MATLAB在電力電子技術中的應用MATLAB仿真論文

1、MATLAB在電力電子技術中的應用摘 要20世紀60年代發(fā)展起來的電力電子技術，使電能可以交換和控制，產(chǎn)生了現(xiàn)代各種高效節(jié)能的新型電源和交直流調(diào)速裝置，為工業(yè)生產(chǎn)，交通運輸，樓宇辦公家庭自動化提供了現(xiàn)代化的高新技術，提高了生產(chǎn)效率和人們的生活質(zhì)量，使人類社會生產(chǎn)生活發(fā)生了巨大變化。電力電子技術和電力拖動控制系統(tǒng)組合了電子電路電機拖動自動控制理論微機原理和應用等多學科知識，由于電力電子器件自身的非關聯(lián)性，給電力電子電路和系統(tǒng)的分析了一定的復雜性和困難，一般常用波形分析和分段線性化處理的方法來研究電力電子電路?，F(xiàn)代計算機仿真技術為電力電子電路和系統(tǒng)的分析提供了嶄新的方法，可以使復雜的電力電子電路系

2、統(tǒng)的分析和設計變得更加容易和有效。MATLAB軟件是由美國Math Works公司推出的用于數(shù)值計算和圖形處理的科學計算軟件系統(tǒng)被譽為“巨人肩上的工具”MATLAB早期主要用于控制系統(tǒng)的仿真，經(jīng)過不斷擴展已經(jīng)成為包含通信電氣工程優(yōu)化控制等諸多領域的科學計算軟件，可以用于電力電子電路和電力拖動控制系統(tǒng)的仿真。因此本課題在MATLAB的基礎上進行電力電子變流電路的仿真，運用現(xiàn)代仿真技術研究和比較各種電力電子變流電路。關鍵詞：MATLAB,電力電子技術,仿真3MATLAB in power electronics applicationAbstractIn the 1960s developed t

3、he 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 house

4、hold 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 and the electric drive control system combined the electro

5、nic circuit electrical machinery dragging automatic control theory microcomputer principle and the application and so on multi-disciplinary knowledge, as a result of power electronics device own non-relatedness, for the power electronics circuit and system's analysis certain complexity and the d

6、ifficulty, 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 com

7、plex 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 to

8、ol” 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 an

9、d 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 emula

10、tion technique.Key words: matlab, power electronics, simulation目錄MATLAB在電力電子技術中的應用1MATLAB in power electronics application2目錄41緒論61.1關于MATLAB軟件61.1.1 MATLAB軟件是什么61.1.2 MATLAB軟件的特點和基本操作窗口71.1.3 MATLAB軟件的基本操作方法101.2電力電子技術121.3 MATLAB和電力電子技術131.4本文完成的主要內(nèi)容142 MATLAB軟件在電路中的應用152.1基本電氣元件152.1.1基本電氣元件簡介152

11、.1.2如何調(diào)用基本電器元件功能模塊172.2如何簡化電路的仿真模型192.3基本電路設計方法192.3.1電源功能模塊192.3.2典型電路設計方法202.4常用電路設計法212.4.1ELEMENTS模塊庫212.4.2POWER ELECTRONICS模塊庫222.5 MATLAB中電路的數(shù)學描述法223電力電子變流的仿真253.1實驗的意義253.2 交流-直流變流器253.2.1 單相橋式全控整流電路仿真263.2.2 三相橋式全控整流電路仿真383.3 三相交流調(diào)壓器533.3.1 無中線星形聯(lián)結(jié)三相交流調(diào)壓器533.3.2 支路控制三角形聯(lián)結(jié)三相交流調(diào)壓器593.4交流-交流變頻

