电力电子电路典型环节的MATLAB仿真毕业设计论文文档格式.docx
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Matlab/Simulink,Simulation,Rectifiercircuit,Choppercircuit
目录
第1章概述
1.1国内外研究概况
电力电子技术综合了微电子、电路、自动控制等多学科知识,是电能变换与控制的核心技术,在工业、能源、交通、国防等各个领域发挥着越来越重要的作用。
然而,由于电力电子器件所固有的非线性特性,使得对电力电子电路及系统的分析十分困难。
现代计算机仿真技术为电力电子电路及系统的分析提供了有效的方法,大大简化了电力电子的分析与设计过程。
成为相关专业学生和工程技术人员学习和研究的重要手段。
但是,复杂的数学模型、数值计算及编程过程仍然需要耗费巨大的工作量,这些都阻碍了计算机仿真技术的应用。
为此,出现了PSPICE、SABER、MATLAB等适用于电力电子仿真的专用仿真软件。
这些软件将各种功能子程序模块化,提供了完善的部件模型,用户只需简单的操作便可完成给定系统的仿真模型设计,成为广大学生和工程技术人员在学习、科研和开发过程中的必备工具。
早期的MATLAB软件主要用于数值计算及控制系统的仿真和分析,经过多年不断地扩展,目前涉及通信、信号处理、电气工程、人工智能等诸多领域,已经成为风靡全球的科学计算软件。
MATLAB中提供的“PowerSystems”是进行电力电子系统仿真的理想工具,与其他仿真软件进行器件级别的仿真分析不同,PowerSystems中的模型更加关注器件的外特性,易于与控制系统相连接。
使用这些模块进行仿真能够简化编程工作,以直观易用的图形方式对电力电子电路进行模型描述。
目前对电力电子的仿真研究基本上都是建立仿真模型后直接给出了结果波形,虽未给出GUI界面设计的效果,不过这些仿真技术的研究,很大程度上也推动着仿真技术的发展,使得对复杂的电力电子电路、系统的分析和设计变得更加容易和有效,进一步拓宽了它的应用范围和使用领域。
1.2本课题的研究内容
本文利用MATLAB软件对电力电子电路典型环节进行了SIMULINK模型仿真设计。
首先对电力电子的整流电路和斩波电路的典型环节进行了建模仿真的分析和研究,介绍了利用MATLAB/SIMULINK建立电力电子电路仿真模型并进行仿真的方法,然后完成了仿真模型的建立,给出了仿真结果波形。
1.3本课题的研究目的与意义
本文通过MATLAB的仿真设计,可以将电力电子中抽象的、复杂的理论知识变得直观、简单易行,利用MATLAB工具箱作仿真,学生能较快地理解课程理论,并可以初步学会用仿真来分析电力电子问题的技能。
通过对仿真结果的分析就可以对系统结构进行改进或将有关参数进行修改使系统达到要求的结果和性能,这样就可以极大地加快系统的分析和设计过程。
通过仿真,能够以直观易用的图像方式对电气系统进行模型描述。
我们还可以通过仿真来验证一些特殊情况下波形分析的正确性,从而帮助学生更好地理解一些概念、提高授课的灵活性,而这也正是我们论文研究的目的和意义所在。
第2章MATLAB/SIMULIK基础知识
2.1MATLAB介绍
1980年,美国的CleveMoler博士在新墨西哥大学讲授线性代数课程时,发现采用高级语言编程极为不便,于是建立了MATLAB(MatrixLaboratory的缩写),即矩阵实验室,早期开发MATLAB软件是为了帮助学校的老师和学生更好地授课和学习。
1984年,由美国MathWorks公司推出了商业版,经过二十余年的不断升级,目前MATLAB的最新版本为MATLABR2008a[1]。
由于使用MATLAB编程运算与进行科学计算的思路和表达方式完全一致,所以不像学习Basic、Fortran和C等其它高级语言那样难于掌握。
用MATLAB编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题。
在这个环境下,对所要求解的问题,用户只需简单地列出数学表达式,其结果便会由MATLAB以数值或图形的方式显示出来。
它可以很方便地进行图形化的输入输出,同时还具有丰富的函数库(工具箱),极易实现各种不同专业的科学计算功能。
另外,MATLAB和其他高级语言也具有良好的接口,可以方便地与其他语言实现混合编程,这都进一步拓宽了它的应用范围和使用领域。
在各大高等院校,MATLAB软件正在成为对数值、线性代数以及其他一些高等应用数学课程进行辅助教学的有力工具,由于其高度的集成性和应用的方便性,以及它能非常快捷地实现科研人员的设想并节省科研时间,因而得到了广泛的应用与推广。
2.1.1MATLAB主要组成部分
MATLAB的主要组成:
(1)MATLAB语言:
高级矩阵/阵列语言。
(2)MATLAB工作环境:
一组实用工具函数。
(3)图形处理。
(4)MATLAB数学函数。
(5)MATLAB应用程序接口。
