基于matlab的電力電子技術(shù)仿真設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

1、基于matlab的電力電子技術(shù)仿真設(shè)計(jì)第1章 緒 論 1.1 matlab 的產(chǎn)生過(guò)程和影響 在 20 世紀(jì)七十年代后期的時(shí)候：時(shí)任美國(guó)新墨西哥大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任的cleve moler 教授出于減輕學(xué)生編程負(fù)擔(dān)的動(dòng)機(jī)，為學(xué)生設(shè)計(jì)了一組調(diào)用linpack和eispack庫(kù)程序的“通俗易用”的接口，此即用fortran編寫(xiě)的萌芽狀態(tài)的matlab。經(jīng)幾年的校際流傳，在little 的推動(dòng)下，由little、moler、steve bangert 合作，于1984 年成立了 mathworks 公司，并把 matlab 正式推向市場(chǎng)。從這時(shí)起，matlab 的內(nèi)核采用c語(yǔ)言編寫(xiě)，而且除原有的數(shù)值

2、計(jì)算能力外，還新增了數(shù)據(jù)圖視功能。matlab以商品形式出現(xiàn)后，僅短短幾年，就以其良好的開(kāi)放性和運(yùn)行的可靠性，使原先控制領(lǐng)域里的封閉式軟件包（如英國(guó)的 umist，瑞典的 lund 和 simnon，德國(guó)的 keddc）紛紛淘汰，而改以matlab為平臺(tái)加以重建。在時(shí)間進(jìn)入20 世紀(jì)九十年代的時(shí)候，matlab已經(jīng)成為國(guó)際控制界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算軟件。 到九十年代初期，在國(guó)際上30 幾個(gè)數(shù)學(xué)類(lèi)科技應(yīng)用軟件中，matlab在數(shù)值計(jì)算方面獨(dú)占鰲頭，而mathematica 和maple 則分居符號(hào)計(jì)算軟件的前兩名。mathcad 因其提供計(jì)算、圖形、文字處理的統(tǒng)一環(huán)境而深受中學(xué)生歡迎。mathwork

3、s 公司于1993 年推出matlab4.0 版本，從告別dos 版。 電力電子技術(shù)matlab實(shí)踐：電力電子技術(shù)中有關(guān)電能的變換與控制過(guò)程，有各種電路原理的分析與研究、大量的計(jì)算、電能變換的波形測(cè)量、繪制與分析等，都離不開(kāi)matlab。首先，它的運(yùn)算功能強(qiáng)大，應(yīng)用于交流電的可控整流、直流電的有源逆變與無(wú)源逆變中存在的整流輸出的平均值、有效值、與電路功率計(jì)算、控制角、導(dǎo)通角計(jì)算。其次，matlab的simpowersystems實(shí)體圖形化仿真模型系統(tǒng)，把代表晶閘管、觸發(fā)器、電阻、電容、電源、電壓表等實(shí)物的特有符號(hào)連接成一個(gè)整流裝置電路或是一個(gè)系統(tǒng)，更簡(jiǎn)單方便，節(jié)省設(shè)計(jì)制作時(shí)間和成本等。再有，交

4、流技術(shù)討論的電能轉(zhuǎn)換與控制，需要對(duì)各種電壓與電流波形進(jìn)行測(cè)量、繪制與分析，matlab提供了功能強(qiáng)大且方便使用的圖形函數(shù)，特別適合完成這項(xiàng)任務(wù)。 mathworks 公司瞄準(zhǔn)應(yīng)用范圍最廣的word ，運(yùn)用dde 和ole，實(shí)現(xiàn)了matlab與 word 的無(wú)縫連接，從而為專(zhuān)業(yè)科技工作者創(chuàng)造了融科學(xué)計(jì)算、圖形可視、文字處理于一體的高水準(zhǔn)環(huán)境。1997 年仲春，matlab5.0 版問(wèn)世，緊接著是5.1、5.2，以及和1999 年春的5.3 版。與 4.0 相比，現(xiàn)今的 matlab 擁有更豐富的數(shù)據(jù)類(lèi)型和結(jié)構(gòu)、更友善的面向?qū)ο蟆⒏涌焖?精良的圖形可視、更廣博的數(shù)學(xué)和數(shù)據(jù)分析資源、更多的應(yīng)用開(kāi)發(fā)

