电力电子的matlab仿真.docx
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电力电子的matlab仿真
电力电子的MATLAB仿真
计算机控制技术
课程设计资料
2010年4月
前言
电力电子技术综合了电子电路、电机拖动、计算机控制等多学科知识，是一门实践性和应用形
很强的课程。
由于电力电子器件自身的开关非线性，给电力电子电路的分析带来了一定的复杂性和
困难，一般常用波形分析的方法来研究。
仿真技术为电力电子电路的分析提供了崭新的方法。
我们在电力电子技术课程的教学中引入了仿真，对于加深学生对这门课程的理解起到了良好的
作用。
掌握了仿真的方法，学生的想法可以通过仿真来验证，对培养学生的创新能力很有意义，并
且可以调动学生的积极性。
实验实训是本课程的重要组成部分，学校的实验实训条件毕竟是有限的，
也受到学时的限制。
而仿真实训不受时间、空间和物质条件的限制，学生可以在课外自行上机。
仿
真在促进教学改革、加强学生能力培养方面起到了积极的推动作用。
第一章MATLAB基础1
1．1MATLAB介绍1
1．2MATLAB的安装与启动2
1．3MATLAB环境3
第二章MATLAB/Simulink/PowerSystem工具箱简介7
2．1Simulink工具箱简介7
2．2PowerSystem工具箱简介10
2．3Simulink/PowerSystem的模型窗口13
2．4Simulink/PowerSystem模块的基本操作17
第三章电力电子电路仿真实训21
实训一单相半波可控整流电路仿真实训21
实训二单相桥式半控整流电路仿真实训29
实训三单相桥式全控整流电路仿真实训35
实训四单相桥式全控有源逆变电路仿真实训42
实训五单相交流调压电路仿真实训45
实训六降压斩波电路仿真实训48
实训七升压斩波电路仿真实训51
实训八升降压斩波电路实训54
实训九三相半波不可控整流电路仿真实训57
实训十三相半波可控整流电路仿真实训59
实训十一三相桥式全控整流电路仿真实训67
实训十二三相半波可控整流电路有源逆变电路仿真实训72
实训十三三相桥式有源逆变电路仿真实训75
第1章MATLAB基础
MATLAB介绍
MATLAB是一种科学计算软件。
MATLAB是MatrixLaboratory（矩阵实验室）的缩写，这是一种
以矩阵为基础的交互式程序计算语言。
早期的MATLAB主要用于解决科学和工程的复杂数学计算问
题。
由于它使用方便、输入便捷、运算高效、适应科技人员的思维方式，并且有绘图功能，有用户
自行扩展的空间，因此受到用户的欢迎，使它成为在科技界广为使用的软件，也是国内外高校教学
和科学研究的常用软件。
MATLAB由美国Mathworks公司于1984年开始推出，历经升级，到2001年已经有了6．0版，
现在MATLAB、、版都已相继面世。
早期的MATLAB在DOS环境下运行，1990年推出
了Windows版本。
1993年，Mathworks公司又推出了MATLAB的微机版，充分支持在
MicrosoftWindows界面下的编程，它的功能越来越强大，在科技和工程界广为传播，是各种科学计
算软件中使用频率最高的软件。
1993年出现了SIMULINK，这是基于框图的仿真平台，SIMULINK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。
SIMULINK提供了各种
仿真工具，尤其是它不断扩展的、内容丰富的模块库，为系统的仿真提供了极大便利。
在SIMULINK
平台上，拖拉和连接典型模块就可以绘制仿真对象的模型框图，并对模型进行仿真。
在SIMULINK
平台上，仿真模型的可读性很强，这就避免了在MATLAB窗口使用MATLAB命令和函数仿真时，
需要熟悉记忆大量M函数的麻烦，对广大工程技术人员来说，这无疑是最好的福音。
现在的MATLAB
都同时捆绑了SIMULINK，SIMULINK的版本也在不断地升级，从1993年的MATLAB4．0／
