基于MATLAB的电力电子技术课程设计报告

《电力电子技术》

课程设计报告

题目：基于MATLAB的电力电子技术

仿真分析

院（系）：机电与自动化学院

专业班级：电气工程及其自动化11XX

学生姓名：XXX

学号：2011113XXXX

指导教师：XXX

2014年1月13日至2014年1月17日

华中科技大学武昌分校

电力电子技术课程设计任务书

目录

第1章 MATLAB软件及仿真集成环境Simulink简介 (1)

1.1 MATLAB及Simulink简介 (1)

1.2 Simulink系统的操作步骤 (1)

1.3 电气元件模块库 (2)

第2章电力电子技术仿真分析 (3)

2.1单相半波可控整流电路仿真 (3)

2.1.1 单相半波可控整流电路基本原理 (3)

2.1.2 电阻负载时仿真分析 (4)

2.1.3 阻感负载仿真分析 (5)

2.2 晶闸管三相桥式整流电路的仿真 (7)

2.2.1电路图及工作原理 (7)

2.2.2 仿真模型及波形 (8)

2.3 Boost变换器的仿真 (11)

2.3.1电路图及工作原理 (11)

2.3.2 仿真模型及波形 (11)

2.4 相位控制的晶闸管单相交流调压器系统的仿真 (12)

2.4.1电路图及工作原理 (12)

2.4.2仿真模型及波形 (13)

第3章总结 (15)

课程设计成绩评定表 (16)

第1章MATLAB软件及仿真集成环境Simulink简介

1.1 MATLAB及Simulink简介

MATLAB软件是美国MathWorks公司在20世纪80年代中期推出的高性能数值计算软件,经过近30年的开发和更新换代,该软件已成为合适多学科功能十分强大的软件系统,成为线性代数、数字信号处理、自动控制系统分析、动态系统仿真等方面的强大工具。MATLAB中含有一个仿真集成环境Simulink,其主要功能是实现各种动态系统建模、仿真与分析。在MATLAB启动后的系统界面中的命令窗口输入”SIMULINK”指令就可以启动SIMULINK仿真环境。启动SIMULINK后就进入了浏览器既模版库，在图中左侧为以目录结构显示的17类模版库名称（因软件版本的不同，库的数量及其他细节可能不同），选中模版库后，即会在右侧窗口出现该模型库中的各种元件或子库。

Simulink支持连续、离散系统以及连续离散混合系统、非线性系统等多种类型系统的仿真分析，本书中将主要介绍和电力电子电路仿真有关的元件模式及仿真方法。对于电力电子电路及系统的仿真，除需使用Simulink中的基本模板外，用到的主要元件模型集中在电气系统仿真库SimPowerSystem中，该模型库提供了电气系统中常用元件的图形化的图形化元件模型，包括无源元件、电力电子器件、触发器、电机和测量元件等。图形的元件模型使使用者可以快速并且形象地构建所需仿真系统结构。

1.2 Simulink系统的操作步骤

在Simulink系统中，执行菜单“File”下“New”、“Model”命令即可产生一个新的仿真模型编辑窗口，在窗口中可以采用形象的图形编辑的方法建立仿真对象、编辑元件及系统相关参数，进而完成电路及系统的仿真系统。具体步骤为：建立一个新的仿真模型编辑窗口后，首先从Simulink模块中选择所仿真电路或系统所需要的元件或模块搭建系统，方法为在Simulink模块库中所选元件位置按住鼠标左键将元件拖拽至所建编辑窗口的合适位置，不断重复该过程直至所有元件均放置完毕。

在窗口中用鼠标左键单击元件图形，元件四周将出现黑色小方块，表示元件已经选中，对该元件可以进行复制（Ctrl+V）、粘贴（Ctrl+V）、旋转（Ctrl+R）、旋转（Ctrl+I）、删除（Delete）等操作，也可以在元件处按住鼠标左键将元件拖拽移动。