MATLAB重要部件:
(1)SIMULINK:
进行仿真的交互式系统。
(2)Toolboxes:
用于解决某一方面问题的子程序集。
2.1.2MATLAB的系统开发环境
在桌面上双击MATLAB快捷方式图标,或者在开始菜单里点击MATLAB的选项,即可进入环境。
进入MATLAB环境,即打开了MATLAB窗口(见图2.1)。
环境包括MATLAB标题栏、主菜单栏和常用工具栏。
在默认显示状态时,在工具栏下有三个子窗口,左边上方窗口显示MATLAB联机说明书目录或工作间的内容,两者可以通过子窗口下方的CurrentDirectory和Workspace键进行切换。
左边下方窗口将显示已执行的命令(CommandHistory)。
右方窗口是MATLAB的命令子窗口,这是MATLAB的主要工作窗口,在这个窗口中,在提示符“>
>
”后逐行输入MATLAB命令,回车后,命令就能立即得到执行。
在这里,对开发环境做简单介绍。
图2.1MATLAB的操作界面窗口
(1)MATLAB的主菜单
MATLAB的主菜单有File、Edit、View、Web和Help六项。
点击菜单命令就会显示下拉子菜单的内容。
这些菜单的内容和其他程序的菜单区别不大,在这里不做说明。
(2)命令窗口(CommandWindow)
命令窗口是用户与MATLAB进行交互的主要场所。
如上图中右方窗口所示。
命令窗口的空白区域,用于输入和显示计算结果。
可以在该区域键入各种MATLAB命令进行各种操作,或直接键入数学表达式进行计算,还可以直接键入MATLAB的系统命令并执行。
(3)工作空间(Workspace)
工作空间(Workspace)是指接受MATLAB命令的内存区域,存储着命令窗口输入的命令和创建的所有变量值。
每打开一次MATLAB,都会自动建立一个工作空间,当MATLAB运行程序时,程序中的变量就会存放到工作空间中,程序的运行结果也以变量的形式保存在工作空间中,关闭MATLAB后,工作空间会自动消除。
2.2SIMULINK仿真基础
系统仿真(SIMULINK)环境也称工具箱(Toolbox),是MATLAB最早开发的,它包括SIMULINK仿真平台和系统仿真模型库两部分,主要用于仿真以数学函数和传递函数表达的系统,是20世纪70年代开发的连续系统仿真程序包(CCS)的继续,现在的系统仿真(SIMULINK)包括了连续系统、非线性系统和离散系统的仿真。
由于SIMULINK的仿真平台使用方便、功能强大,后来拓展的其他模型库也都共同使用这个仿真环境,成为MATLAB仿真的公共平台。
SIMULINK是Simulation和Link两个英文单词的缩写,意思是仿真链接,MATLAB模型库都在此环境中使用,从模型库中提取放到SIMULINK的仿真平台上进行仿真。
所以,有关SIMULINK的操作是仿真应用的基础。
SIMULINK作为面向系统框图的仿真平台,它具有如下特点:
(1)以调用模块代替程序的编写,以模块连成的框图表示系统,点击模块即可以输入模块参数。
以框图表示的系统应包括输入(激励源)、输出(观测仪器)和组成系统本身的模块。
(2)画完系统框图,设置好仿真参数,即可启动仿真。
这时,会自动完成仿真系统的初始化过程,将系统框图转换为仿真的数学方程,建立仿真的数据结构,并计算系统在给定激励下的响应。
(3)系统运行的状态和结果可以通过波形和曲线观察,这和实验室中用示波器观察的效果几乎一致。
(4)系统仿真的数据可以以.mat为后缀的文件保存,并且可以用其他数据处理软件进行处理。
(5)如果系统框图绘制不完整或仿真过程中出现计算不收敛的情况,会给出一定的出错提示信息,但是这提示不一定准确,这是软件还不够完备的地方。
(6)以框图的形式对控制系统进行仿真是SIMULINK的最早功能,后来在SIMULINK的基础上又开发了数字信号处理、通信系统、电力系统、模糊系统等数10种模型库,但是SIMULINK的窗口界面是其他工具箱共用的平台,在此平台上可以进行控制系统、电力系统、通信系统等各种系统的仿真。
2.2.1SIMULINK启动
从MATLAB窗口进入SIMULINK环境有以下几种方法:
(1)在MATLAB菜单栏上单击File,并在下拉菜单中的New选项下单击Model;
(2)在MATLAB工具栏上单击按钮
,然后在打开的模型库浏览器窗口菜单上单击按钮
;
(3)在MATLAB的命令窗口中输入“simulink”后回车,然后在打开的模型库浏览器窗口菜单上单击按钮
。
完成上述操作之一后,屏幕上出现SIMULINK的工作窗口(见图2.2)。
在SIMULINK工作窗口上方标题栏上,“untitled”表示一个尚未命名的新文件,在其上方右侧是最小化、最大化和关闭三个按钮。
标题栏下方是菜单栏,这里有File(文件)、Edit(编辑)、View(查看)、Simulation(仿真)、Format(格式)、Tools(工具)和Help(帮助)7项主要功能菜单。
