电力电子技术MATLAB仿真报告.docx
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电力电子技术MATLAB仿真报告.docx
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电力电子技术MATLAB仿真报告
《电气专业核心课综合课程设计》
课程设计报告
题目:
基于MATLAB的电力电子技术
仿真分析
学校:
华中科技大学武昌分校
院(系):
机电与自动化学院
专业班级:
电气0906班
学生姓名:
胡思文
学号:
20091131214
指导教师:
曹建平
2012年6月17日至2012年7月6日
绪论………………………………………………………………………………………页码
1.整流电路仿真………………………………………………………………………………页码
1.1单相半波可控整流系统………………………………………………………………页码
1.1.1晶闸管的仿真…………………………………………………………………页码
1.1.2单相半波可控整流电路的仿真………………………………………………页码
1.2晶闸管三相桥式整流系统的仿真…………………………………………………页码
1.3相位控制的晶闸管单相交流调压器带系统的仿真………………………………页码
2.斩波电路仿真………………………………………………………………………………页码
2.1降压斩波电路(Buck变换器)………………………………………………………页码
2.1.1可关断晶闸管(GTO)的仿真…………………………………………………页码
2.1.2Buck变换器的仿真………………………………………………………页码
2.2升压斩波电路(Boost变换器)………………………………………………………页码
2.2.1绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的仿真…………………………………………页码
2.2.2Boost变换器的仿真……………………………………………………………页码
4.逆变电路仿真………………………………………………………………………………页码
4.1晶闸管三相半波有源逆变器的仿真………………………………………………页码
5.课程设计总结………………………………………………………………………………页码
参考文献……………………………………………………………………………………页码
电气专业核心课综合课程设计任务书
一、设计(调查报告/论文)题目
基于MATLAB的电力电子技术仿真分析
二、设计(调查报告/论文)主要内容
1.晶闸管的仿真模型及以单相半波整流器为例,说明晶闸管元件应用系统的建模与仿真方法;
2.晶闸管三相桥式整流系统的建模与仿真;
3.可关断晶闸管的仿真模型及以可关断晶闸管元件组成的Buck变换器为例的仿真过程;
4.绝缘栅双极型晶体管元件的仿真模型及一个由IGBT元件组成的Boost变换器的建模与仿真;
5.相位控制的晶闸管单相交流调压器带系统的建模与仿真;
6.晶闸管三相半波有源逆变器的建模与仿真。
三、原始资料
MATLAB仿真软件
四、要求的设计(调查/论文)成果
1.根据课程设计要求熟练运用MATLAB仿真软件。
2.完成设计中电力电子技术变换器的仿真,并分析。
3.编写《电气专业核心课综合课程设计》报告,报告内容包括:
(1)晶闸管的仿真模型、参数设定方法、以单相半波整流器为例说明晶闸管元件应用系统的建模与仿真方法,记录相应波形。
(2)晶闸管三相桥式整流系统的建模过程与仿真调试,记录波形。
(3)可关断晶闸管的仿真模型、参数设定方法、以可关断晶闸管元件组成的Buck变换器为例的建模、仿真过程,记录波形。
(4)绝缘栅双极型晶体管元件的仿真模型、参数设定方法、及由IGBT元件组成的Boost变换器的建模与仿真,记录波形。
(5)相位控制的晶闸管单相交流调压器系统的建模与仿真,记录波形。
(6)晶闸管三相半波有源逆变器的建模与仿真,记录波形。
(7)参考资料、参考书及参考手册。
(8)《可编程控制器技术课程设计》报告可以手写,也可以用电脑编排打印,报告格式按照《华中科技大学武昌分校课程设计管理办法》执行。
课程设计报告要求内容正确完整,图表清晰,叙述简明,语句通顺。
(9)课程设计报告按封面、任务书、设计报告、成绩评定表的顺序装订。
五、进程安排
内容
时间
下达课程设计任务书。
讲解课程设计的任务与要求、进度安排、指导时间、注意事项、提供参考资料
1天
搜集资料、学习并熟练MATLABSimulink/PowerSystem工具箱等相关内容
4天
典型电力电子器件的仿真模型建模及仿真实例
1天
典型电力电子变换器的应用仿真
7天
撰写课程设计报告
1天
答辩、课程设计总结
1天
共计
15天(3周)
六、主要参考资料
[1]王兆安、刘进军.电力电子技术(第五版).北京:
机械工业出版社,2009.
