Matlab电气仿真.docx

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Matlab电气仿真

大连海事大学

题目：

电气系统的计算机辅助设计

姓名：

学号：

学院：

轮机工程学院

专业班级：

电气工程及其自动化（4）班

指导老师：

郑忠玖王宁

●设计任务

（一）

一、实验目的：

1、掌握Matlab/Simulink电气仿真的基本步骤；

2、掌握Matlab/Simulink中SimPowerSystems工具箱的基本建模方法；

3、利用Matlab/Simulink在整流电路方面的仿真设计。

二、实验原理：

220V50HZ交流电源经变压器降压，输出交流24V50HZ是交流电。

经单相桥式整流电路加LC滤波电路后，由于电感和电容的作用，输出电压和电流无法突变，使输出电压波形在一定的电压附近形成正弦脉动。

三、实验内容：

1、单相桥式整流

（1）设计要求：

a）单相桥式整流加LC滤波电路，电源为220V,50Hz；

b）整流电路输入为24V；

c）负载为10Ω阻性负载；

d）滤波电感L=100mH，滤波电容C=200uF；

（2）设计电路图：

（3）仿真结果波形图：

（4）仿真结果分析：

1.在变压器输出正弦波的正半周期，二极管VT1和二极管VT4导通，二极管VT2和二极管VT3被施以反压而截止；在变压器输出正弦波的负半周期，二极管VT2和二极管VT3导通，二极管VT1和二极管VT4施以反压而截止。

由于电路中二极管的作用，负载两端的电压极性一定，达到整流的目的。

2.二极管导通时管压降理想为零，电流波形与负载输出电流波形保持一致；二极管截止时，二极管承受反压，电压波形与变压器输出的负半周期的电压波形相一致，电流为零。

3.由于电感和电容的作用，输出电压和电流不能突变。

使输出电压波形形成正弦脉动。

●设计任务

（二）

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在一阶、二阶电路、变压器方面进行仿真设计。

二、实验原理

1、通过对电感充电放电的过程，对一阶直流激励电路进行研究。

2、通过对电容、电感充电放电的过程，对二阶直流激励RLC电路进行研究。

3、二阶RLC交流激励下动态响应的研究。

4、变压器稳态运行的分析。

三、实验内容

1、一阶直流激励RL充放电电路的研究（学号尾数为双数）

（1）设计要求：

a）自行设计电路，设计电路参数；

b）自行选择所需显示的曲线，结果；

c）根据仿真结果写出分析和结论；

（2）实验参数设置：

（3）电路设计图：

（4）仿真结果波形图：

（5）仿真结果分析：

由对理想开关的控制可知，在t=0.1s时开关闭合给电感充电,电感初始储能为0，电压迅速上升，其电压变化率最大，随着充电的进行，电感储能增加，电感中电压趋近U=12V。

当电感充满电之后，相当于短路，其两端电压为零，通过的电流最大。

在放电过程中，电感两端电压逐渐减小，后趋于稳定值0V。

当电感放电过程中电流变化很快，放完电之后通过的电流为零。

负载两端的电压在电感充电和放电过程中分别呈现先快速上升再缓慢上升和先快速下降和缓慢下降的趋势最终趋于稳态分别为12V和0V。

2、二阶RLC直流激励下动态响应的研究

（1）设计要求：

a）自行设计电路，设计电路参数；

b）自行选择所需显示的曲线，结果；

c）根据仿真结果写出分析和结论；

d）过阻尼情况（学号尾数为双数）

（2）电路设计图

（3）仿真波形图：

（4）仿真结果分析：

由图可见，由于电路处于过阻尼状态，电感电压逐渐上升，无震荡，最终趋于稳态。

二阶RLC交流激励下动态响应的研究（全体学生）

（1）设计要求：

a）自行设计电路，设计电路参数；

b）自行选择所需显示的曲线，结果；

c）根据仿真结果写出分析和结论；

（2）

设计电路图：

（3）仿真波形图：

（4）仿真结果分析：

二阶RLC交流激励的动态响应电感两端电压，电流波形为正弦波，其中，电流滞后于电压；电容两端电压为正弦波，而通过的电流在起始时刻波动之后趋于稳定值为零。

4、变压器（无饱和，采用线性变压器模型）的稳态分析

（1）设计要求：

变压器（无饱和，采用线性变压器模型）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；

（2）实验参数设置：

变压器原，副变参数计算：

原边：

副边：

励磁支路：

变压器及负载参数配置：

（3）电路设计图及其仿真结果：

（4）

仿真结果分析:

