1、 毕业设计说明书 课题名称： 电力电子电路仿真技术的应用 学生姓名 学 号 110206111143 二级学院 （系） 电气电子工程学院 专 业 电气自动化 班 级 电气 1111 指导教师 起讫时间： 2014 年 3 月 1 日 2014 年 4 月 30 日 浙江机电职业技术学院毕业设计说明书 I 电力电子电路仿真技术的应用 摘 要 针对 MATLAB 实现电力电子有关电路的计算机仿真的毕业设计。论文给出了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、三相半波有源逆变电路、三相桥式全控整流电路的实验原理图、 MATLAB 系统模型图、及仿真结果图。实验过程和结果都表明
2、： MATLAB 在电力电子有关电路计算机仿真上的应用是十分广泛的。尤其是电力系 统工具箱 Power System Blockset（ PSB） 使得电力系统的仿真更加方便。 电力电子技术是一门实用性很强的学科，但是由于电力电子器件本身的非线性以及其组合变换电路的拓扑结构、工作过程、器件开关模式等都比较复杂，如果采用传统实验研究方法，很难兼顾横向（同一时刻，不同器件）与纵向（不同时刻）电路的工作情况，故采用 MATLAB这样一个通用的仿真平台，可展现整个工作情况，动态演示开关过程，不仅能使我们巩固基础理论知识，而且可培养我们的动手能力以及发现、解决问题的能力。在实际应用中，也可以取代繁琐的人
3、工 分析，降低设计成本，缩短研制周期。 研究概况及发展趋势：MATLAB 是由 Mathworks 公司推出的当前国际上最流行 的数学分析软件。基于其强大的绘图功能以及公司在 1992 年推出的仿真环境 simulink，使得人们对电力电子系统层面的仿真变得十分容易。一直以来，电力电子电路应用于能源变换，过程控制，它其实是一个年轻的交叉学科。而近年来，电力电子学科形成了能源电子学科，除了学科基础内容以外，还要考虑管理、环境、材料、可靠性等等方面。由此可见，如此复杂的系统工程，单凭人工分析并不实际，必须依靠计算机综合所有信息作 出分析结果，因而，采用计算机仿真技术成为实现电力电子应用的必要趋势。
4、作为仿真专用软件之一的 MATLAB 中提供的SimPowerSystenms 是进行电力电子仿真的理想工具，经过多年不断的扩展，现已成为风靡全球的科学技术软件，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。 关键词：电力电子； MATLAB； SIMULINK； PSB； 浙江机电职业技术学院毕业设计说明书 i 目 录 摘要 . 错误 !未定义书签。 第 1 章 绪论 . 1 1.1 引言 . 2 1.2 MATLAB 软件介绍 . 3 第 2 章 利用仿真软件实施的虚拟实验 . 6 2.1 单相半波可控整流电路 . 6 2.2 三相半波有源逆变电路 . 9 2.3 三相桥式半控
5、整流电路 . 14 第 3 章 利用仿真软件实施的辅助设计 .20 3.1三相异步电机调压调速系统的仿真 20 第 4 章 结论 . 30 参考文献 . 31 致谢 . 32 附录 .33 浙江机电职业技术学院毕业设计说明书 1 第 1章 绪论 MATLAB是“矩阵实验室”（ Matrix Laboratory）的缩写，它是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言，着重针对科学计算、工程计算和绘图的需要。在 MATLAB中，每个变量代表一个矩阵，可以有 n*m个元素，每个元素都被看做复数摸索有的运算都对矩阵和复数有效，输入 算式立即可得结果，无需编译。MATLAB强大而简易的做图功能，能根据输入数
6、据自动确定坐标绘图，能自定义多种坐标系（极坐标系、对数坐标系等），讷讷感绘制三维坐标中的曲线和曲面，可设置不同的颜色、线形、视角等。如果数据齐全， MATLAB通常只需要一条命令即可做图，功能丰富，可扩展性强。 MATLAB 软件包括基本部分和专业扩展部分，基本部分包括矩阵的运算和各种变换、代数和超越方程的求解、数据处理和傅立叶变换及数值积分风，可以满足大学理工科学生的计算需要，扩展部分称为工具箱，它实际上使用 MATLAB的基本语句编成的各 种子程序集，用于解决某一方面的问题，或实现某一类的新算法。现在已经有控制系统、信号处理、图象处理、系统辨识、模糊集合、神经元网络及小波分析等多种工具箱，