SIMULINK1．0版到2001年的MATLAB6．1／SIMULINK4．1版，2002年即推出了MATLAB6．5
／SIMULINK5．0版。
MATLAB已经不再是单纯的"矩阵实验室"了，它已经成为一个高级计算
和仿真平台。
SIMULINK原本是为控制系统的仿真而建立的工具箱，在使用中易编程、易拓展，并且可以解
决MATLAB不易解决的非线性、变系数等问题。
它能支持连续系统和离散系统的仿真，支持连续离
散混合系统的仿真，也支持线性和非线性系统的仿真，并且支持多种采样频率（Multirate）系统的仿真，
也就是不同的系统能以不同的采样频率组合，这样就可以仿真较大、较复杂的系统。
因此，各科学
领域根据自己的仿真需要，以MATLAB为基础，开发了大量的专用仿真程序，并把这些程序以模块
的形式都放人SIMULINK中，形成了模块库。
SIMULINK的模块库实际上就是用MATLAB基本语
句编写的子程序集。
现在SIMULINK模块库有三级树状的子目录，在一级目录下就包含了SIMULINK
最早开发的数学计算工具箱、控制系统工具箱的内容，之后开发的信号处理工具箱（DSPBlocks）、通
信系统工具箱（Comm）等也并行列入模块库的一级子目录，逐级打开模块库浏览器
（SIMULINKLibraryBrowser）的目录，就可以看到这些模块。
从SIMULINK4．1版开始，有了电力系统模块库（PowerSystemBlockset），该模块库主要由
加拿大HydroQuebec和TECSIMInternational公司共同开发。
在SIMULINK环境下用电力系统模块
库的模块，可以方便地进行RLC电路、电力电子电路、电机控制系统和电力系统的仿真。
本书中电
力电子电路的仿真就是在MATLAB／SIMULINK环境下，主要使用电力系统模块库和SIMULINK
两个模块库进行。
通过电力电子电路的仿真，不仅展示了MATLAB／SIMULINK的强大功能，并且
可以学习控制系统仿真的方法和技巧，研究电路的原理和性能。
本资料主要是介绍电力电子电路的仿真，因此对MATLAB只介绍与本书有关的内容。
MATLAB
功能强大，有关MATLAB的书刊已经很多，对MATLAB更深入的要求，可以阅读其他介绍书籍。
现在因特网上有大量的MATLAB资源，如有关MATLAB的新消息，免费的工具箱下载，有关
MATLAB的讨论和讲座等，读者可以进入这些网站，以获取更多的信息。
有关MATLAB的网站很
netsh．net、http：
1.3.1
1.3.2
1.3.31.3.４
２.１.1
2.2.1
2.2.22.2.3
2.2.42.2.52.2.6
Zoomin：
放大模型显示比例。
Zoomout：
缩小模型显示比例.
Fitsystemview：
自动选择最合适的显示比例。
Normal（100％）：
以正常工作比倒（100％）显示模型
4．Simulation（仿真）菜单
start（Ctrl+T）：
启动或暂停仿真。
stop：
停止仿真。
Simulationparameters．．（Ctrl+E）：
设置仿真参数
Normal：
常规标准仿真。
Accelerator：
加速仿真。
5．Format（格式设定）菜单
Font：
字体选择。
Textalignment：
文字对齐方式。
Flipname：
模块标题名称上下换位。
Hidename：
显示／隐藏模块名。
Flipblock（Ctrl+1）：
将功能模块图旋转180。
Rotateblock（Ctrl+R）：
将功能模块图顺时针旋转90*。
ShowdropShadow：
显示或隐藏模块的阴影。
Showportlabels：
显示或隐藏子系统输入输出字符与空框或有示意图框
Foregroundcolor：
设置前景颜色。
Backgroundcolor：
设置背景颜色。
Screencolor：
设置屏幕颜色。
Librarylinkdisplay：
库的联接显示。
Sampletimecolors：
