第三章电力电子与MATLAB应用技术
电力电子课程设计matlab仿真实验
一．课程设计目的（1）通过matlab的simulink工具箱，掌握DC-DC、DC-AC、AC-DC电路的仿真。
通过设置元器件不同的参数，观察输出波形并进行比较，进一步理解电路的工作原理；（2）掌握焊接的技能，对照原理图，了解工作原理；（3）加深理解和掌握《电力电子技术》课程的基础知识，提高学生综合运用所学知识的能力；二．课程设计内容第一部分：simulink电力电子仿真/版本matlab7.0（1）DC-DC电路仿真（升降压（Buck-Boost）变换器）仿真电路参数：直流电压20V、开关管为MOSFET（内阻为0.001欧）、开关频率20KHz、电感L为133uH、电容为1.67mF、负载为电阻负载（20欧）、二极管导通压降0.7V（内阻为0.001欧）、占空比40%。
仿真时间0.3s，仿真算法为ode23tb。
图1-1占空比为40%的，降压后为12.12V。
触发脉冲、电感电流、开关管电流、二极管电流、负载电流、输出电压的波形。
图1-2占空比为60%的，升压后为28.25V。
触发脉冲、电感电流、开关管电流、二极管电流、负载电流、输出电压的波形。
图1-3•图1-4升降压变换电路（又称Buck-boost电路）的输出电压平均值可以大于或小于输入直流电压，输出电压与输入电压极性相反，其电路原理图如图1-4(a)所示。
它主要用于要求输出与输入电压反相，其值可大于或小于输入电压的直流稳压电源工作原理：①T导通，ton期间，二极管D反偏而关断，电感L储能，滤波电容C向负载提供能量。
②T关断，toff期间，当感应电动势大小超过输出电压U0时，二极管D导通，电感L经D向C和RL反向放电，使输出电压的极性与输入电压在ton期间电感电流的增加量等于toff期间的减少量，得：由的关系，求出输出电压的平均值为：上式中，D为占空比，负号表示输出与输入电压反相；当D=0.5时，U0=Ud；当0.5<D<1时，U0>Ud，为升压变换；当0≤D<0.5时，U0<Ud，为降压变换。
matlab在电路分析和仿真中的应用
MATLAB/SIMULNK的主要产品及其相互关系
2019/8/3
MATLAB的优点
• 1. 容易使用 • 2. 可以由多种操作系统支持 • 3. 丰富的内部函数 • 4. 强大的图形和符号功能 • 5. 可以自动选择算法 • 6. 与其他软件和语言有良好的对接性
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matlab自定义的函数文件称内置函数文件
调用内置函数的方法：使用函数名并给出相应的入 口、出口参数即可。
例如：sin.m函数——用type sin查不到。
调用格式：y=sin(2*x)
1
实际应用中：
0.8
x=0:2*pi/180:2*pi;
0.6
y=sin(2*x)
0.4
0.2
plot(x,y)
0
• 包含matlab语言代码的文件称为m文件，其 扩展名为m。
• 编辑m文件可使用各种文本编辑器。
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m文件的创建
• m文件的类型是普通的文本文件，我们可以 使用系统认可的文本文件编辑器来建立m文件。 如dos下的edit，windows的记事本和word等。
• 具体的创建方法： 1. 在matlab命令窗
-0.2
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-0.4
-0.6
取R=255欧，L=125uH，C=6800pF，则：
H (s)
sRC s2LC sRC
1
85s2
1734000s 1734000s
1014
m文件如下： % LCR串联谐振电路 R=255; L=125*10^(-6); C=6800*10^(-12);
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使用帮助系统
MATLAB在电力电子系统中的应用_贺凡波 (1)
• 硬件实现
• 数据分析
• 软件实现
6
MATLAB/Simulink在电力电子中的应用
