基于matlab的电力电子技术仿真设计.docx

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基于matlab的电力电子技术仿真设计

第1章绪论

1.1MATLAB的产生过程和影响

在20世纪七十年代后期的时候：

时任美国新墨西哥大学计算机科学系主任的CleveMoler教授出于减轻学生编程负担的动机，为学生设计了一组调用LINPACK和EISPACK库程序的“通俗易用”的接口，此即用FORTRAN编写的萌芽状态的MATLAB。

经几年的校际流传，在Little的推动下，由Little、Moler、SteveBangert合作，于1984年成立了MathWorks公司，并把MATLAB正式推向市场。

从这时起，MATLAB的内核采用C语言编写，而且除原有的数值计算能力外，还新增了数据图视功能。

MATLAB以商品形式出现后，仅短短几年，就以其良好的开放性和运行的可靠性，使原先控制领域里的封闭式软件包（如英国的UMIST，瑞典的LUND和SIMNON，德国的KEDDC）纷纷淘汰，而改以MATLAB为平台加以重建。

在时间进入20世纪九十年代的时候，MATLAB已经成为国际控制界公认的标准计算软件。

到九十年代初期，在国际上30几个数学类科技应用软件中，MATLAB在数值计算方面独占鳌头，而Mathematica和Maple则分居符号计算软件的前两名。

Mathcad因其提供计算、图形、文字处理的统一环境而深受中学生欢迎。

MathWorks公司于1993年推出MATLAB4.0版本，从告别DOS版。

电力电子技术MATLAB实践：

电力电子技术中有关电能的变换与控制过程，有各种电路原理的分析与研究、大量的计算、电能变换的波形测量、绘制与分析等，都离不开MATLAB。

首先，它的运算功能强大，应用于交流电的可控整流、直流电的有源逆变与无源逆变中存在的整流输出的平均值、有效值、与电路功率计算、控制角、导通角计算。

其次，MATLAB的SimpowerSystems实体图形化仿真模型系统，把代表晶闸管、触发器、电阻、电容、电源、电压表等实物的特有符号连接成一个整流装置电路或是一个系统，更简单方便，节省设计制作时间和成本等。

再有，交流技术讨论的电能转换与控制，需要对各种电压与电流波形进行测量、绘制与分析，MATLAB提供了功能强大且方便使用的图形函数，特别适合完成这项任务。

MathWorks公司瞄准应用范围最广的Word，运用DDE和OLE，实现了MATLAB与Word的无缝连接，从而为专业科技工作者创造了融科学计算、图形可视、文字处理于一体的高水准环境。

1997年仲春，MATLAB5.0版问世，紧接着是5.1、5.2，以及和1999年春的5.3版。

与4.0相比，现今的MATLAB拥有更丰富的数据类型和结构、更友善的面向对象、更加快速精良的图形可视、更广博的数学和数据分析资源、更多的应用开发工具。

（关于MATLAB5.0的特点下节将作更详细的介绍。

）诚然，到1999年底，Mathematica也已经升到4.0版，它特别加强了以前欠缺的大规模数据处理能力。

Mathcad也赶在2000年到来之前推出了Mathcad2000，它购买了Maple内核和库的部分使用权，打通了与MATLAB的接口，从而把其数学计算能力提高到专业层次。

但是，就影响而言，至今仍然没有一个别的计算软件可与MATLAB匹敌。

在欧美大学里，诸如应用代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、时间序列分析、动态系统仿真等课程的教科书都把MATLAB作为内容。

这几乎成了九十年代教科书与旧版书籍的区别性标志。

在那里，MATLAB是攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本工具。

在国际学术界，MATLAB已经被确认为准确、可靠的科学计算标准软件。

在许多国际一流学术刊物上，（尤其是信息科学刊物），都可以看到MATLAB的应用。

在设计研究单位和工业部门，MATLAB被认作进行高效研究、开发的首选软件工具。

如美国NationalInstruments公司信号测量、分析软件LabVIEW，Cadence公司信号和通信分析设计软件SPW等，或者直接建筑在MATLAB之上，或者以MATLAB为主要支撑。

