基于matlab的電力電子技術(shù)課程設(shè)計報告

1、<p><b>　　《電力電子技術(shù)》</b></p><p><b>　　課程設(shè)計報告</b></p><p>　　題 目： 基于MATLAB的電力電子技術(shù) </p><p>　　仿真分析 </p><p>　　院 （系）： 機電與自動化學(xué)院

2、 </p><p>　　專業(yè)班級： 電氣工程及其自動化11XX </p><p>　　學(xué)生姓名： XXX </p><p>　　學(xué) 號： 2011113XXXX </p><p>　　指導(dǎo)教師： XXX </p&g

3、t;<p>　　2014年1月13日至2014年1月17日</p><p>　　電力電子技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 MATLAB軟件及仿真集成環(huán)境Simulink簡介…………………………… (1)</p><p>　　1.1 MATLAB及

4、Simulink簡介 …………………………………………………(1)</p><p>　　1.2 Simulink系統(tǒng)的操作步驟 …………………………………………………(1)</p><p>　　1.3 電氣元件模塊庫…………………………………………………………… (2)</p><p>　　第2章 電力電子技術(shù)仿真分析 …………………………………………………(3)

5、</p><p>　　2.1單相半波可控整流電路仿真 … ……………………………………………(3)</p><p>　　2.1.1 單相半波可控整流電路基本原理 …………………………………… (3)</p><p>　　2.1.2 電阻負載時仿真分析 ………………………………………………… (4)</p><p>　　2.1.3 阻感負載仿真

6、分析 …………………………………………………… (5)</p><p>　　2.2 晶閘管三相橋式整流電路的仿真………………………………………… (7)</p><p>　　2.2.1電路圖及工作原理……………………………………………………… (7)</p><p>　　2.2.2 仿真模型及波形… …………………………………………………… (8)</p>

7、;<p>　　2.3 Boost變換器的仿真…………………………… …………………………(11)</p><p>　　2.3.1電路圖及工作原理… ………………………………………………… (11)</p><p>　　2.3.2 仿真模型及波形……………………………………………………… (11)</p><p>　　2.4 相位控制的晶閘管單相交流調(diào)壓

8、器系統(tǒng)的仿真… …………………… (12)</p><p>　　2.4.1電路圖及工作原理… ………………………………………………… (12)</p><p>　　2.4.2仿真模型及波形… …………………………………………………… (13)</p><p>　　第3章 總結(jié)………………………………………………………………………(15)</p><

9、;p>　　課程設(shè)計成績評定表…………………………………………………………… (16)</p><p>　　第1章MATLAB軟件及仿真集成環(huán)境Simulink簡介</p><p>　　1.1 MATLAB及Simulink簡介 </p><p>　　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

10、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

11、軟件版本的不同，庫的數(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)該模型庫中的各種元件或子庫。</p><p>　　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

12、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)。</p><p>　　1.2 Simulink系統(tǒng)的操作步驟</p><p>　　在Simulink系統(tǒng)中，執(zhí)行菜單“File”下“New”、“Model”命令即可產(chǎn)生一個新的仿真模型編輯窗口，在窗口中可以采用形象

13、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)，進而完成電路及系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)。具體步驟為：</p><p>　　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。</p><p>　　在窗口中用鼠標(biāo)

14、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(fù)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(biāo)左鍵將元件拖拽移動。</p><p>　　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。</p><p

15、>　　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)置對話窗口進行參數(shù)設(shè)置。</p><p>　　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)箭頭表示信號的流向，

16、不斷重復(fù)該過程直至系統(tǒng)連接完畢。</p><p>　　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)。</p><p>　　仿真模型建立完畢后，可以使用“file”菜單中的”Save”命令進行保存。</p>

17、<p>　　1.3 電氣元件模塊庫</p><p>　　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、電機和測量元件等。用鼠標(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

18、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。</p><p>　　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:負載元件、傳輸線和變壓器。</p><p>　　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

19、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負載元件則是通過設(shè)置每個元件的容量,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。</p><p>　　在不考慮變壓器鐵心飽和時不勾選“Saturable core”。在“Magnetition resistance Rm

20、”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。</p><p>　　第2章 電力電子技術(shù)仿真分析</p><p>　　2.1單相半波可控整流電路仿真</p><p>　　2.1.1 單相半波可控整流電路基本原理：</p><p>　　單相半波可控整

21、流電路工作過程：</p><p>　?。?）在電源電壓正半波（0~π區(qū)間），晶閘管承受正向電壓，脈沖uG在ωt=α處觸發(fā)晶閘管，晶閘管開始導(dǎo)通，形成負載電流id,負載上有輸出電壓和電流。 </p><p>　　（2）在ωt=π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，負載電流為零。 </p><p>　?。?）在電源電壓負半

22、波（π~2π區(qū)間），晶閘管承受反向電壓而處于關(guān)斷狀態(tài)，負載上沒有輸出電壓，負載電流為零。 </p><p>　?。?）直到電源電壓u2的下一周期的正半波，脈沖uG在ωt=2π+α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載上，如此不斷重復(fù)。</p><p><b>　　原理圖如下：</b></p><p>　　圖2-

