电力电子的matlab仿真实验指导书(改)

“电力电子”仿真实验指导书

MATLAB仿真实验主要是在simulink环境下的进行的。Simulink是运行在MATLAB环境下，用于建模、仿真和分析动态系统的软件包。它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统。由于它具有直观、方便、灵活的特点，已经在学术界、工业界的建模及动态系统仿真领域中得到广泛的应用。

Simulink提供的图形用户界面可使用鼠标的拖放操作来创建模型。Simulink本身包含sources、sinks、Discrete、math、Nonlinear和continuous 等模块库。实验主要使用Sinks、Sources、Signals & System和Power System Blockset这四个模块库中的一些模块搭建电力电子课程中的典型电路进行仿真。在搭建成功的电路中使用scope显示模块显示仿真的波形、验证电路原理分析结果。这些典型电路包括：

1)单相半波可控整流电路（阻性负载和阻感负载）

2)单相全控桥式整流电路（阻性负载和阻感负载）

3)三相全控桥式整流电路（双窄脉冲阻性负载和双窄脉冲阻感负载）

4)降压斩波电路、升压斩波电路

5)三相半波逆变电路、三相全波逆变电路。

一、matlab、simulink基本操作

多数学生在做这个实验是时候可能是第一次使用matlab中的simulink来仿真，因此下面首先介绍一下实验中要掌握得的一些基本操作（编写试验指导书时所使用的matlab6.1版本）。若实验过程中使用matlab的版本不同这些基本操作可能会略有不同。

图0-1 matlab启动界面

matlab的启动界面如图0-1所示，点击matlab左上方快捷键就可以进入simulink程序界面（在界面右侧的Command Window中输入simulink命令回车或者在Launch Pad窗口中点击simulink子菜单中Library Browser都可以进入simulink程序界面）如图0-2所示。

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图0-2 simulink程序界面

1.新建空白的模块编辑窗口

在simulink程序界面中点击File>New>Model(快捷键Ctrl+n),就可以新建一个空白的模型编辑窗口，然后从模块库窗口中选择合适的元件。在模块编辑窗口中绘制出要仿真的系统的整个模型（只需将所选模块库中的模块拖入模块编辑窗口即可进行电路搭建）。整个电路搭建完毕,各参数设定后，点击Start Simulation就可进行运行仿真电路。通过示波器显示实验波形。

2.对模块的基本操作

（1）调整模块大小

若要调整模块编辑窗口中模块的大小，先选中模块，模块四角出现了小方块。单击一个角上的小方块，并按住鼠标，拖拽鼠标。此时的鼠标指针改变了形状，并出现了虚线方框以显示调整后的大小。放开鼠标键，则模块的图标将按照虚线框的大小显示。

（2）旋转模块

若要对模块进行旋转操作，可以先选中模块，然后选择菜单命令[Format>Rotate block]，模块将按顺时针方向旋转90度；选择[Format>Flip block],模块将旋转180度。

（3）模块的内部复制

在建模过程中，经常会用到模块的内部复制。例如，如果已经调整了一个模块的大小，并且还需要多个同样的模块，在这种情况下并不需要从模块库中一个一个的拖过来，在一个个的调整大小。这是继需要使用模块的内部复制。进行模块的内部复制，要先按住Ctrl键，再单击模块。拖拽模块的附件到合适的位置，放开鼠标键，则模块就完成了内部复制。

（4）删除模块

删除模块有三种方法：

a.选中模块然后按下Delete键；

b.选中模块然后选择[Edit>Clear]命令；

c.用鼠标右键选择模块，选择所出现的菜单中的cut命令；可以将模块删去并保存到剪贴板中。

3.电力电子仿真实验常用模块库简介

仿真实验需要从各模块库中选择出电路所需的模块，然后使用该模块在模块编辑窗口中搭建所需仿真电路。电力电子仿真实验所需要的模块大都存在于以下模块库中。

输出池模块（sinks）此模块库包括仿真结果的各种输出方法如直接显示、示波器、x-y坐标图及返回matlab工作空间等方法。对于电力电子仿真实验主要是使用这个模块库中的示波器来显示实验结果。