[2]黄忠霖、黄京.控制系统MATLAB计算及仿真.北京:
国防工业出版社,2010.
[3]林飞、杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真.北京:
中国电力出版社,2009.
[4]黄忠霖、黄京.电力电子技术的MATLAB实践.北京:
国防工业出版社,2009.
指导教师(签名):
20年月日
绪论
本次课程设计包含了六个内容的建模与仿真:
1.晶闸管的仿真模型及以单相半波整流器为例,说明晶闸管元件应用系统的建模与仿真方法;2.晶闸管三相桥式整流系统的建模与仿真;3.可关断晶闸管的仿真模型及以可关断晶闸管元件组成的Buck变换器为例的仿真过程;4.绝缘栅双极型晶体管元件的仿真模型及一个由IGBT元件组成的Boost变换器的建模与仿真;5.相位控制的晶闸管单相交流调压器系统的建模与仿真;6.晶闸管三相半波有源逆变器的建模与仿真。
这六个内容基本包含了电力变换的四大类,从中能比较全面的掌握电力电子MATLAB仿真的方法。
此仿真实验主要涉及到以下四个方面,而基于MATLAB的电力电子技术仿真则是一下几个内容很好的结合。
电力电子器件:
电力电子器件是一系列固态高电压、大电流的电子器件,被控对象的设备功率很大。
按可控性可分为三类:
不控器件(二极管)、半控器件(晶闸管)、全控器件(GTR、GTO、IGBT、MOSFET等)。
电力电子技术应用:
该技术广泛应用于多种形式的电源、电力拖动控制、电网电能质量技术提高以及大功率电能传输。
MATLAB仿真:
MATLAB程序设计语言是美国MathWorks公司在20世纪80年代中期推出的搞性能数值计算软件,2005年8月该公司就推出MATLAB7.1版,现已成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号分析与处理、动态系统仿真等各种课程的基本数学工具。
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。
最后。
MATLAB界面友好,使得从事自动控制的技术工作者乐于和它接触,愿意使用它。
1.整流电路仿真
1.1单相半波可控整流系统
1.1.1晶闸管的仿真
⑴晶闸管模型
晶闸管是一种门极信号触发导通的半导体器件。
晶闸管有两个输入端和两个输出端,第一个输入与输出是阳极媏(a)与阴极端(k),第二个输入(g)是门极控制信号端如图①,当勾选“Showmeasurementport”项时便显示第二个输出端(m)如图②,这是晶闸管检测输出向量[IakUak]端,可连接仪表检测流经晶闸管的电流(Iak)与晶闸管的正向压降(Uak),晶闸管组件的符号和仿真模型图如图所示。
图①图②
晶闸管组件的符号和仿真模型
⑵晶闸管参数及其设置
在模型结构图中,当鼠标双击模型时,则弹出晶闸管参数对话框,如下图所示
“ResistanceRon(Ohms)”:
晶闸管导通电阻Ron(Ω)。
“InductanceLon(H)”:
晶闸管元件内电感Lon(H)。
电感参数与电阻参数不能同时设为0
“ForwardvoltageVf(V)”:
晶闸管元件的正向管压降Vf(V)。
“InitialcurrentIc(A)”:
初始电流Ic(A)。
“SnubberresistanceRs(ohms)”:
缓冲电阻Rs(Ω)。
“SnubbercapacitanceCs(F)”:
缓冲电容Cs(F)。
可对Rs与Cs设置不同的数值以改变或者取消吸收电路。
“Showmeasurementport”为设置是否显示检测端(m)。
需要说明的是,含有晶闸管模型的电路仿真时,最好采用特定的算法Ode23tb与Oder15s,而当电路进行离散化处理时,晶闸管的内电感量应设为0。
1.1.2单相半波可控整流电路的仿真
⑴电路图及工作原理
单相半波可控整流电路(阻-感性负载)图
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,由于电感L的存在使电流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Ud波形出现负的部分。
(2)建立仿真模型
根据原理图用matalb软件画出正确的仿真电路图,整体模型如图所示
单相半波晶闸管可控整流电路(阻感负载)的仿真模型
仿真参数:
选择ode23tb算法,将相对误差设置为1e-3
开始仿真时间设置为0,停止仿真时间设置为0.12,如下图所示