12、電路仿真643.5矩陣式整流器的仿真67結(jié)論72致謝73參考文獻74附錄 外文文獻翻譯75561緒論1.1關于MATLAB軟件作為當今世界最流行的第四代計算機語言，MATLAB軟件語言系統(tǒng)，由于它在科學計算，網(wǎng)絡控制，系統(tǒng)建模與仿真，數(shù)據(jù)分析，自動控制，圖形圖像處理航天航空，生物醫(yī)學，物理學，通信系統(tǒng)，DSP處理系統(tǒng)，財務，電子商務，等不同領域的廣泛應用以及它自身所具備的獨特優(yōu)勢，目前MATLAB已備受許多科研領域的青睞與關注。1.1.1 MATLAB軟件是什么MATLAB軟件是由美國公司MATH WORKS公司推出的用于數(shù)值計算和圖形處理的科學計算系統(tǒng)。MATLAB的英文是MATRIX LA

13、BORATORY(矩陣實驗室)的縮寫，被譽為“巨人肩膀上的工具”。由于使用MATLAB編程運算與人進行科學計算的思路和表達方式一直，所以不像學習其他高級語言那樣難于掌握，用MATLAB編寫程序有如在演算紙上排列出公式與求解問題。在這個環(huán)境下對所要求解的問題，用戶只需要簡單的列出數(shù)學表達式，其結(jié)果便以數(shù)值或者圖形方式顯示出來。最早開發(fā)MATLAB軟件的目的就是幫助學校的老師和學生更好的授課和學習。從MATLAB誕生開始，由于其高度的繼承性和應用的方便性，在高校中得到了廣泛的應用與推廣。由于它能非?？斓膶崿F(xiàn)科研人員的設想，極大的節(jié)約了科研人員的時間，受到了大多科研人員的重視與青睞。它可以很方便地設

14、計出漂亮的界面，例如它像VB一樣可以設計出漂亮的用戶接口，同時因為它還具有最豐富的函數(shù)庫，極易實現(xiàn)計算功能。另外MATLAB和其他高級語言也具有良好的接口，可以很方便地與其他語言實現(xiàn)混合編程，這都進一步拓寬了它的應用范圍和使用領域。在美國的一些大學里，MATLAB軟件正成為對數(shù)值，線性代數(shù)以及其他一些高等應用數(shù)學課程的輔助教學的有力工具；在工程技術界，MATLAB也被用來構建與分析一些實際課程的數(shù)學模型，其典型的應用包括數(shù)值計算，算法預測與驗證，以及一些特殊矩陣的計算應用，如自動控制理論，統(tǒng)計，數(shù)字信號處理，圖像處理，系統(tǒng)辨識和神經(jīng)網(wǎng)絡等。它包括了被稱為工具箱的各類應用問題的解求工具。工具箱實

15、際上是對MATLAB軟件進行擴展應用的一系列MATLAB函數(shù)，它可以用來求解許多科學門類數(shù)據(jù)處理與分析問題1.1.2 MATLAB軟件的特點和基本操作窗口在MATLAB環(huán)境下用戶可以方便的進行程序設計，數(shù)值計算。圖形繪制，輸入輸出，文件管理等各項操作。MATLAB提供了一個人機交互的數(shù)學系統(tǒng)環(huán)境，該系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)是矩陣，在生成矩陣對象時不要求做明確的維數(shù)說明。與利用C語言和FORTRAN語言作數(shù)值計算的程序設計相比利用MATLAB軟件可以大量節(jié)省編程時間。它具有以下特色：強大的數(shù)值和符號計算功能，計算功能強大，符號數(shù)值的各種形式和規(guī)模的計算都能完成，強大的矩陣運算能力以及稀疏矩陣的處理能力可以

16、解決大型文體。MATLAB的數(shù)值計算功能包括矩陣運算，多項式和有理分式計算，數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析，數(shù)值積分，優(yōu)化處理等。簡單易學的語言。MATLAB除了命令行的交互式操作以外，還可以程序方式工作，使用MATLAB可以很容易的實現(xiàn)C或FORTRAN語言的全部功能，包括WINDOWS圖形用戶界面的設計，并且編程語言簡單易學。MATLAB程序可擴展性強，用戶可編輯自己的工具箱。強大的圖形功能。MATLAB提供了兩個層次的圖形命令語句：一種是對圖形進行低級通行出的命令語句；另一種是建立在低級圖形命令之上的高級圖形命令。利用MATLAB的高級圖形命令可以輕易地繪制二維，三維乃至四維圖形，可以進行圖形和坐標的表示