对于sources模块库实验主要是使用其中脉冲发生器等模块。

对于Signals & System模块库实验主要是使用其中的信号合成器和信号分解器。

电气系统模块（Power System Blockset）。可以准确而快速的对电路以及复杂的电气系统进行仿真。电气系统模块库运行在Simulink环境下，它包含电力电子、电气传动以及电路中常用的基本元件的模型。因此，用MATLAB实现对电力电子系统仿真非常的方便、快捷和准确。

二、采用Simulink仿真方法及步骤

在新建的模块编辑窗口中空白处点击右键，选择Simulink Parameters后Simulink就可以显示出Simulink Parameters对话框，如图0-3所示：

图0-3 仿真参数设置对话框

其中solver选项页可设置仿真开始和终止时间；选择积分器并指定相关参数关的一些选项。

仿真参数设置好并且选择了积分器后．单击ok按钮使参数应用到模型中，这样就为仿真做好了准备。通过Start Simulation命令就可以开始仿真了。

注意：开始仿真前模型窗口必须处于激活状态。选择Stop Simulation命令可终止仿真。

实验一：晶闸管单相半波、全控桥式整流电路虚拟仿真

一、实验目的：

1.学会使用运行于matlab环境下simulink中的各种模块进行电力电子整流电路的仿真。

2.通过实验进一步熟悉晶闸管的特性。

3.掌握单相半波、全控桥式整流电路的工作原理。

4.观察实验波形，验证实验结果。

二、预习内容：

1.matlab的基本操作，simulink中各模块的作用（由于simulink里边包括的模块非常多，在这里只要求熟悉本实验所使用的几个模块库，主要有：Sinks、Sources和Power system blockset中的模块）。

2.单相半波整流电路（阻性负载和阻感负载）的电路图和工作原理，分析电路中的各种电压电流波形。

3.单相全控桥式整流电路（阻性负载和阻感负载）的电路图和工作原理，分析电路中的各种波形。

二、实验内容：

1、基本参数与设置

进入新建的模块编辑窗口的Simulink Parameters对话框如图1-1所示，起

图1-1新建的模块编辑窗口的Simulink Parameters对话框

始时间和终止时间需根据自己选定的电路频率设定（频率为50Hz时，建议设定start=0，stoptime=0.09）。再将Type中的ode45[Dormand-prince]改选为ode15s[stiff/NDF]，其他参数不变。

2、模块基本参数设置

从模块库中选择搭建电路所需要的模块，将其拖入模块编辑窗口，双击该模块就会出现Block Parameters对话框，在这里可修改模块的一些基本参数。例如：在半波整流电路中使用的晶闸管（在阻感负载的时候需使用Detailed Thyristor）双击该晶闸管模块就会出现其参数对话框，将其中参数改为图1-2中所示的数值：

图1-2 修改模块的一些基本参数

修改后继续搭建电路，如修改晶闸管参数一样按照电路要求修改脉冲发生器，电源等模块的频率，幅值等参数。晶闸管端口g接触发脉冲。

3、触发脉冲产生模块的参数设置

脉冲产生模块选择simulink下Sources模块库中的Pulse Generator。参数设置如图1-3所示：其中Amplirude为幅值；Period为周期；Pulse Width 为占空比；Phase Delay为延迟时间由触发角决定，如图1-3，触发角为60度时，延迟时间为：（60/360）*（1/50）秒（此时周期为1/50秒）。

图1-3脉冲产生模块参数选择

4、示波器的使用

示波器为Sinks模块库中的scopa。将其拖入模块编辑窗口，双击该模块，会出现如图1-4所示的对话框：在此对话框中可以显示仿真试验的最终波形。如使用同一个示波器显示几个不同的波形，就需要修改示波器的参数使其输入数增加（一般默认的输入端口只有一个）。

