

6、多個(gè)表達(dá)式語句。3. 賦值語句 將表達(dá)式的值賦予變量就是賦值語句。 A=3+7 * 8 x =10 * sin(2 * pi * f * t) z=2 * x+5 *y1.5.2 流程控制語句 MATLAB 的流程控制語句有if、 while 、 for和 switch - case 語句。1.5.2.1 if 語句if 語句有三種形式，分別為if (表達(dá)式) ，語句組 A ， endif (表達(dá)式) ，語句組 A ， else 語句組 B ， endif (表達(dá)式1)，語句組A ， else if (表達(dá)式 2) 語句組 B ， else 語句組 C ， endif 語句三種形式的程序結(jié)構(gòu)如

7、圖1-6 所示。1.5.2.2 while 循環(huán)語句while 語句的格式為 while (表達(dá)式) ，語句組， endwhile 循環(huán)語句的流程如圖 1-7 所示1.5.2.3 for 循環(huán)語句for 語句的格式為 for k =初始值:增量:終止值， 語句組， end1.5.2.4 switch-case語句 switch-case 語句是一種多分支語句，語句的格式為 switch 表達(dá)式(標(biāo)量或字符串) case 值 1 語句組 A case 值 2 語句組 B otherwise 語句組 N end 在 switch-case 語句中，當(dāng)表達(dá)式的值(或字符串)與某個(gè) case 值(或字

8、符串)相同時(shí)，就執(zhí)行該 case 值以下的語句組。如果表達(dá)式的值(或字符串)與任何一個(gè)case 值都不相同，則執(zhí)行 otherwise 后的語句組 N。1.7 MATALB 的繪圖功能 MATLAB 有很強(qiáng)的繪圖功能，可以繪制二維圖形、三維圖形、直方圖和餅圖等，這里僅介紹一些常用的基本繪圖命令和方法，見表 1-8 1.7.1 直角坐標(biāo)中的二維曲線例 1-2 畫一條按正弦衰減的曲線。 t = 0:0.2:6 * PI; b =exp( - 0.1 * t) .* sine (t) ; plot (t , b)1.7.2 多條曲線的繪制如果要在一張圖上繪制多條曲線，使用 plot 語句的格式如下:

9、 plot(x1 , y1 ,x2 , y2 , xn , yn)例 1-3 在一張圖上畫一條幅值為 10 的正弦曲線和一條幅值為 8 的余弦曲線命令如下，即 t=0:0.1:4 * pi; y1 =10 * sine( t) ; y2 =8 * cos( t) ; plot (t ,y1, t , y2) plot 命令回車執(zhí)行后，得到兩條 正余弦曲線如圖 1-10 所示。1.7.3 曲線的線型和顏色1.7.4 MATLAB 的圖形窗口1.8 電力電子電路波形圖的繪制例 1-4 單相半波不控整流電路(見圖 117) ，已知交流電源電壓 220V ，負(fù)載電阻為 2。畫出交流電源電壓、整流輸出電

10、壓和電流的波形。1.8 電力電子電路波形圖的繪制MATLAB 命令窗口鍵入命令如下 V=220 ; %交流電壓有效值 R= 2; %電阻值 dth = pi/360 ; %導(dǎo)通角增量 th =0:dth:2 * pi; %一周期中導(dǎo)通角 vs = V * sqrt(2) * sin ( th) ; %交流電壓 ud=vs. * (vs = 0); %整流輸出電壓 id=ud/R; %整流輸出電流 plot( th ,vs) , hold %畫交流電壓波形 plot(th ，vs， th ， id ) %畫整流電壓電流波形1.8 電力電子電路波形圖的繪制1.8 電力電子電路波形圖的繪制例 1.5

11、 單相橋式全控整流電路如圖 1-22 所示，交流電源電壓 120V ，阻感負(fù)載。畫出控制角為 /6 時(shí)，整流電路負(fù)載側(cè)的電壓波形。1.8 電力電子電路波形圖的繪制 謝謝 ！第二章 SIMULINK環(huán)境和模型庫SIMULINK環(huán)境和模型庫2.1 系統(tǒng)仿真環(huán)境2.2 SIMULINK 模型庫中的模塊2.3 電力系統(tǒng)模型庫第2章 SIMULINK環(huán)境和模型庫2-38382.1 系統(tǒng)仿真環(huán)境SIMULINK 作為面向系統(tǒng)框圖的仿真平臺(tái)，它具有如下特點(diǎn):(1) 調(diào)用模塊代替程序的編寫，以模塊連成的框圖表示系統(tǒng)，點(diǎn)擊模塊即可以輸入模塊參數(shù)。(2) 畫完系統(tǒng)框圖，設(shè)置好仿真參數(shù)，即可啟動(dòng)仿真。(3)系統(tǒng)運(yùn)行

