基于matlab的电力电子仿真设计报告.docx

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基于matlab的电力电子仿真设计报告

摘要和关键词

摘要：

随着电力电子技术的不断发展，可控整流电路在直流电动机控制、可变直流电源、高压直流输电等方面得到广泛应用。

本文建立了基于MATLAB软件中simulink中powersystem模块编写的单相半波可控整流电路、单相全控桥式整流电路、三相全控桥式整流电路、升降压斩波、三相桥式SPWM逆变电路的仿真模型，以下给出了仿真实例与仿真结果。

验证了模型的正确性，并展现了simulink仿真具有的快捷、灵活、方便、直观等优点。

从而为电力电子电路的教学及设计提供了有效工具。

关键词:

整流电路;电力电子;MATLAB;simulink；仿真

目录

课程设计的任务************************************2

前言**********************************************2

报告正文（几个电力电子电路仿真实例）**************2

课程设计总结或结论********************************21

参考文献*****************************************22

一、课程设计的任务

（一）建立单相半波可控整流电路仿真模型：

1、对教材P43图2-1、P44图2-2和P46图2-4进行验证（交流电压有效值为220伏）。

2、改变直流侧负载电阻与电感值，观察各波形的变化。

3、改变晶闸管触发角，观察各波形的变化。

（二）建立单相全控桥式整流电路仿真模型：

1、对教材P47图2-5、P48图2-6进行验证（假设三相交流线电压有效值为380伏）。

2、改变直流侧负载电阻与电感值，观察各波形的变化。

3、改变晶闸管触发角，观察各波形的变化。

（三）建立P54图2.17所示的三相全控桥式整流电路仿真模型，假设三相交流线电压有效值为380伏，直流侧负载电阻为1欧姆，电感为20mH。

改变交流侧电感（0.001~0.1mH）、晶闸管触发角，观察交流电压、直流电压与交流电流的波形。

（四）建立P106图3.4所示的升降压斩波电路仿真模型，假设

，

，开关频率

。

改变占空比，观察电感上电压、电流波形的变化情况。

（五）在P153图6.7所示的三相桥式SPWM逆变电路中，假设

，三相负载电阻

，负载电感

，开关频率

。

并假设三相负载中含有电源，U相电源电压

（50V为峰值，频率为50Hz，相位为

，三相互差

）。

若每相电流有效值为35A，请确定幅值调制率

的取值（

定义为正弦波调制信号峰值与三角波载波信号峰值的比值，逆变电路输出相电压有效值

）。

若

取为0.8，每相电流有效值为35A，则直流侧电压应取何值？

画出

、

与

的波形。

（六）实现滞环比较方式PWM电流跟踪控制的仿真。

（七）以有源电力滤波系统的总体设计与仿真研究为例，给同学演示并讲解有源电力滤波系统主电路、谐波检测电路、控制策略与补偿特性，进而详细讲解电力电子仿真的若干方面问题。

二、前言

目前电力电子技术发展迅猛，直流开关电源应用广泛。

为了实现电源装置的高性能、高效率、

高可靠性，减小体积和重量，必须实现功率器件的软开关，因此，软开关技术得到了广泛的关注。

应用计算机仿真来研究电力电子装置，有利于提高研究效率，降低研发成本。

基于MATLAB/SIMULINK软件的电力电子电路仿真，更有助与初学者学习电力电子，加深对各种电路器件原理的理解。

本文介绍了基于MATLAB/SIMULINK的几个基本电力电子电路仿真分析。

三、报告正文

1、建立单相半波可控整流电路仿真模型：

对教材P43图2-1、P44图2-2和P46图2-4进行验证（交流电压有效值为220伏）。

A、单相半波可控整流电路（电阻负载）：

按照书上43页的图2-1，用simulink进行仿真，电路图如下：

图中PulseGeneration1产生晶闸管的触发脉冲Vg，可通过更改其设置中的Phasedelay项的值改变触发角；示波器Scope1记录了交流电源侧电压U2，触发脉冲Vg，负载电压Ud，晶闸管两端电压Uvt的波形。