图1-4 Sinks模块库中的示波器窗口

点击图1-4左上的图标，会出现下边图1-5的参数设定窗口，将其中的Number of axes修改为所需要的输入窗口个数，按ok后示波器显示窗口就会变成如图1-6所示的形式：（假设需要的输入窗口的个数为5）

图1-5 示波器参数设定窗口

图1-6修改为所需要的多个输入窗口

仿真的波形会在示波器上显示。若只能看到部分仿真波形，点击图标，即可显示全部波形（若全部波形小，可点击放大按钮对波形进行放大）。

5、Mux和Demux的使用：

（Mux和Demux均在simulink下的Signals&Systems模块库中。）

Mux：（矢量合成单元）它是一个多输入端，单输出端的矢量合成单元，在本试验中的主要作用是，将不同的波形输入与Mux的多输入端相连，Mux的输出端与示波器一个输入相连，这样就可以在显示窗口的一个显示框内同时显示多个输入的波形，方便波形的比较。

Demux：（矢量分解单元）它与Mux的作用相反，是一个单输入多输出，将本来在一起的波形分别在不同显示框内显示。在本试验中的作用主要是将晶闸管m 端所输出晶闸管上所加电压波形和通过晶闸管的电流波形分开显示。

6、例：使用matlab仿真单相半控桥式整流电路（阻性负载）所搭建的主电路和测量电路如图1-7所示。实验结果如示波器所示波形。

图1-7 用matlab仿真单相半控桥式整流电路（阻性负载）搭建的主电路和测量电路

7、负载的选择

实验要求使用阻性负载或阻感负载。Simulink中的负载在Power System Blockset模块库的Elements中即Series RLC Load将其拖入模块编辑窗口，双击该模块出现如图1-8所式的对话框：

图1-8 修改P，QL，QC设定负载的R，L，C值

修改其中P，QL，QC的值即可设定负载的R，L，C值。由参数设定可得阻性负载或阻感负载。

8、整流电路仿真

（1）单相半波整流（要求分别搭建阻性负载和阻感负载电路）

1）根据半波整流电路的具体结构，从模块库中选择相应的模块搭建仿真整流电路。(要求分别搭建阻性负载，和阻感负载电路)晶闸管使用Detailed Thyristor参数设置如图二所示。

2）按照前文所述设置仿真的起始和终止时间，及各个模块的参数。

3）选定交流电源模块，（再Power System Blockset中的Electrical Sources 模块库中）并设定交流电源模块的峰值，频率，相角和延迟时间（一般将相角和延迟时间均设为零）。

4）根据交流电源的频率设定触发模块的频率、幅值和触发角。触发方波可使用Simulink下Sources模块库中的Pulse Generator双击该模块可设置出发脉冲的幅值，周期，占空比，延迟时间（延迟时间与触发角有关，可参考前面实验内容3中所述）

5）要求在示波器上显示波形：

a.整流前电压波形、触发方波波形。

b.整流前电压波形、晶闸管中的电流波形。

c.整流前电压波形、整流后负载电压波形。

d.晶闸管上所加电压波形。

e.负载上的电流波形。

注：A.上边一组中有两个波形的必须用矢量合成器放在同一个示波器窗口，这样做方便波形的比较，可以加深对电路功能的理解。

B.从晶闸管的m引脚处所引出的波形时晶闸管电压和晶闸管电流波形，可通

过矢量分解器Demax将其分解。再用矢量合成器max组和成上边a—e五组测量波形。

（2）单相全控桥式整流电路（要求分别搭建阻性负载和阻感负载电路）1）根据单相全控桥式整流电路的具体结构，从模块库中选择相应的模块搭建仿真整流电路。(要求分别搭建阻性负载，和阻感负载电路)晶闸管使用Thyristor参数的设置如图1-9所示：