• 器件、主电路、控制 • 建模仿真、优化设计、硬件实现、软件实现、数据分析 • 常用工具箱
• SimPowerSystems • Control System Toolbox • DSP System Toolbox • Embedded Coder • Fixed-Point Designer • Optimization
选择一组“拓扑、参数、控制”的组合
系统仿真，得到各元件工况 系统损耗计算
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优化设计
• 光伏逆变系统最优配置方案
• 目标：最低能量成本 • 变量：几台逆变器？如何连接？与电池板如何配比？
• 影响因素：各部件效率、可靠性、成本、环境条件……
DC Input DC Input DC Input DC Input DC Input DC Input DC Input DC Input DC Input
不同配置方案的能量成本
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可靠性设计
• 异常换流状态
• 非理想因素：延迟、畸变、参数不一致…… • 实际运行中出现设计时未能预料的换流状态 • 可能导致器件失效，对可靠性造成隐患 • 发现异常换流很困难，而对策较容易
• 自动分析
• 对于复杂系统，难以人工遍历所有可能的工况 • 借助MATLAB/Simulink进行计算机辅助分析 • 在设计初期即可充分考虑异常换流状态
26
结语
MATLAB/Simulink在电力电子研发中 • 是有效的设计分析工具 • 可加速开发周期
27
谢谢
• Simulink目前只能生成CCS 3.3工程
MATLAB在电气工程中的应用课程设计部分学生版
MATLAB在电气工程及其自动化中的应用课程设计1.1 电气工程及其自动化专业概论电气工程及其自动化涉及电力电子技术，计算机技术，电机电器技术与网络控制技术，机电一体化技术等诸多领域，是一门综合性较强的学科，其主要特点是强弱电结合，机电结合，软硬件结合，电工技术与电子技术相结合，元件与系统相结合，使学生获得电工电子、系统控制、电气控制、电力系统自动化、电气自动化装置及计算机应用技术等领域的基本技能。
1.2 MATLAB简介MATLAB是Matrix&Laboratory两个词的组合，译为矩阵实验室。
MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面向科学计算、可视化以及交互式程序设计的计算环境，主要包括MATLAB、MATLAB工具箱和Simulink三大部分。
MATLAB软件是主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的计算环境。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案。
MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB解算问题要比用C，FORTRAN等语言简捷得多，且MATLAB吸收了Maple等软件的优点，使它成为一个强大的数学软件。
同时，在新版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。
MATLAB 软件主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
1.3 SimPowerSystems模块库简介Simulink是MATLAB软件中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
《电力电子技术》单相半波可控整流电路MATLAB仿真实验
《电力电子技术》单相半波可控整流电路MATLAB仿真实验一、实验目的：(1) 单相半波可控整流电路（电阻性负载）电路的工作原理电路设计与仿真。
(2) 单相半波可控整流电路（阻-感性负载）电路的工作原理电路设计与仿真。
(3) 单相半波可控整流电路（阻-感性负载加续流二极管）电路的工作原理电路设计与仿真。
（4）了解三种不同负载电路的工作原理及波形。