⑶模型参数简介与设置
①交流电压源
提取路径:
Simulink\SimPoweSysten\Electrical\ACVoltageSource
“Peakamplitude”:
正弦电压峰值Um,单位V,
“Phase”:
正弦电压初相角φ,单位度,
“Frequency”:
正弦电压频率f,单位Hz,
“Sampletime”:
采样时间,单位s,
本实验参数设置为频率50Hz,电压幅值220V,其他为默认设置,如右图所示。
②晶闸管
提取路径:
Simulink\SimPoweSysten\PowerElectronics\Thyristor
设置“SnubberresistanceRs(ohms)”缓冲电阻Rs=500Ω,
“SnubbercapacitanceCs(F)”:
缓冲电容Cs为无穷大inf
其他为默认设置,如右图所示
③RLC元件
提取路径:
Simulink\SimPoweSysten\Elements\SeriesRLCBranch
设置“Resistance(Ohms)”
电阻R=1Ω,
“InductanceLon(H)”
电感L=5e-3H,
“capacitance(F)”
电容为无穷大inf,
“measurements”测量选None
如右图所示
④脉冲信号发生器
提取路径:
Simulink\Simlink\Source\PulseGenerator
“Amplitude”:
脉冲幅值,
“Period(secs)”:
周期(秒),
“PulseWidth(%ofPeriod”:
脉冲宽度(周期的百分数),
“Phasedelay(secs)”:
相位延迟(秒)。
振幅A=3V,周期T=0.02,占空比10%,时相延迟(1/50)x(α/360)s,如右图所示,α为移相控制角
⑤示波器
设置Numberofaxes为5,
显示5段波形,分别为脉冲电压Ug,晶闸管两端电压UVT,负载电流id,负载电压ud,电源电压U2。
⑥电压电流测量
无需设置直接使用
⑷仿真结果
设置触发脉冲α分别为0°、30°、60°、90°、120°。
其产生的相应波形分别如图所示。
在波形图中第一列为脉冲电压Ug波形,第二列为晶闸管两端电压UVT波形,第三列为负载电流id波形,第四列为负载电压ud波形,第五列为电源电压U2波形。
阻感负载触发角ɑ=0°
阻感负载触发角ɑ=30°
阻感负载触发角ɑ=60°
阻感负载触发角ɑ=90°
阻感负载触发角ɑ=120°
1.2晶闸管三相桥式整流系统的仿真
⑴电路图及工作原理
以α=0°为例,6个晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6,触发脉冲为宽脉冲宽度大于60°,保证了每个时刻均有两个晶闸管导通,当VT1-VT2导通时桥臂输出电压为Uac,然后VT2-VT3导通输出电压为Ubc,VT3-VT4导通输出电压为Uba,VT4-VT5导通输出电压为Uca,VT5-VT6导通输出电压为Ucb,VT6-VT1导通输出电压为Uab。
因此输出整流电压Ud波形为线电压在正半周的包络线
⑵建立仿真模型
根据原理图用matalb软件画出正确的仿真电路图,整体模型如下图所示
三相桥式全控整流系统(电阻负载)的仿真模型
仿真参数:
选择ode23tb算法,将相对误差设置为1e-3
开始仿真时间设置为0,停止仿真时间设置为0.05,
⑶模型参数简介与设置
①交流电压源
三相交流电源通过三个频率为50Hz、幅值为220V、相位两两相差120°,A相的设置如右图所示,另外两相设置为B相相位滞后A相120°,Phase设置为-120°,C相相位超前A相120°,Phase设置为120°,测量“measurements”三相都要选Voltage,以便使用万用表测量电压
②通用桥
输入端A,B,C为三相交流的相电压输入端子,输入端g为触发脉冲输入端子,+,-为整流器输出正负极端子。
“Numberofbridgearms”:
通用整流桥臂的相数,
“SnubberresistanceRs(ohms)”:
缓冲电阻Rs(Ω),
“SnubbercapacitanceCs(F)”:
缓冲电容Cs(F),
“PowerElectronicdevice”:
电力电子器件的种类,默认晶闸管
“Ron(Ohms)”:
器件内电阻(Ω),
“Lon(H)”:
器件内电感(H),
“ForwardvoltageVf(V)”:
整流桥门槛电压(伏).
