MATLAB在电力电子技术中的应用.docx

1、MATLAB在电力电子技术中的应用MATLAB在电力电子技术中的应用摘 要20世纪60年代发展起来的电力电子技术，使电能可以交换和控制，产生了现代各种高效节能的新型电源和交直流调速装置，为工业生产，交通运输，楼宇办公家庭自动化提供了现代化的高新技术，提高了生产效率和人们的生活质量，使人类社会生产生活发生了巨大变化。电力电子技术和电力拖动控制系统组合了电子电路电机拖动自动控制理论微机原理和应用等多学科知识，由于电力电子器件自身的非关联性，给电力电子电路和系统的分析了一定的复杂性和困难，一般常用波形分析和分段线性化处理的方法来研究电力电子电路。现代计算机仿真技术为电力电子电路和系统的分析提供了崭新

2、的方法，可以使复杂的电力电子电路系统的分析和设计变得更加容易和有效。MATLAB软件是由美国Math Works公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算软件系统被誉为“巨人肩上的工具”MATLAB早期主要用于控制系统的仿真，经过不断扩展已经成为包含通信电气工程优化控制等诸多领域的科学计算软件，可以用于电力电子电路和电力拖动控制系统的仿真。因此本课题在MATLAB的基础上进行电力电子变流电路的仿真，运用现代仿真技术研究和比较各种电力电子变流电路。关键词：MATLAB,电力电子技术,仿真MATLAB in power electronics applicationAbstractIn the 1

3、960s developed the power electronics. enabled the electrical energy to be possible to exchange and to control, has produced the modern each kind of highly effective energy conservation new power source and the alternating and direct speeder, was the industrial production, the transportation, the bui

4、lding work household automation has provided the modernized high technology and new technology, raised the production efficiency and peoples quality of life, caused the human society to produce the life to have the immense changes.The power electronics and the electric drive control system combined

5、the electronic circuit electrical machinery dragging automatic control theory microcomputer principle and the application and so on multi-disciplinary knowledge, as a result of power electronics device own non-relatedness, for the power electronics circuit and systems analysis certain complexity and

6、 the difficulty, generally the commonly used waveform analysis and the partition linearization processing method studied the power electronics circuit. The modern computer simulation technology has provided the brand-new method for the power electronics circuit and systems analysis, may cause the co

7、mplex power electronics circuit systems analysis and the design becomes is easier and is effective.The MATLAB is Corporation promotes by American Math Works uses in the numerical calculus and the graphic processing science computation software system is honored as “on the giant shoulders tool” the M

8、ATLAB early time mainly to use in control systems simulation, passed through expands unceasingly already became contains the correspondence electrical engineering optimization control and so on many domains the science computation software, might use in the power electronics circuit and the electric

9、 drive control systems simulation.This topic carries on the power electronics electron variable current electric circuits simulation in the MATLAB foundation, studies and compares each kind of power electronics electron variable current electric circuit using the modern emulation technique.Key words

10、: matlab, power electronics, simulation1绪论1.1关于MATLAB软件作为当今世界最流行的第四代计算机语言，MATLAB软件语言系统，由于它在科学计算，网络控制，系统建模与仿真，数据分析，自动控制，图形图像处理航天航空，生物医学，物理学，通信系统，DSP处理系统，财务，电子商务，等不同领域的广泛应用以及它自身所具备的独特优势，目前MATLAB已备受许多科研领域的青睐与关注。1.1.1 MATLAB软件是什么MATLAB软件是由美国公司MATH WORKS公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算系统。MATLAB的英文是MATRIX LABORATORY