又如HP司的VXI硬件，TM公司的DSP，Gage公司的各种硬卡、仪器等都接受MATLAB的支持。

1.2MATLAB的基本组成和特点

经过近20年实践，人们已经意识到：

MATLAB作为计算工具和科技资源，可以扩大科学研究的范围、提高工程生产的效率、缩短开发周期、加快探索步伐、激发创造活力。

那么作为当前最新版本的MATLAB7.0究竟包括哪些内容？

有哪些特点呢？

5.0以前版本的MATLAB语言比较简单。

它只有双精度数值和简单字符串两种数据类型，只能处理1维、2维数组。

它的控制流和函数形式也都比较简单。

这一方面与当时软件的整体水平有关，另方面与MATLAB仅限于数值计算和图形可视应用的设计目标有关。

从5.0版起，MATLAB对其语言进行了根本性的变革，使之成为一种高级的“阵列”式语言。

1.3MATLAB语言的传统优点

MATLAB自问世起，就以数值计算称雄。

MATLAB进行数值计算的基本处理单位是复数数组（或称阵列），并且数组维数是自动按照规则确定的。

这一方面使MATLAB程序可以被高度“向量化”，另方面使用户易写易读。

对一般的计算语言来说，必须采用两层循环才能得到结果。

这不但程序复杂，而且那讨厌的循环十分费时。

MATLAB处理这类问题则简洁快捷得多，它只需直截了当的一条指令y=exp（-2*t）.*sin（5*t），就可获得。

这就是所谓的“数组运算”。

这种运算在信号处理和图形可视中，将被频繁使用。

当A的列数大于行数时，x有无数解。

一般程序就必须按以上不同情况进行编程。

然而对MATLAB来说，那只需一条指令：

x=A\b。

指令是简单的，但其内涵却远远超出了普通教科书的范围，其计算的快速性、准确性和稳定性都是普通程序所远不及的。

第2章MATLAB软件及仿真集成环境Simulink简介

MATLAB软件是美国MathWorks公司在20世纪80年代中期推出的高性能数值计算软件,经过近30年的开发和更新换代,该软件已成为合适多学科功能十分强大的软件系统,成为线性代数、数字信号处理、自动控制系统分析、动态系统仿真等方面的强大工具。

MATLAB中含有一个仿真集成环境Simulink,其主要功能是实现各种动态系统建模、仿真与分析。

在MATLAB启动后的系统界面中的命令窗口输入”SIMULINK”指令就可以启动SIMULINK仿真环境。

启动SIMULINK后就进入了浏览器既模版库，在图中左侧为以目录结构显示的17类模版库名称（因软件版本的不同，库的数量及其他细节可能不同），选中模版库后，即会在右侧窗口出现该模型库中的各种元件或子库。

Simulink支持连续、离散系统以及连续离散混合系统、非线性系统等多种类型系统的仿真分析，本书中将主要介绍和电力电子电路仿真有关的元件模式及仿真方法。

对于电力电子电路及系统的仿真，除需使用Simulink中的基本模板外，用到的主要元件模型集中在电气系统仿真库SimPowerSystem中，该模型库提供了电气系统中常用元件的图形化的图形化元件模型，包括无源元件、电力电子器件、触发器、电机和测量元件等。

图形的元件模型使使用者可以快速并且形象地构建所需仿真系统结构。

在Simulink系统中，执行菜单“File”下“New”、“Model”命令即可产生一个新的仿真模型编辑窗口，在窗口中可以采用形象的图形编辑的方法建立仿真对象、编辑元件及系统相关参数，进而完成电路及系统的仿真系统。

具体步骤为：

（1）建立一个新的仿真模型编辑窗口后，首先从Simulink模块中选择所仿真电路或系统所需要的元件或模块搭建系统，方法为在Simulink模块库中所选元件位置按住鼠标左键将元件拖拽至所建编辑窗口的合适位置，不断重复该过程直至所有元件均放置完毕。

（2）在窗口中用鼠标左键单击元件图形，元件四周将出现黑色小方块，表示元件已经选中，对该元件可以进行复制（Ctrl+V）、粘贴（Ctrl+V）、旋转（Ctrl+R）、旋转（Ctrl+I）、删除（Delete）等操作，也可以在元件处按住鼠标左键将元件拖拽移动。