5、工具。（關(guān)于matlab5.0 的特點(diǎn)下節(jié)將作更詳細(xì)的介紹。） 誠(chéng)然，到1999 年底，mathematica 也已經(jīng)升到4.0 版，它特別加強(qiáng)了以前欠缺的大規(guī)模數(shù)據(jù)處理能力。mathcad 也趕在2000 年到來(lái)之前推出了mathcad 2000 ，它購(gòu)買(mǎi)了maple 內(nèi)核和庫(kù)的部分使用權(quán)，打通了與matlab的接口，從而把其數(shù)學(xué)計(jì)算能力提高到專(zhuān)業(yè)層次。 但是，就影響而言，至今仍然沒(méi)有一個(gè)別的計(jì)算軟件可與matlab匹敵。 在歐美大學(xué)里，諸如應(yīng)用代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、自動(dòng)控制、數(shù)字信號(hào)處理、模擬與數(shù)字通 信、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等課程的教科書(shū)都把matlab作為內(nèi)容。這幾乎成了九十年代教科書(shū)

6、與舊版書(shū)籍的區(qū)別性標(biāo)志。在那里，matlab是攻讀學(xué)位的大學(xué)生、碩士生、博士生必須掌握的基本工具。 在國(guó)際學(xué)術(shù)界，matlab已經(jīng)被確認(rèn)為準(zhǔn)確、可靠的科學(xué)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)軟件。在許多國(guó)際 一流學(xué)術(shù)刊物上，（尤其是信息科學(xué)刊物），都可以看到matlab的應(yīng)用。在設(shè)計(jì)研究單位和工業(yè)部門(mén)，matlab被認(rèn)作進(jìn)行高效研究、開(kāi)發(fā)的首選軟件工具。如美國(guó)national instruments 公司信號(hào)測(cè)量、分析軟件labview，cadence 公司信號(hào)和通信分 析設(shè)計(jì)軟件spw等，或者直接建筑在matlab之上，或者以matlab為主要支撐。又如 hp司的vxi 硬件，tm公司的dsp，gage 公司的各種硬卡

7、、儀器等都接受matlab的支持。 1.2 matlab 的基本組成和特點(diǎn) 經(jīng)過(guò)近20 年實(shí)踐，人們已經(jīng)意識(shí)到：matlab作為計(jì)算工具和科技資源，可以擴(kuò)大科學(xué)研究的范圍、提高工程生產(chǎn)的效率、縮短開(kāi)發(fā)周期、加快探索步伐、激發(fā)創(chuàng)造活力。那么作為當(dāng)前最新版本的matlab 7.0 究竟包括哪些內(nèi)容？有哪些特點(diǎn)呢？ 5.0以前版本的matlab語(yǔ)言比較簡(jiǎn)單。它只有雙精度數(shù)值和簡(jiǎn)單字符串兩種數(shù)據(jù)類(lèi)型，只能處理1 維、2 維數(shù)組。它的控制流和函數(shù)形式也都比較簡(jiǎn)單。這一方面與當(dāng)時(shí)軟件 的整體水平有關(guān)，另方面與matlab僅限于數(shù)值計(jì)算和圖形可視應(yīng)用的設(shè)計(jì)目標(biāo)有關(guān)。從 5.0 版起，matlab 對(duì)其語(yǔ)言進(jìn)

8、行了根本性的變革，使之成為一種高級(jí)的“陣列”式語(yǔ)言。 1.3 matlab 語(yǔ)言的傳統(tǒng)優(yōu)點(diǎn) matlab自問(wèn)世起，就以數(shù)值計(jì)算稱(chēng)雄。matlab進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的基本處理單位是復(fù) 數(shù)數(shù)組（或稱(chēng)陣列），并且數(shù)組維數(shù)是自動(dòng)按照規(guī)則確定的。這一方面使matlab程序可 以被高度“向量化”，另方面使用戶易寫(xiě)易讀。對(duì)一般的計(jì)算語(yǔ)言 來(lái)說(shuō)，必須采用兩層循環(huán)才能得到結(jié)果。這不但程序復(fù)雜，而且那討厭的循環(huán)十分費(fèi)時(shí)。 matlab 處理這類(lèi)問(wèn)題則簡(jiǎn)潔快捷得多，它只需直截了當(dāng)?shù)囊粭l指令 y = exp(-2*t).*sin(5*t) ，就可獲得。這就是所謂的“數(shù)組運(yùn)算”。這種運(yùn)算在信號(hào)處理和圖形可視中，將被頻繁使用。