2）设置仿真的起始和终止时间，及各个模块的参数。

3）选定交流电源模块，并设定交流电源模块的峰值，频率，相角和延迟时间（一般将相角和延迟时间均设为零）。

4）根据交流电源的频率分别设定两个触发模块的频率、幅值和触发角。（参考实验内容3中所述），桥式整流电路需要两个脉冲产生器，分别用来触发1、4和2、3晶闸管，两个脉冲产生其延迟角度相差180度。）

图1-9 晶闸管使用Thyristor参数的设置

5）要求在示波器上显示波形：

a.整流前电压波形；1、4晶闸管触发方波波形。

b.整流前电压波形；2、3晶闸管触发方波波形。

c.整流前电压波形；1、4晶闸管的电流波形。

d.整流前电压波形；2、3晶闸管的电流波形。

e.整流前电压波形；1、4晶闸管所加电压波形。

f.整流前电压波形；整流后负载电压波形。

g.整流前电压波形；整流后负载电流波形。

注：同组的两个波形的必须用矢量合成器放在同一个示波器窗口

三、注意事项：

1、实验前应浏览Sinks、Sources、Signals & System和Power System Blockset等模块库，找到电路搭建需要的各个模块。由于模块的输入输出端和信号线都是有方向的，因此在连接电路时若需将同向的信号线相连，可使用Power System Blockset的connectors中的L connector 或T connector改变信号线方向连接电路。

2、在使用matlab进行仿真的时候，电路中各模块参数设置非常重要因此要按照要求仔细设置各模块的参数。

3、触发脉冲参数的设置应与电源的参数相对应。

4、阻性负载与阻感负载可通过设置负载中R，L，Q参数实现

四、讨论思考题：

1、单相、半波整流中阻性负载和阻感负载整流后的波形有何不同？原因是什么？

2、与单相半波整流相比单相全控桥式整流电路的优点和缺点是什么？

实验二：晶闸管三相全控桥式整流电路虚拟仿真

一、实验目的：

1.学会使用simulink中的模块进行三相半控、全控桥式整流电路的仿真。

2.通过实验学会simulink中子模块的建立和封装。

3.熟悉晶闸管的特性，掌握三相全控桥式整流电路的工作原理。

（注：本实验是双窄脉冲触发、分别在阻性负载和阻感负载时的三相全控整流电路。）

4.观察实验波形，验证实验结果。

二、预习内容：

1.三相全控桥式整流电路（双窄脉冲触发、阻性负载和阻感负载）的电路

图和工作原理，触发电路的触发波形，分析电路中的各种波形。

2. simulink中子模块的封装技术。

三、实验内容：

1. simulink中子模块的构造和封装

在实际仿真中，要仿真的模型可能比较复杂，这就需要将整个模型分解成若干个子模块。此外如果某类子模块在仿真中经常使用，则用户可以自己将构造出的子模块封装呈长用模块，以备后用。

本实验需要构造一个可以测量三相电源相电压和线电压的电压表的子模块，以及一个双窄脉冲触发子模块。

（1）电压表子模块的构造

首先使用普通电压表组成三相电源相电压与线电压的测量电路，如图2-1所示：

图2-1 用普通电压表组成三相电源相电压与线电压的测量电路

选中要封装的区域（也就是图2-1所示的电路），选择Edit窗口中的Create Subsystem菜单，这可以由选定的模块和连接关系构造出子系统，如图2-2所示：

图2-2 封装好的三相电源相电压与线电压的测量子模块

In1、In2、In3分别接三相电源的a、b、c相，这由测量电路可知此子模块的Out1输出为三相电源的相电压，Out2输出为三相电源的线电压。这样就构造出了三相电源的相电压和线电压的测量子模块。

（2）双窄脉冲触发子模块的建立和封装

习惯上希望三相全控桥的六个晶闸管触发的顺序是VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6，因此，晶闸管按如图所示编号。

图2-3 晶闸管全控桥联接图

由于三相桥式全控整流电路在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，才能形成导电回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，另一个是共阳极组的。晶闸管全控桥的连接顺序如图2-3所示