当控制触发角α=60̊̊时，仿真的波形结果如下：

通过改变PulseGeneration1中Phasedelay项的值改变触发角α的值，得：

当α=120̊时的仿真结果波形图如下：

当α=180̊时的仿真结果波形图如下：

从中可以看出此时晶闸管在整个周期中不导通、Ud=0，所以单相半波可控整流电路的触发角的范围是0到180̊。

B、单相半波可控整流电路（阻感负载）：

把上图中的电阻改成阻感得电路图如下：

设置负载为R=1，L=0.05，当触发角α=30̊时的仿真结果波形图如下：

当触发角为α=90̊时的仿真结果波形图如下：

更改电阻电感的取值，当R=1，L=0.1时，触发角α=90̊时的仿真结果波形图如下：

由仿真波形可知，由于负载主要呈电感，电感有储能作用，当U2过零时，电路中的电流还未减小到0，所以晶闸管继续导通，知道电流过零，Ud会出现负半波部分。

C、单相半波可控整流电路（阻感负载，有续流二极管）：

图中增加了续流二极管VDr，当晶闸管关断后，许留二极管起续流作用，在VDr，负载回路中仍有电流流过，使得负载电流Id为连续电流。

设置负载为R=1，L=0.5，当触发角α=60̊时的仿真结果波形图如下：

从图中可以看到Id连续，而晶闸管和续流二极管叠加后就是Id的波形。

改变其负载参数及晶闸管触发角可以得到与书上相同的结果，从而验证电路的正确性及该参数下的导通特性。

2、建立单相全控桥式整流电路仿真模型：

对教材P47图2-5、P48图2-6进行验证（假设三相交流线电压有效值为380伏）。

A、单相桥式全控整流电路（带电阻负载）：

仿真主电路图如下：

此电路中PulseGenerator1为VT1和VT4提供触发脉冲，PulseGenerator2为VT2和VT3提供触发脉冲，且之间相差180°。

仿真结果如下：

参数设置为R=100，1脉发生器的触发角为45°，2触发器的触发角为225°，仿真波形

1脉发生器的触发角为90°，2触发器的触发角为270°，仿真波形如下：

以上波形结果与书上的完全吻合，验证了该电路的波形特点。

B、单相桥式全控整流电路（带阻感负载）：

仿真主电路图如下：

参数设置R=1，L=0.05，当负载为阻感负载时，由于电感的储能作用，当电压过零时，电流还未过零，晶闸管继续导通，此时得到的负载电流Id为连续的，且为对桥的晶闸管电流Ivt的叠加。

1脉发生器的触发角为45°2触发器的触发角为225°仿真波形如下图：

改变电感参数与晶闸管的触发角可得到类似的波形，与书上的波形完全吻合，从而验证了单相桥的工作原理及其波形特点。

3、建立P54图2.17所示的三相全控桥式整流电路仿真模型，假设三相交流线电压有效值为380伏，直流侧负载电阻为1欧姆，电感为20mH。

改变交流侧电感（0.001~0.1mH）、晶闸管触发角，观察交流电压、直流电压与交流电流的波形。

器仿真主电路图如下：

此电路中的六个晶闸管从VT1到VT6每个晶闸管的触发脉冲都相差60°，一个周期360°中，分成六个阶段，每个阶段60°有上、下桥中各一只晶闸管导通，直流侧负载设置R=1，L=20e-3，当VT1晶闸管的触发角为30°时，仿真波形如下：

触发脉冲波形为：

仿真结果为：

当设置VT1晶闸管的触发角为60°时，仿真波形如下所示：

从仿真波形可以看出输出整流电路Ud为两个相电压相减的结果，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压Ud波形为线电压在正半周期的包络线。

而在阻感负载中，由于电感的储能作用，负载侧电流Id为连续的直线输出。

需要注意的问题是：

为确保电路的正常工作，需要保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲，为此可采用两种方法：

1、使脉冲宽度大于60°，称为宽脉冲触发；2、在触发某个晶闸管的同时，给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲，即双脉冲触发。

