基于Matlab的直流交流变换器建模与仿真毕业设计.docx

基于Matlab的直流交流变换器建模与仿真毕业设计.docx

《基于Matlab的直流交流变换器建模与仿真毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于Matlab的直流交流变换器建模与仿真毕业设计.docx（58页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

基于Matlab的直流交流变换器建模与仿真毕业设计

毕业论文（设计）说明书

课题名称：

基于Matlab的直流-交流变换器建模与仿真

学生姓名：

学号：

学院：

机械电气工程学院

专业、年级：

电气工程及其自动化

指导教师：

职称：

毕业论文（设计）起止时间：

2011.03-2011.06

毕业论文\设计说明书

中文摘要

直流-交流（DC-AC）变换电路，又称为逆变器（inverter）,能够将直流电能转换为交流电能。

逆变电路可做多种种类，按功率器件可分为半控器件逆变电路和全控器件逆变电路。

前者采用晶闸管器件，负载按换流或者外接电路强制换流，正逐渐被采用GTO、IGBT等器件的全控器件逆变器所代替。

按输出波形，可分为方波逆变器、正弦波逆变器等。

按直流电源形式可分为电压源逆变器（VoltageSourceInverter,VSI）和电流源逆变器（CurrentSourceInverter）。

前者采用电容元件为直流源进行电能储存，电源电压脉动以及电源阻抗小，特性类似电压源，而后者采用电感元件为直流源提供磁场储能，电源电流脉动小，电源阻抗大，呈现电流源特性。

按电路结构可分为桥式逆变器，非桥式逆变器和组合式逆变电路等。

按输出相数可分为单相逆变器、三相逆变器和多相逆变器。

按开关器件工作状态可分为硬开关和软开关电压源逆变器。

本毕业论文主要对电路结构及输出相数进行逆变器的分析说明。

逆变器已经在工业、交通、能源、航空航天等领域得到广泛应用，例如变频调速装置、电解电镀电源、感应加热电源、UPS、焊接电源等。

MATLAB是一种科学计算软件，它是一种以矩阵为基础的交互式程序计算语言。

SIMULINK是基于框图的仿真平台，它挂接在MATLAB环境上，以MATLAB的强大计算功能为基础，以直观的模块框图进行仿真和计算。

本文主要以MATLAB/SIMULINK仿真软件为基础，完成了对单相桥式全控整流及有源逆变电路、三相半波整流及有源逆变电路、三相桥式整流及有源逆变电路、正弦波脉宽调制逆变器及滞环控制三相电流跟踪型逆变器的仿真并且给出了仿真结果波形，同时根据仿真结果进行了分析和计算。

证实了该方法的简便直观、高效快捷和真实准确性。

关键词：

Matlab/Simulink；建模；仿真；变流电路；逆变电路

ABSTRACT

DC-exchange（DC-AC）transformcircuit,alsocalledinverter（inverter）,abletoDCforcommunicationcanconvertelectricity.Invertercircuitscandomanykinds,pressthepowerdevicescanbedividedintohalfemptydeviceinvertercircuitsandallcontroldeviceinvertercircuits.Theformerusingthyristordevices,loadflowchangingoranexternalcircuitbycompulsorycommutation,graduallybyusingGTO,IGBTinverterwithallthecontroldeviceisreplaced.Accordingtotheoutputwaveform,canbedividedintosquare-waveinverter,sine-waveinversion,etc.AccordingtothedcpowerformscanbedividedintoVoltageSourceInverter（Inverter,byVSI）returnedandSourceCurrentInverter（Inverter）isreturned.Theformeradoptscapacitancecomponentsfordcsourcevoltagerippleenergystorage,andpowerimpedancesmall,similarcharacteristics,andthelattervoltagesourcesfordcsourcesusinginductivecomponentsprovidefieldenergy,powercurrentpulsesmall,powerimpedanceisbig,presentsacurrentsourcecharacteristics.Accordingtothecircuitstructurecanbedividedintobridgetypeinverter,thebridgetypeinverterandcombined-typeinvertercircuits,etc.Fewcanbedividedaccordingtotheoutputphasesingle-phaseinverter,three-phaseinverterandmultiphaseinverter.Pressswitchdevicesworkingstatecanbedividedintohardswitchingandsoftswitchingvoltagesourceinverter.

Inverterhasbeeninindustrial,transportation,energy,aerospaceandotherareastobewidelyapplied,suchasvariablefrequencyvariablespeeddevice,electrolyticelectroplatingpowersupply,inductionheatingpowersupply,UPS,weldingpowersource,etc.

MATLABisasoftwareforscientificcomputation,whichisamatrix-basedinteractivelanguageforprogrammingandcalculating.SIMULINKisasimulationplatformbasedonblockdiagram,whicharticulatesintheMATLABenvironmentandisbasedonthepowerfulcomputingcapabilities.SIMULINKcompletesthesimulationandcalculationusingtheintuitionistblockdiagram.