二、电阻性负载电路1、电路及其工作原理图1.1单向半波可控整流电路（电阻性负载）如图1.1所示，单向半波可控制整流电路原理图，晶闸管作为开关，变压器T起到变换电压与隔离的作用。
其工作原理：（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。
2、MATLAB下的模型建立2.1 适当连接后，可得仿真电路。
如图所示：2.2 仿真结果与波形分析下列所示波形图中，波形图分别代表了晶体管VT上的电流、晶体管VT 上的电压、电阻加电感上的电压。
设置触发脉冲α分别为30°、60°、90°、120°时的波形变化。
α=30°α=60°α=90°α=120°分析：与电阻性负载相比，负载电感的存在，使得晶闸管的导通角增大，在电源电压由正到负的过零点也不会关断，输出电压出现了负波形，输出电压和电流平均值减小；大电感负载时输出电压正负面积趋于相等，输出电压平均值趋于零。
基于MATLAB的电力电子技术虚拟实验仿真平台的设计
电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering电子技术Electronic Technology基于MATLAB的电力电子技术虚拟实验仿真平台的设计张岩贾小龙（宁夏理工学院宁夏回族自治区石嘴山市753000）摘要：本文在MATLAB的基础上，利用现代仿真技术对电力电子变换器电路进行了SIMULINK仿真，完成了借助于图形用户界面GUI 功能的虚拟实验平台的搭建，达到了基本的实验要求。
关键词：MATLAB;电力电子技术；仿真模型；GUI1背景传统高校实验室所占实验经费比例大，软硬件设备一般比较昂贵的，容量有限且电气信息类技术更新非常快，要建立非常完备且与时俱进的实验教学环境是很困难的。
虚拟仿真实验既节省了资金，又可突破传统实验室在硬件设备上的限制，缓解了实验经费不足与实验人数过多的矛盾，突破了时空的局限，优化了教育资源，提高了学习兴趣和效率，真正实现理论教学与实验教学的结合。
因此，虚拟实验室的研究对于现代远程教学和高等院校的实验教学、课堂教学都很有意义。
2虚拟实验平台的国内外研究现状近年来计算机技术的发展为虚拟仿真实验平台开发提供了技术支持，已有很多高校和企业着手研究虚拟实验仿真平台。
例如：美国卡耐基梅隆大学早期开发的虚拟实验平台，他们的技术方案是通过计算机所搭建出来的函数发生器、示波器等实验硬件设备连接到Internet上，学生或其他用户可以通过上网然后网络远程连接并加以使用。
麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）,该院校着手项目的主要是为了建设众多学科科目的虚拟实验平台，此项目是同微软公司通力合作开发出来的I-Lab,设计出来的平台可以用来研究基于虚拟现实的科学技术与电气工程的创新型教育体系。
目前国内的一些高等院校逐渐设计出了自己的虚拟实验平台。
中国科学技术大学早期设计的物理虚拟实验平台是把实验运用在教学的演示和简单物理实验这些问题上，此设计是国内第一套有推广价值的实验教学平台。
电力电子技术应用实例MATLAB仿真
目录摘要 (1)关键词 (1)1.引言 (1)2.单相半波可控整流电路 (1)2.1实验目的 (1)2.2实验原理 (1)2.3实验仿真 (2)3.单相桥式全控整流电路 (8)3.1实验目的 (8)3.2实验原理 (8)3.3实验仿真 (9)4.三相半波可控整流电路 (10)4.1实验目的 (10)4.2实验原理 (11)4.3实验仿真 (12)5. 三相半波有源逆变电路 (14)5.1实验目的 (14)5.2实验原理 (14)5.3实验仿真 (15)6.三相桥式半控整流电路 (17)6.1 实验目的 (17)6.2实验原理 (17)`6.3 实验仿真 (17)7.小结 (19)致谢 (19)电力电子技术应用实例的MATLAB 仿真摘 要 本文是用MATLAB/SIMULINK 实现电力电子有关电路的计算机仿真的毕业设计。
论文给出了单相半波可控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相半波可控整流电路、三相半波有源逆变电路、三相桥式全控整流电路的实验原理图、 MATLAB 系统模型图、及仿真结果图。