关于触发脉冲的相位，共阴极组的VT1、VT3和VT5之间应互差120度；共阳极的VT4、VT6和VT2之间亦互差120度。接在同一相的两管，如VT1与VT4、VT3与VT6、VT5与VT2之间则互差180度。

为了保证整流桥通电后共阴极组和共阳极组各有一只晶闸管导电，或者由于

电流断续后能再次导通，必须对两组中应导通的两个晶闸管同时加上触发脉冲。

为此，可采取两种办法：一种是使每个触发脉冲的宽度大于60度（一般取

80度—100度），称为宽脉冲触发；另一种是在触发某一只晶闸管的同时给前一

只晶闸管补发一个脉冲，相当于用两个窄脉冲等效替代大于60度的宽脉冲，称

为双窄脉冲触发。

如图2-4所示，将两个与交流电源频率相同的的两个相角差为60度的触发

脉冲信号相或就可以得到相角间隔为60度的双窄触发脉冲。

图2-4 相角间隔为60度的双窄触发脉冲

所以三相桥式全控整流电路的双窄脉冲触发电路采用可如图2-5所示的电路

结构：

图2-5 三相桥式全控整流电路的双窄脉冲触发电路模块

其中触发电路的电路图及各pulse generator参数设置如下：

Pulse : Amplitude=a(V),Period=1/f(s),Pulse Width=2%,

Phase delay=(alpha+30)/(360*f);

Pulse1: Amplitude=a(V),Period=1/f(s),Pulse Width=2%, Phase delay =(alpha+30+60)/(360*f).

Pulse2: Amplitude=a(V),Period=1/f(s),Pulse Width=2%, Phase delay =(alpha+30+60*2)/(360*f).

Pulse3: Amplitude=a(V),Period=1/f(s),Pulse Width=2%,

Phase delay =(alpha+30+60*3)/(360*f);

Pulse4: Amplitude=a(V),Period=1/f(s),Pulse Width=2%,

Phase delay =(alpha+30+60*4)/(360*f).

Pulse5: Amplitude=a(V),Period=1/f(s),Pulse Width=2%,

Phase delay =(alpha+30+60*5)/(360*f).

其中f为频率，a为幅值，alpha为相对于自然换相点的触发角。他们的设

置可以通过对子模块的封装来实现。选择（左键单击）已经创建的子模块，在选

择Edit中的Edit Mask 菜单项（或者直接用鼠标右键点击所创建的子模块选择

Edit Mask），将打开一个对话框如图2-6所示，点击对话框中的Initialization

标签，打开的窗口。

图2-6

点击Add即可在对话框中把f，a，alpha设置为可变参数。即“Control type”

项选择edit，即代表此参数为可变参数；“Prompt”项填写变量名称；“Variable”

项代表被控变量。如图2-7所示已经添加了幅值变量a，正在添加频率变量f。

同理可以在上边再加入变量alpha[触发角（度）]。

图2-7 添加幅值变量a和正在添加频率变量f

将三个参数设置完毕后，关闭此对话框，即结束了对触发脉冲模块的构建和封装。双击该模块即可对触发脉冲进行设置了，如图2-8所示。

图2-8 对触发脉冲进行设置的对话框

若需要查看或者修改子模块电路，可以在该子模块上点击鼠标右键，选择Look under mask项即可显示子模块电路也可以对显示的电路进行修改。

2. 三相电源

三相电源用三个交流电源组成，将他们的负极相连并与地相连。修改每个交流电源模块的参数，Peak amplitude（V）：均为311；Phase（deg）：分别相差120度既0，-120，120；Frequency（Hz）：50；Sample time均为0。

3. Selector模块的使用

由封装好的脉冲产生子模块出来的脉冲是六个双窄触发脉冲，因此不能直接

用于触发晶闸管。在此使用Selector从六个触发脉冲中分别选出触发共阴极组和触发共阳极组晶闸管的触发脉冲。（Selector模块在simulink中的Signals&Systems模块库中）