Thispapermainlyintroducesthemodelingandsimulatingoftherectifiercircuit,Single-phasefull-bridgeinvertercircuitcontrolledrectifierandactivet,Three-phasehalf-waverectifierandactiveinverter,Three-phasebridgerectifier,andactiveinverter,Sinusoidalpulsewidthmodulationinverter,Three-phasehysteresiscurrenttrackingcontrolinverterbasedonMATLAB/SIMULINKsimulationsoftware,andthewavesofsimulatingresultandtheanalogandcalculationofthewavesisdiscussed,whichallshowthesimplicity,intuition,efficiency,quickness,andtheaccuracyofthismethod.

Keywords:

Matlab/Simulink;Modeling;SimulationRectifiercircuit;Modeling;simulation;rectifiercircuit;activeinverter;

第1章前言

1.1MATLAB/SIMULINK仿真的目的与意义

在电力电子电路如变流装置的设计过程中，需要对设计出来的初步方案（电路）及有关元件参数选择是否合理，效果如何进行验证。

如果通过实验来检验，就要将设计的系统用元件安装出来再进行调试和试验，不能满足要求时，要更换元件甚至要重新设计、安装、调试，往往要反复多次才能得到满意的结果。

这样将耗费大量的人力和物力，且使设计效率低下、耗资大、周期长。

采用计算机进行仿真试验，则可大大地节约开支，提高设计效率，缩短设计周期。

但是用其它计算机高级语言（如C语言，BASIC语言或仿真语言）编程实现，对电力变流电路来说，由于大功率开关器件开关转换电流换相动态过程十分复杂，过渡过程一个接一个，一个未完，新的一个又开始了要分析输出电压、电流（带感性负载时）波形，特别是如大功率开关管关断时承受的尖峰电压大小形状，即阻容保护电路的保护效果如何，就要建立等效电路的数学模型。

而这样的数学模型是很复杂的，即使建立起来了，用计算机编程实现得到真实的仿真结果也需要花大量的时间精力来编程和调试。

然而采MATLAB/SIMULINK可视化图形化仿真环境来对电力电子电路进行建模仿真则可使之变得直观，简单易行，效率高，真实准确。

1.2本课题的研究内容

本课题主要研究的是利用MATLAB/SIMULINK建立电力电子电路仿真模型并进行仿真。

现将仿真的主要内容加以介绍：

单相桥式全控整流及有源逆变电路、三相半波整流及有源逆变电路、三相桥式整流及有源逆变电路、正弦波脉宽调制逆变器及滞环控制三相电流跟踪型逆变器等进行仿真设计与分析，并与理论结果进行对比。

研究方向主要为直流-交流变换，即对逆变进行建模仿真，根据负载性质不同，逆变主要分为有源逆变及无源逆变。

如果把逆变电路的交流侧接到交流电源上，将直流电能经过直-交变换，逆变成与交流电源同频率的交流电返回到电网上去，叫做有源逆变，其相应的装置叫做有源逆变器。

而将直流电能经过变换逆变成交流电能直接消耗在非电源性负载上者，叫做无源逆变，其相应的装置是变频器。

1.3本课题的研究意义

利用Simulink中的模块库建立单相/三相整流、三相桥式整流、正弦波脉宽调制逆变器，滞环控制三相电流SPWM电力变换电路，进行仿真后，对仿真波形进行比较分析。

证实了该方法的简便直观、高效快捷和真实准确性。

由于计算机中修改参数方便，可以通过改变方针参数就可观察各种现象，加深了对其电路原理的理解。

通过对本课题的研究最终能够熟悉并掌握Matlab/Simulink的应用环境，熟练应用Simulink模块库中模块建立电力电子电路的系统仿真模型，设定系统仿真参数，进行系统仿真。

第2章MATLAB/SIMULIK基础知识

2.1MATLAB介绍

Matlab（MatrixLaboratory）是美国MathWorks公司开发的一套高性能的数值分析和计算软件，用于概念设计,算法开发,建模仿真,实时实现的理想的集成环境，是目前最好的科学计算类软件之一。

MATLAB将矩阵运算、数值分析、图形处理、编程技术结合在一起，为用户提供了一个强有力的科学及工程问题的分析计算和程序设计工具，它还提供了专业水平的符号计算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制等功能，是具有全部语言功能和特征的新一代软件开发平台。