变压器为380V/220V10KVA60HZ理论计算原副边变比为1.727。

由于原、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，所以实际变压器存在铁耗和铜耗等使得实际变压器原副边变比为1.64左右，负载两端的电压达不到期望值220V。

尽管电路图设计与变压器二次侧折算到一次侧的T形等效电路还是不同的，因此在实际参数折算的时候要区分开；

变压器参数配置时选择分数形式比小数形式更加准确；变压器负载参数配置是要注意下图所示的电感初始电流的设置，如若勾选即将电感初始电流设置为0则在变压器仿真运行时将会出现下图所示的警告。

●设计任务（三）

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在整流、逆变、斩波等电力电子技术方面的仿真设计；

二、实验原理

1、三相桥式整流电路，晶闸管导通顺序为VT1—VT6,VT1—VT2,VT2—VT3,VT3—VT4,VT4—VT5,VT5—VT6。

带阻感性负载时，若电感足够大，则负载电流不断续。

负载输出波形随着触发角的变化而变化。

2、三相PWM逆变电路，将直流电逆变为交流电。

电压型逆变电路，直流侧为直流电压源，或并联大电容相当于电压源。

由于直流电源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关，输出电流波形和相位因负载情况的不同而不同。

3、buck降压电路，是一个DC-DC变换器或者称为斩波电路，将直流电变为可调电压的直流电。

通过PulseGenerator对开关器件的控制，实现直流-直流降压的作用，并且通过调整占空比可以改变输出电压平均值。

4、boost升压电路，是一个DC-DC变换器或者称为斩波电路，将直流电变为可调电压的直流电。

通过PulseGenerator对开关器件的控制，实现直流-直流升压的作用，并且通过调整占空比可以改变输出电压平均值。

三、实验内容

1、三相桥式整流电路（晶闸管）分析

（1）设计要求：

已知：

3个交流电源，U=220+（学号%10）×10V，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；

（2）电路设计图：

（3）仿真波形图：

◆触发角：

controlangle=0°

◆

触发角：

controlangle=30°

◆

触发角：

controlangle=60°

（4）仿真结果分析

三相桥式整流电路，如图分别选取触发角为0°、30°、60°的情形。

当触发角为0°时，总的整流输出电压为线电压在正半周的包络线；当触发角小于60°整流输出电压的每一段线电压推迟相应的角度，总的平均值降低，负载电压波形不会出现负的部分；当触发角等于60°时负载电压波形为临界状态。

由理论可知当触发角大于60°时负载电压波形会出现负的部分。

带阻感负载时，三相桥式整流电路触发角的移相范围为90°。

由于电感作用，使得负载电流变得较为平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可以近似为一条直线。

各晶闸管电压波形相同，由于导通时刻依次延迟60°故相位互差60°。

2、三相PWM逆变（IGBT）

（1）设计要求：

已知：

直流电压源电压U=100+（学号%10）×5V，输出频率50Hz；

负载分别为：

=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。

（2）电路设计图：

（3）实验参数设置：

根据实验要求中的设计提示对电路各器件参数进行设置，如上图所示：

a）两个直流电压源串联，中间接地；（每个电压源根据学号设为110V）

b）整流桥的桥臂数选3，ABC为输出；

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

d）需要Powergui模块；

其中

PWM发生器载波频率为1000HZ，调制比为0.4，负载输出频率为50HZ；

三相桥桥臂为3，电力电子器件选IGBT，其他参数默认；

（4）

仿真波形图：

（5）仿真结果分析：

如图为电压型逆变电路，直流侧为直流电压源，交流侧输出电压波形为方波，电流波形由负载的阻抗角决定。

三相负载每一相上的输出波形相位互差120°。

此时为双向PWM波逆变电路，由面积等效原理把调制好的PWM波变为近似交流信号。

理论上电感越大效果越好。

PWM发生器当选择模式是调制信号内部产生时，无需连接输入端子Signal（s）,该模式下可以通过改变Modulationindex（调制比）来改变输出信号的幅值，改变Frequencyofoutputvoltage来改变输出电压的频率，改变Phaseofoutputvoltage来改变输出电压的初始相位。