实验过程和结果都表明：MATLAB 在电力电子有关电路计算机仿真上的应用是十分广泛的。
尤其是电力系统工具箱－Power System Blockset （PSB ）使得电力系统的仿真更加方便。
关键词 MATLAB SIMULINK PSB 电力电子相关电路1.引言MATLAB 是由Math Works 公司出版发行的数学计算软件，为了准确建立系统模型和进行仿真分析，Math Works 在MATLAB 中提供了系统模型图形输入与仿真工具一SIMULINK 。
其有两个明显功能：仿真与连接，即通过鼠标在模型窗口画出所系统的模型，然后可直接对系统仿真。
这种做法使一个复杂系统模型建立和仿真变得十分容易。
[4][2]在1998年，MathWoIks 推出了电力系统仿真的电力系统工具箱－Power System Blockset （PSB ）。
电力电子技术matlab课程设计
电力电子技术 matlab课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解电力电子技术的基本原理，掌握相关术语及概念；2. 学会使用MATLAB软件进行电力电子电路的仿真与设计；3. 掌握常见电力电子器件的工作原理及其在电路中的应用。
技能目标：1. 能够运用MATLAB软件构建电力电子电路模型，进行基本仿真分析；2. 能够对电力电子电路进行参数优化，提高电路性能；3. 能够运用所学知识解决实际问题，具备一定的电力电子技术实际应用能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对电力电子技术及MATLAB软件的兴趣，提高学习积极性；2. 培养学生具备团队协作精神，善于与他人沟通交流，共同解决问题；3. 增强学生的创新意识，鼓励学生勇于探索新知识，提高实践能力。
课程性质：本课程为电力电子技术领域的实践课程，以MATLAB软件为工具，结合理论知识，培养学生的实际操作能力。
学生特点：学生已具备一定的电力电子技术理论基础，但对于MATLAB软件的使用相对陌生，需要从基础开始教学。
教学要求：教师需结合课本内容，由浅入深地引导学生学习MATLAB软件在电力电子技术中的应用，注重培养学生的实际操作能力和创新精神。
在教学过程中，关注学生的个体差异，给予个性化指导，确保课程目标的实现。
通过课程学习，使学生能够将所学知识应用于实际电路设计与分析中，提高综合素养。
二、教学内容1. 电力电子技术基本原理回顾：包括电力电子器件的工作原理、特性及分类，重点掌握二极管、晶闸管、MOSFET和IGBT等器件。
2. MATLAB软件入门：介绍MATLAB软件的基本操作，如命令窗口、脚本编写、函数调用等，为后续仿真打下基础。
3. 电力电子电路建模与仿真：结合课本内容，选用典型电力电子电路进行建模与仿真，包括整流电路、逆变电路、斩波电路等。
- 教学大纲安排：按照课本章节进行，逐个分析各类电路的工作原理及仿真方法。
4. 参数优化与性能分析：教授学生如何运用MATLAB软件对电力电子电路进行参数优化，提高电路性能。
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4.晶闸管仿真举例 单相半波整流器模型
MATLAB应用技术
Pulse的参数设置对话框
晶闸管模块设置： Ron=0.001Ω；Lon=0H；Vf=0.8V； Rs=20Ω；Cs=4e—6F；
串联RLC元件模块和接地模块到Thyristor模型 R=1Ω；L=0.01H
仿真参数： 选择ode23tb算法，将相对误差设置为1e-3 开始仿真时间设置为0，停止仿真时间设置为0.1
仿真算法选择ode23s算法,仿真时 间为0－ 0.05 秒，其他参数为默 认值。在负载选择R＝1欧、L＝ 1mH，反电动势V＝－5V时进行 仿真。
MATLAB应用技术
3.3基于PWM技术逆变器及其仿真 3.3.1 PWM技术逆变器原理
3.3.2基于PWM技术逆变器仿真
+Ed
V1V4
V3V2
2
Frequency of output voltage (Hz)：调制信号内产 生方式下可选，输出电压的频率设定
Phase of output voltage (degrees)：调制信号内 产生方式下可选，输出电压初始相位值设定。
