基于matlab的电力电子技术仿真实验设计毕业论文 - 图文

武汉科技大学中南分校

本科毕业设计(论文)

题 目：基于matlab的电力电子

技术仿真实验设计

学 院： 信息工程学院 专 业： 自动化 学 号： 学生姓名： 指导教师：

二○一一年 五 月 八 日

武汉科技大学中南分校2011届毕业设计(论文)

基于matlab的电力电子技术仿真实验设计

摘 要

20世纪60年代发展起来的电力电子技术，使电能可以交换和控制，产生了现代各种高效节能的新型电源和交直流调速装置，为工业生产，交通运输，楼宇办公家庭自动化提供了现代化的高新技术，提高了生产效率和人们的生活质量，使人类社会生产生活发生了巨大变化。

电力电子技术由于电力电子器件自身的非关联性，给电力电子电路和系统的分析了一定的复杂性和困难，一般常用波形分析和分段线性化处理的方法来研究电力电子电路。现代计算机仿真技术为电力电子电路和系统的分析提供了崭新的方法，可以使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。

MATLAB软件是由美国Math Works公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算软件系统被誉为“巨人肩上的工具”MATLAB早期主要用于控制系统的仿真，经过不断扩展已经成为包含通信电气工程优化控制等诸多领域的科学计算软件，可以用于电力电子电路和电力拖动控制系统的仿真。

因此本课题在MATLAB的基础上进行电力电子变流电路的仿真，运用现代仿真技术研究和比较各种电力电子变流电路。

关键词：MATLAB,电力电子技术,仿真

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：基于MATLAB的电力电子技术仿真实验设计

Power electronics application base on MATLAB

Abstract

In the 1960s developed the power electronics. enabled the electrical energy to be possible to exchange and to control, has produced the modern each kind of highly effective energy conservation new power source and the alternating and direct speeder, was the industrial production, the transportation, the building work household automation has provided the modernized high technology and new technology, raised the production efficiency and people's quality of life, caused the human society to produce the life to have the immense changes.

The power electronics as a result of power electronics device own non-relatedness, for the power electronics circuit and system's analysis certain complexity and the difficulty, generally the commonly used waveform analysis and the partition linearization processing method studied the power electronics circuit. The modern computer simulation technology has provided the brand-new method for the power electronics circuit and system's analysis, may cause the complex power electronics circuit system's analysis and the design becomes is easier and is effective.

The MATLAB is Corporation promotes by American Math Works uses in the numerical calculus and the graphic processing science computation software system is honored as “on the giant shoulder's tool” the MATLAB early time mainly to use in control system's simulation, passed through expands unceasingly already became contains the correspondence electrical engineering optimization control and so on many domains the science computation software, might use in the power electronics circuit and the electric drive control system's simulation.

This topic carries on the power electronics electron variable current electric circuit's simulation in the MATLAB foundation, studies and compares each kind of power electronics electron variable current electric circuit using the modern

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emulation technique.

Key words: matlab, power electronics, simulation

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：基于MATLAB的电力电子技术仿真实验设计

目录

第1章 绪论 ....................................... 1

§1.1关于MATLAB软件 ...................................... 1 §1.1.1 MATLAB软件简介 .................................... 1 §1.2电力电子技术 ......................................... 2 §1.3 MATLAB和电力电子技术 ................................. 3 §1.4 本文完成的主要内容 ................................... 3

第2章 MATLAB软件在电力电子电路中的应用 .......... 4

§2.1基本电气元件 ......................................... 4 §2.1.1如何调用基本电器元件功能模块 ....................... 4 §2.2如何简化电路的仿真模型 ............................... 5 §2.3基本电力电子电路设计方法 ............................. 5 §2.3.1电源功能模块 ....................................... 5 §2.4常用电路设计法 ....................................... 7 §2.4.1ELEMENTS模块库 ..................................... 7 §2.4.2POWER ELECTRONICS模块库 ............................ 7 §2.5 MATLAB中电路的数学描述法 ............................. 7

第3章 电力电子技术试验 ............................ 9

§3.1单结晶体管触发的单相半波可控整流电路实验 .............. 9 §3.2锯齿波同步移相触发电路实验 .......................... 10

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§3.3单相桥式半控整流电路实验 ............................ 11 §3.4单相桥式全控整流及有源逆变电路实验 .................. 12 §3.5 三相桥式全控整流及有源逆变电路实验 .................. 13 §3.6单相交流调压电路实验 ................................ 13 §3.7三相交流调压电路实验 ................................ 15 §3.8自关断器件及其驱动与保护电路实验 .................... 15