第三栏是菜单命令的等效按钮。
窗口下方有仿真状态的提示栏,在启动仿真后,在该栏中可以提示仿真的进度和使用的仿真算法。
窗口中部的空白部分是绘制仿真模型框图的空间,这是对系统仿真的主要工作平台。
图2.2SIMULINK工作窗口
2.2.2SIMULINK的模块库介绍
在Matlab命令窗口中键入Simulink命令,便可以打开SIMULINK的库浏览器窗口(见图2.3),窗口左部的树状目录是各分类模型库的名称。
在分类模型库下还有二级子模型库,点击模型库前带“+”的小方块则可展开二级子模型库的目录,点击模型库名前带“-”的小方块则可关闭二级目录。
在这里点击或直接点击图标可以在窗口中展现三级目录下的模型图标。
图2.4所示为打开仪器仪表模块库(Sinks)子模型库后的窗口。
在窗口右边展现了Sinks子模型库中的9个模块。
图2-3模型库浏览器窗口之一
图2.4模型库浏览器窗口之二
2.2.3电力系统模块库的介绍
在Matlab命令窗口中输入“powerlib”,按回车键(Enter),就可以打开电力系统工具箱。
电力系统工具箱包括了电路、电力电子等电气工程学科中常用的元件模型,这些元件模型分布在7个模块库中,如图2.5所示。
利用这些库模块及其它库模块,可以方便、直观地建立各种系统模型并进行仿真。
图2.5电力系统工具箱模块库
(1)电源模块库(ElectricalSources):
包括交流、直流及可控的电压源和电流源。
这一部分模型可以用来仿真交、直流电源。
(2)元件模块库(Elements):
包括串联及并联的RLC支路负载、断路器、分布参数线、线性变压器、饱和变压器、和过电压自动装置、互感、开关等。
这部分可以仿真交流输电线装置。
(3)电力电子模块库(PowerElectronics):
包括二极管、晶闸管、GTO、MOSFET、IGBT等电力电子器件。
还有通用桥(UniversalBridge),它可设定成不同电力电子器件的单臂、双臂和三臂桥。
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。
(4)电机模块库(Machines):
此部分有异步电动机、励磁系统、水轮电机及其监测系统、永磁同步电机、简化的同步电机、同步电机。
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。
(5)连接模块库(Connectors):
这一部分包括一些电力系统中常用的接线设备。
如地线、中性点、连结点等。
(6)测量模块库(Measurements):
包括电流、电压等测量模块,该部分模型用来采集线路的电压或电流值。
这一部分还起着连接SIMULINK模型与POWERLIB模型的作用。
(7)附加模块库(Extras):
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。
主要有①控制模块库:
内有同步6脉冲发生器、PWM发生器、时钟、三相可编程电源等。
②离散测量模块库:
各种离散测量模块。
③离散控制模块库:
离散PI、PID控制器,离散PWM发生器和二阶滤波器等。
④测量模块库:
有交流调速中的坐标变换等。
⑤矢量模块库:
序列分析器等。
⑥附加电机模块库:
有直流电机、离散直流电机等。
2.2.4SIMULINK的仿真步骤
利用SIMULINK环境仿真一个系统的过程基本上可以分为如下几个步骤:
(1)根据要仿真的系统框图,在SIMULINK窗口的仿真平台上构建仿真模型;
(2)设置模块参数;
(3)设置仿真参;
(4)启动仿真;
(5)观测仿真结果。
第3章整流电路的SIMULINK仿真设计
常用的整流器有单相和三相整流器,从控制角度区分,有不控、半控和全控整流电路之分,从输出直流的波形来区分,又有半波和全波整流之分。
二极管、晶闸管是常用的整流器件,现在采用全控型器件的PWM方式整流器也越来越多。
整流电路的仿真可以用powersys模型库中的二极管和晶闸管等模块来构建,对三相整流电路模型库中有6-pulsediodebridge、6-pulsethyristorbridge、universalbridge等模块可以调用,使用这些模块可以使仿真更方便。
复杂的大功率多相整流器可以在三相桥的基础上构建。
这里主要介绍常用的单相和三相桥式全控整流电路的仿真。
3.1单相桥式整流电路的仿真
3.1.1单相桥式全控整流电路的工作原理
单相桥式全控整流电路如图3.1所示,电路由交流电源u1、整流变压器T、晶闸管VT1-VT4、负载电阻R以及触发器电路组成。
在变压器二次电压u2的正半周触发晶闸管VT1和VT3,在u2的负半周触发晶闸管VT2和VT4,在负载上可以得到方向不变的直流电,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。
在这里我们只讨论电阻性负载时的情况。
