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。）