7、并且向公式推倒、系统仿真和实时运行等领域发展。 MATLAB语言的难点是函数较多，仅基本部分就有七百多个，其中常用的有二三百个。 MATLAB在国内外的大学中，特别是数值计算应用最广的电气信息类学科中，已成为每个学生都应该掌握的工具。 MATLAB 大大提高了课程教学、解题作业、分析研究的效率。 电力电子技术是电气工程及其他相关专业的重要专业基础课，该课程通过分析 各类电力电子器件的导通、关断情况来理解整流、逆变、调压等典型电路的工作原理，是一门实践性很强的课程。 Math-works公司推出的基于 MATLAB平台的 S im u 1 ink是动态系统仿真领域中广为应用的仿真集成工具之一，它
8、在各个领域得到广泛的应用。在对电力电子实验进行仿真过程中，主要用到了 S im u 1 ink里的特殊工具箱 -一电力系统工具箱，它专门用于解决电路、电力电子、电机等系统的仿真和分析，功能十分强大 .本课题基于 MATLAB仿真软件对典型电力电子电路进行了仿真分析，对电力电子理论和实验教学具有 较高的参考价值。 本课题设计的主要目的是： 浙江机电职业技术学院毕业设计说明书 2 1. 培养学生综合运用所学过的基础理论、基础知识和基本技能进行分析和解决实际问题的能力。 2. 培养学生的设计计算、工程画图、实验方法、数据处理、文字表达、文献查阅、计算机应用、工具书使用等基本实践能力及中外文资料查阅的
9、基本技能，使学生初步掌握科学研究的基本方法。 3. 培养学生严谨、负责、实事求是、刻苦钻研、勇于探索、具有创新意识、善于与他人合作的工作作风。 4. 培养学生利用 MATLAB仿真软件对典型电力电子系统开发的能力，掌握仿真电力电子电路的一般方法和步骤。 1.1 引言 随着电力电子技术的各种装置在国民经济各行各业中广泛应用。从电能转换的观点，电力电子的各种装置涵盖交流 直流变换、直流 交流变换、直流 直流变换、交流 交流变化。电力电子应用技术的学科类，包括各种形式电源技术应用、电力拖动技术的应用、电网电能质量提高技术与大功率电能输送技术的应用等等。 数学计算软件不断发展，为了准确建立系统模型和进
10、行仿真分析， Math Works在 MATLAB中提供了系统模型图形输入与仿真工具一 SIMULINK。其有两个明显功能：仿真与连接，即通过鼠标在模型窗口画出所系统的模型，然后可直接对系 统仿真。 在 1998年， MathWoIks推出了电力系统仿真的电力系统工具箱 Power System Blockset（ PSB）。其中包括了电路仿真所需的各种元件模型，包括有电源模块、基础电路模块、电力电子模块、电机模块、连线器模块、检测模块以及附加功率模块等七种模块库。每个模块库中包含各种基本元件模型，如电源模块中有直流电压、电流源，交流电压源、电流源，受控电压源、电流源等五种电源模型。电力电子模
11、块库包含了理想开关元件、晶闸管、功率场效应管、可关断晶闸管等多种功率开关元件模型；电机模块库中包含了 各种电机模型。如异步电动机、同步电动机、 永 磁同步电动机等。只需将模块中的元件拖到 SIMULINK窗口中，通过参数设置对话框设置参数就可以实现电路和电力系统的仿真了。 浙江机电职业技术学院毕业设计说明书 3 1.2 MATLAB 软件介绍 一、 MATLAB 基础知识 MATLAB 软件语言系统是当今流行的第四代技术机语言，由于他在科学计算、数据分析、系统建模与仿真、图形图像处理、网络控制、自动控制、通信系统、 DPS 处理系统、航天航空、生物医学、财务、电子商务等不同领域的广泛应用以及自
12、身的独特优势，目前 MATLAB受到各领域的推崇和关注。 学习一种软件，首先需要了解他的特点、使用环境、最基本的使用方法和重要的操作技巧。本章的目的在于使 MATLAB软件的初学者，能够借助本章的学习，为深入理解后续章节的内容，奠定必要的 知识与方法基础 二、 MATLAB 环境 MATLAB 既是一种语言，又是一个编程环境。这一节将集中介绍 MATLAB 提供的编程环境。作为一个编程环境， MATLAB 提供了很多便于用户管理变量、输入输出数据以及生成管理 M文件的工具。所谓 M文件，就是用 MATLAB 语言编写的、可在 MATLAB 中运行的程序。单击 MATLAB 的桌面快捷方式，可以
13、直接启动MATLAB 软件，启动后的 MATLAB 操作界面默认情况。 MATLAB 最常用的窗口有命令窗口、历史命令窗口、工作空间器、内存数组编辑器， M文件编辑 /调试器、帮助导航 系统和开始按钮。 三、 Simulink 简介 SIMULINK 是 Mathworks 公司开发的 MATLAB 仿真工具之一 ,其主要功能是实现动态系统建模仿真与分析 . SIMULINK 支持线性系统仿真和非线性系统仿浙江机电职业技术学院毕业设计说明书 4 真 ;可以进行连续系统仿真 ,也可以进行离散系统仿真 ,或者两者混合的系统仿真 ;同时也支持具有多种采样速率的采样系统仿真 .利用 SIMULINK