本例中我把6个触发脉冲器的占空比设置为20%。

通过仿真的波形结果可知与书上的波形图完全吻合，反映出了该种电路的波形特点。

4、建立P106图3.4所示的升降压斩波电路仿真模型，假设

，

，开关频率

。

改变占空比，观察电感上电压、电流波形的变化情况。

该电路的仿真电路图如下：

如图设置直流电压为E=15V，电感L=0.05e-3，GTO的开关频率为20KHz，则应把图中的pulseGenerator中的参数周期设为5e-5。

当占空比设为30%的仿真结果波形图如下：

当占空比设为60%的仿真结果波形图如下：

把占空比改为80%时的仿真波形如下：

由仿真结果可以看出：

电感上的电压电流波形的变化情况：

随着占空比的增大UL的波形从正半波的占空比慢慢变大但正值也减小，负半波占空比减小但是值变大；而电感电流IL的值随着占空比的增大而增大，且始终为连续平稳直流波。

5、在P153图6.7所示的三相桥式SPWM逆变电路中，假设

，三相负载电阻

，负载电感

，开关频率

。

并假设三相负载中含有电源，U相电源电压

（50V为峰值，频率为50Hz，相位为

，三相互差

）。

若每相电流有效值为35A，请确定幅值调制率

的取值（

定义为正弦波调制信号峰值与三角波载波信号峰值的比值，逆变电路输出相电压有效值

）。

若

取为0.8，每相电流有效值为35A，则直流侧电压应取何值？

画出

、

与

的波形。

仿真主电路图如下：

图中的触发脉冲采用软件自带的PWMPulseGenerator，按照题目的要求设置参数如下图：

载波频率即开关频率设置为1000HZ，调制比m为0.8，输出电压频率为50HZ。

仿真结果波形如下图：

仿真结果和理论结果完全符合。

若

取为0.8，每相电流有效值为35A，则直流侧电压应取值计算结果如下：

四、课程设计总结或结论

这次课程设计历时二个星期多左右，通过这两个星期的学习，发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。

课程设计是培养学生综合运用所学知识发现、提出、分析和解决实际问题锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。

随着科学技术发展的日新日异，电子技术已经成为当今世界空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。

因此作为二十一世纪的大学来说掌握电子的开发技术是十分重要的。

而仿真软件matlab中的simulink模块中的simpowersystem是专门针对电力系统而设置的专业仿真模块，通过该软件搭建的仿真电路，观察波形输出，初学者可以学到不少东西，由于现实器件的限制，模拟仿真就给我们提供了一个准确理解学习理论的良好途径。

回顾此次电力电子技术课程设计，至今我们仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整一星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，比如有时候被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我们总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。

最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。

自己看起来多完美的设计在实践下就漏洞百出了。

并且我在做设计的过程中发现有很多东西，也知道自己的很多不足之处，知道自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

以前认为学了没用的课程现在也用到了。

比如《电工基础》、《电力电子器件》、《开关电源技术》等课程，看起来不是很有用的东西现在去都集中在一块儿了。

所谓“态度决定一切”，于是偶然又必然地收获了诸多，概而言之，大约以下几点：

温故而知新。

课程设计开始的时候思绪全无，举步维艰，对于理论知识学习不够扎实的我们深感“书到用时方恨少”，于是想起圣人之言“温故而知新”，便重拾教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。

思路即出路。

当初没有思路，诚如举步维艰，茫茫大地，不见道路。

在对理论知识梳理掌握之后，茅塞顿开

实践出真知。

到今天，课程设计基本告成，才切身领悟“实践是检验真理的唯一标准”学海无涯，学无止境。

尽管课程设计是在本学期开始，我们的教材学习完毕，掌握许多知识，但是还有很多地方理解领悟不到位，由于SPWM控制信号的产生比较复杂，我们查阅很多资料，尝试过用不同方法设计产生，电路接线虽很复杂，但其能实现的功能很强大，以后还需进一步学习运用。

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的悉心指导和与同学的讨论，努力思索下终于迎刃而解。

同时从中发现了还有很多工具及理论还未掌握，在以后的学习生活中更应加深对这方面内容的理解与学习。

这次课程设计还培养了我们严谨科学的思维，通过它架起理论与实践桥梁。

与传统授课方式相比，通过利用Simulink仿真软件，只要对模块的参数作相应的修改，不需再重新构建仿真模型，便可得到各输出量对应不同条件下（如负载不同、控制角不同）的波形，使教学更具有实时性、直观性，也一改传统教学中出现的静止不变的电压和电流波形，使学生可以观测到动态的电压、电流波形，有助于理论知识的理解，更好的掌握课程

所授内容，激发学习兴趣。

通过实际应用，证明此新型的教学方式可以充分调动学生的主观能动性，提高教学质量，值得推广和借鉴。

五、参考文献

1王兆安、黄俊.主编《电力电子技术（第4版）》.北京：

机械工业出版社，2002

2张一工、肖湘宁.主编《现代电力电子技术原理与应用》.北京：

科学出版社，1999

3李传琦.主编《电力电子技术计算机仿真实验》.北京：

电子工业出版社，2006

4周渊深.主编《电力电子技术与MATLAB仿真》.北京：

中国电力出版社，2005