电力电子matlaB仿真.docx

1、电力电子matlaB仿真目录摘要 2第一章：绪论 2第二章：MATLAB的介绍 5第三章：整流和逆变电路原理及电路图 9第四章：仿真电路及波形 19第五章：参考文献 23第六章：心得和体会 24摘要：本次课程设计的对象是电力电子技术与交直流电动机的综合应用。综合运用所学知识，提高电力电子电路和系统设计的能力，通过学习和掌握MATLAB仿真软件，提高学生的综合能力。第一章：绪论电力电子课程设计是一门综合运用电子技术、电机学、电力电子技术等课程知识，进行电力电子电路和系统设计的课程，是电气专业的一门重要的专业实践课。21世纪电力电子技术的前景：20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术，21世纪仍将

2、以迅猛的速度发展。以计算机为核心的信息科学将是21世纪起主导作用的科学技术之一，而电力电子技术和运动控制一起，将和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱。电力电子技术的发展史：电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用。因此，电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。电力电子技术的诞生：1957年美国通用电气公司研制出第一个 晶闸管为标志。晶闸管出现前的时期，用于电力变换的电子技术已经存在。1904年出现了电子管，能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开了电子技术之先河。后来出现了水银整流器，其性能和晶闸管很相似。在30年代到50年代，是水银整流器发展迅

3、速并大量应用的时期。它广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。电力电子技术的史前期或黎明期：各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。1947年美国贝尔实验室发明晶体管，引发了电子技术的一场革命。最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管。电力电子技术的应用：一般工业，直流电动机有良好的调速性能，给其供电的可控整流电源或直流斩波电源都是电力电子装置。近年来电力电子变频技术的迅速发展，使交流电机的调速性能可与直流电机媲美，交流调速技术大量应用并占据主导地位。几百W到数千kW的变频调速装置，软起动装置等。电化学工业大量使用直流电源，电

4、解铝、电解食盐水等都电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合。需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源。交通运输：电气化铁道中广泛采用电力电子技术，电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。直流斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术。电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制。飞机、船舶需要很多不同要求的电源，因此航空和

5、航海都离不开电力电子技术。如果把电梯也算做交通运输，那么它也需要电力电子技术。以前的电梯大都采用直流调速系统，而近年来交流变频调速已成为主流。电力系统：电力电子技术在电力系统中有非常广泛的应用。据估计，发达国家在用户最终使用的电能中有60%以上至少经过一次电力电子变流装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中，电力电子技术是关键技术之一。毫不夸张地说，离开电力电子技术，电力系统的现代化是不可想象的。直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置。近年发展起来的柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。无功补偿和谐波抑制对电力系统

6、有重要的意义。晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）都是重要的无功补偿装置。近年来出现的静止无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）等新型电力电子装置具有更为优越的无功功率和谐波补偿的性能。在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行电能质量控制，改善供电质量。在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要电力电子装置。电子装置用电源：各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。大型计算机所需的工作电源、微型计算

7、机内部的电源现在也都采用高频开关电源。在各种电子装置中，以前大量采用线性稳压电源供电，由于高频开关电源体积小、重量轻、效率高，现在已逐渐取代了线性电源。因为各种信息技术装置都需要电力电子装置提供电源，所以可以说信息电子技术离不开电力电子技术。家用电器：照明在家用电器中有十分突出的地位。由于电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，通常被称为“节能灯”，正逐步取代传统的白炽灯和日光灯，变频空调器是家用电器中应用电力电子技术的典型例子之一。电视机、音响设备、家用计算机等电子设备的电源部分也都需要电力电子技术。此外，有些洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。电力电子技术广泛用于

8、家用电器使得它和我们的生活变得十分贴近。其他：不间断电源（UPS）在现代社会中的作用越来越重要，用量也越来越大。目前，UPS在电力电子产品中已占有相当大的份额。航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器中为了人的生存和工作，也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。总之，电力电子技术的应用范围十分广泛。从人类对宇宙和大自然的探索，到国民经济的各个领域，再到我们的衣食住行，到处都能感受到电力电子技术的存在和巨大魅力。这也激发了一代又一代的学者和工程技术人员学习、研究电力电子技术并使其飞速发展。第二章：MATLAB的介绍MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视

9、化以及交互式程序设计的高科技计算环境。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，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。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 matlab开发工作界面接其他编程语言的程序等，主要应用

10、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。其特点有：1)高效的数值计算及符号计算功能,能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来；2)具有完备的图形处理功能,实现计算结果和编程的可视化；3)友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言,使学者易于学习和掌握；4)功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ,为用户提供了大量方便实用的处理工具。优势：（1）友好的工作平台和编程环境。MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器

11、、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。（2）简单易用的程序语言。Matlab一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂

12、的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C语言基础上的，因此语法特征与C语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。（3）强大的科学计算机数据处理能力。MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言