图3.1单相桥式全控整流电路原理
3.1.2建立仿真模型
(1)首先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,在弹出的菜单中选择Model,这时出现一个空白的方针平台,在这平台上可以绘制电路的仿真模型。
同时也可以在File菜单下给文件命名,本电路的文件命名为li1。
(2)提取电路元器件模块。
在仿真模型窗口的菜单栏上点击
图标调出模型库浏览器,在模型库中提取适合的模型放到仿真平台上。
组成单相桥式全控整流电路的主要元器件有交流电源、晶闸管、RLC负载等,提取元器件模块的路径见表3.1。
表3.1元器件名称及路径
元器件名称
提取元器件路径
交流电源u2
Powersystemblockset/electricalsources/ACvoltagesource
晶闸管VT1-VT4
Powersystemblockset/powerelectronics/thyristor
RLC串联电路
Powersystemblockset/elements/seriesRLCbranch
脉冲发生器
Simulink/sources/pulsegenerator
T形节点
Powersystemblockset/connectors/Tconnector
中性节点
Powersystemblockset/connectors/neutral(output)
(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。
首先将元器件移动到合适的位置,将光标箭头指向需要移动的元器件,按住鼠标左键将元器件移动到指定位置。
单相桥需要4个晶闸管模块,这可以使用模块的复制办法,以鼠标左键单击晶闸管模型图标,模型图标的四角出现四个小黑块(■),表面该模块已被选中,这时同时按住键盘中的Ctrl键以及鼠标的左键。
移动鼠标则可以将晶闸管模块复制到其他位置。
同时点击元器件模块的名称可以修改模块的名称,如将thyristor改名为VT1等[3]。
连接模块只需要以光标移向模块的输出端,以左键点住并移动鼠标即可拖拉出一条连线,将连线拉到另一元器件的输入端,松开鼠标即完成一条接线。
在SIMULINK模型库中没有专门的单相桥式整流器触发模型,这里使用了两个脉冲发生器来分别产生VT1和VT3、VT2和VT4的触发脉冲。
整流器的负载选用了RLC串联电路,可以通过参数设置来改变电阻、电感和电容的组合。
模型中使用了两种测量仪器,示波器(Scope)和多路测量器(Multimeter)。
示波器可以观察它连接点上的波形,多路测量器可以接收一些模块发送出来的参数信号并通过示波器观测,接上观测器后的仿真电路如图3.2所示。
图3.2单相桥式全控整流电路仿真模型
对于晶闸管两端的电压、电流波形,我们观测VT1、VT2、VT3和VT4中的一个即可,在该模型中,我们观测的是VT1两端的电压、电流波形。
3.1.3设置模型参数
设置模型参数是保证仿真准确和顺利的重要一步,有些参数是由仿真任务规定的。
如本仿真电路中的电源电压、电阻值等,有些参数是需要通过仿真来确定的。
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。
本仿真电路的参数设置如下:
(1)交流电压源u2,电压为220V,频率为50Hz,初始相位为0°
在电压设置中要输入的是电压峰值,在该栏中键入“220*sqrt
(2)”。
在对话框最后的测量选项选择选中电压“voltage”,这样,u2数据可以送入多路测量器(Miltimeter)。
(2)晶闸管VT1-VT4直接使用模型的默认参数。
(3)负载RLC,R的值为2Ω,L的值为0,C的值为inf。
(4)本电路中晶闸管的触发采用简单的脉冲触发器(PulseGenerator)来产生,脉冲发生器的脉冲周期Τ必须和交流电源u2同步。
晶闸管的控制角α以脉冲的延迟时间t来表示,t=αΤ/360°
,其中,α为控制角,Τ=1/f,f为交流电源频率。
本仿真电路在α=30°
时的脉冲发生器参数设置见表3.2。
表3.2脉冲发生器参数设置
项目
脉冲发生器1
脉冲发生器2
脉冲类型(Pulsetype)
Time-based
脉冲幅值(Amplitude)
1
周期(Period)
0.02s
脉冲宽度(Pulsewidth)
0.0005s
相位延迟(Phasedelay)
0.00167s
0.01167s
3.1.4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,在弹出的对话框中可设置的项目很多,主要有开始时间、终止时间、仿真类型(包括步长和解电路的数值方法),以及相对误差、绝对误差等。
步长、解法和误差的选择对
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