11、(矩阵实验室)的缩写，被誉为“巨人肩膀上的工具”。由于使用MATLAB编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式一直，所以不像学习其他高级语言那样难于掌握，用MATLAB编写程序有如在演算纸上排列出公式与求解问题。在这个环境下对所要求解的问题，用户只需要简单的列出数学表达式，其结果便以数值或者图形方式显示出来。最早开发MATLAB软件的目的就是帮助学校的老师和学生更好的授课和学习。从MATLAB诞生开始，由于其高度的继承性和应用的方便性，在高校中得到了广泛的应用与推广。由于它能非常快的实现科研人员的设想，极大的节约了科研人员的时间，受到了大多科研人员的重视与青睐。它可以很方便地设计出漂亮的界面，

12、例如它像VB一样可以设计出漂亮的用户接口，同时因为它还具有最丰富的函数库，极易实现计算功能。另外MATLAB和其他高级语言也具有良好的接口，可以很方便地与其他语言实现混合编程，这都进一步拓宽了它的应用范围和使用领域。在美国的一些大学里，MATLAB软件正成为对数值，线性代数以及其他一些高等应用数学课程的辅助教学的有力工具；在工程技术界，MATLAB也被用来构建与分析一些实际课程的数学模型，其典型的应用包括数值计算，算法预测与验证，以及一些特殊矩阵的计算应用，如自动控制理论，统计，数字信号处理，图像处理，系统辨识和神经网络等。它包括了被称为工具箱的各类应用问题的解求工具。工具箱实际上是对MATL

13、AB软件进行扩展应用的一系列MATLAB函数，它可以用来求解许多科学门类数据处理与分析问题1.1.2 MATLAB软件的特点和基本操作窗口在MATLAB环境下用户可以方便的进行程序设计，数值计算。图形绘制，输入输出，文件管理等各项操作。MATLAB提供了一个人机交互的数学系统环境，该系统的基本数据是矩阵，在生成矩阵对象时不要求做明确的维数说明。与利用C语言和FORTRAN语言作数值计算的程序设计相比利用MATLAB软件可以大量节省编程时间。它具有以下特色：强大的数值和符号计算功能，计算功能强大，符号数值的各种形式和规模的计算都能完成，强大的矩阵运算能力以及稀疏矩阵的处理能力可以解决大型文体。M

14、ATLAB的数值计算功能包括矩阵运算，多项式和有理分式计算，数据系统分析，数值积分，优化处理等。简单易学的语言。MATLAB除了命令行的交互式操作以外，还可以程序方式工作，使用MATLAB可以很容易的实现C或FORTRAN语言的全部功能，包括WINDOWS图形用户界面的设计，并且编程语言简单易学。MATLAB程序可扩展性强，用户可编辑自己的工具箱。强大的图形功能。MATLAB提供了两个层次的图形命令语句：一种是对图形进行低级通行出的命令语句；另一种是建立在低级图形命令之上的高级图形命令。利用MATLAB的高级图形命令可以轻易地绘制二维，三维乃至四维图形，可以进行图形和坐标的表示，视角和光照设计

15、，色彩精细控制等等。独具特色的应用工具箱。MATLAB应用工具箱分为基本工具箱，通用工具箱，专业工具箱。基本工具箱中有数百个内部函数，是其最核心的部分。通用工具箱主要用来扩充其符号计算功能，可视建模仿真功能及文字处理功能等。专业工具箱的专业性比较强，如控制系统电力系统，信号处理，神经网络，最优化，金融等工具箱，用户可以直接利用这些工具箱进行相关领域的科学研究。MATLAB软件的常用窗口简介。命令窗口（COMMAND WINDOWS）命令窗口是MATLAB软件最基本的窗口。缺省情况下位于MATLAB桌面的右侧。该窗口时运行各种MATLAB命令的最主要窗口。在该窗口内，可以以键入各种MATLAB命