13、，如C和C+ 。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。（4）出色的图形处理功能。MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和

14、表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。（5）应用广泛的模块集合工具箱。MATLAB对许多专门的领域都开

15、发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。（6）实用的程序接口和发布平台。新版本的

16、MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C+数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C+代码。允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C+语言程序。另外，MATLAB网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的MATLAB数学和图形程序。MATLAB的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是MATLAB函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。第三章：整流和逆变电路原理及电路图一. 三相桥式全控整流电路的工作原

17、理共阴极组共阴极组连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共阳极组阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）从结构和基本原理来看，三相桥式全控整流电路的实质是共阴极共阳极组整流电路的串联。1. 带阻感负载时的工作情况a 60时，ud波形连续，工作情况与电阻性负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。区别在于：由于负载不同，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流id波形不同。电感性负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。下面给出三项桥式全控整流电路阻感负载=30时

18、和 =90时的波形。三相桥式全控整流电路带阻感负载=30时的波形 三相桥式全控整流电路带阻感负载 =90时的波形定量分析：当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a 60时）的平均值为： 带电阻负载且a 60 时，整流电压平均值为：输出电流平均值为 ：Id=Ud-R。如电感性负载时电流为矩形波，设其幅值为Id，流过晶闸管的电流有效值：晶闸管的电流额定值：晶闸管所承受的最大正反相电压是线电压的峰值：当整流变压器为星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形为正负半周各宽120 、前沿相差180 的矩形波，其有效值为：三相桥式全控整流电路接反电势阻感负载时，在负载电感足够大足以使负载电流

19、连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同，仅在计算Id时有所不同，接反电势阻感负载时的Id为：式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。三相桥式全控整流电路的特点（1）2管同时导通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。（2）对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60，共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120，同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。（3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波

20、形都一样，故该电路为6脉波整流电路。二、三项桥式逆变电路原理： 三相桥式逆变电路电路图逆变PWM波形U相的控制规律 当urUuc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN=Ud/2，当urUuc时，给V4导通信号，给V1关断信号，uUN=-Ud/2当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通，uUN、uVN和uWN的PWM波形只有Ud/2两种电平。uUV波形可由uUN-uVN得出，当1和6通时，uUV=Ud，当3和4通时，uUVUd，当1和3或4和6通时，uUV=0，输出线电压PWM波由Ud和0三种电平构成，负载相电压PWM波由(2/3)Ud、(1/3)U

21、d和0共5种电平组成，防直通死区时间，同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间，死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定，死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。三、PWM逆变电路及其控制方法：PWM介绍：PWM（Pulse Width Modulation）控制脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。 PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。 理论基础：冲量相

22、等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。形状不同而冲量相同的各种窄脉冲面积等效原理：分别将如图1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图2a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图2b所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所

23、不同。冲量相同的各种窄脉冲的响应波形用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。 SPWM波形脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。用PWM波代替正弦半波要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。 PWM电流波：电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。 PWM波形可等效的各种波形： 直流斩波电路：等效直流波形。SPWM波：等效正弦波形，还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同

24、，也基于等效面积原理。SPWM法 ：调制的方法,其有两种基本算法,即自然采样法和规则采样法.自然采样法 ：以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较,在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断,这就是自然采样法.其优点是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波与正弦波交点有任意性,脉冲中心在一个周期内不等距,从而脉宽表达式是一个超越方程,计算繁琐,难以实时控制. 规则采样法 ：规则采样法是一种应用较广的工程实用方法,一般采用三角波作为载波.其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波,再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断,从而实现SPWM法.当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦波

25、进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(即采样周期)内的位置是对称的,这种方法称为对称规则采样.当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(此时为采样周期的两倍)内的位置一般并不对称,这种方法称为非对称规则采样。规则采样法是对自然采样法的改进,其主要优点就是是计算简单,便于在线实时运算,其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦.其缺点是直流电压利用率较低,线性控制范围较小。以上两种方法均只适用于同步调制方式中。梯形波与三角波比较法 ：前面所介绍的各种方法主要是以输出波形尽量接近正弦波为目的,从而忽视了直流电压的利

26、用率,如SPWM法,其直流电压利用率仅为86.6%。因此,为了提高直流电压利用率,提出了一种新的方法-梯形波与三角波比较法.该方法是采用梯形波作为调制信号,三角波为载波,且使两波幅值相等,以两波的交点时刻控制开关器件的通断实现PWM控制。由于当梯形波幅值和三角波幅值相等时,其所含的基波分量幅值已超过了三角波幅值,从而可以有效地提高直流电压利用率。但由于梯形波本身含有低次谐波,所以输出波形中含有5次,7次等低次谐波。线电压控制PWM。前面所介绍的各种PWM控制方法用于三相逆变电路时,都是对三相输出相电压分别进行控制的,使其输出接近正弦波,但是,对于像三相异步电动机这样的三相无中线对称负载,逆变器

