MATLAB软件应用及仿真(63页).doc

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1、-电气专业方向综合课程设计任务书一、设计（调查报告/论文）题目MATLAB软件应用及仿真二、设计（调查报告/论文）主要内容1、晶闸管的仿真模型及以单相半波整流器为例，说明晶闸管元件应用系统的建模与仿真方法。2、晶闸管三相桥式整流带电阻性负载时系统的建模与仿真。3、可关断晶闸管的仿真模型及以可关断晶闸管元件组成的Buck变换器为例的仿真过程。4、绝缘栅双极型晶体管元件的仿真模型及一个由IGBT元件组成的Boost变换器的建模与仿真。5、相位控制的晶闸管单相交流调压器带电阻性负载时系统的建模与仿真。三、原始资料MATLAB仿真软件四、要求的设计（调查/论文）成果编写详细的设计说明书（附上本次设计心

2、得体会） 说明书中完成相应系统模型的建模、参数设置及仿真调试，写出设计报告。1.晶闸管的仿真模型、参数设定方法、以单相半波整流器为例说明晶闸管元件应用系统的建模与仿真方法，记录相应波形。2.晶闸管三相桥式整流带电阻性负载时系统的建模过程与仿真调试，记录波形。3.可关断晶闸管的仿真模型、参数设定方法、以可关断晶闸管元件组成的Buck变换器为例的建模、仿真过程，记录波形。4.绝缘栅双极型晶体管元件的仿真模型、参数设定方法、及由IGBT元件组成的Boost变换器的建模与仿真，记录波形。5.相位控制的晶闸管单相交流调压器带电阻性负载时系统的建模与仿真，记录波形。以上5个题目的仿真过程中皆需包含具体电路

3、形式，工作过程分析，在MATLAB中的建模，各组成环节的参数设置过程，仿真波形，波形分析。五、进程安排1. 下达设计任务书，讲解设计要求、进度安排、指导时间、注意事项等，提供参考资料。（0.5天）2. 学习并熟练MATLAB Simulink/Power System 工具箱等相关内容（4.5天）3. 典型电力电子器件的仿真模型建模及仿真实例（1天）；4. 典型电力电子变换器的应用仿真。（7天）5. 撰写课程设计报告。（1天）6. 答辩。（1天）六、主要参考资料1. 王兆安、刘进军.电力电子技术（第五版）.北京：机械工业出版社，2010.2. 周渊深. 电力电子技术与MATLAB仿真.北京：中

4、国电力出版社, 2005.3. 林飞、杜欣. 电力电子应用技术的MATLAB仿真.北京：中国电力出版社,2009.4. 洪乃刚. 电力电子、电机控制系统的建模和仿真. 北京：机械工业出版社,2010.指导教师（签名）：20 年 月 日目 录1.单相半波可控整流系统11.1晶闸管的仿真11.1.1晶闸管模型11.1.2晶闸管参数及其设置11.2单相半波可控整流电路的仿真21.2.1电路图及工作原理21.2.2建立仿真模型21.2.3模型参数简介与设置31.2.4 仿真结果52.晶闸管三相桥式整流系统的仿真92.1电路图及工作原理92.2建立仿真模型92.3模型参数简介与设置102.4仿真结果12

5、3.降压斩波电路（Buck变换器）143.1可关断晶闸管（GTO）的仿真143.1.1可关断晶闸管模型143.1.2可关断晶闸管参数及其设置143.2 Buck变换器的仿真153.2.1电路图及工作原理153.2.2建立仿真模型153.2.3模型参数简介与设置163.4 仿真结果174.升压斩波电路（Boost变换器）184.1绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的仿真184.1.1绝缘栅双极型晶体管模型184.1.2绝缘栅双极型晶体管参数及其设置184.2 Boost变换器的仿真194.2.1电路图及工作原理194.2.2建立仿真模型194.2.3模型参数简介与设置194.3仿真结果205.相位控