3、buck降压电路分析

（1）设计要求：

已知：

直流电压源电压U=100+（学号%10）×5V；

负载为：

=50Ω；

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。

（2）

设计电路图：

（3）实验参数设置：

根据实验要求中的设计提示对电路中脉冲发生器的参数进行设置，如下图所示：

周期取0.0001s，脉冲宽度取60%。

（4）仿真波形图：

负载的电压、电流：

buck降压电路IGBT电压，电流波形：

（4）仿真结果分析：

由理论计算得PWM波占空比为60%,直流侧电压为110V，则输出电压应为0.6×110V=66V。

通常，串联的电感越大，负载电流连续且脉动越小。

4、boost升压电路分析

（1）设计要求：

已知：

直流电压源电压U=100+（学号%10）×5V；

负载为：

=100Ω；

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。

（2）设计电路图：

（3）

参数设置：

周期取0.0001s，脉冲宽度取60%。

（4）仿真波形图:

负载的电压、电流:

boost降压电路IGBT电压，电流波形：

（5）仿真结果分析:

由理论计算得PWM波占空比为60%,直流侧电压为110V，则输出电压应为110÷（1-0.6）=275V。

因为IGBT处于导通和截止的状态其两侧电压和电流波形应为近似方波。

●设计任务（四）

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在异步电机起动等电机控制技术方面的仿真设计。

二、实验原理

1、鼠笼式异步电机直接起动，通过对异步电机的定子绕组施加三相交流电使其直接起动。

2、绕线式异步电机串电阻起动，通过在转子绕组串电阻的方式，实现异步电机的起动。

三、实验内容

1、笼型异步电机直接起动的研究:

（1）设计要求：

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）A相转子电流Ira；

b）A相定子电流Isa；

c）转数（rpm）；

d）电磁转矩；模型和曲线要有标注。

（2）设计电路图：

（3）实验参数设置：

（4）仿真结果图:

（5）仿真结果分析：

鼠笼式异步电机起动，如图定子和转子电流应为交流电，随着转速趋于额定值，定子和转子电流幅值不断减小，最终趋于稳定。

异步电机转速不断增加，最终趋于额定转速1500r/min，电磁转矩最终趋于输出机械转矩10.42。

2、绕线式异步电机转子串电阻起动的研究：

（1）设计要求：

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。

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）A相转子电流Ira;

b）A相定子电流Isa;

c）转数（rpm）;

d）电磁转矩;模型和曲线要有标注。

（2）设计电路图:

（3）实验参数设置:

绕线式电机参数配置如下

通过改变断路器——breaker的初始状态和开关动作时刻来模拟绕线式异步电机转子未串电阻起动和转子串电阻起动。

转子未串电阻起动：

转子串电阻起动：

（4）仿真波形图：

转子未串电阻起动：

转子串电阻起动：

（5）仿真结果分析：

绕线式异步电机起动，由图可知，相对于未串联电阻起动，串联电阻起动的电动机定子侧与转子侧的电流减小，起动转矩变大，在2.5s后切断电阻，转速上升，电磁转矩稳定后不变。

在绕线式异步电机有无串电阻起动运行情况比较的实验中，可以通过对每一相所串电阻并联一个断路器的充分使用省去一个未串电阻起动的电路设计，当断路器的初始状态为0即断开，0s时刻开关动作即闭合，此时所串电阻被短路即为未串电阻起动；当断路器的初始状态为1即闭合，0s时刻开关动作即断开，此时电机为串电阻起动，当电机稳定运行后，2.5s开关动作即闭合，此时各相所串电阻被短路，即完成了电机稳定运行后串电阻被切掉的要求。

总结

通过本次仿真实验的学习，培养了自己独立解决问题的能力，并且深入而全面地对本学期所学的电机学，电力电子技术以及电气系统仿真基础这些课程知识的融会贯通，受益匪浅。

在实践过程中，出现了很多疑难和困惑，其中印象最为深刻的变压器参数的折算，PWM发生器的使用以及绕线式异步电机串电阻起动。

从最初的元器件的选取到其内部参数的设定，从基本电路的设计到最终电路的完善和优化，从仿真时间的选择到仿真算法的选取，一步步摸索，在老师的指引和同学的帮助下都得到了解决，不仅进一步理解和巩固了所学的专业知识而且还锻炼了自己独立思考和总结的能力。