给不同采样时间序列填加颜色
Widenonscalarlines：
用宽信号线表示向量信号。
Signaldimensions：
设置向量信号的宽度。
Portdatatypes：
标明端口数据的类型。
6．Tools（工具）菜单和Help（帮助）菜单
由于"工具"菜单应用较少，"帮助"菜单容易看懂，故此处不作具体介绍。
2．3．2模型窗口工具栏
模型窗口中主菜单下面是工具栏（见图2－15），工具栏有15个按钮，用来执行最常用的15个功
能，归纳起来可分为5类。
图2－15所示的Simulink模型窗口工具栏自左到右有15个按钮，其功能分述如下。
1．文件管理类
文件管理类包括4个按钮：
第1个按钮：
单击该按钮将创建一个新模型文件，相当于在主菜单"File''中执行"New''命
令。
第2个按钮：
单击该按钮将打开一个已存在的模型文件，相当于在主菜单"File''中执行"Open''
命令。
第3个按钮：
单击该按钮将保存模型文件，相当于在主菜单"File''中执行"Save"命令。
第4个按钮：
单击该按钮将打印模型文件，相当于在主菜单"File''中执行"Print"命令。
2．对象管理类
对象管理类包括以下3个按钮：
第5个按钮：
单击该按钮，将选中的模型文件剪切到剪贴板上，相当于在主菜单"Edit"中执
行"Cut"命令。
第6个按钮：
单击该按钮，将选中的模型文件复制到剪贴板上，相当于在主菜单"Edit"中执行
"Copy"命令。
第7个按钮：
单击该按钮，将剪贴板上的内容粘贴到模型窗口的指定位置，相当于在主菜单"Edit''
中执行"Paste''命令。
3．命令管理类
命令管理类包括以下两个按钮：
第8个按钮：
单击该按钮将撤销前次操作，相当于在主菜单"Edit''中执行"UndoDelete"命
令。
第9个按钮：
单击该按钮将重复前次操作，相当于在主菜单"Edit''中执行"RedoDelete"命
令。
4．窗口切换类
窗口切换类包括以下4个按钮：
第10个按钮：
单击该按钮将打开Simulink库浏览器，相当于在主菜单项"View"中执行"Show
LibraryBrowser"命令。
第11-13个按钮：
此3个按钮用来切换到触发模型浏览器。
5．仿真控制类
仿真控制类包括以下两个按钮：
第14个按钮：
单击该按钮将启动或暂停仿真，相当于在主菜单项"Simulation"中执行"Star/Pause"
命令；
第15个按钮：
单击该按钮将停止仿真，相当于在主菜单项"Simulation"中执行"Stop"命令。
2．4Simulink/PowerSystem模块的基本操作
Simulink和PowerSystem模块的基本操作是相同的。
下面的操作方法对Simulink和PowerPower
System模块的操作均适用。
2．4．1模块的选定、复制、移动与删除等
1．模块的选定
模块选定（即选中）是许多其他操作如删除、剪切、复制的"前导性"操作。
选中模块的方法有以
下两种：
（1）用鼠标左键单击待选模块，当模块的四个角处出现小黑块时，表示模块被选中。
（2）如果要选择一组模块，可以按住鼠标左键拉出一个矩形虚线框，将所有要选的模块框在其
中，然后松开鼠标左键，当矩形里所有模块的四个角处都出现小黑块时，表示所有模块被同时选中。
关于模块的选取还有以下两点需说明：
1）如果在被选中模块的图标上再次单击左键，取消了对该模块的选取。
2）如果想选取不连续的多个模块，但是用拖曳方框的方式又会选取到我们不想要的模块此时可
以按住2．模块的复制
从模块组中复制模块的操作方法是：
在模块组中将鼠标箭头指向待选模块，用鼠标左键单击它，
当待选模块四个角处出现小黑块时，表示已经被选中，校住鼠标左键不放，将所选模块拖动到
"untitled"模型窗门里的目标位置，松开鼠标左键，则在"untitled'，模型窗口里的某个位置上就有
一个与待选模块完全相向的模块图标，这样就完成了从模块组中复制模块的操作。
在"untitled''模型窗口里复制模块的方法有以下两种：