16、令，函数，表达式，并显示除图形形式外的运算结果。历史命令窗口（COMMAND HISTORY）。历史命令窗口位于MATLAB操作桌面的左下侧。历史命令窗口记录用户在MATLAB命令窗口输入过的所有命令行。历史命令窗口可以用于单行或者多行命令的复制和运行，生成M文件等。使用方法如下。左键选中单行或者多行命令，鼠标右键激活菜单单项，菜单单项中包括COPY,EVALUATE SELECTION和CREATE M FILE命令语句，以及删除等命令。历史命令窗口也可以切换成独立窗口和嵌入窗口。工作空间浏览器（WORKSPACE BROWSER）在缺省的情况下，当前目录浏览器位于MATLAB桌面的左上方前

17、台，工作空间浏览器中可以查阅保存编辑内存或删除内存变量。选中变量，单击右键打开菜单项。菜单中OPEN命令可以在ARRAY EDITOR中打开变量。GRAPH命令可以选择适当的图形命令使变量可视化。当前目录浏览器（CURRENT DIRECTORY BROWSER）缺省情况下，位于MATALB这么多左上方前台。点击CURRENT DIRECTORY即可在前台看到。选中文件可以完成打开或者运行M文件，装载数据文件等操作。内存组数据编辑器（ARRAY EDTIOR）利用内存组数据编辑器，可以输入大数组。首先在命令窗口创建新变量。然后在工作空间浏览器中双击该变量，在数据组编辑器中打开变量。在NUMER

18、IC FORMAT中选择适当的数据类型，在SIZE中输入行数，即可得到一个大规模数据组。修改数组元素之，可以得到所需数组。这对于要将变量数据调出来，用其他软件绘制图形时特别有用。M文件编辑器/调试器（EDITOR/DEBUGGER）对于简单的或一次性的问题，可以通过在命令窗口直接输入一组命令行去求解。当所需命令行较多或者需要重复使用一段命令时，就要用到M脚本编程。点击MATALB的下拉菜单项file点击NEW点击M-FILE,可以创建一个M文件；点击MATALB的下拉菜单项FILE,点击OPEN，则可以打开一个M文件。交互界面分类目录窗口（LAUNCH PAD）可以通过点击MATALB中菜单项

19、VIEW，点击LAUNCH PAD,打开交互界面分类目录窗口。该窗口可以展开的树状结构显示MATALB提供的所有交互界面，包括帮助界面，演示界面和各种应用交互界面。通过双击树结构上的分类图标，即可得到相应的交互界面。帮助导航/浏览器（HELP NAVIGATOR/BROWSER）详尽展示又超文本写成的有关MATALB的在线帮助。1.1.3 MATLAB软件的基本操作方法(1).文件管理方法例如MATLAB软件安装在X: MATLAB下，每次启动MATLAB时该目录始终有效，因此要打开某个MATLAB文件，计算机都会从该默认的路径去查找文件，当然这个默认的路径可以不是当前操作的路径，为了方便最好

20、把默认路径重新设置到需要的路径上去。(2).灵活使用帮助系统MATLAB的所有执行命令，函数的M文件都有一个注释区。该区域中纯文本形式简要的叙述该函数的调用格式和输入输入量含义。在命令窗口中运行help命令可以获得不同范围的帮助。(3).基本绘图方法介绍MATLAB提供了丰富的绘图功能。在命令窗口中键入help graph2d,便可以得到所有绘制二维图形的命令语句；在命令窗口输入 help graph3d便可以得到所有绘制三维图形的命令。(4).资料的储存与载入方法MATLAB储存变量的基本命令时SAVE，如果不加任何选项时，SAVE会将变量与二进制的方式储存至后缀名为MAT的档案，（如*.M

21、AT）：SAVE：该命令将当前工作空间中所有变量储存到名为MATLAB.MAT的二进制档案。SAVE D:FLIENAME： 该命令将当前空间所有变量储存到d盘名为FILENAME.MAT的二进制档案。SAVE D:FILENAME X Y Z：该命令将当前工作空间中的X,Y,Z储存到D盘名为FILENAME.MAT的二进制档案。(6).一些注意事项：MATLAB可同时执行数个命令语句，只需要以逗号或者分号将各个命令隔开。若要输入矩阵，必须在同一行结尾加上分毫“；”。若要检查当前工作共建的变量个数，可以键入WHO。若要知道变量的详细资料可以键入“WHOS”。使用CLEAR可以删除工作空间的所用

