MATLAB软件应用及仿真.pdf

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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

2、的设计说明书（附上本次设计心得体会）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。

3、以上 5 个题目的仿真过程中皆需包含具体电路形式，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

4、渊深.电力电子技术与 MATLAB 仿真.北京：中国电力出版社,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1 1.1 晶闸管的仿真1 1.1.1 晶闸管模型1 1.1.2 晶闸管参数及其设置1 1.2 单相半波可控整流电路的仿真2 1.2.1 电路图及工作原理2 1.2.2 建立仿真模型2 1.2.3 模型参数简介与设置3 1.2.4 仿真结果5 2.晶闸管三相桥式整流系统的仿真9 2.1 电

5、路图及工作原理9 2.2 建立仿真模型9 2.3 模型参数简介与设置10 2.4 仿真结果12 3.降压斩波电路（Buck 变换器）14 3.1 可关断晶闸管（GTO）的仿真14 3.1.1 可关断晶闸管模型14 3.1.2 可关断晶闸管参数及其设置14 3.2 Buck 变换器的仿真15 3.2.1 电路图及工作原理15 3.2.2 建立仿真模型15 3.2.3 模型参数简介与设置16 3.4 仿真结果17 4.升压斩波电路（Boost 变换器）18 4.1 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的仿真18 4.1.1 绝缘栅双极型晶体管模型18 4.1.2 绝缘栅双极型晶体管参数及其设置18 4.

6、2 Boost 变换器的仿真19 4.2.1 电路图及工作原理19 4.2.2 建立仿真模型19 4.2.3 模型参数简介与设置19 4.3 仿真结果20 5.相位控制的晶闸管单相交流调压器带系统的仿真21 5.1 电路图及工作原理21 5.2 建立仿真模型21 5.3 模型参数设置21 5.4 仿真结果22 6.课程设计总结24 参考文献25 1 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

7、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 2“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

8、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）。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

9、1u2uVTTududiTrULUR 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 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

10、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 3 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”

11、：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。4 晶闸管 提取路径：SimulinkSimPoweSystenPower Electronics Thyristor 设置“Snubber resistance Rs（ohms）”缓冲电阻 Rs=500，“Snubber 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

12、 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)”：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/

13、50）x（/360）s，如右图所示，为移相控制角 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。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，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 6 阻感负载 触发角=60 阻感负载 触发

14、角=90 阻感负载 触发角=120 7 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 8 电阻负载 触发角=60 电阻负载 触发角=90 电阻负载 触发角=120 9 2.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

15、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 1 0 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率为50Hz、幅值为 220V、相位两两相差120，A 相的设置如右图所示，

16、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），“Power Electronic device

17、”：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 1 1 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 为移相控制角给定信号，用常量

18、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，uV

19、T1 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

20、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 1 2 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 1 3 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

21、电阻负载 触发角=110 1 4 3.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

22、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。1 5 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

23、 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，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。1 6 3.2.3 模型

24、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“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（ohm

25、s）”：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 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 1 7 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，i

26、VD ，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，1 8 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 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

27、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，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（IG

28、BT）模型的电路仿真时，同样宜采用 Ode23tb 与 Oder15s算法。1 9 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 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

29、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%，

30、时相延迟 0s，如图所示 2 0 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。2 1 5.相位控制的晶闸

31、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

32、2 5.3 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 2 2 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 段波形 5.4 仿真结果 设

33、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 2 3 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=150 2 4 6.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 2 5 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