17、，視角和光照設計，色彩精細控制等等。獨具特色的應用工具箱。MATLAB應用工具箱分為基本工具箱，通用工具箱，專業(yè)工具箱?；竟ぞ呦渲杏袛?shù)百個內(nèi)部函數(shù)，是其最核心的部分。通用工具箱主要用來擴充其符號計算功能，可視建模仿真功能及文字處理功能等。專業(yè)工具箱的專業(yè)性比較強，如控制系統(tǒng)電力系統(tǒng)，信號處理，神經(jīng)網(wǎng)絡，最優(yōu)化，金融等工具箱，用戶可以直接利用這些工具箱進行相關領域的科學研究。MATLAB軟件的常用窗口簡介。命令窗口（COMMAND WINDOWS）命令窗口是MATLAB軟件最基本的窗口。缺省情況下位于MATLAB桌面的右側(cè)。該窗口時運行各種MATLAB命令的最主要窗口。在該窗口內(nèi)，可以以鍵入各

18、種MATLAB命令，函數(shù)，表達式，并顯示除圖形形式外的運算結(jié)果。歷史命令窗口（COMMAND HISTORY）。歷史命令窗口位于MATLAB操作桌面的左下側(cè)。歷史命令窗口記錄用戶在MATLAB命令窗口輸入過的所有命令行。歷史命令窗口可以用于單行或者多行命令的復制和運行，生成M文件等。使用方法如下。左鍵選中單行或者多行命令，鼠標右鍵激活菜單單項，菜單單項中包括COPY,EVALUATE SELECTION和CREATE M FILE命令語句，以及刪除等命令。歷史命令窗口也可以切換成獨立窗口和嵌入窗口。工作空間瀏覽器（WORKSPACE BROWSER）在缺省的情況下，當前目錄瀏覽器位于MATLA

19、B桌面的左上方前臺，工作空間瀏覽器中可以查閱保存編輯內(nèi)存或刪除內(nèi)存變量。選中變量，單擊右鍵打開菜單項。菜單中OPEN命令可以在ARRAY EDITOR中打開變量。GRAPH命令可以選擇適當?shù)膱D形命令使變量可視化。當前目錄瀏覽器（CURRENT DIRECTORY BROWSER）缺省情況下，位于MATALB這么多左上方前臺。點擊CURRENT DIRECTORY即可在前臺看到。選中文件可以完成打開或者運行M文件，裝載數(shù)據(jù)文件等操作。內(nèi)存組數(shù)據(jù)編輯器（ARRAY EDTIOR）利用內(nèi)存組數(shù)據(jù)編輯器，可以輸入大數(shù)組。首先在命令窗口創(chuàng)建新變量。然后在工作空間瀏覽器中雙擊該變量，在數(shù)據(jù)組編輯器中打開變

20、量。在NUMERIC FORMAT中選擇適當?shù)臄?shù)據(jù)類型，在SIZE中輸入行數(shù)，即可得到一個大規(guī)模數(shù)據(jù)組。修改數(shù)組元素之，可以得到所需數(shù)組。這對于要將變量數(shù)據(jù)調(diào)出來，用其他軟件繪制圖形時特別有用。M文件編輯器/調(diào)試器（EDITOR/DEBUGGER）對于簡單的或一次性的問題，可以通過在命令窗口直接輸入一組命令行去求解。當所需命令行較多或者需要重復使用一段命令時，就要用到M腳本編程。點擊MATALB的下拉菜單項file點擊NEW點擊M-FILE,可以創(chuàng)建一個M文件；點擊MATALB的下拉菜單項FILE,點擊OPEN，則可以打開一個M文件。交互界面分類目錄窗口（LAUNCH PAD）可以通過點擊MA

