电气系统建模与仿真课程设计报告大连海事大学.docx

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电气系统建模与仿真课程设计报告大连海事大学

课程设计报告

题目：

电气系统建模与仿真姓名：

xx学号：

222014xx09所属学院：

轮机工程学院专业班级：

电气工程及其自动化

（1）班指导教师：

王莹、朱景伟

2017年1月2日

设计任务一

一.实验目的

1.掌握Matlab/Simulink中SimPowerSystems工具箱的基本建模方法

2.掌握Matlab/Simulink电气仿真的基本步骤

3.利用Matlab/Simulink在基本电路与磁路、电力电子技术、电气传动等方面的仿真设计

二.实验内容

1.单相桥式整流

单相桥式整流加LC滤波电路，电源为220V,50Hz,整流电路输入为24V，负载为10Ω阻性负载，滤波电感L=100mH，滤波电容C=200uF。

◆参数设置：

电源：

220V、50HZ

变压器：

200VA、220V/24V

电感：

100mH

并联阻容支路：

10ohms、200uF

◆理论值计算：

输出电压平均值：

Uo=0.9cos（0°）U2=21.6V

◆注意事项：

根据需要进行标记模块

根据需要标记连线的名字的

根据需要标注示波器的曲线

可以通过帮助文件了解模块的使用方法

测量电压（流）必须经由电压（流）测量模块进入示波器Scope。

◆仿真电路:

◆仿真结果：

二极管3波形:

二极管4波形:

负载电压波形:

◆仿真结果分析：

二极管波形分析:

位于两个桥壁的二极管3、二极管4交替导通，电流波形由滤波电感、滤波电容共同决定，当二极管截止时，二极管两端承受反压。

负载电压波形分析：

当1号和4号晶闸管导通时，整流桥两端输出完整的正弦正半波，当2号和3号晶闸管导通时，整流桥两端输出完整的正弦正半波，一个周期内整流桥两端输出电压有效值为21.6V，由于滤波电容作用使负载两端的电压维持在18V~22V之间。

设计任务2

三.实验目的

1.掌握Matlab/Simulink中SimPowerSystems工具箱的基本建模方法

2.掌握Matlab/Simulink电气仿真的基本步骤

3.利用Matlab/Simulink在基本电路与磁路、电力电子技术、电气传动等方面的仿真设计

四.实验内容

1.一阶直流激励RC充、放电电路的研究（学号尾数为单数）

◆参数设置：

电源：

20V（直流）

断路器：

初始状态断开，0.2s闭合，1s断开

理想开关：

初始状态断开，1s闭合

串联阻容支路：

500ohms、100uF

◆理论值计算：

充电时间t=R*C=0.05s

放电时间t=R*C=0.05s

◆注意事项：

根据需要进行标记模块

根据需要标记连线的名字的

根据需要标注示波器的曲线

可以通过帮助文件了解模块的使用方法

测量电压（流）必须经由电压（流）测量模块进入示波器Scope。

◆仿真电路图：

电容电流波形：

电容电压波形：

◆仿真结果分析：

在t=0s时刻理想开关和断路器断开；

在t=0.2s时闭合断路器，电容充电容，充电开始时储能为0，其中电压最小而其电压变化率最大；随着充电的进行，电容储能增加，电压增大而电压变化率减小，电容中电压亦接近理论值U=20V；

在t=1s时闭合理想开关，断开断路器，电容放电，放电开始时储能为0，其中电压最大而其电压变化率最大；随着放电的进行，电容储能减少，电压增大而电压变化率减小，放电结束后电容中电压为U=0V；