9、當(dāng) a的列數(shù)大于行數(shù)時(shí)，x 有無(wú)數(shù)解。一般程序就必須按以上不同情況進(jìn)行編程。然而對(duì) matlab來(lái)說(shuō)，那只需一條指令：x=ab 。指令是簡(jiǎn)單的，但其內(nèi)涵卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了普通教科書(shū)的范圍，其計(jì)算的快速性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性都是普通程序所遠(yuǎn)不及的。 第2章 matlab軟件及仿真集成環(huán)境simulink簡(jiǎn)介matlab軟件是美國(guó)mathworks公司在20世紀(jì)80年代中期推出的高性能數(shù)值計(jì)算軟件,經(jīng)過(guò)近30年的開(kāi)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(qiáng)大的軟件系統(tǒng),成為線性代數(shù)、數(shù)字信號(hào)處理、自動(dòng)控制系統(tǒng)分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等方面的強(qiáng)大工具。matlab中含有一個(gè)仿真集成環(huán)境simulink,其主要功

10、能是實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真與分析。在matlab啟動(dòng)后的系統(tǒng)界面中的命令窗口輸入”simulink”指令就可以啟動(dòng)simulink仿真環(huán)境。啟動(dòng)simulink后就進(jìn)入了瀏覽器既模版庫(kù)，在圖中左側(cè)為以目錄結(jié)構(gòu)顯示的17類(lèi)模版庫(kù)名稱(chēng)（因軟件版本的不同，庫(kù)的數(shù)量及其他細(xì)節(jié)可能不同），選中模版庫(kù)后，即會(huì)在右側(cè)窗口出現(xiàn)該模型庫(kù)中的各種元件或子庫(kù)。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(lèi)型系統(tǒng)的仿真分析，本書(shū)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(duì)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

11、真庫(kù)simpowersystem中，該模型庫(kù)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(wú)源元件、電力電子器件、觸發(fā)器、電機(jī)和測(cè)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)。在simulink系統(tǒng)中，執(zhí)行菜單“file”下“new”、“model”命令即可產(chǎn)生一個(gè)新的仿真模型編輯窗口，在窗口中可以采用形象的圖形編輯的方法建立仿真對(duì)象、編輯元件及系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而完成電路及系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)。具體步驟為：（1） 建立一個(gè)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(kù)中所選元件位置按

12、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(guò)程直至所有元件均放置完畢。（2） 在窗口中用鼠標(biāo)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(duì)該元件可以進(jìn)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(dòng)。（3） 需要改變?cè)笮r(shí)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(shí)按住鼠標(biāo)左鍵將元件拖拽至合適尺寸。（4） 需要改變?cè)?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(duì)話窗口進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。（5） 將元件放置完畢后，

13、可采用信號(hào)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(shí)，按住鼠標(biāo)左鍵移動(dòng)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(shí)，松開(kāi)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(hào)，則在連線端部將出現(xiàn)箭頭表示信號(hào)的流向，不斷重復(fù)該過(guò)程直至系統(tǒng)連接完畢。（6） 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(duì)仿真起止時(shí)間、仿真步長(zhǎng)、允許誤差和求解算法進(jìn)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)。（7） 仿真模型建立完畢后，可以使用“file”菜單中的”save”

14、命令進(jìn)行保存。2.1 常用電氣系統(tǒng)仿真庫(kù)元件及仿真模型對(duì)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(kù)simpowersystem中，該模型庫(kù)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(wú)源元件、電力電子器件、觸發(fā)器、電機(jī)和測(cè)量元件等。用鼠標(biāo)單擊“simpowersystem”，即會(huì)在右側(cè)出現(xiàn)該模型庫(kù)中八個(gè)模版庫(kù)（子庫(kù)），下面主要介紹電源模版庫(kù)、電氣元件模版庫(kù)、電氣測(cè)量模版庫(kù)及電力電子器件模版庫(kù)。2.2 電氣元件模塊庫(kù) 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(lèi):負(fù)載元件、傳輸線和變壓器。 雙