21、TALB中菜單項VIEW，點擊LAUNCH PAD,打開交互界面分類目錄窗口。該窗口可以展開的樹狀結(jié)構顯示MATALB提供的所有交互界面，包括幫助界面，演示界面和各種應用交互界面。通過雙擊樹結(jié)構上的分類圖標，即可得到相應的交互界面。幫助導航/瀏覽器（HELP NAVIGATOR/BROWSER）詳盡展示又超文本寫成的有關MATALB的在線幫助。1.1.3 MATLAB軟件的基本操作方法(1).文件管理方法例如MATLAB軟件安裝在X: MATLAB下，每次啟動MATLAB時該目錄始終有效，因此要打開某個MATLAB文件，計算機都會從該默認的路徑去查找文件，當然這個默認的路徑可以不是當前操作的路

22、徑，為了方便最好把默認路徑重新設置到需要的路徑上去。(2).靈活使用幫助系統(tǒng)MATLAB的所有執(zhí)行命令，函數(shù)的M文件都有一個注釋區(qū)。該區(qū)域中純文本形式簡要的敘述該函數(shù)的調(diào)用格式和輸入輸入量含義。在命令窗口中運行help命令可以獲得不同范圍的幫助。(3).基本繪圖方法介紹MATLAB提供了豐富的繪圖功能。在命令窗口中鍵入help graph2d,便可以得到所有繪制二維圖形的命令語句；在命令窗口輸入 help graph3d便可以得到所有繪制三維圖形的命令。(4).資料的儲存與載入方法MATLAB儲存變量的基本命令時SAVE，如果不加任何選項時，SAVE會將變量與二進制的方式儲存至后綴名為MAT的

23、檔案，（如*.MAT）：SAVE：該命令將當前工作空間中所有變量儲存到名為MATLAB.MAT的二進制檔案。SAVE D:FLIENAME： 該命令將當前空間所有變量儲存到d盤名為FILENAME.MAT的二進制檔案。SAVE D:FILENAME X Y Z：該命令將當前工作空間中的X,Y,Z儲存到D盤名為FILENAME.MAT的二進制檔案。(6).一些注意事項：MATLAB可同時執(zhí)行數(shù)個命令語句，只需要以逗號或者分號將各個命令隔開。若要輸入矩陣，必須在同一行結(jié)尾加上分毫“；”。若要檢查當前工作共建的變量個數(shù)，可以鍵入WHO。若要知道變量的詳細資料可以鍵入“WHOS”。使用CLEAR可以刪

24、除工作空間的所用變量。使用CLC可以刪除命令窗口中所有變量。使用CLF可以清除圖形窗口中的圖形。在英文輸入狀態(tài)下輸入這些命令以免出錯。另外，MATLAB有些永久常數(shù)，雖然在工作空間中看不到，但使用者可以直接取用，例如pi=3.1416；I或者j為基本虛數(shù)單位，eps為系統(tǒng)浮點計算相對精度；inf為無限大，如1/0；nan為非數(shù)值，如0/0。(7).一些重要的系統(tǒng)命令如下表：命令含義命令含義Help在線幫助ceho命令回顯Helpwin在線幫助窗口Cd改變當前的工作目錄Helpdesk在線幫助工作臺Pwd顯示當前工作目錄Demo運行演示程序Dir指定目錄的文件清單Ver版本信息Unix執(zhí)行uni