第4章 电力电子电路的仿真 ......................... 17

§4.1实验的意义 .......................................... 17 §4.2 单相桥式全控整流电路仿真 ............................ 17 §4.3直流/直流与交直流PWM转换器仿真 ..................... 24 §4.4单相可控整流实验仿真 ................................ 26 §4.5三相双能级PWM电压源转换器 .......................... 27 §4.6交直交PWM整流器仿真 ................................ 29 §4.7降压的 GTO 闸流体转换器仿真 ......................... 31 §4.8三相二极管整流器 .................................... 32

结论 ............................................. 34 致谢 ............................................. 35 参考文献 ......................................... 36

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第1章 绪论

§1.1关于MATLAB软件

作为当今世界最流行的第四代计算机语言，MATLAB软件语言系统，由于它在科学计算，网络控制，系统建模与仿真，数据分析，自动控制，图形图像处理航天航空，生物医学，物理学，通信系统，DSP处理系统，财务，电子商务，等不同领域的广泛应用以及它自身所具备的独特优势，目前MATLAB已备受许多科研领域的青睐与关注。

§1.1.1 MATLAB软件简介

MATLAB软件是由美国公司MATH WORKS公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算系统。MATLAB的英文是MATRIX LABORATORY(矩阵实验室)的缩写，被誉为“巨人肩膀上的工具”。由于使用MATLAB编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式一直，所以不像学习其他高级语言那样难于掌握，用MATLAB编写程序有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，用户只需要简单的列出数学表达式，其结果便以数值或者图形方式显示出来。

最早开发MATLAB软件的目的就是帮助学校的老师和学生更好的授课和学习。从MATLAB诞生开始，由于其高度的继承性和应用的方便性，在高校中得到了广泛的应用与推广。由于它能非常快的实现科研人员的设想，极大的节约了科研人员的时间，受到了大多科研人员的重视与青睐。它可以很方便地设计出漂亮的界面，例如它像VB一样可以设计出漂亮的用户接口，同时因为它还具有最丰富的函数库，极易实现计算功能。另外MATLAB和其他高级语言也具有良好的接口，可以很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。

在美国的一些大学里，MATLAB软件正成为对数值，线性代数以及其他一些高等应用数学课程的辅助教学的有力工具；在工程技术界，MATLAB也被用来构建与分析一些实际课程的数学模型，其典型的应用包括数值计算，算法预测与验证，以及一些特殊矩阵的计算应用，如自动控制理论，统计，数字信号处理，图像处

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理，系统辨识和神经网络等。它包括了被称为工具箱的各类应用问题的解求工具。工具箱实际上是对MATLAB软件进行扩展应用的一系列MATLAB函数，它可以用来求解许多科学门类数据处理与分析问题。

§1.2电力电子技术

电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。

电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。

现已成为现代电气 工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。

电力电子技术的重要作用

(1) 优化电能使用。通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效和节约，实现了电能使用最佳化。例如，在节电方面，针对风机水泵、电力牵引、轧机冶炼、轻工造纸、工业窑炉、感应加热、电焊、化工、电解等14个方面的调查，潜在节电总量相当于1990年全国发电量的16%，所以推广应用电力电子技术是节能的一项战略措施，一般节能效果可达10%-40%，我国已将许多装置列入节能的推广应用项目。

(2) 改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。据发达国家预测，今后将有95%的电能要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用的各种机电设备中，有95%与电力电子产业有关，特别是，电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口，它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件，成为发挥计算机作用的保证和基础。

(3) 电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传统，向高频化方向发展。实现最佳工作效率，将使机电设备的体积减小几倍、几十倍，响应速度达到高速化，并能适应任何基准信号，实现无噪音且具有全新的功能和用途。

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(4) 电力电子智能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技术与电力电子技术一体化，其发展有可能引起电子技术的重大改革。有人甚至提出，电子学的下一项革命将发生在以工业设备和电网为对象的电子技术应用领域，电力电子技术将把人们带到第二次电子革命的边缘。

§1.3 MATLAB和电力电子技术

电力电子技术是一门实践性较强的专业科学知识，基于MATLAB的虚拟实验的设计思想,开发出相应的仿真平台，既可用于模拟实验改善实验条件，又可以成为自学的辅助工具。基于silmulink模块库，可以对电力系统的发电输电和用电三个方面进行建模与仿真，可以研究电力系统的安全和稳定运行，可以研究电动机的变频调速系统。