（3）需要改变元件大小时可以选定该元件，将鼠标移至元件四周的黑色小方块，待鼠标指针变为箭头形状时按住鼠标左键将元件拖拽至合适尺寸。

（4）需要改变元件参数，可以在该元件处双击鼠标左键，即可弹出该元件的参数设置对话窗口进行参数设置。

（5）将元件放置完毕后，可采用信号线将元件间连接构成电路或系统结构图，将鼠标放置在元件端子处，但鼠标指针变为“+”字形状时，按住鼠标左键移动至需要连线的另一元件端子处，当鼠标指针变为“+”字形状时，松开鼠标左键及建立两端子之间的连线，若为控制模块间传递信号，则在连线端部将出现箭头表示信号的流向，不断重复该过程直至系统连接完毕。

（6）仿真电路或系统模型建立完毕后，还需要使用“Simulink”菜单中的”ConfihurationParameters”命令对仿真起止时间、仿真步长、允许误差和求解算法进行设置和选择，参数的具体选择方法与所仿真电路相关。

（7）仿真模型建立完毕后，可以使用“file”菜单中的”Save”命令进行保存。

2.1常用电气系统仿真库元件及仿真模型

对于电力电子电路及系统的仿真除需使用Simulink中的基本模块外，用到的主要元件模型集中在电气系统仿真库SimPowerSystem中，该模型库提供了电气系统之中常用元件的图形化元件模型，包括无源元件、电力电子器件、触发器、电机和测量元件等。

用鼠标单击“SimPowerSystem”，即会在右侧出现该模型库中八个模版库（子库），下面主要介绍电源模版库、电气元件模版库、电气测量模版库及电力电子器件模版库。

2.2电气元件模块库

用鼠标双击“Elements”图标，在窗口中显示29种电气元件。

这些可以分为三大类:

负载元件、传输线和变压器。

双击串联RLC支路元件将弹出该元件的参数设置对话框,在“Resistance”、“Inducatance”、“Capacitance”参数下可以分别设置三个元件的参数,如果电路中不含三者中的某个元件,则相应参数应设为0（电阻或电感）或inf（电容）,在电路图形符号中这类元件也将自动消失。

串联RLC负载元件则是通过设置每个元件的容量,由程序自动计算元件的参数。

并联RLC支路元件和并联RLC负载元件用于描述由电阻、电容、电感并联的电路,参数设置方法类似。

在不考虑变压器铁心饱和时不勾选“Saturablecore”。

在“MagnetitionresistanceRm”和“MagnetitionresistanceLM”参数下分别设置变压器的励磁绕组电阻、电感的标幺值。

其他类型的变压器参数设置方法类似。

第3章单相半波可控整流电路仿真

3.1电阻负载

3.1.1工作原理

（1）在电源电压正半波（0~π区间），晶闸管承受正向电压，脉冲uG在ωt=α处触发晶闸管，晶闸管开始导通，形成负载电流id,负载上有输出电压和电流。

（2）在ωt=π时刻，u2=0，电源电压自然过零，晶闸管电流小于维持电流而关断，负载电流为零。

（3）在电源电压负半波（π~2π区间），晶闸管承受反向电压而处于关断状态，负载上没有输出电压，负载电流为零。

（4）直到电源电压u2的下一周期的正半波，脉冲uG在ωt=2π+α处又触发晶闸管，晶闸管再次被触发导通，输出电压和电流又加在负载上，如此不断重复。

3.1.2电路图及工作原理

图3-1单相半波可控整流电路

如上图所示，当晶闸管VT处于断态时，电路中电流Id=0，负载上的电压为0，U2全部加在VT两端，在触发角α处，触发VT使其导通，U2加于负载两端，当电感L的存在时，使电流id不能突变，id从0开始增加同时L的感应电动势试图阻止id增加，这时交流电源一方面供给电阻R消耗的能量，一方面供给电感L吸收的电磁能量，到U2由正变负的过零点处处id已经处于减小的过程中，但尚未降到零，因此VT仍处于导通状态，当id减小至零，VT关断并承受反向压降，电感L延迟了VT的关断时刻使U形出现负的部分。