需要改变元件大小时可以选定该元件，将鼠标移至元件四周的黑色小方块，待鼠标指针变为箭头形状时按住鼠标左键将元件拖拽至合适尺寸。

需要改变元件参数，可以在该元件处双击鼠标左键，即可弹出该元件的参数

设置对话窗口进行参数设置。

将元件放置完毕后，可采用信号线将元件间连接构成电路或系统结构图，将鼠标放置在元件端子处，但鼠标指针变为“+”字形状时，按住鼠标左键移动至需要连线的另一元件端子处，当鼠标指针变为“+”字形状时，松开鼠标左键及建立两端子之间的连线，若为控制模块间传递信号，则在连线端部将出现箭头表示信号的流向，不断重复该过程直至系统连接完毕。

仿真电路或系统模型建立完毕后，还需要使用“Simulink”菜单中的”Confihuration Parameters”命令对仿真起止时间、仿真步长、允许误差和求解算法进行设置和选择，参数的具体选择方法与所仿真电路相关。

仿真模型建立完毕后，可以使用“file”菜单中的”Save”命令进行保存。

1.3 电气元件模块库

对于电力电子电路及系统的仿真除需使用Simulink中的基本模块外，用到的主要元件模型集中在电气系统仿真库SimPowerSystem中，该模型库提供了电气系统之中常用元件的图形化元件模型，包括无源元件、电力电子器件、触发器、电机和测量元件等。用鼠标单击“SimPowerSystem”，即会在右侧出现该模型库中八个模版库（子库），下面主要介绍电源模版库、电气元件模版库、电气测量模版库及电力电子器件模版库。

用鼠标双击“Elements”图标，在窗口中显示29种电气元件。这些可以分为三大类:负载元件、传输线和变压器。

双击串联RLC支路元件将弹出该元件的参数设置对话框,在“Resistance”、“Inducatance”、“Capacitance”参数下可以分别设置三个元件的参数,如果电路中不含三者中的某个元件,则相应参数应设为0(电阻或电感)或inf(电容),在电路图形符号中这类元件也将自动消失。串联RLC负载元件则是通过设置每个元件的容量,由程序自动计算元件的参数。并联RLC支路元件和并联RLC负载元件用于描述由电阻、电容、电感并联的电路,参数设置方法类似。

在不考虑变压器铁心饱和时不勾选“Saturable core”。在“Magnetition resistance Rm”和“Magnetition resistance LM”参数下分别设置变压器的励磁绕组电阻、电感的标幺值。其他类型的变压器参数设置方法类似。

第2章电力电子技术仿真分析

2.1单相半波可控整流电路仿真

2.1.1 单相半波可控整流电路基本原理：

单相半波可控整流电路工作过程：

（1）在电源电压正半波（0~π区间），晶闸管承受正向电压，脉冲uG在ωt=α处触发晶闸管，晶闸管开始导通，形成负载电流id,负载上有输出电压和电流。

（2）在ωt=π时刻，u2=0，电源电压自然过零，晶闸管电流小于维持电流而关断，负载电流为零。

（3）在电源电压负半波（π~2π区间），晶闸管承受反向电压而处于关断状态，负载上没有输出电压，负载电流为零。

（4）直到电源电压u2的下一周期的正半波，脉冲uG在ωt=2π+α处又触发晶闸管，晶闸管再次被触发导通，输出电压和电流又加在负载上，如此不断重复。

原理图如下：

SW U1

图2-1 单相半波可控整流电路

如上图所示，当晶闸管VT处于断态时，电路中电流Id=0，负载上的电压为0，U2全部加在VT两端，在触发角α处，触发VT使其导通，U2加于负载两端，当电感L的存在时，使电流id不能突变，id从0开始增加同时L的感应电动势试图阻止id增加，这时交流电源一方面供给电阻R消耗的能量，一方面供给电感L吸收的电磁能量，到U2由正变负的过零点处处id已经处于减小的过程中，但尚未降到零，因此VT仍处于导通状态，当id减小至零，VT关断并承受反向压降，电感L延迟了VT的关断时刻使U形出现负的部分。