12、的狀態(tài)和結(jié)果可以通過波形和曲線觀察，這和實(shí)驗(yàn)室中用示波器觀察的效果幾乎一致。(4) 系統(tǒng)仿真的數(shù)據(jù)可以用以. mat 為后綴的文件保存，并且可以用其他數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行處理。(5) 系統(tǒng)框圖繪制不完整或仿真過程中出現(xiàn)計(jì)算不收斂的情況，會(huì)給出一定的出錯(cuò)提示信息，但是這提示不一定準(zhǔn)確，這是軟件還不夠完備的地方。在 MATLAB 的工具欄上點(diǎn)擊按鈕 ，進(jìn)入第2章 SIMULINK環(huán)境和模型庫2-39392.1 系統(tǒng)仿真環(huán)境2.1.1 SIMULINK的工作環(huán)境 File 文件菜單 表 2.1 Edit 編輯菜單 表 2.2 View 查看菜單 表 2.3 Simulation 仿真功能菜單 表 2.4

13、 Format 模塊格式菜單 表 2.5Tools 工具菜單 表 2.6第2章 SIMULINK環(huán)境和模型庫2-40402.1 系統(tǒng)仿真環(huán)境2. 1. 2 模型庫瀏覽器1.模塊的提取 2. 模塊的復(fù)制和粘貼3. 模塊的移動(dòng)、放大和縮小4. 模塊的轉(zhuǎn)動(dòng)5. 模塊名的修改和移動(dòng)6. 模塊的參數(shù)設(shè)置7. 模塊的刪除和恢復(fù)8. 模塊的連接9. 信號(hào)線的彎折、移動(dòng)和刪除的連接第2章 SIMULINK環(huán)境和模型庫2-41412.1 系統(tǒng)仿真環(huán)境2.1.3 SIMULINK的仿真步驟構(gòu)建仿真模型 設(shè)置模塊參數(shù)設(shè)置仿真參數(shù)啟動(dòng)仿真 觀測(cè)仿真結(jié)果第2章 SIMULINK環(huán)境和模型庫2-42422.1 系統(tǒng)仿真環(huán)

14、境步驟 1 :在 SIMULINK 的模型庫中分別提取階躍給定(Step) 、傳 遞函數(shù)(Transfer Fcn) 和示波器 (Scope) 3 個(gè)模塊，并連接組成仿真模型。步驟 2: 模塊賦值。分別雙擊階躍給定和傳遞函數(shù)兩個(gè)模塊，設(shè)定其參數(shù)。步驟 3: 設(shè)置模型仿真參數(shù)。步驟 4: 啟動(dòng)仿真并觀察結(jié)果。第2章 SIMULINK環(huán)境和模型庫2-43432.1 系統(tǒng)仿真環(huán)境 例 2-2 轉(zhuǎn)速反饋有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖 2-14 所示，仿真該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。已知直流電動(dòng)機(jī)額定參數(shù)為 220V、 55A、1000 r/min ， 電動(dòng)勢(shì)常數(shù) Ce = 0.193V min/r，晶閘管整流

15、器放大倍數(shù)Ks =44 ，電樞回路總電阻R=I.， 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) = 0.0116。第2章 SIMULINK環(huán)境和模型庫2-44442.1 系統(tǒng)仿真環(huán)境2. 1. 4 系統(tǒng)模型的保存和調(diào)用保存：save后綴：.mdl調(diào)用：open第2章 SIMULINK環(huán)境和模型庫2-45452.1 系統(tǒng)仿真環(huán)境2. 1.5 SIMULINK 的仿真算法 一般采用缺省可變步長(zhǎng)ode45算法，電力電子電路包含非線性元件，可以選擇包含Stiff模型的算法。第2章 SIMULINK環(huán)境和模型庫2-46462.1 系統(tǒng)仿真環(huán)境2. 1.6 示波器的使用和數(shù)據(jù)保存第2章 SIMULINK環(huán)境和模型庫2-47472. 1