MATLAB应用技术
（2）逆变器模型
逆变器模型采用通用桥臂构成
（3）电源模型
Boost变换器仿真结果
MATLAB应用技术
3.2晶闸管三相桥式整流器及其仿真 3.2.1 晶闸管三相桥式整流器构成 3.2.2晶闸管三相桥式整流器的仿真模型
MATLAB应用技术
（1）整流桥模型 通用桥臂模块（Universal Bridge）
A、B、C端子：分别为三相交流电源的相电压输入端子； Pulses端子：为触发脉冲输入端子，如果选择为电力二极管，无此端子； ＋、－端子：分别为整流器的输出和输入端子，在建模时需要构成回路。
MATLAB应用技术
（5）仿真设置与结果输出 参照模型图进行电气连线完成模型的建立，仿真算法选择 ode15s算法，仿真时间为0-0.05秒，其他参数为默认值。
MATLAB应用技术
3.4交流调压器及应用仿真 1.电阻性负载的交流调压器
MATLAB应用技术
2.电阻电感性负载 的交流调压器
3.晶闸管交流调压器的仿真
时，此端子需要连接用户定义的调制信号。 Pulses：根据选择主电路桥臂形式，定制产生2，4， 6，12路PWM脉冲。
MATLAB应用技术
PWM发生器参数设置
Generator Mode： 分别选择为1-arm bridge（2 pulses）、2-arm bridge（4 pulses）、3-arm bridge （6 pulses）、double 3-arm bridge（6 pulses）。
MATLAB应用技术
3.1.4 绝缘栅双极型晶体管 1．绝缘栅双极型晶体管工作原理 2.IGBT的伏安特性
MATLAB应用技术
3．IGBT在MATLAB中的实现
由电阻Ron、电感Lon和直流电压源Vf与逻辑信号（g>0或g=0）控制的开关串联电路组成
输入C和输出E对应于绝缘栅双极型晶体管的集电极C和发射极E 输入g为加在门极上的逻辑控制信g 输出m用于测量输出向量[Iak,Vak]
MATLAB应用技术
主要模块参数设置： 交流峰值电压为100V、初相位为0、频率为50HZ； 晶闸管参数进行设置：Ron=0.001Ω；Lon=0H；Vf=0； Rs=20Ω；Cs=4e-6F，RC缓冲电路Lon=0.01H； 负载RLC分支，电阻性负载时，R=2Ω，L=0H，C =inf； 脉冲发生器：Pulse 和Pulse1模块中的脉冲周期为0.02s,脉冲 宽度设置为脉宽的确10%，脉冲高度为12，脉冲移相角通过 “相位角延迟”对话框进行设置。
MATLAB应用技术
IGBT的参数设置
绝缘栅双极型晶体管: 内电阻Ron 电感Lon 正向管压降Vf 电流下降到10%的时间Tf 电流拖尾时间Tt 初始电流Ic 缓冲电阻Rs 缓冲电容Cs
4.IGBT构成的升压变换器建模与仿真
MATLAB应用技术
主要参数设置：
电压源模块Vdc＝ 100v； 并联RLC分支参数R=50Ω,C=3e-6F; 脉冲发生器模块周期:1e-4s； 仿真算法:ode23tb算法,相对误差1e-3, 开始仿真时间为0,停止时间为0.0015,
输入大于零时封锁触发器； Pulses：6脉冲输出信号。 alpha_deg为30度时双6脉冲同步触发器的输入输出信号
MATLAB应用技术
6脉冲同步触发器参数设置
Frequency of synchronization voltages(Hz)：同步电压频率（赫兹）；
Pulse width(degrees) ：触发脉冲宽 度（角度）；
MATLAB应用技术
清华大学出版社
王忠礼 段慧达 高玉峰编著
3电力电子与MATLAB应用技术
MATLAB应用技术
3.1 电力电子器件与MATLAB 3.1.1电力二极管 电力二极管是一种具有单向导电性的半导体器件，即正向导电、反向阻断。 1．电力二极管基本特性
MATLAB应用技术
2．电力二极管在MATLAB中实现 电力二极管仿真模型: 由一个电阻Ron、一个电感Lon、一个直流电压源Vf和一个开关串联组成
由于逆变器模型为双极性方式，输入典 型选择正负两相直流电压源，实现过程 将两个直流电压源串联连接，中间接地。 二者都设定为20伏。