23、1 單相半波可控整流電路</p><p>　　如上圖所示，當(dāng)晶閘管VT處于斷態(tài)時，電路中電流Id=0，負載上的電壓為0，U2全部加在VT兩端，在觸發(fā)角α處，觸發(fā)VT使其導(dǎo)通，U2加于負載兩端，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由正變負的過零點處處id已經(jīng)處于減小的過程中，但尚未降到

24、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)負的部分。</p><p>　　2.1.2 電阻負載時仿真分析：</p><p><b>　　仿真電路圖為：</b></p><p>　　圖2-2 單相半波可控整流電路電阻負載電路仿真模型</p><p><b&

25、gt;　　仿真波形為：</b></p><p>　　圖2-3 單相半波可控整流電路電阻負載電路波形</p><p>　　在實驗中，各個元件模塊使用的參數(shù)如下：</p><p>　?、俳涣麟妷涸?提取路徑： Simulink\SimPoweSysten\ AC Voltage Source</p><p>　　本實驗參數(shù)設(shè)置為頻率5

26、0Hz，電壓幅值220V，其他為默認設(shè)置，如右圖所示。</p><p>　?、诰чl管 提取路徑：Simulink\SimPoweSysten\Thyristor</p><p>　　設(shè)置緩沖電阻Rs=500Ω，緩沖電容Cs為無窮大inf </p><p>　?、跼LC元件 提取路徑：Simulink\SimPoweSysten\Elements \Series R

27、LC Branch</p><p>　　設(shè)置電阻R=1Ω，電感L=5e-3H，電容為無窮大inf，</p><p>　　④脈沖信號發(fā)生器 提取路徑：Simulink\Simlink\Source\Pulse Generator</p><p>　　設(shè)置振幅A=3V，周期T=0.02，占空比10%，時相延遲（1/50）x（α/360）s， ⑤示波器 設(shè)置Number

28、 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，負載電流id，負載電壓ud，電源電壓U2 。</p><p>　?、揠妷弘娏鳒y量 無需設(shè)置直接使用</p><p>　　2.1.3 阻感負載仿真分析</p><p><b>　　仿真電路圖為：</b></p><p>　　圖2-4 單相半波可

29、控整流電路電阻電感負載電路仿真模型</p><p>　　各個角度仿真波形為：</p><p>　　圖2-5 單相半波可控整流電路阻感負載電路波形（a=30）</p><p>　　圖2-6 單相半波可控整流電路阻感負載電路波形（a=60）</p><p>　　圖2-7 單相半波可控整流電路阻感負載電路波形（a=90）</p>&l

30、t;p>　　圖2-8 單相半波可控整流電路阻感負載電路波形（a=120）</p><p>　　圖2-9 單相半波可控整流電路阻感負載電路波形（a=180）</p><p>　　在實驗中，各個元件模塊使用的參數(shù)設(shè)置同電阻負載。</p><p>　　2.2 晶閘管三相橋式整流電路的仿真</p><p>　　2.2.1電路圖及工作原理<

31、/p><p>　　以α=0°為例，6個晶閘管的導(dǎo)通順序為VT1-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Ua

32、b。因此輸出整流電壓Ud波形為線電壓在正半周的包絡(luò)線。</p><p><b>　　原理圖如下：</b></p><p>　　圖2-10晶閘管三相橋式整流電路</p><p>　　2.2.2 仿真模型及波形</p><p><b>　　仿真電路圖為：</b></p><p>

33、　　圖2-11晶閘管三相橋式整流電路仿真模型</p><p>　　各個角度仿真波形為：</p><p>　　圖2-12 晶閘管VT1的電壓和電流</p><p>　　圖2-13 通過A,B,C三相的電流</p><p>　　設(shè)置觸發(fā)脈沖α分別為0，30°、60°、90°、120°，產(chǎn)生的相應(yīng)波形分別如圖

34、所示：第一列為負載電壓ud波形，第二列負載電流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。</p><p>　　圖2-14 電阻負載（a=0）</p><p>　　圖2-15 電阻負載（a=30）</p><p>　　圖2-16 電阻負載（a=60）</p><p>　　圖2-17 電阻負載（a=90）</p&g

35、t;<p>　　圖2-18 電阻負載（a=120）</p><p>　　在實驗中，各個元件模塊使用的參數(shù)如下：</p><p>　　①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</p><p>　?、谕ㄓ脴?輸入端A,B,C為三相交

36、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)為默認值。</p><p>　?、鄢Ａ?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ɑ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。 </p>

37、;<p>　?、芡?脈沖觸發(fā)器 頻率設(shè)置為50Hz，脈沖用寬脈沖設(shè)置為80°。</p><p>　?、萑f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，</p><p>　　Usrc：C，分別測量A,B,C三相電壓。</p><p>