25、x命令readme顯示readme文件Dos執(zhí)行dos命令Who顯示當前變量!執(zhí)行操作系統(tǒng)命令Whos顯示當前變量詳細信息computer顯示計算機類型Clear清除內(nèi)存變量What顯示指定MATLAB文件Pack整理工作間的內(nèi)存Lookfor在HELP里搜索關鍵字Load把文件變量調(diào)入工作空間Which定位函數(shù)文件Save把變量存入文件中Pach獲取或設置所搜目錄Quit/exit退出MATLABClc清空命令窗口中的內(nèi)容Clf清理圖形窗口Open打開文件Md創(chuàng)建目錄More使顯示內(nèi)容分頁顯示Edit打開M文件編輯器Type顯示M文件的內(nèi)容whick指出文件坐在目錄表1-1 重要的MATLA

26、B的系統(tǒng)命令1.2電力電子技術電力電子技術是一門新興的應用于電力領域的電子技術，就是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術。電力電子技術所變換的“電力”功率可大到數(shù)百MW甚至GW，也可以小到數(shù)W甚至1W以下，和以信息處理為主的信息電子技術不同電力電子技術主要用于電力變換。電力電子技術分為電力電子器件制造技術和交流技術（整流，逆變，斬波，變頻，變相等）兩個分支?，F(xiàn)已成為現(xiàn)代電氣 工程與自動化專業(yè)不可缺少的一門專業(yè)基礎課，在培養(yǎng)該專業(yè)人才中占有重要地位。電力電子技術的重要作用(1) 優(yōu)化電能使用。通過電力電子技術對電能的處理，使電能的使用達到合理、高效和節(jié)約，實現(xiàn)了電能使用最佳化。例如，在節(jié)電

27、方面，針對風機水泵、電力牽引、軋機冶煉、輕工造紙、工業(yè)窯爐、感應加熱、電焊、化工、電解等14個方面的調(diào)查，潛在節(jié)電總量相當于1990年全國發(fā)電量的16%，所以推廣應用電力電子技術是節(jié)能的一項戰(zhàn)略措施，一般節(jié)能效果可達10%-40%，我國已將許多裝置列入節(jié)能的推廣應用項目。(2) 改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和發(fā)展機電一體化等新興產(chǎn)業(yè)。據(jù)發(fā)達國家預測，今后將有95%的電能要經(jīng)電力電子技術處理后再使用，即工業(yè)和民用的各種機電設備中，有95%與電力電子產(chǎn)業(yè)有關，特別是，電力電子技術是弱電控制強電的媒體，是機電設備與計算機之間的重要接口，它為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)采用微電子技術創(chuàng)造了條件，成為發(fā)揮計算機作用的保證和基礎。

28、(3) 電力電子技術高頻化和變頻技術的發(fā)展，將使機電設備突破工頻傳統(tǒng)，向高頻化方向發(fā)展。實現(xiàn)最佳工作效率，將使機電設備的體積減小幾倍、幾十倍，響應速度達到高速化，并能適應任何基準信號，實現(xiàn)無噪音且具有全新的功能和用途。(4) 電力電子智能化的進展，在一定程度上將信息處理與功率處理合一，使微電子技術與電力電子技術一體化，其發(fā)展有可能引起電子技術的重大改革。有人甚至提出，電子學的下一項革命將發(fā)生在以工業(yè)設備和電網(wǎng)為對象的電子技術應用領域，電力電子技術將把人們帶到第二次電子革命的邊緣。1.3 MATLAB和電力電子技術電力電子技術是一門實踐性較強的專業(yè)科學知識，基于MATLAB的虛擬實驗的設計思想,

29、開發(fā)出相應的仿真平臺，既可用于模擬實驗改善實驗條件，又可以成為自學的輔助工具?；趕ilmulink模塊庫，可以對電力系統(tǒng)的發(fā)電輸電和用電三個方面進行建模與仿真，可以研究電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行，可以研究電動機的變頻調(diào)速系統(tǒng)。1.4 本文完成的主要內(nèi)容本文闡述了MATLAB在電力電子技術上的應用，給出了矢量控制的基本方程。介紹了MATLAB軟件的基本用法，以及MATLAB軟件在電力電子技術上的應用上的方法。 最后，在MATLAB的基礎上進行電力電子變流電路的仿真，運用現(xiàn)代仿真技術研究和比較各種電力電子變流電路。采用MATLAB對電力電子變流電路進行仿真研究，建立仿真模型提取電路元器件模塊，將電