MATLAB已发展成为适合众多学科，多种工作平台、功能强大的大型软件。

在欧美等国家的高校，MATLAB已成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具。

成为攻读学位的本科、硕士、博士生必须掌握的基本技能。

在设计研究单位和工业开发部门，MATLAB被广泛的应用于研究和解决各种具体问题。

在中国，MATLAB也已日益受到重视，短时间内就将盛行起来，因为无论哪个学科或工程领域都可以从MATLAB中找到合适的功能。

2.1.1MATLAB的主要组成部分

MATLAB系统由5个主要的部分构成：

（1）开发环境（DevelopmentEnvironment）：

微MATLAB用户或程序编制员提供的一套应用工具和设施。

由一组图形化用户接口工具和组件集成：

包括MATLAB桌面、命令窗口、命令历史窗口、编辑调试窗口及帮助信息、工作空间、文件和搜索路径等浏览器。

（2）MATLAB数学函数库（MathFunctionLibrary）：

数学和分析功能在MATLAB工具箱中被组织成8个文件夹。

elmat初步矩阵，和矩阵操作。

elfun初步的数学函数。

求和、正弦、余弦和复数运算等

specfun特殊的数学函数。

矩阵求逆、矩阵特征值、贝塞尔函数等；

matfun矩阵函数－用数字表示的线性代数。

atafun数据分析和傅立叶变换。

polyfun插值，多项式。

funfun功能函数。

sparfuni稀疏矩阵。

（3）MATLAB语言：

（MATLABLanguage）一种高级编程语言（高阶的矩阵/数组语言），包括控制流的描述、函数、数据结构、输入输出及面对对象编程；

（4）句柄图形：

（HandleGraphics）MATLAB制图系统具有2维、三维的数据可视化，图象处理，动画片制作和表示图形功能。

可以对各种图形对象进行更为细腻的修饰和控制。

允许你建造完整的图形用户界面（GUI），以及建立完整的图形界面的应用程序。

制图法功能在MATLAB工具箱中被组织成5个文件夹：

二维数图表（graph2d）、三维图表（graph3d）专业化图表（specgraph）、制图法（graphics）、图形用户界面工具（uitools）。

（5）应用程序接口：

（AppliedFunctionInterface）MATLAB的应用程序接口允许用户使用C或FORTRAN语言编写程序与MATLAB连接。

2.1.2MATLAB的系统开发环境

1．操作桌面（OperatingDesktop）

（1）桌面布局：

6个窗口

命令窗口（CommendWindow）、工作空间窗口（Workspace）、当前目录浏览器（CurrentDirectory）、命令历史窗口（CommendHistory）、启动平台（LaunchPad）、帮助窗口（Help）、M文件优化器（Profiler）。

（2）菜单和工具栏；（Menuandtoolbar）操作桌面上有6个菜单和带有9个快捷按钮的工具栏组。

（3）改变桌面设置：

（Setting）File菜单中Preference对话框中设置。

2．命令窗口：

（Commandwindow）MATLAB的主要交互窗口。

用于输入MATLAB命令、函数、数组、表达式等信息，并显示图形以外的所有计算结果。

还可在命令窗口输入最后一次输入命令的开头字符或字符串，然后用↑键调出该命令行。

3．工作空间窗口：

（WorkspaceWindow）

用于储存各种变量和结果的空间，显示变量的名称、大小、字节数及数据类型，对变量进行观察、编辑、保存和删除。

临时变量不占空间。

为了对变量的内容进行观察、编辑与修改，可以用三种方法打开内存数组编辑器。

双击变量名；选择该窗口工具栏上的打开图标；鼠标指向变量名，点击鼠标右键，弹出选择菜单，然后选项操作。

欲查看工作空间的情况，可以在命令窗口键入命令whos（显示存在工作空间全部变量的名称、大小、数据类型等信息）或命令who（只显示变量名）。

4．当前目录浏览器：

（CurrentDirectory）

用于显示及设置当前工作目录，同时显示当前工作目录下的文件名、文件类型及目录的修改时间等信息。

只有在当前目录或搜索路径下的文件及函数可以被运行或调用。

设置当前目录可以在浏览器窗口左上角的输入栏中直接输入，或点击浏览器下拉按钮进行选择。

还可用cd命令在命令窗口设置当前目录，如：

cdc:

\mydir可将c盘上的mydir目录设为当前工作目录。

5．命令历史窗口：

（CommandHistory）

记录已运行过的MATLAB命令历史，包括已运行过的命令、函数、表达式等信息，可进行命令历史的查找、检查等工作，也可以在该窗口中进行命令复制与重运行。

6．启动平台：

（LaunchPad）

帮助用户方便地打开和调用MATLAB的各种程序、函数和帮助文件。

平台列出了系统中安装的所有的MATLAB产品的目录，可以通过双击来启动相应的选项。

7．MATLAB的搜索路径：

（SearchingPath）

MATLAB定义的一系列文件路径的组合，缺省状态下包括当前路径和已安装的全部工具箱的路径。

搜索目录的设置通过选择主菜单SetPath菜单项进行。

用AddFolder…按钮可以将某一目录加入搜索路径，选择AddwithSubfolder…按钮可将选中目录的子目录也包括在搜索路径中。

8．内存数组编辑器：

（ArrayEditor）

提供对数值型或字符型二维数组的显示和编辑功能，对其他数据类型都不能编辑。

通过工作空间窗口打开所选的变量时，该编辑器启动。

2.2SIMULINK仿真基础

SIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。

1．所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以.mdl文件进行存取），进而进行仿真与分析。

2．Simulink可将系统分为从高级到低级的几个层次，每层又可以细分为几个部分，每层系统构建完成后，将各层连接起来构成一个完整系统。

模型创建完成后，可以启动系统的仿真功能分析系统的动态特性，其内置的分析工具包括各种仿真算法、系统线性化、寻求平衡点等。

仿真结果可以以图形方式在示波器窗口显示，也可将输出结果以变量形式保存起来，并输入到MATLAB中以完成进一步的分析。

Simulink可以仿真线性和非线性系统，并能创建连续时间、离散时间或二者混合的系统。

支持多采样频率系统。

2.2.1SIMULINK启动

在MATLAB命令窗口中输入simulink，结果是在桌面上出现一个称为SimulinkLibraryBrowser的窗口，在这个窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称。

也可以通过MATLAB主窗口的快捷按钮来打开SimulinkLibraryBrowser窗口。

2.2.2SIMULINK的模块库介绍

整个Simulink模块库是由各个模块组构成，标准的Simulink模块库中，包括：

信号源模块组（Source）、仪器仪表模块组（Sinks）、连续模块组（Continuous）、离散模块组（Discrete）、数学运算模块组（Math）、非线性模块组（Nonlinear）、函数与表格模块组（Function&Tables）、信号与系统模块组（Signals&Systems）和子系统模块组（Subsystems）几个部分，此外还有和各个工具相与模块集之间的联系构成的子模块组，用户还可以将自己编写的模块组挂靠到整个模型库浏览器下。

2.2.3电力系统模块库的介绍

进入MATLAB系统后打开模块库浏览窗口，用鼠标左键双击其中的PowerSystemBlocks即可弹出电力系统工具箱模块库，它包括连接元件库（Connectors），电源库（ElectricalSources），基本元件库（Elements），元件库（ExtraLibrary），电机元件库（Machines），测量元件库（Measurements）和电力电子元件库（PowerElectronics）。

这些模块库包含了大多数常用电力系统元件的模块。

利用这些库模块及其它库模块，用户可方便、直观地建立各种系统模型并进行仿真。

（1）电路元件模型

该部分包括断路器（Breaker）、分布参数线（DistributeParameterLine）、线性变压器（LinearTransformer）、并联RLC负荷（ParallelRLCLoad），II型线路参数（IISectionLine）、饱和变压器（SaturableTransformer）、串联RLC支路（SeriesRLCBranch）、串联RLC负荷（SeriesRLCload）、过电压自动装置（SurgeArrester）。

这部分可以仿真交流输电线装置。

（2）电力电子设备模型

此部分含有二极管（Diode）、GT0、理想开关（IdealSwitch）、MOS管（Mosfet）、可控晶闸管（Thyristor）的仿真模型。

这些设备模型不仅可以单独进行仿真而且可以组合在一起仿真整流电路等直流输变电的电力电子设备。

（3）电机设备模型

此部分有异步电动机（AsynchronousMachine）、励磁系统（ExcitationSystem）、水轮电机及其监测系统（HydraulicTurbineandGovernor（HTG））、永磁同步电机（PermanentMagnetSynchronousMachine）、简化的同步电机（SimplifiedSynchronousMachine）、同步电机（SynchronousMachine）。

这些模型可以仿真电力系统中发电机设备，电力拖动设备等。

（4）接线设备模型

这一部分包括一些电力系统中常用的接线设备。

如接地设备、输电线母线等。

（5）测量设备模型

该部分模型是用来采集线路的电压或电流值的电压表和电流表。

这一部分还起着连接SIMULINK模型与POWERLIB模型的作用。

（6）Powerlib扩展库

扩展模块组包含了上述各个模块组中的各个附加子模块组用户可以根据自己的电力系统结构图使用POWERLIB和SLMULINK中相应的模型来组成仿真的电路模型。

2.2.4SIMULINK简单模型的建立

1．简单模型的建立

（1）建立模型窗口。

（2）将功能模块由模块库窗口复制到模型窗口。

（3）对模块进行连接，从而构成需要的系统模型。

2．模型的特点

（1）在SIMULINK里提供了许多如Scope的接收器模块，这使得用SIMULNK进行仿真具有像做实验一般的图形化显示效果。

（2）IMULINK的模型具有层次性，通过底层子系统可以构建