2.1.2 电阻负载时仿真分析：

仿真电路图为：

图2-2 单相半波可控整流电路电阻负载电路仿真模型仿真波形为：

图2-3 单相半波可控整流电路电阻负载电路波形在实验中，各个元件模块使用的参数如下：

①交流电压源提取路径： Simulink\SimPoweSysten\ AC Voltage Source

本实验参数设置为频率50Hz，电压幅值220V，其他为默认设置，如右图所示。

②晶闸管提取路径：Simulink\SimPoweSysten\Thyristor

设置缓冲电阻Rs=500Ω，缓冲电容Cs为无穷大inf

③RLC元件提取路径：Simulink\SimPoweSysten\Elements \Series RLC Branch

设置电阻R=1Ω，电感L=5e-3H，电容为无穷大inf，

④脉冲信号发生器提取路径：Simulink\Simlink\Source\Pulse Generator

设置振幅A=3V，周期T=0.02，占空比10%，时相延迟（1/50）x（α/360）s，⑤示波器设置Number of axes 为5，显示5段波形，分别为脉冲电压Ug，晶闸管两端电压UVT，负载电流id，负载电压ud，电源电压U2 。

⑥电压电流测量无需设置直接使用

2.1.3 阻感负载仿真分析

仿真电路图为：

图2-4 单相半波可控整流电路电阻电感负载电路仿真模型各个角度仿真波形为：

图2-5 单相半波可控整流电路阻感负载电路波形（a=30）

图2-6 单相半波可控整流电路阻感负载电路波形（a=60）

图2-7 单相半波可控整流电路阻感负载电路波形（a=90）

图2-8 单相半波可控整流电路阻感负载电路波形（a=120）

图2-9 单相半波可控整流电路阻感负载电路波形（a=180）在实验中，各个元件模块使用的参数设置同电阻负载。

2.2 晶闸管三相桥式整流电路的仿真

2.2.1电路图及工作原理

以α=0°为例，6个晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，触发脉冲为宽脉冲宽度大于60°，保证了每个时刻均有两个晶闸管导通，当VT1-VT2导通时桥臂输出电压为Uac，然后VT2-VT3导通输出电压为Ubc，VT3-VT4导通输出电压为Uba，VT4-VT5导通输出电压为Uca，VT5-VT6 导通输出电压为Ucb，VT6-VT1导通输出电压为Uab。因此输出整流电压Ud波形为线电压在正半周的包络线。

原理图如下：

图2-10晶闸管三相桥式整流电路

2.2.2 仿真模型及波形

仿真电路图为：

图2-11晶闸管三相桥式整流电路仿真模型

各个角度仿真波形为：

图2-12 晶闸管VT1的电压和电流

图2-13 通过A,B,C三相的电流

设置触发脉冲α分别为0，30°、60°、90°、120°，产生的相应波形分

别如图所示：第一列为负载电压u

d 波形，第二列负载电流i

d

波形，第三列脉冲

信号第四列电压Ug波形，A,B,C三相电压波形。

图2-14 电阻负载（a=0）

图2-15 电阻负载（a=30）

图2-16 电阻负载（a=60）

图2-17 电阻负载（a=90）

图2-18 电阻负载（a=120）

在实验中，各个元件模块使用的参数如下：

①交流电压源三相交流电源通过三个频率为50Hz，幅值为220V，相位两两相差120，测量“measurements”三相都要选Voltage，以便使用万用表测量电压②通用桥输入端A,B,C为三相交流的相电压输入端子，输入端g为触发脉冲输入端子，+,-为整流器输出正负极端子。在测量“Measurements”选“All voltages and currents”以便测量桥臂内晶闸管的电压和电流，其他参数为默认值。

③常量三相桥式全控整流系统仿真模型要使用两个常量模块，一个提供触发角ɑ的值，一个设置为0连接同步6脉冲触发器的使能端Block，使其能正常工作。

④同步6脉冲触发器频率设置为50Hz，脉冲用宽脉冲设置为80°。

⑤万用表三相桥式全控整流系统仿真模型使用了两个万用表，其中一个选中Isw1和Usw1，分别测量iVT1，uVT1。另一个万用表选择Usrc：A，Usrc：B，Usrc：C，分别测量A,B,C三相电压。

⑥示波器三相桥式全控整流系统仿真模型使用了两三个示波器，最主要的一个设置Number of axes 为4，另一个设置Number of axes 为2，第三个示波器设置Number of axes 为3。