在测量“Measurements”选“Allvoltagesandcurrents”(全部电压和电流)以便测量桥臂内晶闸管的电压和电流,其他参数为默认值.如上图所示
③常量
三相桥式全控整流系统仿真模型要使用两个常量模块,一个提供触发角ɑ的值,一个设置为0连接同步6脉冲触发器的使能端Block,使其能正常工作。
如右图所示
④同步6脉冲触发器
输入端alpha_deg为移相控制角给定信号,用常量模块constant输入控制角α,
输入端AB,BC,CA是同步线电压输入端,
输入端Block是触发器的使能端,当此端置0时,则输出脉冲,
输出端Pulse是触发脉冲的输出,它是一个6维向量,即6个触发脉冲
“Frequencyofsynchronisationvoltages(Hz)”:
同步电压频率(Hz),
“Pulsewidth(degrees)”:
脉冲宽度(度)
频率设置为50Hz,脉冲用宽脉冲设置为80°,如右图所示
⑤万用表
三相桥式全控整流系统仿真模型使用了两个万用表,其中一个万用表的参数如右图所示,选中Isw1和Usw1,点击【>>】移入右侧的对话框中,分别测量iVT1,uVT1
另一个万用表选择Usrc:
A,Usrc:
B,
Usrc:
C,分别测量A,B,C三相电压
⑥示波器
三相桥式全控整流系统仿真模型使用了两三个示波器,最主要的一个设置Numberofaxes为4,显示4段波形,分别为负载电压ud,负载电流id,脉冲信号电压Ug,
A,B,C三相电压,与万用表连接的示波器,设置Numberofaxes为2,显示2段波形,分别为晶闸管VT1的电压和电流,另一个示波器设置Numberofaxes为3,显示3段波形,分别为A,B,C三相的电流
⑦电压电流测量
由于同步6脉冲触发器的AB,BC,CA端为同步线电压输入端,而三相电源提供的是相电压所以要通过三个电压表进行转换,其他电流电压测量无需设置直接使用
⑧RLC
R=10Ω,L=0H,C=inf(无穷大)
⑷仿真结果
设置触发脉冲α=0°,负载电压ud,负载电流id,脉冲信号电压Ug,A,B,C三相电压
晶闸管VT1的电压和电流
通过A,B,C三相的电流
设置触发脉冲α分别为30°、60°、90°、110°,产生的相应波形分别如图所示,
第一列为负载电压ud波形,第二列负载电流id波形,第三列脉冲信号第四列电压Ug波形,A,B,C三相电压波形。
电阻负载触发角ɑ=30°
电阻负载触发角ɑ=60°
电阻负载触发角ɑ=90°
电阻负载触发角ɑ=110°
1.3相位控制的晶闸管单相交流调压器带系统的仿真
⑴电路图及工作原理
在交流电源U1的正半周和负半周,分别对VT1和VT2的触发延迟角ɑ进行控制,使得输出电压波形为正弦电压的一部分,从而实现调节输出电压的目的,负载阻抗角φ=arctan(ωL/R),负载电压相位滞后于晶闸管输出电压相位φ,把ɑ=0°的时刻定在电源电压过零的时刻,显然阻感负载下稳态时ɑ的移相范围为φ-π
单相交流调压电路(阻感负载)原理图
⑵建立仿真模型
根据原理图用matalb软件画出正确的仿真电路图,整体模型如图所示
仿真参数:
选择ode23tb算法,将相对误差设置为1e-3
开始仿真时间设置为0,停止仿真时间设置为0.12
⑶模型参数设置
①交流电压源②脉冲信号发生器
参数设置为频率50Hz,电压幅值220V,振幅A=12V,周期T=0.02,
“measurements”测量选“Voltage”占空比30%,时相延迟(1/50)x(α/360)
其他为默认设置,如图所示。
如图所示α为移相控制角两个脉冲信号发生器相位相差180°
③晶闸管④RLC元件
不勾选“Showmeasurementport”R=1Ω,H=1e-3H,C=inf
其他均为默认设置
⑤万用表⑥示波器
选择Usrc:
U1,测量交流电源设置Numberofaxes为5,