（4）其他模型 在模型窗口中增加输入与输出型中性 接地模块各一只；逆变器负载选择LRC 串联分支，参数为R＝1欧，L＝2mH，C ＝inf；以及输入、输出接地模块和相关 的测量和输出模块。
MATLAB应用技术
3. 电力二极管元件的仿真举例 单相半波整流器
MATLAB应用技术
3.1.2晶闸管 1.晶闸管工作原理
2．晶闸管伏安特性
阳极、阴极、门极分别表示为A、K、g
MATLAB应用技术
3．晶闸管在MATLAB中的实现
由一个电阻Ron、一个电感Lon、一个直流电压源Vf和一个开关串联组成。 开关受逻辑信号控制，该逻辑信号由电压Vak、电流Iak和门极触发信号g决定。
α=0°单相半波整流桥仿真结果
MATLAB应用技术
反并联续流二极管
MATLAB应用技术
3.1.3 可关断晶闸管 B应用技术
3. GTO在MATLAB中的实现
GTO模型由电阻Ron电感Lon、直流电压源Vf和开关串联组成， 该开关受一个逻辑信号控制，该逻辑信号又由GTO的电压Vak、电流Iak和门极触发信号（g）决定
5.可关断晶闸管元件的建模和仿真应用实例
单相半波整流器
MATLAB应用技术
仿真模型参数设置： 交流电压源幅值5V，频率为50HZ， LRC分支参数R=1Ω，L=0.01H，C＝inf 仿真算法:ode23tb算法，相对误差1e-3 仿真开始时间为0，停止时间设置为0.1。
α=30°GTO单相半波整流器仿真结果
Double pulsing：双脉冲触发选择。
三相线电压具体实现是通过Voltage Measurement（电压测量）模块， 电压测量模块可以将电路中两个节 点的电压值，并提供其他电路或者 用于输出
MATLAB应用技术
（3）其他模块 主回路负载这里为了模拟直流电动机模型，选择电阻、电感与 直流反电动势构成，电阻、电感模型选择RLC串联分支实现。直 流反电动势通过直流电源实现，因为电流反向的原因需要将其 设为负值实现反电动势功能。三相交流电源通过三个频率50、 幅值220、相位滞后120交流电压源实现。再加入相应的测量模 块和输出模块，完成电气连接。
MATLAB应用技术
参数设置
Resistance Ron（ohms）：元件内电阻Ron Inductance Lon（H）：元件内电感Lon Forward voltage Vf（v）:元件的正向管压降Vf Current 10% fall time（s）：
电流下降到10%的时间 Current tail time(s):电流拖尾时间Tt Initial current Ic(A):初始电流Ic Snubber resistance Rs(ohms):缓冲电阻Rs Snubber capacitance Cs(F):缓冲电容Cs，
MATLAB应用技术
4.晶闸管单相交流调压电路的仿真结果 仿真算法选择为ode23tb算法，仿真时间设置为0-0.03s，开始仿真。给出 了移相控制角等于60°和120°时带电阻负载和电感负载时，负载上的电流、 电压波形以及触发脉冲波形。
控制角为60°时的电阻性负载电流、电压和脉冲波形 控制角120°时的电阻性负载电流、电压和脉冲波形
通用桥臂模块参数设置
Number of bridge arms： 桥臂数量，可以选择1、2、3相桥臂，构成不同形式的整流器。
Port configuration：端口形式设。 Snubber resistance Rs(ohms):缓冲电阻Rs。 Snubber capacitance Cs(F):缓冲电容Cs。 Resistance Ron（ohms）：晶闸管的内电阻Ron，单位为Ω。 Inductance Lon（H）：晶闸管的内电感Lon，单位为H，电感不能设置为0。 Forward voltage Vf（v）:晶闸管元件的正向管压降Vf，单位为V。 Measurements：测量可以选择5中形式， 即无（None） 装置电压（Device voltages） 装置电流（Device currents） 三相线电压与输出平均电压（UAB UBC UCA UDC）或所有电压电流（All voltages and currents） 选择之后需要通过万用表模块（Multimeter）显示。
模块有两个输出（k、m端子）和一个输入（a端子）， 分别电力二极管的阴极和测量信号输出端子以及二极管的阳极端子