3.1.3仿真模型

图3-2单相半波可控整流电路电阻负载电路仿真模型

图3-3示波器环节参数设置菜单

图3-4单相半波可控整流电路电阻负载电路波形

3.2阻感负载

图3-5单相半波可控整流电路电阻电感负载电路仿真模型

图3-6单相半波可控整流电路电阻电感负载电路波形

3.3接续流二极管

图3-7单相半波可控整流电路电阻电感负载接续流二极管电路波形

图3-8单相半波可控整流电路电阻电感负载接续流二极管电路波形

第4章单相桥式全控整流电路仿真

4.1单相桥式全控整流电路

在单相桥式全控整流电路中，晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。

当为电阻负载时，若4个晶闸管均不导通，负载电流id为零，ud也为零，VT1、VT4串联承受电压u2，设VT1和VT4的漏电阻相等，则各承受u2的一半。

若在触发角α处给VT1和VT4加触发脉冲，VT1和VT4即导通，电流从电源a端经VT1、R、VT4流回电源b端。

当u2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。

在u2负半周，仍在触发延迟角α处触发VT2和VT3，VT2和VT3导通，电流从电源b端流出，经VT3、R、VT2流回电源a端。

到u2过零时，电流又将为零，VT2和VT3关断。

此后又是VT1和VT4导通，如此循环地工作下去，便构成了一个全波整流系统。

图4-1单相全控桥整流电路

单相桥式全控整流电路电阻负载的电路采用四只晶闸管构成全控桥式全控整流电路，采用Trig14、Trig23两个触发脉冲环节分别产生1、4管及2、3管的驱动信号，由于两对晶闸管分别于正、负半周导通，触发延迟角相差180°，因此两个触发环节的延迟时间相差180°。

电路中交流电源电压峰值为100V，频率为50Hz，初始相角为0°，负载电阻为2Ω。

仿真结果如下图：

图4-2单相桥式全控整流电路电阻负载仿真模型

图4-3单相桥式全控整流电路电阻负载仿真波形

4.2单相桥式全控整流电路电阻电感负载

单相桥式全控整流电路电阻电感负载与单相桥式全控整流电路电阻负载差别在于负载不同，将负载参数设为R=1Ω，L=0.1H，其他参数不变，仿真结果如下图：

图4-4单相桥式全控整流电路电阻电感负载仿真模型

图4-5单相桥式全控整流电路电阻电感负载仿真波形

第5章三相桥式全控整流电路仿真

5.1三相桥式全控整流电路电阻负载电路

三相桥式全控整流电路电阻负载电压峰值为100V，频率为50Hz，初始相角为30°，负载为电阻负载，电阻为2Ω。

由于三相桥式全控整流电路α角的起点为相电压交点，因此本模型中队因α角为60°的A、B、C三相对应的六个触发环节中的延迟时间分别为3.33ms、6.67ms、10ms、13.33ms、16.67ms、0。

仿真结果如下图：

图5-1三相桥式全控整流电路电阻负载电路仿真模型

图5-2三相桥式全控整流电路仿真电阻负载仿真波形

5.2三相桥式全控整流电路电阻电感负载电路

图5-3三相桥式全控整流电路电阻电感负载电路仿真模型

图5-4三相桥式全控整流电路电阻电感负载电路波形图

总结

通过这几天对课程设计所作的努力，成功完成了对电力电子技术中的单相半波可控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相半波可控整流电路、三相桥式半控整流电路的计算机仿真实验。

通过实践证明了MATLAB/SIMUINK在电力电子仿真上的广泛应用。

特别在数值计算应用最广的电气信息类学科中，熟练掌握MATLAB可以大大提高分析研究的效率。

通过这个课题学习MATLAB软件的基本知识和使用技巧，熟练应用在电力电子技术中的建模与仿真。

运用MATLAB对电力电子电路进行仿真，加深了对电力电子知识的认识。

通过老师与文献的帮助，掌握MATLAB软件，会了一些简单的操作与应用。

致谢

课程设计不仅仅是完成一篇论文的过程，而是一个端正态度的过程，是大学生活的一个过程，是在踏入社会前的历练过程。

这个过程将使我受益匪浅！

在这次课程设计中，使我明白了自己原来知识还比较欠缺。

自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。

通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。

在此要感谢我的指导老师柏逢明老师的指导，感谢老师给我的帮助。

在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。

在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。

而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。

虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。

参考文献

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机械工业出版社.2007 

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北京航空航天大学出版社.2009 

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