电压显示5段波形
⑷仿真结果
设置Pulse1触发脉冲角α1分别为30°、60°、90°、120°、150°,Pulse2触发脉冲角α2对应为210°、240°、270°、300°、330°,产生的相应波形分别如图所示,
第一列为晶闸管两端电压uVT波形,第二列脉冲信号Ug波形,第三列负载电流i0波形,第四列电压u0波形,第五列为交流电源U1波形。
阻感负载触发角ɑ=30°
阻感负载触发角ɑ=60°
阻感负载触发角ɑ=90°
阻感负载触发角ɑ=120°
阻感负载触发角ɑ=150°
2.斩波电路仿真
2.1降压斩波电路(Buck变换器)
2.1.1可关断晶闸管(GTO)的仿真
⑴可关断晶闸管模型
与晶闸管类似,可关断晶闸管导通条件同传统晶闸管,但是可在门极信号为0的任意时刻关断,可关断晶闸管模型有两个输入端和两个输出端,第一个输入与输出是阳极媏(a)与阴极端(k),第二个输入(g)是门极控制信号端如图①,当勾选“Showmeasurementport”项时便显示第二个输出端(m)如图②,这是可关断晶闸管检测输出向量[IakUak]端,可连接仪表检测流经可关断晶闸管的电流(Iak)与正向压降(Uak),可关断晶闸管组件的符号和仿真模型图如图所示。
图①图②
可关断晶闸管组件的符号和仿真模型
⑵可关断晶闸管参数及其设置
在模型结构图中,当鼠标双击模型时,则弹出晶闸管参数对话框,如下图所示
由图可知,GTO的参数设置与晶闸管参数设置几乎完全相同,只是多了两项
“Current10%falltimeTf(s)”:
电流下降时间Tf。
“CurrenttailtimeTt(s)”:
电流拖尾时间Tt。
对于可关断晶闸管GTO模型的电路仿真时,同样宜采用Ode23tb与Oder15s算法。
2.1.2Buck变换器的仿真
⑴电路图及工作原理
在t=0时刻驱动GTO导通,电源E向负载供电,由于电感L的存在,负载电流i0缓慢上升(电流不能突变),当t=t1时刻,控制GTO关断负载电流经二极管续流,电感L释放电能,负载电流i0下降,至一个周期结束再驱动GTO导通重复上一个周期过程,当电路工作于稳态时,负载电流在一个周期的初值和终值相等,此时负载电压平均值为
U0=ton*E/(ton+tof)=αE
降压斩波电路(阻感负载)原理图
⑵建立仿真模型
根据原理图用matalb软件画出正确的仿真电路图,整体模型如图所示
仿真参数:
选择ode23tb算法,将相对误差设置为1e-3,
开始仿真时间设置为0,停止仿真时间设置为0.003。
⑶模型参数简介与设置
①直流电压源
“Amplitude”:
直流电压幅值,单位V.
测量“measurements”选择是否测量电压
设置A=100V,“measurements”选None(不测量电压),如右图所示
②二极管
“ResistanceRon(Ohms)”:
晶闸管导通电阻Ron(Ω)。
“InductanceLon(H)”:
晶闸管元件内电感Lon(H),电感参数与电阻参数不能同时设为0。
“ForwardvoltageVf(V)”:
晶闸管元件的正向管压降Vf(V)。
“InitialcurrentIc(A)”:
初始电流Ic(A)。
“SnubberresistanceRs(ohms)”:
缓冲电阻Rs(Ω)。
“SnubbercapacitanceCs(F)”:
缓冲电容Cs(F),可对Rs与Cs设置不同的数值以改变或者取消吸收电路。
“Showmeasurementport”为设置是否显示检测端(m)。
勾选Showmeasurementport其他均为默认设置
③脉冲信号发生器④可关断晶闸管
振幅A=3V,周期T=0.0001,所有设置均为默认设置
占空比40%
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