⑦电压电流测量由于同步6脉冲触发器的AB,BC,CA端为同步线电压输入端，而三相电源提供的是相电压所以要通过三个电压表进行转换，其他电流电压测量无需设置直接使用。

⑧RLC R=10Ω，L=0H,C=inf（无穷大）。

2.3 Boost变换器的仿真

2.3.1电路图及工作原理

首先假设电路中电感L的值很大，电容C值也很大。当IGBT处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为I1，同时电容C上的电压向负载R 供电。因C值很大，基本保持输出电压u0为恒值，记为U0 。设IGBT处于通态的时间为ton，此阶段电感L上积蓄的能量为EI1ton。当IGBT处于断态时E和L共同向电容C充电并向负载R提供能量。设IGBT处于断态的时间为toff，则在此期间电感L释放的能量为（U0 -E）I1toff。当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L上积蓄的能量与释放的能量相等，EI1ton=（U0 -E）I1toff 化简为 U0=T*E/toff 输出电压高于电源电压。原理图如下：

图2-19 升压斩波电路（电阻负载）原理图

2.3.2 仿真模型及波形

仿真电路图为：

图2-20 升压斩波电路（电阻负载）仿真电路图

系统仿真波形为:

图2-21 升压斩波电路（电阻负载）仿真波形图

在实验中，各个元件模块使用的参数如下：

①直流电压源设置A=100V，“measurements”选None（不测量电压）

②脉冲信号发生器设置振幅A=3V，周期T=0.0001占空比40%，时相延迟0s

③绝缘栅双极型晶体管勾选“Show measurement port”项，其他为默认

④二极管勾选“Show measurement其他为默认设置

⑤RLC元件 R=50Ω,L=0H，C=3e-6F

⑥示波器设置Number of axes 为5，显示5段波形

2.4 相位控制的晶闸管单相交流调压器系统的仿真

2.4.1电路图及工作原理

在交流电源U1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的触发延迟角ɑ进行控制，使得输出电压波形为正弦电压的一部分，从而实现调节输出电压的目的，负载阻抗角φ=arctan(ωL/R),负载电压相位滞后于晶闸管输出电压相位φ，把ɑ=0°的时刻定在电源电压过零的时刻，显然阻感负载下稳态时ɑ的移相范围为φ-π。

图2-22 单相交流调压器原理图

2.4.2仿真模型及波形

仿真电路图为：

图2-23 单相交流调压器仿真电路图各个角度仿真波形为：

图2-24 单相交流调压器仿真波形图（a=30）

图2-25 单相交流调压器仿真波形图（a=60）

图2-26 单相交流调压器仿真波形图（a=90）

图2-27 单相交流调压器仿真波形图（a=120）

图2-28 单相交流调压器仿真波形图（a=150）

在实验中，各个元件模块使用的参数如下：

①交流电压源参数设置为频率50Hz，电压幅值220V，α为移相控制角两个脉

冲信号发生器相位相差180°

②脉冲信号发生器振幅A=12V，周期T=0.02，占空比30%，时相延迟（1/50）

x（α/360）其他为默认设置

③RLC元件 R=1Ω，H=1e-3H，C=inf

④万用表选择Usrc：U1，测量交流电源电压

⑤示波器设置Number of axes 为5显示5段波形

第3章总结

随着科学技术发展的日新日异，电子技术已经成为当今世界空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握电子的开发技术是十分重要的。而仿真软件matlab中的simulink模块中的simpowersystem是专门针对电力系统而设置的专业仿真模块，通过该软件搭建的仿真电路，观察波形输出，初学者可以学到不少东西，由于现实器件的限制，模拟仿真就给我们提供了一个准确理解学习理论的良好途径。

本次课程设计不仅仅是我们做实验完成一篇论文的过程，而且还是培养我们综合运用所学知识发现、提出、分析和解决实际问题锻炼实践能力的重要环节，是对我们实际工作能力的具体训练和考察过程。这个过程将使我受益匪浅！在这次课程设计中，使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。

在此要感谢我的指导老师XXX老师的指导，感谢老师给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财

富，使我终身受益。

课程设计成绩评定表