（1）首先选中待复制模块，运行"Edit"菜单中的"Copy''命令；然后将光标移到要粘贴的地
方，控—下鼠标左键；看到选定的模块恢复原状，在选定的位督上再运行"Edit''菜单中的"Paste''
命令即可：
新复制的模块和原装模块的名称会自动编号，以示区别。
（2）另一种简单的复制操作是先按下键不放，然后将鼠标移到需复制的模块上，注意鼠标
指针的变化，如果多厂一个小小的"加号"，就表示可以复制了。
把鼠标光标拖动到目的位置后，松
开鼠标左键，这样就完成了复制工作。
3．模块的移动
模块移动操作非常简单：
将光标置于待移动模块的图标上，然后按住鼠标左键不放，将模块图
标拖动到目的地放开鼠标左键，模块的移动即可完成，、注意：
模块移动时，它与其他模块的连线也
随之移动，
4．模块的删除和粘贴
对选中模块的删除和粘贴可以按如下方法操作：
（1）按"Delete"键，把选定模块删除。
（2）选择"Edit"菜单中的"Cut"命令将选定的模块移到剪贴板后，重新粘贴。
5．改变模块对象的大小
用鼠标选样对象模块图标，再将鼠标移到模块对象四周的控制小块处，鼠标指针将会变成双箭
头的"＼"，"／"、"／·或"＼"形状，此时按住鼠标左键不放，拖曳鼠标，待对象图标大小符合
要求时放开鼠标左键，这样就可改变模块对象田标的大小。
6．改变模块对象的方向
一个标准功能模块就是一个控制环节。
在绘制控制系统模迎方框图即连接模块时，要特别注意
模块的输入、输出口模块间的信号流向。
在Siamlink／PowerSystem中，总是由模块的输入端口接
受信号，其端口位于模块左侧；输出端口发送（出）信号，其端口位于模块右侧。
但是在绘制反馈通道
时则会有相反的要求，即输入端口在模块右侧，输出端口在模块左侧。
这时可按以下操作步骤来实
现：
用鼠标选中模块对象，利用"untitled"的主菜单项"Format"下拉菜中的"FlipBlock"或者"Rotate
Block"命令，如果选择"FlipBlock"或者直接按键，即可将功能模块旋转180度；如果选择
"RotateBlock''或者直接按健，即可将功能模块顺时针旋转90度。
2．4．2模块的连接
当把组成一个控制系统所需的环节模块都复制到"untitled''模型窗口后，如果不用信号线将这
些模块图标连接起来，则它并不描述一个控制系统。
当用信号线将各个模块图标连接成一个控制系
统后，即得到所谓的系统模型。
要说明模块的连接首先需要介绍信号线的使用。
1．信号线的使用
信号线的作用是连接功能模块。
在模型窗口里，拖动鼠标箭头．可以在模块的输入与输出之间
连接信号线。
为了连接两个模块的端口，可撞住鼠标的左健，单击输入或输出端口，看到光标变为
"+"字形以后．拖曳"+"字图形符号到另外一个端口，鼠标指针将变成双"+"字形状．然后放
开鼠标左健。
则一根最简单的信号线就连成了，带连线的箭头表示信号的流向。
对信号线的操作和对模块操作一样，也需先选中信号线（鼠标左健单击该线），被选中的信号线的
两端出现两个小黑块，这样就可以对读信号线进行其他操作了，如改变其粗细、对其设置标签，也
可以把信号线折弯、分支，甚至删除。
2．向量信号线与线型设定
对于向量信号线．在"untitled"模型窗口里，可选中主菜单"Format"下的"signaldimensions"
命令，对模型执行完"Simulation"下的"Start'命令后，传输向量的信号线就会变粗。
变粗了的线
段表示诙连接线上的信号为向量形式。
3．信号线的标签设置
在信号线上双击鼠标左键，即可在信号线的下部拉出一个矩形框，在矩形框内的光标处可输入
该信号线的说明标签，既可输入西文字符，也可辖入汉字字符。
标签的信息内容如果很多，还可以
用键换行输人。
如果标签信息有错或者不妥，可以重新选中再进行编辑修改。
4．信号线折弯
选中信号线，按住键，再用鼠标左健在要折弯的地方单击一下现一个小圆圈，表示折点，
利用折点就可以改变信号线的形状。
选中信号线．将鼠标指到线段端头的小黑块上，直到箭头指针变为"O"形，按住鼠标左键。
拖曳线段，即可将线段以直角的方式折弯。