6、制的晶闸管单相交流调压器带系统的仿真215.1电路图及工作原理215.2建立仿真模型215.3模型参数设置215.4 仿真结果226.课程设计总结24参考文献25 第 51 页-1.单相半波可控整流系统1.1晶闸管的仿真1.1.1晶闸管模型晶闸管是一种门极信号触发导通的半导体器件。晶闸管有两个输入端和两个输出端，第一个输入与输出是阳极媏（a）与阴极端（k），第二个输入（g）是门极控制信号端如图，当勾选“Show measurement port”项时便显示第二个输出端（m）如图，这是晶闸管检测输出向量Iak Uak端，可连接仪表检测流经晶闸管的电流（Iak）与晶闸管的正向压降（Uak），晶闸管

7、组件的符号和仿真模型图如图所示。 图 图 晶闸管组件的符号和仿真模型1.1.2晶闸管参数及其设置在模型结构图中，当鼠标双击模型时，则弹出晶闸管参数对话框，如下图所示“Resistance Ron(Ohms)”：晶闸管导通电阻Ron（）。“Inductance Lon（H）”：晶闸管元件内电感Lon（H）。电感参数与电阻参数不能同时设 为0“Forward voltage Vf（V）”：晶闸管元件的正向管压降Vf（V）。“Initial current Ic（A）”：初始电流Ic（A）。“Snubber resistance Rs（ohms）”：缓冲电阻Rs（）。“Snubber capacit

8、ance Cs（F）”：缓冲电容Cs（F）。可对Rs与Cs设置不同的数值以改变或者取消吸收电路。“Show measurement port”为设置是否显示检测端（m）。需要说明的是，含有晶闸管模型的电路仿真时，最好采用特定的算法Ode23tb与Oder15s，而当电路进行离散化处理时，晶闸管的内电感量应设为0。1.2单相半波可控整流电路的仿真1.2.1电路图及工作原理 单相半波可控整流电路（阻-感性负载）图 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，在触发角处，触发VT使其导通，U2加于负载两端，由于电感L的存在使电流id不能突变，id从

9、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Ud波形出现负的部分。1.2.2建立仿真模型根据原理图用matalb软件画出正确的仿真电路图，整体模型如图所示 单相半波晶闸管可控整流电路（阻感负载）的仿真模型仿真参数：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0.12，如下图所示 1.2.3模型参数简介与设置 交流电压源提

10、取路径： SimulinkSimPoweSystenElectricalAC Voltage Source “Peak amplitude”:正弦电压峰值Um，单位V， “Phase”：正弦电压初相角,单位 度， “Frequency”：正弦电压频率f，单位 Hz， “Sample time”：采样时间 ，单位 s， 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。晶闸管提取路径：SimulinkSimPoweSystenPower Electronics Thyristor 设置“Snubber resistance Rs（ohms）”缓冲电阻Rs=500，“Sn

11、ubber capacitance Cs（F）”：缓冲电容Cs为无穷大inf 其他为默认设置，如右图所示 RLC元件提取路径：SimulinkSimPoweSystenElements Series RLC Branch设置“Resistance (Ohms)”电阻R=1，“Inductance Lon（H）” 电感L=5e-3H，“capacitance（F）”电容为无穷大inf，“measurements”测量选None如右图所示 脉冲信号发生器提取路径：SimulinkSimlinkSourcePulse Generator“Amplitude”：脉冲幅值，“Period(secs)”：

12、周期（秒），“Pulse Width(% of Period”：脉冲宽度（周期的百分数），“Phase delay(secs)”：相位延迟（秒）。 振幅A=3V，周期T=0.02，占空比10%，时相延迟（1/50）x（/360）s，如右图所示， 为移相控制角示波器设置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 。电压电流测量 无需设置直接使用1.2.4 仿真结果设置触发脉冲分别为0、30、60、90、120。其产生的相应波形分别如图所示。在波形图中第一列为脉冲电压Ug波形，第二列为晶闸管两端电压UVT波形