§1.4 本文完成的主要内容

本文阐述了MATLAB在电力电子技术上的应用，介绍了MATLAB软件的基本用法，以及MATLAB软件在电力电子技术上的应用上的方法。

最后，在MATLAB的基础上进行电力电子变流电路的仿真，运用现代仿真技术研究和比较各种电力电子变流电路。采用MATLAB对电力电子变流电路进行仿真研究，建立仿真模型提取电路元器件模块，将电路元器件按原理图连接起来组成仿真电路，设置模型参数，模型进行仿真。对电力电子变流电路进行研究比较。

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第2章 MATLAB软件在电力电子电路中的应用

§2.1基本电气元件

MATLAB软件中SIMPOWERSYSTEMS里的典型元件库，如电阻，电容，电感，变压器，通用桥，开关器件等基本器件的调用方法；重要电路的建模方法，分析技巧与设计技术。

§2.1.1如何调用基本电器元件功能模块

（1）放置并设置交流电源

打开SIMULINK LIBRARY BROWER窗口，点击SIMPOWERSYSTEMS模块库，点击ELECTRICAL SOURCSE模块库，用鼠标右键点击交流电源模块AC VOLTAGE SOURCE,点击ADD to文件名，便将交流电源模块发送到文件中去，点击交流电源模块AC VOLTAGE SOURCE ，可以设置电压和频率，然后双击该模块，便弹出它的属性对话框，模块中已经给了交流电模块美国电气参数的国际单位制，点击OK完成设置。

（2）放置并设置整流二极管

打开SIMULINK LIBRARY BROWER窗口，→点击SIMPOWERSYSTEMS模块库，→点击ELECTRICAL SOURCSE模块库，→用鼠标右键点击整流二极管模块DIODE，点击ADD TO 文件名。点击整流二极管模块的名称框，可以更改名称，然后双击该模块边弹出它的属性对话框，进行参数设置然后点击OK完成属性参数的设置操作。

（3）放置电阻器，电感器，电容器

打开SIMULINK LIBRARY BROWER窗口，→点击SIMPOWERSYSTEMS模块库，→点击ELECTRICAL SOURCSE模块库，→鼠标 点击串联性分支模块SERIES RLC BRANCH ，→点击ADD TO 文件名。点击串联性分支模块SERIES RLC BRANCH的名称框，由于它包含有电阻器，电感器，电容器，他们的默认单位均为国际单位制，分别为Ω，H ，F.进行参数设置然后点击OK便完成串联性分支模块的属性设置操作。

（4） 放置地线模块

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在电路的方针模型中，没有地线，计算机在作仿真计算时，若没有零电位的参考点便无法发进行仿真，所以，必须防止地线。地线在SIMPOWERSYSTEMS模块库的CONNECTORS模块库。MATLAB中，有二种类型的地线，既INPUT GROUND和OUTPUT GROUND。它们的区别在于连接线的方向不一样。

（5） 设置仿真参数

点击文件窗口，点击SIMULATION按钮，→点击SIMULAITION PARAMETERS,弹出一个方阵参数对话框，点OK可以完成仿真参数的设置操作。便可获取仿真结果。

§2.2如何简化电路的仿真模型

在MATLAB中，已经设计了单相和三相整流桥模块，且在MATLAB中，它们有一个专门的名字叫通用桥（UNIVERSAL BRIDGE）.他们分为以下几种拓扑结构：

（1） 由二极管构成的不可控整流电路/逆变桥电路 （2） 可控硅整流桥（THYRISTOR）电路/逆变桥电路 （3） GTO-DIODE式可控整流电路/逆变桥电路 （4） MOSFET-DIODE式可控整流电路/逆变桥电路 （5） IGBT-DIODE式可控整流电路/逆变桥电路

（6） 理想开关器件（IDEAL SWITCH）式整流电路/逆变桥电路

所以，在用MATLAB软件构建仿真模型时可以直接调用UNIVERSAL BRIDGE模块，其调用和参数设置方法为：

打开SIMULINK LIBRARY BROWER窗口→点击SIMPOWERSYSTEMS模块库→点击POWER ELECTRONICS模块库，→鼠标右键点击UNIVERSAL BRIDGE模块→点击ADD TO 文件名，保存。然后双击该模块便弹出属性参数设置对话框，完成设置。