38、　?、奘静ㄆ?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。</p><p>　?、唠妷弘娏鳒y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行轉(zhuǎn)換，其他電流電壓測量無需設(shè)置直接使用。</p>

39、;<p>　?、郣LC R=10Ω，L=0H,C=inf（無窮大）。</p><p>　　2.3 Boost變換器的仿真</p><p>　　2.3.1電路圖及工作原理</p><p>　　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上的電壓向負載R供電。因C值很大，基

40、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

41、如下：</p><p>　　圖2-19 升壓斬波電路（電阻負載）原理圖</p><p>　　2.3.2 仿真模型及波形</p><p><b>　　仿真電路圖為：</b></p><p>　　圖2-20 升壓斬波電路（電阻負載）仿真電路圖</p><p><b>　　系統(tǒng)仿真波形為:&l

42、t;/b></p><p>　　圖2-21 升壓斬波電路（電阻負載）仿真波形圖</p><p>　　在實驗中，各個元件模塊使用的參數(shù)如下： </p><p>　　直流電壓源 設(shè)置A=100V，“measurements”選None（不測量電壓）</p><p>　　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

43、延遲0s</p><p>　　絕緣柵雙極型晶體管 勾選“Show measurement port”項，其他為默認</p><p>　　二極管 勾選“Show measurement其他為默認設(shè)置</p><p>　　RLC元件 R=50Ω,L=0H，C=3e-6F</p><p>　　示波器 設(shè)置Number of axes 為5，顯示5段

44、波形</p><p>　　2.4 相位控制的晶閘管單相交流調(diào)壓器系統(tǒng)的仿真</p><p>　　2.4.1電路圖及工作原理</p><p>　　在交流電源U1的正半周和負半周，分別對VT1和VT2的觸發(fā)延遲角ɑ進行控制，使得輸出電壓波形為正弦電壓的一部分，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的，負載阻抗角 φ=arctan(ωL/R),負載電壓相位滯后于晶閘管輸出電壓相位φ，把

45、ɑ=0°的時刻定在電源電壓過零的時刻，顯然阻感負載下穩(wěn)態(tài)時ɑ的移相范圍為φ-π。</p><p>　　圖2-22 單相交流調(diào)壓器原理圖</p><p>　　2.4.2仿真模型及波形</p><p><b>　　仿真電路圖為：</b></p><p>　　圖2-23 單相交流調(diào)壓器仿真電路圖</p>

46、<p>　　各個角度仿真波形為：</p><p>　　圖2-24 單相交流調(diào)壓器仿真波形圖（a=30）</p><p>　　圖2-25 單相交流調(diào)壓器仿真波形圖（a=60）</p><p>　　圖2-26 單相交流調(diào)壓器仿真波形圖（a=90）</p><p>　　圖2-27 單相交流調(diào)壓器仿真波形圖（a=120）</p>

47、;<p>　　圖2-28 單相交流調(diào)壓器仿真波形圖（a=150）</p><p>　　在實驗中，各個元件模塊使用的參數(shù)如下：</p><p>　　交流電壓源 參數(shù)設(shè)置為頻率50Hz，電壓幅值220V，α為移相控制角兩個脈沖信號發(fā)生器相位相差180°</p><p>　　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（

48、1/50）x（α/360）其他為默認設(shè)置 </p><p>　　RLC元件 R=1Ω，H=1e-3H，C=inf</p><p>　　萬用表 選擇Usrc：U1，測量交流電源電壓</p><p>　　示波器 設(shè)置Number of axes 為5顯示5段波形</p><p><b>　　第3章 總結(jié)</b></p&

49、gt;<p>　　隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新日異，電子技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今世界空前活躍的領(lǐng)域，在生活中可以說得是無處不在。因此作為二十一世紀(jì)的大學(xué)來說掌握電子的開發(fā)技術(shù)是十分重要的。而仿真軟件matlab中的simulink模塊中的simpowersystem是專門針對電力系統(tǒng)而設(shè)置的專業(yè)仿真模塊，通過該軟件搭建的仿真電路，觀察波形輸出，初學(xué)者可以學(xué)到不少東西，由于現(xiàn)實器件的限制，模擬仿真就給我們提供了一個準(zhǔn)確理解學(xué)習(xí)理論的良好途

50、徑。</p><p>　　本次課程設(shè)計不僅僅是我們做實驗完成一篇論文的過程，而且還是培養(yǎng)我們綜合運用所學(xué)知識發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實際問題鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對我們實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。這個過程將使我受益匪淺！在這次課程設(shè)計中，使我明白了自己原來知識還比較欠缺。自己要學(xué)習(xí)的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點眼高手低。通過這次課程設(shè)計，我才明白學(xué)習(xí)是一個長期積累的過程，在

51、以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識和綜合素質(zhì)。</p><p>　　在此要感謝我的指導(dǎo)老師XXX老師的指導(dǎo)，感謝老師給我的幫助。在設(shè)計過程中，我通過查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗和自學(xué)，并向老師請教等方式，使自己學(xué)到了不少知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個設(shè)計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大