13、，第三列为负载电流id波形，第四列为负载电压ud波形，第五列为电源电压U2 波形。阻感负载 触发角=0阻感负载 触发角=30阻感负载 触发角=60 阻感负载 触发角=90阻感负载 触发角=120将阻感性负载改为电阻性负载，再分别设置触发脉冲为0、30、60、90、120。其产生的相应波形分别如图所示。电阻负载 触发角=0电阻负载 触发角=30电阻负载 触发角=60电阻负载 触发角=90电阻负载 触发角=1202.晶闸管三相桥式整流系统的仿真2.1电路图及工作原理 以=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

14、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 2.2建立仿真模型根据原理图用matalb软件画出正确的仿真电路图，整体模型如下图所示 三相桥式全控整流系统（电阻负载）的仿真模型 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0.05，2.3模型参数简介与设置 交流电压源 三相交流电源通过三个频

15、率为50Hz、幅值为220V、相位两两相差120，A相的设置如右图所示，另外两相设置为B相相位滞后A相120，Phase设置为-120，C相相位超前A相120，Phase设置为120，测量“measurements”三相都要选Voltage，以便使用万用表测量电压 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。“Number of bridge arms”：通用整流桥臂的相数，“Snubber resistance Rs（ohms）”：缓冲电阻Rs（），“Snubber capacitance Cs（F）”：缓冲电容Cs（F），“P

16、ower Electronic device”：电力电子器件的种类，默认晶闸管“Ron(Ohms)”：器件内电阻（），“Lon(H)”：器件内电感（H），“Forward voltage Vf(V)”：整流桥门槛电压(伏）.在测量“Measurements”选“All voltages and currents”（全部电压和电流）以便测量桥臂内晶闸管的电压和电流，其他参数为默认值.如上图所示 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。如右图所示同步6脉冲触发器 输入端alpha_deg为移相控制

17、角给定信号，用常量模块constant输入控制角，输入端AB,BC,CA是同步线电压输入端，输入端Block是触发器的使能端，当此端置0时，则输出脉冲，输出端Pulse是触发脉冲的输出，它是一个6维向量，即6个触发脉冲 “Frequency of synchronisation voltages(Hz)”：同步电压频率（Hz),“Pulse width(degrees)”：脉冲宽度（度） 频率设置为50Hz，脉冲用宽脉冲设置为80，如右图所示万用表 三相桥式全控整流系统仿真模型使用了两个万用表，其中一个万用表的参数如右图所示，选中Isw1和Usw1，点击【】移入右侧的对话框中，分别测量iVT1

18、，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，显示4段波形，分别为负载电压ud，负载电流id，脉冲信号电压Ug，A,B,C三相电压，与万用表连接的示波器，设置Number of axes 为2，显示2段波形，分别为晶闸管VT1的电压和电流，另一个示波器设置Number of axes 为3，显示3段波形，分别为A,B,C三相的电流 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

19、个电压表进行转换，其他电流电压测量无需设置直接使用 RLC R=10，L=0H,C=inf（无穷大）2.4 仿真结果设置触发脉冲=0，负载电压ud，负载电流id，脉冲信号电压Ug，A,B,C三相电压晶闸管VT1的电压和电流通过A,B,C三相的电流设置触发脉冲分别为30、60、90、110，产生的相应波形分别如图所示，第一列为负载电压ud波形，第二列负载电流id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。电阻负载 触发角=30电阻负载 触发角=60电阻负载 触发角=90电阻负载 触发角=1103.降压斩波电路（Buck变换器）3.1可关断晶闸管（GTO）的仿真3.1.1可关断