Selector可以对输入的矢量或矩阵进行选择和排序。在这里他可以对脉冲产生子模块所述出的脉冲进行选择和排序。其参数设置如下：

对于共阴极组：

将Selector的输出经过Demax分解分别用于触发共阴极组的各个晶闸管。

对于共阳极组Selector的参数设置只需将上边参数设置窗口中Elements 的参数改为[2 6 4]即可，同样选择后的信号需经Demax分解才能用来触发相应的晶闸管。

4. 三相桥式全控整流电路仿真（阻性负载）

（1）根据三相桥式整流电路的具体结构，从模块库中选择相应的模块搭建仿真整流电路。晶闸管使用Thyristor参数设置使用默认设置。

（2）按照实验内容中第1项所述，建立三相电压测量子模块和触发脉冲模块，并应用于整流电路。

（3）设置仿真的起始和终止时间。（参见实验一）

（4）选定自己所需的交流频率（一般选50Hz），并设定交流电源模块的幅值，频率，相角和延迟时间(三相电源的参数设置参考实验内容第2项) （5）根据要求设定封装好的脉冲产生子模块的频率、幅值和触发角。

（6）要求在示波器上显示波形：

a.整流前三相电压的相电压波形。

b.整流前三相电压的线电压波形。

c.共阳极组的触发方波波形。

d.共阴极组的触发方波波形。

e.负载上的电压波形。

f.负载上的电流波形。

5. 将4中的阻性负载换为阻感负载观察波形的变化与4的结果有何不同分析原因。

四、注意事项：

1：由Selector输出经Demax分解后的各触发脉冲应与相应的晶闸管对应。

2：三相电源线电压和相电压的概念及测量方法。

五、讨论思考题：

1：阻性负载和阻感负载时整流后波形由何不同？对波形进行分析。

2：用宽脉冲代替双窄脉冲触发晶闸管，如何实现？

实验三：斩波电路虚拟仿真实验

一、实验目的：

1.学会使用simulink中的各种模块进行升压斩波电路和降压斩波电路的仿真。

2.通过实验了解门极可关断晶闸管GTO的特性，掌握斩波电路原理。

3.观察实验波形，验证实验结果。

二、预习内容：

1.升压斩波电路和降压斩波电路的电路图和工作原理，触发电路所需的触发波形，分析出电路中的结果波形。

2.门极可关断晶闸管（GTO）的特性。

三、实验内容：

电力电子技术中的斩波器，就是利用晶闸管和紫关断器件来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断控制的时间变化来改变负载电压平均值，亦称直流—直流变换器。

本实验的斩波电路中利用门极可关断晶闸管（GTO）来实现通断控制。（GTO 模块在Power System Blockset的Power Electronics模块库中）

1.GTO触发脉冲子模块的建立和封装

门极自关断晶闸管(GTO)是一个可以通过门极信号控制导通和关断的半导体装置.像一般的晶闸管一样，门极信号为正时GTO通过导通.然而,不同的地方在于,除了流过电流变为零可以使GTO关断之外，小于零的门极信号也可以使GTO 关断。

实验中所用的GTO触发脉冲产生子模块模块，采用的是宽脉冲出发，其占空比为60%，并将正向脉冲和负向脉冲封装在一起，其电路图如下：(电路中所使

用的模块为Sum模块在simulink下的Math模块库中，将输入叠加)

其中Pulse和Pulse1的参数设置如下：

Pulse：Amplitude=a；Period=1/50；Pulse Width=t1/3.60；Phase delay=（alpha）/(360*50).

Pulse1：Amplitude=a；Period=1/50；Pulse Width=t1/3.60；Phase delay=（alpha+t1）/(360*50).

将入图所示电路建立成子模块，并封装。其中a为幅值，alpha为start time （度/360），t1为GTO开通时间。