2.二阶RLC直流激励下的动态响应的研究

要求：

欠阻尼情况（学号尾数为单数）

◆参数设置：

电源：

10V（直流）

断路器：

初始状态断开，0.01s闭合

理想开关：

初始状态闭合，0.01s断开

电阻：

5ohms

电感：

10mH

电容：

100uF

◆理论值计算：

临界阻尼时电阻取值：

Rs=2*（L/C）^（1/2）=20Ω

◆注意事项：

根据需要进行标记模块

根据需要标记连线的名字的

根据需要标注示波器的曲线

可以通过帮助文件了解模块的使用方法

测量电压（流）必须经由电压（流）测量模块进入示波器Scope。

◆仿真电路图：

◆仿真结果：

◆仿真结果分析：

设置电容C=100uF,电感L=10mH，根据Rs=2*（L/C）^（1/2）=20ohms,考虑使电路工作在欠阻尼状态，取电阻R=5ohms。

由图可见，负载电流、电压出现超调部分，电路处于欠阻尼状态。

3.二阶RLC交流激励下动态响应的研究

◆参数设置：

电源：

100V、50Hz

电阻：

1ohm

电感：

1mH

电容：

10uF

◆注意事项：

根据需要进行标记模块

根据需要标记连线的名字的

根据需要标注示波器的曲线

可以通过帮助文件了解模块的使用方法

测量电压（流）必须经由电压（流）测量模块进入示波器Scope。

◆仿真电路图：

◆仿真结果：

◆仿真结果分析：

结论：

交流电源电容、电阻、电感电压都为正弦波/电路稳定后，电感接近短路电阻两端电压与电容两端电压相差半个周期（由于电容、电感正方向相反，所以图中显示为同向）

变压器的稳态分析

一台10kVA，60Hz，380V/220V单相变压器，原、副边的漏阻抗分别为：

Zp=0.14+j0.22Ω,Zs=0.035+j0.055Ω,励磁阻抗Zm=30+j310Ω，负载阻抗ZL=4+j5Ω。

要求:

利用Simulink建立仿真模型，计算在高压侧施加额定电压时，（a）分别计算原、副边的电流的有效值。

（b）副边的负载上电压的有效值

◆参数设置和理论值计算：

电源参数设置：

变压器参数设置：

根据公式：

计算变压器参数设置如下：

R（base）=14.44Ω

L（base）=0.0383H

由于国内教材常采用变压器的等效电路与英文版中常采用的等效电路在励磁支路上存在区别，故计算励磁阻抗时，需使用一下转换公式：

Rc=3233.4Ω

Xm=312.9

Lm=Xm/（2*pi*60）=0.83H

Rm（pu）=Rc/R（base）=223.92

Lm（pu）=Lm/L（base）=21.67

变压器的参数如图：

原边漏阻抗：

副边漏阻抗：

◆仿真电路图：

◆仿真结果分析：

根据电路图所示，原边电流有效值20.44A，负载电压有效值214.8V，副边电流有效值33.54A。

设计任务3

五.实验目的

1.掌握Matlab/Simulink中SimPowerSystems工具箱的基本建模方法

2.掌握Matlab/Simulink电气仿真的基本步骤

3.利用Matlab/Simulink在基本电路与磁路、电力电子技术、电气传动等方面的仿真设计

六.实验内容

1.三相桥式整流电路（晶闸管）分析

已知：

3个交流电源，U=220+（学号%10）×20V，50Hz。

串联负载分别为：

R=1Ω，L=1mH。

要求:

利用Simulink建立仿真模型，观察：

（a）各个晶闸管的电压。

（b）负载上的电流、电压。

模型和曲线要有标注。

提示：

（1）Synchronized6-PulseGenerator位于ExtraLibrary的ControlBlocks。

其Block端输入为0（选constant模块），频率为50Hz。

（2）整流桥选UniversalBridge，位于powerelectronics模块中。

◆参数设置：

电源：

400V、50Hz

电感：

100mH

同步6脉冲产生器：

频率：

50Hz脉宽：

10°

串联阻感支路：

1ohm、1mh

◆理论值计算：

输出电压平均值：

Uo=2.34cos（0°）U2=936V

◆注意事项：

根据需要进行标记模块

根据需要标记连线的名字的

根据需要标注示波器的曲线

可以通过帮助文件了解模块的使用方法

测量电压（流）必须经由电压（流）测量模块进入示波器Scope。

◆仿真电路图

◆仿真结果

晶闸管电压波形：

晶闸管电流波形：

负载电压电流波形：

◆仿真结果分析：

1号-6号晶闸管依次导通，后一晶闸管比前一晶闸管滞后60°导通，整流后的电压在840V-980V波动。

2.三相PWM逆变电路分析

已知：

直流电压源电压U=100+（学号%10）×20V，输出频率50Hz。

负载分别为：

ZL=2+j1Ω。

要求:

利用Simulink建立仿真模型，观察：

负载上的电流、电压。

模型和曲线要有标注。

提示：

（1）两个直流电压源串联，中间接地。

（2）整流桥的桥臂数选3，ABC为输出。

（3）PWM发生器位于ExtraLibrary的DiscreteControlBlocks，载波频率取输出频率的20倍。

（4）需要Powergui模块。

◆参数设置：

电源：

140V（两个串联，中间接地）

PWM波形发生器：

载波频率：

1000Hz输出电压频率：

50Hz（其余参数采用默认值）

三相阻感负载：

2ohms、3.183mh

◆注意事项：

根据需要进行标记模块

根据需要标记连线的名字的

根据需要标注示波器的曲线

可以通过帮助文件了解模块的使用方法

测量电压（流）必须经由电压（流）测量模块进入示波器Scope。

◆仿真电路图：

◆仿真结果：

负载电压波形：

负载电流波形：

3.buck降压电路分析

已知：

直流电压源电压U=100+（学号%10）×20V。

负载为：

RL=50ohms，滤波电容C=0.3mF。

要求:

利用Simulink建立仿真模型，观察：

（a）IGBT的电流、电压。

（b）负载上的电流、电压。

模型和曲线要有标注。

提示：

脉冲发生器位于Simulink的Sources，周期取0.0001s，脉冲宽度取60%。

◆参数设置：

电源：

280V（直流）

脉冲发生器：

周期：

0.0001s脉宽：

60%（其余参数采用默认值）

电感：

10H

电阻：

100ohms

电容：

0.3mF

◆理论值计算：

负载电压U=60%E=168V

◆注意事项：

根据需要进行标记模块

根据需要标记连线的名字的

根据需要标注示波器的曲线

可以通过帮助文件了解模块的使用方法

测量电压（流）必须经由电压（流）测量模块进入示波器Scope。

◆仿真电路图：

◆仿真结果：

IGBT电流电压：

负载电压电流：

◆仿真结果分析：

E=280V，脉冲宽度取60%，负载电压U=60%E=168V，根据负载电压波形可知降压电路运行正常。

4.boost升压电路分析

已知：

直流电压源电压U=100+（学号%10）×20V。

负载为：

RL=100ohms，滤波电容C=0.3mF。

要求:

利用Simulink建立仿真模型，观察：

（a）IGBT的电流、电压。

（b）负载上的电流、电压。

模型和曲线要有标注。

提示：

脉冲发生器位于Simulink的Sources，周期取0.0001s，脉冲宽度取60%。

◆参数设置：

电源：

280V（直流）

脉冲发生器：

周期：

0.0001s脉宽：

60%（其余参数采用默认值）

电感：

1H

电阻：

100ohms

电容：

0.3mF

◆理论值计算：

负载电压U=E/（1-60%）=700V

◆注意事项：

根据需要进行标记模块

根据需要标记连线的名字的

根据需要标注示波器的曲线

可以通过帮助文件了解模块的使用方法

测量电压（流）必须经由电压（流）测量模块进入示波器Scope。

◆仿真电路图:

◆仿真结果：

IGBT电流电压：

负载电压电流：

◆仿真结果分析：

E=280V，脉冲宽度取60%，负载电压U=E/（1-60%）=700V，根据负载电压波形可知升压电路运行正常。

设计任务4

七.实验目的

1.掌握Matlab/Simulink中SimPowerSystems工具箱的基本建模方法

2.掌握Matlab/Simulink电气仿真的基本步骤

3.利用Matlab/Simulink在基本电路与磁路、电力电子技术、电气传动等方面的仿真设计

八.实验内容

1.笼型异步电机直接起动的研究

已知：

三相交流电压源（线电压取值：

学号单号为220V，双号为380V），频率（单号：

60Hz，双号为50Hz）。

电动机机械转矩T=10+（学号%100）/100Nm。

要求:

利用Simulink建立仿真模型，观察：

A相转子电流Ira、A相定子电流Isa、转数（rpm）、电磁转矩。

模型和曲线要有标注。

提示：

（1）电机要选择AsynchronousMachineSIUnits。

（2）电源和电机的电压、频率需要设置。

◆参数设置：

电源：

220V、60Hz

三相电阻:

60Hz、5kw（其他参数默认设置）

三相电压电流测量器：

放大器：

30/pi

电动机机械转矩：

T=10.09N·M

母线选择器（第一个）参数：

异步电机设置：

◆注意事项：

根据需要进行标记模块

根据需要标记连线的名字的

根据需要标注示波器的曲线

可以通过帮助文件了解模块的使用方法

测量电压（流）必须经由电压（流）测量模块进入示波器Scope。

◆仿真电路图：

A相转子电流Ira、A相定子电流Isa、转数（rpm）、电磁转矩波形：

◆仿真结果分析：

鼠笼式异步电机起动后随着转速的增加，转子电流和定子电流均减小，稳定后在很小的范围内周期性波动；电磁转矩逐渐减小，最终趋于稳定在10.09N·m。

2.绕线式异步电机转子串电阻起动的研究

已知：

三相交流电压源（线电压取值：

学号单号为220V，双号为380V），频率（单号：

60Hz，双号为50Hz）。

电动机机械转矩T=10+（学号%100）/100Nm。

串联电阻R=3Ω

要求:

利用Simulink建立仿真模型，对比未串联和串联电阻起动效果，观察：

A相转子电流Ira、A相定子电流Isa、转数（rpm）、电磁转矩。

模型和曲线要有标注。

◆参数设置：

电源：

220V、60Hz

三相电压电流测量器：

放大器：

30/pi

电动机机械转矩：

T=10.09N·M

异步电机绕线串联断路器电阻：

3ohms

母线选择器参数（第一个）：

异步电机设置：

断路器设置：

◆仿真电路图

◆仿真结果

串电阻前：

串电阻后：

◆仿真结果分析：

绕线式异步电机串电阻起动后转子电流和定转子电流均减小，电磁转矩变大，可见串联电阻可以提高电机的起动性能。

电气系统仿真总结

通过本次实验，我学习到了Matlab/Simulink电气仿真的基本步骤，并且在其在基本电路与磁路、电力电子技术、电气传动等方面进行了仿真设计。

在设计实验1中，我对simulink的电气元件有了一个基础认识，如用Scope显示波形，用TOWorkspace进行输出，为接下来的实践打下基础。

在设计实验2中，我进行了理论和实践的结合。

在书本里学到的充放电时间计算方法在这个设计中得到了充分的应用：

我需要根据计算的结果选择器件，观察波形，如果波形不理想还要重新调整参数，来回往复调整到最佳结果，其中充满了艰辛。

并且，在变压器实验中，我知道了国内国外计算参数的不同，加深了变压器参数计算的理解，懂得了标幺值的用处。

在设计实验3中，主要应用了电力电子技术的知识。

我对整流、逆变、升压、降压，PWM技术进行了一遍复习，其中整流、逆变触发角对波形的影响；升降压占空比对电压放大或缩小倍数的影响都进行了实践认识，有了更深刻的体会。

在设计实验4中，我了解了鼠笼式电机和绕线式电机的不同，绕线式可以串电阻启动，使得起动转矩增加，起动电流减小，达到保护电机和带载起动的目的。

同时转子电流的频率明显小于定子也引起了我的注意，经过思考，我知道了是转差率不同造成的，这让我对电机参数又有了新的理解。

总之，这次实验让我们真正的把理论和实践结合在了一起，我把课上的知识穿成了串，织成了一个知识网络，建立了一个知识体系。

今后，我就可以随拿随用这些知识，构建更加实际的电路网络。