如果不想以直角的方式折弯，也可以在线段的任一位置将线段以任意角度折弯。
5．信号线分支
选中信号线，按住健，在要建立分支的地方按住鼠标左键并拉出即可。
另外一种方法是：
将鼠标指到要引出分支的信号线段上，按住鼠标右健拖曳鼠标，即可拉出分支线。
6．信号线的平行移动
将鼠标指到要平行移动的信号线段上，按住鼠标左健不放．鼠标指针变为十字箭头形水平成垂
直方向拖曳鼠标移到目的位置，松开鼠标左健，信号线的平行移动即完成。
7．信号线与模块分离
将鼠标指针放在想要分离的模块上，按住（Shift）健不放，再用鼠标把模块拖曳到别处，即可把模
块与连接线分离。
8．信号线的删除
选定要删除的信号线，按（delete）键，即可把选中的信号线删除。
2．4．3．模块标题名称、内部参数的修改
在实际工程中，那些被复制的标准模块的标题名称和内部参数常常需作一定的修改。
1．标题名称的修改
模块标题名称是指标识模块图标的字符串，通常模块标题名称设置在模块图标的下方，也可以
将模块标题名称设置在模块图标的上方。
对用户所建模型窗口中模块标题名称进行修改的方法如下：
（1）用鼠标左键单击功能模块的标题，在原模块标题外拉出一矩形框，按住鼠标左键，选取要
修改的标题字符部分，使之增亮呈反相显示。
（2）按（Enter）键，反相显示的、要修改的部分字符立即被删除，重新输入新的标题信息（中西文
字符均可）。
（3）用鼠标左键单击窗口中的任一地方，修改工作结束。
如果重新输入新的标题信息内容很多，可以按{Enter）键换行输入。
2．模块内部参数设置
在模型窗口中，双击待修改参数的模块图标，打开功能模块内部参数设置对话框，然后通过改
变对话框相关栏目中的数据便可。
第三章电力电子电路仿真实训
运用现代仿真技术是学习、研究和设计电力电子电路的高效便捷的方法。
实训一单相半波可控整流电路仿真实训
一、电路原理图
单相半波可控整流电路如图3-1所示。
电路由交流电源、晶闸管、负载以及触发电路组成。
改
变晶闸管的控制角可以调节输出直流电压和电流的大小。
该电路的仿真过程可以分为建立仿真模型、
设置模型参数和观察仿真结果。
图3-1单相半波可控整流电路原理图
二、建立仿真模型
1．建立一个仿真模型的新文件。
在MATLAB的菜单栏上点击File，选择New，再在弹出菜单
中选择Model，这时出现一个空白的仿真平台，如图3－2所示。
在这个平台上可以绘制电路的仿真
模型。
图3－2仿真模型窗口
2．提取电路元器件模块。
在仿真模型窗口的菜单上点击图标调出模型库浏览器，在模型库中
提取所需的模块放到仿真窗口。
组成单相半波整流电路的元器件有交流电源、晶闸管、RLC负载。
3．将电路元器件模块按单相整流的原理图连接起来组成仿真电路。
如图3－3所示。
图3－3单相半波整流电路电阻负载模型
三、设置模型参数
设置模型参数时保证仿真准确和顺利的重要一步。
有些参数由仿真任务决定，如电压、电流等，
有些参数是需要通过通过仿真来确定的。
设置模型参数可以双击模块图标弹出参数设置对话框，然
后按框中提示输入，若有不清楚的地方可以借助help帮助。
在本例中，参数设置如下：
1．交流电源。
电压为220V，频率为50Hz，初始相位为0°，如图3－4所示。
图3－4电源电压参数设置对话框
2．晶闸管。
晶闸管直接使用了模型的默认参数，也可以另外设置，如图3－5所示。
图3－5晶闸管参数设置对话框
3．负载RLC。
根据负载要求设置。
如图3－6所示。
图3－6负载RLC参数设置对话框
4．晶闸管的触发电路。
本实训晶闸管的触发采用简单的脉冲发生器来产生。
控制角以脉冲的延
迟时间来表示，如图3－7所示。
图3－7脉冲发生器参数设置对话框
四、模型仿真
在模型开始仿真前还必须首先设置仿真参数。
在菜单中选择Simulation，在下拉菜单中选择
Simulationparameters，在弹出的对话框中设置的项目很多。
主要有开始时间、终止时间、仿真类型
等。
本实训的仿真参数设置如图3－8所示。
图3－8仿真参数设置对话框
升级会员 