22、变量。使用CLC可以删除命令窗口中所有变量。使用CLF可以清除图形窗口中的图形。在英文输入状态下输入这些命令以免出错。另外，MATLAB有些永久常数，虽然在工作空间中看不到，但使用者可以直接取用，例如pi=3.1416；I或者j为基本虚数单位，eps为系统浮点计算相对精度；inf为无限大，如1/0；nan为非数值，如0/0。(7).一些重要的系统命令如下表：命令含义命令含义Help在线帮助ceho命令回显Helpwin在线帮助窗口Cd改变当前的工作目录Helpdesk在线帮助工作台Pwd显示当前工作目录Demo运行演示程序Dir指定目录的文件清单Ver版本信息Unix执行unix命令readm

23、e显示readme文件Dos执行dos命令Who显示当前变量!执行操作系统命令Whos显示当前变量详细信息computer显示计算机类型Clear清除内存变量What显示指定MATLAB文件Pack整理工作间的内存Lookfor在HELP里搜索关键字Load把文件变量调入工作空间Which定位函数文件Save把变量存入文件中Pach获取或设置所搜目录Quit/exit退出MATLABClc清空命令窗口中的内容Clf清理图形窗口Open打开文件Md创建目录More使显示内容分页显示Edit打开M文件编辑器Type显示M文件的内容whick指出文件坐在目录表1-1 重要的MATLAB的系统命令1.

24、2电力电子技术电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。现已成为现代电气 工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。电力电子技术的重要作用(1) 优化电能使用。通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效和节约，实现了电能使用最佳化。例如，在节电方面，针对风机水

25、泵、电力牵引、轧机冶炼、轻工造纸、工业窑炉、感应加热、电焊、化工、电解等14个方面的调查，潜在节电总量相当于1990年全国发电量的16%，所以推广应用电力电子技术是节能的一项战略措施，一般节能效果可达10%-40%，我国已将许多装置列入节能的推广应用项目。(2) 改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。据发达国家预测，今后将有95%的电能要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用的各种机电设备中，有95%与电力电子产业有关，特别是，电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口，它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件，成为发挥计算机作用的保证和基础。(3) 电力电子

26、技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传统，向高频化方向发展。实现最佳工作效率，将使机电设备的体积减小几倍、几十倍，响应速度达到高速化，并能适应任何基准信号，实现无噪音且具有全新的功能和用途。(4) 电力电子智能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技术与电力电子技术一体化，其发展有可能引起电子技术的重大改革。有人甚至提出，电子学的下一项革命将发生在以工业设备和电网为对象的电子技术应用领域，电力电子技术将把人们带到第二次电子革命的边缘。1.3MATLAB和电力电子技术电力电子技术是一门实践性较强的专业科学知识，基于MATLAB的虚拟实验的设计思想,开发出相应的仿真平

27、台，既可用于模拟实验改善实验条件，又可以成为自学的辅助工具。基于silmulink模块库，可以对电力系统的发电输电和用电三个方面进行建模与仿真，可以研究电力系统的安全和稳定运行，可以研究电动机的变频调速系统。1.4 本文完成的主要内容本文阐述了MATLAB在电力电子技术上的应用，给出了矢量控制的基本方程。介绍了MATLAB软件的基本用法，以及MATLAB软件在电力电子技术上的应用上的方法。 最后，在MATLAB的基础上进行电力电子变流电路的仿真，运用现代仿真技术研究和比较各种电力电子变流电路。采用MATLAB对电力电子变流电路进行仿真研究，建立仿真模型提取电路元器件模块，将电路元器件按原理图连