27、输出不必追求相电压接近正弦,而可着眼于使线电压趋于正弦.因此,提出了线电压控制PWM,主要有以下两种方法。滞环比较法：这是一种带反馈的PWM控制方式,即每相电流反馈回来与电流给定值经滞环比较器,得出相应桥臂开关器件的开关状态,使得实际电流跟踪给定电流的变化.该方法的优点是电路简单,动态性能好,输出电压不含特定频率的谐波分量.其缺点是开关频率不固定造成较为严重的噪音,和其他方法相比,在同一开关频率下输出电流中所含的谐波较多。 三角波比较法 ：该方法与SPWM法中的三角波比较方式不同,这里是把指令电流与实际输出电流进行比较,求出偏差电流,通过放大器放大后再和三角波进行比较,产生PWM波.此时开关频

28、率一定,因而克服了滞环比较法频率不固定的缺点。四、直流电动机和交流电动机的原理：、直流电动机的工作原理：电动机是将电能转换为机械能，如下图所示 ，若给AX加直流电，则通过导体在磁场中受力，电机开始旋转。通过电刷和换向片，导体中的电流方向将随所处位置磁极极性的改变而改变。从而使导体所受的电磁力矩始终保持不变，使电动机持续旋转。、异步电动机的工作原理：转子感应电流与磁场相互作用将产生电磁力和电磁转矩，由右手定则可知，电磁转矩与旋转方向相同，所以与转子转向相同，电磁转矩为驱动转矩在转子槽中铸铝或插入铜条，两端将导条焊接在端环上组成异步电机笼型转子。笼型感应电机结构简单，制造方便，是一种经济耐用的电机

29、。五、直流交流调速：1、直流电动机的调速，在电机的机械负载不变的条件下改变电动机的转速叫做调速。由直流电机转速公式：可知，直流电机调速方法有：1、电枢回路串电阻调速；2、调节电枢端电压调速；3、调节励磁电流调速。2、异步电动机的调速， 主要讲变频调速。PWM变频器：如图所示为PWM变频器得主电路。它主要由三部分构成，整流器，虚波，逆变器和控制电路。与主开关元件反向并联的二极管，其作用是提供感性负载无功功率的通路。控制电路用来控制逆变器各开关元件的开关状态，使逆变器输出正负交变的三相脉调制电压波。如图所示，表示A相电压的脉宽调制波及其基波Ua，改变控制电路的参考信号波Ur的大小，就可以改变调制后

30、脉冲的宽度，从而改变Ua的大小。第四章：仿真电路及波形 一、在MATLAB软件中仿真直流电机的调速。在MATLAB仿真中直流电机调速的接线图（取 =0）六脉冲的脉冲波形整流的电压波形直流电机的（转矩，转速，电流）特性二、在MATLAB软件中仿真交流电机的调速。在MATLAB仿真中直流电机调速的接线图交流电机的转矩特性 A相相电压PWM逆变波形电流波形第五章：参考文献1王兆安，刘进军等，电力电子技术，第五版，机械工业出版社。2汤蕴璆，罗应立，梁艳萍等，电机学，第三版，机械工业出版社。3 MATLAB的应用。第六章：心得和体会曾经在马克思哲学原理里学到：实践需要理论的支持，而理论需要实践的验证。

31、此次电力电子技术课程设计，让我理解和掌握了很多理论知识，更明白了实践的重要性。即使课本知识掌握的很好，如果不会综合运用，也是一些支离破碎的无用的知识，而如果能够运用而实际动手能力很差，理论与实践结合不起来，学得再好也没用。这次课程设计恰好是将课本知识与的巩固与综合运用结合起来，再加上实际动手能力的培养三者结合起来的。一方面，它加深与巩固了所学的各章节的理论，并将其综合运用，提高了我们综合运用知识的能力；另一方面，培养了我们对专业知识学习的趣。让我对电力电子这门课有了更深的了解，使我明白如何把理论知识运用起来.，同时我也学会了如何运用MATLAB这个软件，使我对这个软件也有了一些的了解。在写报告

32、的过程中我还增强了运用Intrnet 查找资料的能力。我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。尽管这次作业的时间是漫长的,过程是曲折的,但我的收获还是很大的。不仅仅掌握了三相整流电路、三相桥式逆变电路和PWM控制单路的设计步骤与方法，还对 MATLAB这些软件有了很大的了解。对我来说,收获最大的是方法和能力。那些分析和解决问题的方法与能力。在整个过程中,我发现像我们这些学生最最缺少的就是经验,没有感性的认识,空有理论知识,有些东西很可能与实际脱节。所以就需要加强实践。通过这次课程设计，我受益匪浅，在设计的过程中，特别感谢指导老师和同学对我的帮助。再接再厉，明天会更