16、.6 示波器的使用和數(shù)據(jù)保存示波器的參數(shù)Y軸數(shù)量 時(shí)間范圍 auto 自動(dòng)設(shè)置為系統(tǒng)仿真參數(shù)中的起止時(shí)間標(biāo)簽貼放數(shù)據(jù)取樣方式 n（n中取1），一般為1數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù) 不選時(shí)所有數(shù)據(jù)都顯示數(shù)據(jù)存放至工作空間圖形縮放區(qū)域放大、X軸向放大、Y軸向放大第2章 SIMULINK環(huán)境和模型庫2-48482. 1.6 示波器的使用和數(shù)據(jù)保存3. 坐標(biāo)軸范圍 以在 Scope 窗口的圖形部分點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的功能菜單中選擇“axes properties” 項(xiàng)，則可以打開 Y 軸范圍限制的對(duì)話框.浮動(dòng)示波器 (floating scope) 不需要將示波器與外部模塊用線連接，就可以選擇示波器的顯示信號(hào)，使用方便

17、。第2章 SIMULINK環(huán)境和模型庫2-49492. 1.7 建立子系統(tǒng)和系統(tǒng)模型的封裝 首先選擇需要打包的模塊，然后在Edit 菜單中選 Create Subsystem命令。第2章 SIMULINK環(huán)境和模型庫2-50502.2 SIMULINK 模型庫中的模塊2.2.1 連續(xù)系統(tǒng)模塊庫 表 2-72.2.2 離散系統(tǒng)模塊庫 表 2-8 表 2-92.2.3 函數(shù)與表格模塊庫 表 2-10 表 2-112.2.4 數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊庫 表 2-12 表 2-132.2.5 非線性系統(tǒng)模塊庫 表 2-14 表 2-152.2.6 信號(hào)與系統(tǒng)模塊庫 表 2-16 表 2-172.2.7 儀器儀表模

18、塊庫 表 2-18 表 2-192.2.8 信號(hào)源模塊庫表 表 2-20 表 2-212.2.9 子系統(tǒng)模塊庫第2章 SIMULINK環(huán)境和模型庫2-51512.3 電力系統(tǒng)模型庫2.3.1 電源模塊庫 (Electrical Sources) 表 2-22 表 2-232.3.2 電器元件模塊庫 (Elements) 表 2-24 表 2-252.3.3 電機(jī)模塊庫 (Machines) 表 2-26 表 2-272.3.4 電力電子元件模塊庫 (Power Electronics) 表 2-28 表 2-292.3.5 連接件模塊庫 ( Connectors) 表 2-30 表 2-312

19、.3.6 測(cè)量?jī)x器 模塊庫 (Measurements) 表 2-32 表 2-332.3.7 其他電氣模塊庫 (Extra Library) 表 2-342.3.7.1 控制模塊子集 (Control Blocks) 表 2-35 表 2-362.3.7.2 測(cè)量模塊子集 (Measurements) 表 2-37 表 2-382.3.7.3 三相模型子集 (Three-phase Library)表 2-39 表 2-40第2章 SIMULINK環(huán)境和模型庫2-5252 謝謝 ！第2章 SIMULINK環(huán)境和模型庫2-5353第三章 電力電子器件模型電力電子器件模型3.1 二極管模型3.2

20、 晶閘管模型3.3 可關(guān)斷晶閘管模型3.4 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管模型3.5 絕緣柵雙極型晶體管模型3.6 理想開關(guān)模型3.7 三相橋式整流電路模型3.8 多功能橋式電路模型3.9 驅(qū)動(dòng)模型第3章 電力電子器件模型3-5555電力電子器件模型系統(tǒng)級(jí)模型 MATLAB中電力電子器件模型使用簡(jiǎn)化宏模型，只要求外特性與實(shí)際基本相符，不考慮內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)。（不同于PSPICE的器件級(jí)模型）電力電子器件的開關(guān)模型 SW: 可控開關(guān) Ron: 導(dǎo)通電阻 Lon：串聯(lián)電感，限制電流升降 Vf：導(dǎo)通門檻電壓緩沖電路 并聯(lián)RC串聯(lián)緩沖電路 第3章 電力電子器件模型3-56563.1 二極管模型工作特性承受正向電壓Vak

21、0，導(dǎo)通；電流降為零Iak=0或承受反向電壓Vak0，門極正觸發(fā)g0；觸發(fā)脈沖寬度使陽極電流Iak大于設(shè)定的擎住電流I1關(guān)斷：陽極電流Iak=0，或承受反壓VakO) ，且漏極電流大于0 時(shí)導(dǎo)通，在門極信號(hào)為零時(shí)關(guān)斷。外特性：正向?qū)顟B(tài)的導(dǎo)通電阻是 Ron ，反向?qū)ㄊ嵌O管導(dǎo)通，導(dǎo)通電阻是二極管的電阻 Rd 。 第3章 電力電子器件模型3-63633.4 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管模型第3章 電力電子器件模型3-64643.5 絕緣柵雙極型晶體管模型 絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 結(jié)合了場(chǎng)效應(yīng)晶體管和電力晶體管的優(yōu)點(diǎn)，具有驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度快，通流能力強(qiáng)的特點(diǎn)，目前已經(jīng)成為中小功率電力電子設(shè)備