15、擊串聯(lián)rlc支路元件將彈出該元件的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框,在“resistance”、“inducatance”、“capacitance”參數(shù)下可以分別設(shè)置三個(gè)元件的參數(shù),如果電路中不含三者中的某個(gè)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(hào)中這類(lèi)元件也將自動(dòng)消失。串聯(lián)rlc負(fù)載元件則是通過(guò)設(shè)置每個(gè)元件的容量,由程序自動(dòng)計(jì)算元件的參數(shù)。并聯(lián)rlc支路元件和并聯(lián)rlc負(fù)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(lèi)似。 在不考慮變壓器鐵心飽和時(shí)不勾選“saturable core”。在“magnetition resistance rm”和“magnetition

16、 resistance lm”參數(shù)下分別設(shè)置變壓器的勵(lì)磁繞組電阻、電感的標(biāo)幺值。其他類(lèi)型的變壓器參數(shù)設(shè)置方法類(lèi)似。第3章 單相半波可控整流電路仿真3.1 電阻負(fù)載3.1.1 工作原理（1）在電源電壓正半波（0區(qū)間），晶閘管承受正向電壓，脈沖ug在t=處觸發(fā)晶閘管，晶閘管開(kāi)始導(dǎo)通，形成負(fù)載電流id,負(fù)載上有輸出電壓和電流。（2）在t=時(shí)刻，u2=0，電源電壓自然過(guò)零，晶閘管電流小于維持電流而關(guān)斷，負(fù)載電流為零。（3）在電源電壓負(fù)半波（2區(qū)間），晶閘管承受反向電壓而處于關(guān)斷狀態(tài)，負(fù)載上沒(méi)有輸出電壓，負(fù)載電流為零。（4）直到電源電壓u2的下一周期的正半波，脈沖ug在t=2+處又觸發(fā)晶閘管，晶閘管再次

17、被觸發(fā)導(dǎo)通，輸出電壓和電流又加在負(fù)載上，如此不斷重復(fù)。3.1.2 電路圖及工作原理 圖3-1 單相半波可控整流電路 如上圖所示，當(dāng)晶閘管vt處于斷態(tài)時(shí)，電路中電流id=0，負(fù)載上的電壓為0，u2全部加在vt兩端，在觸發(fā)角處，觸發(fā)vt使其導(dǎo)通，u2加于負(fù)載兩端，當(dāng)電感l(wèi)的存在時(shí)，使電流id不能突變，id從0開(kāi)始增加同時(shí)l的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)試圖阻止id增加，這時(shí)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(wèi)吸收的電磁能量，到u2由正變負(fù)的過(guò)零點(diǎn)處處id已經(jīng)處于減小的過(guò)程中，但尚未降到零，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(wèi)延遲了vt的關(guān)斷時(shí)刻使u形出現(xiàn)負(fù)的部分。3

18、.1.3 仿真模型圖3-2 單相半波可控整流電路電阻負(fù)載電路仿真模型3圖 3-3 示波器環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)置菜單圖3-4 單相半波可控整流電路電阻負(fù)載電路波形3.2 阻感負(fù)載圖3-5單相半波可控整流電路電阻電感負(fù)載電路仿真模型圖3-6單相半波可控整流電路電阻電感負(fù)載電路波形3.3 接續(xù)流二極管圖3-7 單相半波可控整流電路電阻電感負(fù)載接續(xù)流二極管電路波形圖3-8 單相半波可控整流電路電阻電感負(fù)載接續(xù)流二極管電路波形第4章 單相橋式全控整流電路仿真4.1 單相橋式全控整流電路在單相橋式全控整流電路中，晶閘管vt1和vt4組成一對(duì)橋臂，vt2和vt3組成另一對(duì)橋臂。當(dāng)為電阻負(fù)載時(shí)，若4個(gè)晶閘管均不導(dǎo)通，負(fù)