14、对系统进行仿真与分析 ,可以对系统进行适当的实时修正或者按照仿真的最佳效果来调试及确定控制系统的参数 ,以提高系统的性能 ,减少设计系统过程中反复修改时间 ,从而实现 高效率地开发实际系统的目标 . SIMULINK最早出现在 MATLAB4.0版的核心执行文件中 .在 MATLAB4.2版以后 , SIMULINK 则以 MATLAB 的工具包形式出现 ,需要单独安装 .在 MATLAB5.0 版中 , SIMULINK 为 2.0 版 ,在 MATLAB5.3 版中 , SIMULINK 升级为 3.0 版 ,而在MATLAB6.1版中 , SIMULINK则升级为 4.1版 .本书只对
15、SIMULINK4.1版进行介绍 . SIMULINK4.1 版是用来建模分析和仿真各种动态系统的交互环境 ,包括连续系统离散系统和混杂系 统 . SIMULINK 提供了采用鼠标拖动的方法建立系统框图模型的图形交互界面 . SIMULINK 提供了大量的功能模块以方便拥护快速地建立系统模型 . 建模时只需要使用鼠标拖动库中的功能模块并将它们连接起来 .使用者可以通过将模块组成字子系统来建立多级模型 . SIMULINK 对模块和连接的数目没有限制 . SIMULINK还支持 Stateflow,用来仿真事件驱动过程 . SIMULINK 框图提供了交互性很强的非线性仿真环境 ,可以通过下拉菜
16、单执行仿真 ,或使用命令进行批处理 .仿真结果可以在运行的同时通过示波器或图形窗口 显示 . SIMULINK 的开放式结构允许用户扩展仿真环境的功能 .如用 MATLABFORTRAN 和 C 代码生成自定义块库 ,并拥有自己的图标和界面 ,或者将用户原来由 FORTRAN或 C语言编写的代码连接起来 . 由于 SIMULINK可以直接利用 MATLAB的数学图形和编程功能 ,用户可以直接在SIMULINK 下完成数据分析优化参数等工作 .工具箱提供的高级的设计和分析能力可以通过 SIMULINK 的屏蔽手段在仿真过程中执行 . SIMULINK 的模型库可以通过专用元件集进一步扩展 浙江机
17、电职业技术学院毕业设计说明书 5 图 1-1 Simulink 6.3模块库浏览器 17 类基本模块库 浙江机电职业技术学院毕业设计说明书 6 第 2 章 利用仿真软件实施的虚拟实验 2.1 单相半波可控整流电路 仿真过程： 1. 建立仿真模型 （ 1） 首先我们新建一个仿真模型的文件。方法跟实验一样。文件名自己给定。 （ 2） 提取电路元件模块。组成单相半波可控 整流电路的主要元器件有交流电源、晶闸管、 RLC负载等。提取路径基本上跟我们做的第一个实验是相同的，只是我们这里用到了交流电源（ Sim Power Systems/Electrical Sources/ AC Voltage So
18、urce）。 图 2-1单向半波可控整流器原理图 浙江机电职业技术学院毕业设计说明书 7 图 2.2 单项半波可控整流的仿真模型 (3)将电路元件模块按单相半波可控整流的原理图连接起来组成仿真电路。将元件调整的到合适的位置，有些器件需要多次用到的，可以点击该模块，然后按住鼠标右键直接拖到想要放置的地方就可以实现复制了。连接好的电路如图 2.2所示。 2.设置模型参数。根据实验一的方法我们可以双击模块图标弹出的对话框来设置参数，本例中所设置的参数如下。 （ 1） 交流电压源，电压为 220V，频率为 50Hz，初 始相位为 0度。在电压设置中要输入的是电压峰值，在该栏中键如“ 220*sqrt(
19、2)”。如果在对话框最后的测量旋转选中电压“ voltage”，这样电压的数据可以送入多路测量器（ Multimeter）。这里我们不用设置这个，因为我们直接用了示波器进行观察波形。 （ 2） 晶闸管的参数我们采用了默认的参数，也可以另外设置。 （ 3） 负载 RLC，当负载是电阻负载时， R=1, H=0, C=inf（无穷大） （ 4） 负载 RLC 为电阻电感负载时， R 1， H 0.01， C inf,关于负载的参数，这里是没有一定的规定的，可以根据需要修改。 3.仿 真参数的设置，本例中我们设置仿真的终止时间为 0.1S，算法 ode23tb.通过仿真，我们给出几个特殊角度的波形图。