22、的主導(dǎo)器件。第3章 電力電子器件模型3-65653.5 絕緣柵雙極型晶體管模型工作特性：集射極間電壓為正(Vce 0) ，門極信號(hào) (g 0) 時(shí)導(dǎo)通;集射極間電壓為正 (VceO) ，門極信號(hào)為零 (g = 0) 關(guān)斷。集射極間電壓為負(fù) (Vce uc時(shí)，V1V4導(dǎo)通，uo=Ud。 當(dāng)uruc時(shí)，V2V3導(dǎo)通，uo=-Ud。 urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud圖7-6 雙極性PWM控制方式波形 圖7-4 單相橋式PWM逆變電路 1145.3.1 三相電壓源型SPWM 逆變器仿真第5章 電力電子變流電路的仿真5-115圖7-7 三相橋式PWM型逆變電路 圖7-8 三相橋式PWM逆變

23、電路波形 三相橋式PWM逆變電路 采用雙極性控制方式。 U、V和W三相的PWM控制通常公用一個(gè)三角波載波uc，三相的調(diào)制信號(hào)urU、urV和urW依次相差120。 1155.3.1 三相電壓源型SPWM 逆變器仿真第5章 電力電子變流電路的仿真5-1161165.3.2 電流跟蹤型逆變器仿真 電流跟蹤型逆變器使逆變器的輸出電流跟隨給定的電流波形變化，這也是一種 PWM 控制方式。電流跟蹤一般都采用滯環(huán)控制，即當(dāng)逆變器輸出電流與給定電流的偏差超過一定值時(shí)，改變逆變器的開關(guān)狀態(tài)，使逆變器的輸出電流增加或減小，將輸出電流與給定電流的偏差控制在一定范圍內(nèi)，其工作原理如圖第5章 電力電子變流電路的仿真5

24、-1171175.3.2 電流跟蹤型逆變器仿真第5章 電力電子變流電路的仿真5-1181185.3.2 電流跟蹤型逆變器仿真第5章 電力電子變流電路的仿真5-1191195.3.2 電流跟蹤型逆變器仿真第5章 電力電子變流電路的仿真5-1201205.4 交流-交流變流器第5章 電力電子變流電路的仿真5-121把兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過對(duì)晶閘管的控制就可以控制交流輸出。 交流電力控制電路 交流調(diào)壓電路：在每半個(gè)周波內(nèi)通過對(duì)晶閘管開通相位的控制，調(diào)節(jié)輸出電壓有效值的電路。 交流調(diào)功電路：以交流電的周期為單位控制晶閘管的通斷，改變通態(tài)周期數(shù)和斷態(tài)周期數(shù)的比，調(diào)節(jié)輸出功率平均值的電路

25、。 交流電力電子開關(guān)：串入電路中根據(jù)需要接通或斷開電路的晶閘管。應(yīng)用 燈光控制（如調(diào)光臺(tái)燈和舞臺(tái)燈光控制)。 異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)。 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。 供用電系統(tǒng)對(duì)無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。 在高壓小電流或低壓大電流直流電源中，用于調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。1215.4.1 單相交流調(diào)壓器仿真第5章 電力電子變流電路的仿真5-122Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt圖6-1 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形電阻負(fù)載 工作過程 在交流電源u1的正半周和負(fù)半周，分別對(duì)VT1和VT2的開通角進(jìn)行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。1225.4.1 單相交流調(diào)壓器仿真第5章 電力電子變流電路的仿真5-123VT1圖6-2 阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形阻感負(fù)載 工作過程 若晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)載電流為正弦波，相位滯后于u1的角度為，當(dāng)用晶閘管控制時(shí)，只能進(jìn)行滯后控制，使負(fù)載電流更為滯后。 設(shè)負(fù)載的阻抗角為 ，穩(wěn)態(tài)時(shí)的移相范圍應(yīng)為。1235.4.1 單相交流調(diào)壓器仿真 交流調(diào)壓晶閘管控制角 的移相范圍是 180 ， =0的位置定在電源電壓過零的時(shí)刻。在阻感負(fù)載時(shí)按控制角與負(fù)載阻抗角 = arctan (U/R)