30、路元器件按原理圖連接起來組成仿真電路，設置模型參數(shù)，模型進行仿真。對各種電力電子變流電路進行研究比較。2 MATLAB軟件在電路中的應用2.1基本電氣元件介紹MATLAB軟件中SIMPOWERSYSTEMS里的典型元件庫，如電阻，電容，電感，變壓器，開關器件等基本器件的調(diào)用方法；重要電路的建模方法，分析技巧與設計技術。2.1.1基本電氣元件簡介對于一個簡單電路而言，要確保它正常工作，需要包括以下集中或者全部元器件，如電源，電阻器，電容器，電感器，晶體二極管，晶體三極管等基本器件。（1） 電阻器簡介電阻器在電路中用R表示，如R7表示編號為7的電阻器。電阻在電氣中的主要作用為分流，限流，分壓，偏置

31、等。衡量電阻器的兩個基本參數(shù)是阻值和功率。阻值用來表示電阻器對電流阻礙作用的大小，用表示。除了基本單位外，還有K（千歐），M（兆歐）。功率用來表示電阻所能承受的最大電流，用W表示。（2） 電容器簡介電容器在電路中一般用“C”加數(shù)字表示（如C18表示編號18的電容器）。電容器是有兩片金屬膜緊靠，中間用絕緣材料隔開而組成的元件。電容器的特性主要是隔直流通交流。電容器的大小就是表示它能貯存電能的大小，電容器對交流信號的阻礙作用稱為容抗；它與交流信號的頻率和電容量有關。容抗X=1/(2fC)，f表示交流信號的頻率，C表示電容容量。電容的基本單位用F表示，其他單位還有mF（毫法），F(xiàn)（微法），nF（納法

32、），pF（皮法）。（3）晶體二極管簡介晶體二極管在電路中常用“VD”加數(shù)字表示，如VD3表示編號為3的二極管。二極管的主要特性就是單向?qū)щ娦裕簿褪窃谡螂妷旱淖饔孟?，導通電阻很?。欢诜聪螂妷鹤饔孟聦娮铇O大或者無窮大。正因為二極管具有上述特性，常把它作用在整流，開關，隔離，穩(wěn)壓，極性保護。編碼控制，調(diào)頻調(diào)制，靜噪等功能電路中。因此二極管按作用可以分為整流二極管，續(xù)流二極管，開關二極管，穩(wěn)壓二極管和限幅二極管等。（4）晶體三極管簡介晶體三極管在電路中常用VT加數(shù)字表示，如VT3表示編號為3的三極管。三極管內(nèi)部還有2個PN結(jié)，并且具有放大作用和開關作用。它有三個極，分別為b（基極）c（集電極

33、）e（發(fā)射極）。它分為NPN和PNP兩種類型。發(fā)射極上的箭頭表示通過三極管的電流方向，兩類三極管中的電流方向是相反的。這兩種類型的三極管從工作特性上可以互相彌補，所謂OTL電路中的對管就是有PNP和NPN型配對而成。 （5）MOS場效應晶體管簡介MOS場效應晶體管即金屬-氧化物-半導體型場效應管，屬于絕緣柵型。其主要特點是金屬柵極與溝道之間有一層二氧化硅絕緣層，因此具有很好的輸入電阻。它分N溝道和P溝道，通常是將襯底與源極S接在一起。根據(jù)導電方式的不同MOS場效應晶體管又分為增強型和耗盡型。增強型是只電壓等于0時管子呈截止狀態(tài)，加上正確的電壓后，多數(shù)載流子被吸引到柵極，從而增強了該區(qū)域的載流子