28、接起来组成仿真电路，设置模型参数，模型进行仿真。对各种电力电子变流电路进行研究比较。2 MATLAB软件在电路中的应用2.1基本电气元件介绍MATLAB软件中SIMPOWERSYSTEMS里的典型元件库，如电阻，电容，电感，变压器，开关器件等基本器件的调用方法；重要电路的建模方法，分析技巧与设计技术。2.1.1基本电气元件简介对于一个简单电路而言，要确保它正常工作，需要包括以下集中或者全部元器件，如电源，电阻器，电容器，电感器，晶体二极管，晶体三极管等基本器件。（1）电阻器简介电阻器在电路中用R表示，如R7表示编号为7的电阻器。电阻在电气中的主要作用为分流，限流，分压，偏置等。衡量电阻器的两个

29、基本参数是阻值和功率。阻值用来表示电阻器对电流阻碍作用的大小，用表示。除了基本单位外，还有K（千欧），M（兆欧）。功率用来表示电阻所能承受的最大电流，用W表示。（2）电容器简介电容器在电路中一般用“C”加数字表示（如C18表示编号18的电容器）。电容器是有两片金属膜紧靠，中间用绝缘材料隔开而组成的元件。电容器的特性主要是隔直流通交流。电容器的大小就是表示它能贮存电能的大小，电容器对交流信号的阻碍作用称为容抗；它与交流信号的频率和电容量有关。容抗X=1/(2fC)，f表示交流信号的频率，C表示电容容量。电容的基本单位用F表示，其他单位还有mF（毫法），F（微法），nF（纳法），pF（皮法）。（3

30、）晶体二极管简介晶体二极管在电路中常用“VD”加数字表示，如VD3表示编号为3的二极管。二极管的主要特性就是单向导电性，也就是在正向电压的作用下，导通电阻很小；而在反向电压作用下导通电阻极大或者无穷大。正因为二极管具有上述特性，常把它作用在整流，开关，隔离，稳压，极性保护。编码控制，调频调制，静噪等功能电路中。因此二极管按作用可以分为整流二极管，续流二极管，开关二极管，稳压二极管和限幅二极管等。（4）晶体三极管简介晶体三极管在电路中常用VT加数字表示，如VT3表示编号为3的三极管。三极管内部还有2个PN结，并且具有放大作用和开关作用。它有三个极，分别为b（基极）c（集电极）e（发射极）。它分为

31、NPN和PNP两种类型。发射极上的箭头表示通过三极管的电流方向，两类三极管中的电流方向是相反的。这两种类型的三极管从工作特性上可以互相弥补，所谓OTL电路中的对管就是有PNP和NPN型配对而成。 （5）MOS场效应晶体管简介MOS场效应晶体管即金属-氧化物-半导体型场效应管，属于绝缘栅型。其主要特点是金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝缘层，因此具有很好的输入电阻。它分N沟道和P沟道，通常是将衬底与源极S接在一起。根据导电方式的不同MOS场效应晶体管又分为增强型和耗尽型。增强型是只电压等于0时管子呈截止状态，加上正确的电压后，多数载流子被吸引到栅极，从而增强了该区域的载流子形成导电沟道；所谓耗尽

32、型是指，电压等于0时，形成沟道，加上正确电压后，能使多数载流子流出沟道，因而耗尽了载流子，使管子转向截留状态。（6）电感线圈，和电容器一样，也是一种储能元件。电感线圈能把电能转变为磁场能，并在磁场中储存能量。电抗器用符号L表示，其电极的基本单位是H（亨利），常用的有Mh和H，它通常和电容器一起工作，构成LC滤波器，LC振荡器等。人们还利用电感的特性，制造了阻流圈，变压器，继电器等。（7）变压器简介变压器是变换交流电压，电流和阻抗的器件，当初级绕组中通有交流电时，铁心中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压。变压器由铁心和绕组组成，绕组有两个或以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级绕组，其余绕组叫次级绕组。按电源相数来分，变压器单相，三相和多相集中形式。2.1.2如何调用基