§2.3基本电力电子电路设计方法 §2.3.1电源功能模块

电源是电子电路和由电子电路构成的各种电子设备的动力或核心。没有它提供能源，电子电路和电子设备就无法正常实现他们各自的功能。而电源的性能好坏与否，将直接影响整个设备的精度，稳定性和可靠性。为此在构建电路的仿真模型时，需要选择合适类型和性能优良的仿真电源，这已成为仿真过程中的一项

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：基于MATLAB的电力电子技术仿真实验设计

重要任务和步骤。

在SIMULINK中专门设置了一个名为SIMPOWERSYSTEMS的模块库，其中包括电源元件库（ELECTRICAL SOURCES）,它包含了产生电信号的各种元件，包括7种电源功能模块

（1） 直流电压源（DC VOLTAGE SOURCE） （2） 交流电压源（AC VOLTAGE SOURCE） （3） 交流电流源（AC CURRENT SOURCE） （4） 受控电压源（CONTROLLED VOLTAGE SOURCE） （5） 受控电流源（CONTROLLED CURRENT SOURCE） （6） 三相电源（3-PHASE SOURCE）

（7） 三相可编程电压源（3-PHASE PROGRAMMABLE VOLTAGE SOURCE）

§2.3.2典型电路设计方法

（1） 直流电源电路仿真法

设置直流电压源（DC VOKTAGE SOURCE）的AMPLITUDE（幅值）；

开关BREAKER模块：最重要的参数就是SWITCHING TIME，其他参数可以直接利用它的默认参数；构建电阻R和电容C；设置TO WORKSPACE模块；设置仿真参数；启动仿真程序；分析电路的仿真结果。

（2） 交流电压源电路仿真法

设置交流电压源（AC VOLTAGE SOURCE）；设置TO WORKSPACE模块；设置仿真参数；启动仿真程序；分析电路的仿真结果。

（3） 交流电流源仿真方法

设置AC CURRENT SOURCE模块；设置TO WORKSPACE模块；设置仿真参数；启动仿真程序；分析电路的仿真结果。

（4）可控交流电源电路仿真法

设置AC CURRENT SOURCE模块；设置TO WORKSPACE模块；设置CONTROLLED CURRENT SOURCE模块；设置仿真参数；启动仿真程序；分析电路的仿真结果。

（4） 可控交流电压源仿真法

设置AC VOLTAGE SOURCE模块；设置TO WORKSPACE模块；设置CONTROLLED VOLTAGE

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SOURCE模块；设置SCOPE模块；设置STEP模块；设置SWITCH模块；设置仿真参数；启动仿真程序；分析电路的仿真结果。

§2.4常用电力电子电路设计法 §2.4.1ELEMENTS模块库

在SIMULINK里面的SIMPOWERSYSTEMS的模块库中，包含有线路元件库ELEMENTS。在ELEMENTS元件库中，基本涵盖了绝大多数电路所需元器件，如电阻器，电容器，，输电线，变压器，断路器等重要原件。主要包括BREAKER功能模块和LINEAR TRANSFORMER功能模块。

§2.4.2POWER ELECTRONICS模块库

SIMULINK里面的SIMPOWERSYSTEMS的模块库中，包含电力电子元件库（POWER

ELECTRONICS）。在POWER ELECTRONICS元件库中，基本上涵盖了绝大多数电路所需的开关元件，如晶体二极管，GTO，IGBT,MOSFET,THYRISTOR,理想开关，THREE-LEVEL BRIDGE和UNIVERSAL BRIDGE等重要器件。主要包括IDEAL SWITCH功能模块和IGBT功能模块。

§2.5 MATLAB中电路的数学描述法

电路的数学描述和建模，属于控制系统的一部分。测控系统和电力系统的数学

描述，建模与控制系统相类似，可以利用控制系统的数学描述和建模方法，对电路进行数学描述与建模分析。MATLAB提供了简洁的仿真和模块库工具箱，通过电路图的绘制，MATLAB自动生成数学模型。

（1） 命令函数Power2sys的使用方法

命令格式：SYS=Power2sys(‘SYS’，‘structure’)

说明：SYS表示在SIMPOWERSYSTEMS中建立的仿真模型的名称。该命令将用来对该电路模型的结构进行分析，并生成该电路模型的结构信息表。

命令格式：SYS=Power2sys(‘SYS’，‘sort’) 说明：该命令显示电路图中元件和支路的相关信息 命令格式：

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