34、形成導電溝道；所謂耗盡型是指，電壓等于0時，形成溝道，加上正確電壓后，能使多數(shù)載流子流出溝道，因而耗盡了載流子，使管子轉(zhuǎn)向截留狀態(tài)。（6）電感線圈，和電容器一樣，也是一種儲能元件。電感線圈能把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌瞿埽⒃诖艌鲋袃Υ婺芰?。電抗器用符號L表示，其電極的基本單位是H（亨利），常用的有Mh和H，它通常和電容器一起工作，構成LC濾波器，LC振蕩器等。人們還利用電感的特性，制造了阻流圈，變壓器，繼電器等。（7）變壓器簡介變壓器是變換交流電壓，電流和阻抗的器件，當初級繞組中通有交流電時，鐵心中便產(chǎn)生交流磁通，使次級線圈中感應出電壓。變壓器由鐵心和繞組組成，繞組有兩個或以上的繞組，其中接電源的繞組叫

35、初級繞組，其余繞組叫次級繞組。按電源相數(shù)來分，變壓器單相，三相和多相集中形式。2.1.2如何調(diào)用基本電器元件功能模塊（1）如何放置并設置交流電源打開SIMULINK LIBRARY BROWER窗口，點擊SIMPOWERSYSTEMS模塊庫，點擊ELECTRICAL SOURCSE模塊庫，用鼠標右鍵點擊交流電源模塊AC VOLTAGE SOURCE,點擊ADD to文件名，便將交流電源模塊發(fā)送到文件中去，點擊交流電源模塊AC VOLTAGE SOURCE ，可以設置電壓和頻率，然后雙擊該模塊，便彈出它的屬性對話框，模塊中已經(jīng)給了交流電模塊美國電氣參數(shù)的國際單位制，點擊OK完成設置。（2）如何放

36、置并設置整流二極管打開SIMULINK LIBRARY BROWER窗口，點擊SIMPOWERSYSTEMS模塊庫，點擊ELECTRICAL SOURCSE模塊庫，用鼠標右鍵點擊整流二極管模塊DIODE，點擊ADD TO 文件名。點擊整流二極管模塊的名稱框，可以更改名稱，然后雙擊該模塊邊彈出它的屬性對話框，進行參數(shù)設置然后點擊OK完成屬性參數(shù)的設置操作。（3） 如何放置電阻器，電感器，電容器打開SIMULINK LIBRARY BROWER窗口，點擊SIMPOWERSYSTEMS模塊庫，點擊ELECTRICAL SOURCSE模塊庫，鼠標 點擊串聯(lián)性分支模塊SERIES RLC BRANCH

37、，點擊ADD TO 文件名。點擊串聯(lián)性分支模塊SERIES RLC BRANCH的名稱框，由于它包含有電阻器，電感器，電容器，他們的默認單位均為國際單位制，分別為，H ，F(xiàn).進行參數(shù)設置然后點擊OK便完成串聯(lián)性分支模塊的屬性設置操作。（4） 如何放置地線模塊在電路的方針模型中，沒有地線，計算機在作仿真計算時，若沒有零電位的參考點便無法發(fā)進行仿真，所以，必須防止地線。地線在SIMPOWERSYSTEMS模塊庫的CONNECTORS模塊庫。MATLAB中，有二種類型的地線，既INPUT GROUND和OUTPUT GROUND。它們的區(qū)別在于連接線的方向不一樣。（5） 如何設置仿真參數(shù)點擊文件窗口

38、，點擊SIMULATION按鈕，點擊SIMULAITION PARAMETERS,彈出一個方陣參數(shù)對話框，點OK可以完成仿真參數(shù)的設置操作。便可獲取仿真結(jié)果。2.2如何簡化電路的仿真模型在MATLAB中，已經(jīng)設計了單相和三相整流橋模塊，且在MATLAB中，它們有一個專門的名字叫通用橋（UNIVERSAL BRIDGE）.他們分為以下幾種拓撲結(jié)構：（1） 由二極管構成的不可控整流電路/逆變橋電路（2） 可控硅整流橋（THYRISTOR）電路/逆變橋電路（3） GTO-DIODE式可控整流電路/逆變橋電路（4） MOSFET-DIODE式可控整流電路/逆變橋電路（5） IGBT-DIODE式可控整