20、晶闸管模型与晶闸管类似，可关断晶闸管导通条件同传统晶闸管，但是可在门极信号为0的任意时刻关断，可关断晶闸管模型有两个输入端和两个输出端，第一个输入与输出是阳极媏（a）与阴极端（k），第二个输入（g）是门极控制信号端如图，当勾选“Show measurement port”项时便显示第二个输出端（m）如图，这是可关断晶闸管检测输出向量Iak Uak端，可连接仪表检测流经可关断晶闸管的电流（Iak）与正向压降（Uak），可关断晶闸管组件的符号和仿真模型图如图所示。 图 图 可关断晶闸管组件的符号和仿真模型3.1.2可关断晶闸管参数及其设置在模型结构图中，当鼠标双击模型时，则弹出晶闸管参数对话框，如

21、下图所示由图可知，GTO的参数设置与晶闸管参数设置几乎完全相同，只是多了两项“Current 10% fall time Tf(s)”：电流下降时间Tf。“Current tail time Tt(s)”：电流拖尾时间Tt。对于可关断晶闸管GTO模型的电路仿真时，同样宜采用Ode23tb与Oder15s算法。3.2 Buck变换器的仿真3.2.1电路图及工作原理在t=0时刻驱动GTO导通，电源E向负载供电，由于电感L的存在，负载电流i0缓慢上升（电流不能突变），当t=t1时刻，控制GTO关断负载电流经二极管续流，电感L释放电能，负载电流i0下降，至一个周期结束再驱动GTO导通重复上一个周期过程

22、，当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，此时负载电压平均值为 U0=ton*E/（ton+tof）=E 降压斩波电路（阻感负载）原理图3.2.2建立仿真模型根据原理图用matalb软件画出正确的仿真电路图，整体模型如图所示 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0.003。3.2.3模型参数简介与设置 直流电压源“Amplitude”：直流电压幅值，单位V.测量“measurements”选择是否测量电压设置A=100V，“measurements”选None（不测量电压），如右图所示 二极管“Resistanc

23、e Ron(Ohms)”：晶闸管导通电阻Ron（）。“Inductance Lon（H）”：晶闸管元件内电感Lon（H），电感参数与电阻参数不能同时设 为0。“Forward voltage Vf（V）”：晶闸管元件的正向管压降Vf（V）。“Initial current Ic（A）”：初始电流Ic（A）。“Snubber resistance Rs（ohms）”：缓冲电阻Rs（）。“Snubber capacitance Cs（F）”：缓冲电容Cs（F），可对Rs与Cs设置不同的数值以改变或者取消吸收电路。“Show measurement port”为设置是否显示检测端（m）。勾选Show

24、 measurement port其他均为默认设置脉冲信号发生器 可关断晶闸管 振幅A=3V，周期T=0.0001， 所有设置均为默认设置占空比40%，时相延迟0s，如下图所示 RLC元件 示波器 R=50，L=1.48mH,C=inf（无穷大） 设置Number of axes 为4，显示4段波如图所示 形，Ug，iVD ，i0 ，u0，如图所示3.4 仿真结果产生的相应波形分别如图所示。在波形图中第一列为脉冲电压Ug波形，第二列为二极管电流iVD波形，第三列为负载电流i0波形，第四列为负载电压u0波形，4.升压斩波电路（Boost变换器）4.1绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的仿真4.1.1

25、绝缘栅双极型晶体管模型绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是一种栅极信号触发导通的全控型器件。晶闸管模型有两个输入端和两个输出端，第一个输入与输出是集电极（C）与发射极（E），第二个输入（g）是栅极控制信号端如图，当勾选“Show measurement port”项时便显示第二个输出端（m）如图，这是IGBT检测输出向量Iak Uak端，可连接仪表检测流经IGBT的电流（Iak）与正向压降（Uak），IGBT组件的符号和仿真模型图如图所示。 图 图 绝缘栅双极型晶体管的符号和仿真模型4.1.2绝缘栅双极型晶体管参数及其设置在模型结构图中，当鼠标双击模型时，则弹出晶闸管参数对话框，如下图所示由图可知