19、載電流id為零，ud也為零，vt1、vt4串聯(lián)承受電壓u2，設(shè)vt1和vt4的漏電阻相等，則各承受u2的一半。若在觸發(fā)角處給vt1和vt4加觸發(fā)脈沖，vt1和vt4即導(dǎo)通，電流從電源a端經(jīng)vt1、r、vt4流回電源b端。當(dāng)u2過(guò)零時(shí)，流經(jīng)晶閘管的電流也降到零，vt1和vt4關(guān)斷。在u2負(fù)半周，仍在觸發(fā)延遲角處觸發(fā)vt2和vt3，vt2和vt3導(dǎo)通，電流從電源b端流出，經(jīng)vt3、r、vt2流回電源a端。到u2過(guò)零時(shí)，電流又將為零，vt2和vt3關(guān)斷。此后又是vt1和vt4導(dǎo)通，如此循環(huán)地工作下去，便構(gòu)成了一個(gè)全波整流系統(tǒng)。圖4-1 單相全控橋整流電路單相橋式全控整流電路電阻負(fù)載的電路采用四只晶閘

20、管構(gòu)成全控橋式全控整流電路，采用trig14、trig23兩個(gè)觸發(fā)脈沖環(huán)節(jié)分別產(chǎn)生1、4管及2、3管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由于兩對(duì)晶閘管分別于正、負(fù)半周導(dǎo)通，觸發(fā)延遲角相差180，因此兩個(gè)觸發(fā)環(huán)節(jié)的延遲時(shí)間相差180。電路中交流電源電壓峰值為100v，頻率為50hz，初始相角為0，負(fù)載電阻為2。仿真結(jié)果如下圖：圖4-2單相橋式全控整流電路電阻負(fù)載仿真模型圖4-3單相橋式全控整流電路電阻負(fù)載仿真波形4.2 單相橋式全控整流電路電阻電感負(fù)載單相橋式全控整流電路電阻電感負(fù)載與單相橋式全控整流電路電阻負(fù)載差別在于負(fù)載不同，將負(fù)載參數(shù)設(shè)為r=1，l=0.1h，其他參數(shù)不變，仿真結(jié)果如下圖：圖4-4單相橋式全控整流

21、電路電阻電感負(fù)載仿真模型 圖4-5單相橋式全控整流電路電阻電感負(fù)載仿真波形第5章 三相橋式全控整流電路仿真5.1三相橋式全控整流電路電阻負(fù)載電路三相橋式全控整流電路電阻負(fù)載電壓峰值為100v，頻率為50hz，初始相角為30，負(fù)載為電阻負(fù)載，電阻為2。由于三相橋式全控整流電路角的起點(diǎn)為相電壓交點(diǎn)，因此本模型中隊(duì)因角為60的a、b、c三相對(duì)應(yīng)的六個(gè)觸發(fā)環(huán)節(jié)中的延遲時(shí)間分別為3.33ms、6.67ms、10ms、13.33ms、16.67ms、0。仿真結(jié)果如下圖：圖5-1三相橋式全控整流電路電阻負(fù)載電路仿真模型圖5-2 三相橋式全控整流電路仿真電阻負(fù)載仿真波形5.2三相橋式全控整流電路電阻電感負(fù)載電

22、路圖5-3三相橋式全控整流電路電阻電感負(fù)載電路仿真模型圖5-4三相橋式全控整流電路電阻電感負(fù)載電路波形圖總 結(jié)通過(guò)這幾天對(duì)課程設(shè)計(jì)所作的努力，成功完成了對(duì)電力電子技術(shù)中的單相半波可控整流電路、單相橋式全控整流電路、三相半波可控整流電路、三相橋式半控整流電路的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)踐證明了matlab/simuink在電力電子仿真上的廣泛應(yīng)用。特別在數(shù)值計(jì)算應(yīng)用最廣的電氣信息類(lèi)學(xué)科中，熟練掌握matlab可以大大提高分析研究的效率。通過(guò)這個(gè)課題學(xué)習(xí)matlab軟件的基本知識(shí)和使用技巧，熟練應(yīng)用在電力電子技術(shù)中的建模與仿真。運(yùn)用matlab對(duì)電力電子電路進(jìn)行仿真，加深了對(duì)電力電子知識(shí)的認(rèn)識(shí)。通過(guò)老師與文獻(xiàn)的幫助，掌握matlab軟件，會(huì)了一些簡(jiǎn)單的操作與應(yīng)用。致 謝 課程設(shè)