26、，IGBT的参数设置与普通晶闸管的参数设置几乎完全相同，另有2个参数类似GTO参数设置。 “Current 10% fall time Tf(s)”：电流下降时间Tf。 “Current tail time Tt(s)”：电流拖尾时间Tt。 对于绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模型的电路仿真时，同样宜采用Ode23tb与Oder15s算法。4.2 Boost变换器的仿真4.2.1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IG

27、BT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 升压斩波电路（电阻负载）原理图于稳态时，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4.2.2建立仿真模型 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0.004。4.2.3模型参数简介与设置直流电压源 脉冲信号

28、发生器设置A=100V，“measurements” 设置振幅A=3V，周期T=0.0001，选None（不测量电压），如右图所示 占空比40%，时相延迟0s，如图所示绝缘栅双极型晶体管（IGBT） 二极管勾选“Show measurement port”项 勾选“Show measurement port” 项 其他为默认设置，如图 其他为默认设置，如图RLC元件 示波器R=50,L=0.01H，C=3e-6F，如图 设置Number of axes 为5，显示5段波形，如图4.3仿真结果 产生的相应波形分别如图所示。在波形图中第一列为通过电感的电流i1波形，第二列为负载电流i0波形，第三列

29、为负载电压u0波形，第四列为IGBT电流iV波形，第五列为为脉冲电压Ug波形。5.相位控制的晶闸管单相交流调压器带系统的仿真5.1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=arctan(L/R),负载电压相位滞后于晶闸管输出电压相位，把=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的移相范围为-单相交流调压电路（阻感负载）原理图如右图5.2建立仿真模型根据原理图用matalb软件画出正确的仿真电路图，整体模型如图所示 仿真参数：选择ode23tb算法，将相对误差设

30、置为1e-3 开始仿真时间设置为0，停止仿真时间设置为0.125.3模型参数设置 交流电压源 脉冲信号发生器参数设置为频率50Hz，电压幅值220V， 振幅A=12V，周期T=0.02，“measurements”测量选“Voltage” 占空比30%，时相延迟（1/50）x（/360）其他为默认设置，如图所示。 如图所示 为移相控制角两个脉冲 信号发生器相位相差180晶闸管 RLC元件不勾选“Show measurement port” R=1，H=1e-3H，C=inf其他均为默认设置 万用表 示波器选择Usrc：U1，测量交流电源 设置Number of axes 为5，电压 显示5段波

31、形 5.4 仿真结果设置Pulse1触发脉冲角1分别为30、60、90、120、150，Pulse2触发脉冲角2对应为210、240、270、300、330，产生的相应波形分别如图所示，第一列为晶闸管两端电压uVT波形，第二列脉冲信号Ug波形，第三列负载电流i0波形，第四列电压u0波形，第五列为交流电源U1波形。 阻感负载 触发角=30阻感负载 触发角=60阻感负载 触发角=90 阻感负载 触发角=120阻感负载 触发角=1506.课程设计总结参考文献1王兆安、刘进军.电力电子技术（第五版）.北京：机械工业出版社，2009.2. 黄忠霖、黄京.控制系统MATLAB计算及仿真. 北京：国防工业出版社,2010.3. 林飞、杜欣. 电力电子应用技术的MATLAB仿真.北京：中国电力出版社 2009.4. 忠霖、黄京.电力电子技术的MATLAB实践. 北京：国防工业出版社 2009.5. 黄忠霖.电工学的MATLAB实践. 北京：国防工业出版社 2010.6. 李传琦、盛义发、邹其洪 电力电子技术计算机仿真实验 电子工业出版社2006课程设计成绩评定表成绩评定项 目比例得 分平时成绩（百分制记分）30%业务考核成绩（百分制记分）70%总评成绩（百分制记分）100%评定等级优 良 中 及格 不及格指导教师（签名）：20 年 月 日