39、流電路/逆變橋電路（6） 理想開關器件（IDEAL SWITCH）式整流電路/逆變橋電路所以，在用MATLAB軟件構建仿真模型時可以直接調(diào)用UNIVERSAL BRIDGE模塊，其調(diào)用和參數(shù)設置方法為：打開SIMULINK LIBRARY BROWER窗口點擊SIMPOWERSYSTEMS模塊庫點擊POWER ELECTRONICS模塊庫，鼠標右鍵點擊UNIVERSAL BRIDGE模塊點擊ADD TO 文件名，保存。然后雙擊該模塊便彈出屬性參數(shù)設置對話框，完成設置。2.3基本電路設計方法2.3.1電源功能模塊電源是電子電路和由電子電路構成的各種電子設備的動力或核心。，沒有它提供能源，電子電路

40、和電子設備就無法正常實現(xiàn)他們各自的功能。而電源的性能好壞與否，將直接影響整個設備的精度，穩(wěn)定性和可靠性。為此在構建電路的仿真模型時，需要選擇合適類型和性能優(yōu)良的仿真電源，這已成為仿真過程中的一項重要任務和步驟。在SIMULINK中專門設置了一個名為SIMPOWERSYSTEMS的模塊庫，其中包括電源元件庫（ELECTRICAL SOURCES）,它包含了產(chǎn)生電信號的各種元件，包括7種電源功能模塊（1） 直流電壓源（DC VOLTAGE SOURCE）（2） 交流電壓源（AC VOLTAGE SOURCE）（3） 交流電流源（AC CURRENT SOURCE）（4） 受控電壓源（CONTROL

41、LED VOLTAGE SOURCE）（5） 受控電流源（CONTROLLED CURRENT SOURCE）（6） 三相電源（3-PHASE SOURCE）（7） 三相可編程電壓源（3-PHASE PROGRAMMABLE VOLTAGE SOURCE）2.3.2典型電路設計方法（1） 直流電源電路仿真法設置直流電壓源（DC VOKTAGE SOURCE）的AMPLITUDE（幅值）；開關BREAKER模塊：最重要的參數(shù)就是SWITCHING TIME，其他參數(shù)可以直接利用它的默認參數(shù)；構建電阻R和電容C；設置TO WORKSPACE模塊；設置仿真參數(shù)；啟動仿真程序；分析電路的仿真結(jié)果。（2

42、） 交流電壓源電路仿真法設置交流電壓源（AC VOLTAGE SOURCE）；設置TO WORKSPACE模塊；設置仿真參數(shù)；啟動仿真程序；分析電路的仿真結(jié)果。（3） 交流電流源仿真方法設置AC CURRENT SOURCE模塊；設置TO WORKSPACE模塊；設置仿真參數(shù)；啟動仿真程序；分析電路的仿真結(jié)果。（4）可控交流電源電路仿真法設置AC CURRENT SOURCE模塊；設置TO WORKSPACE模塊；設置CONTROLLED CURRENT SOURCE模塊；設置仿真參數(shù)；啟動仿真程序；分析電路的仿真結(jié)果。（4） 可控交流電壓源仿真法設置AC VOLTAGE SOURCE模塊；設

43、置TO WORKSPACE模塊；設置CONTROLLED VOLTAGE SOURCE模塊；設置SCOPE模塊；設置STEP模塊；設置SWITCH模塊；設置仿真參數(shù)；啟動仿真程序；分析電路的仿真結(jié)果2.4常用電路設計法2.4.1ELEMENTS模塊庫在SIMULINK里面的SIMPOWERSYSTEMS的模塊庫中，包含有線路元件庫ELEMENTS。在ELEMENTS元件庫中，基本涵蓋了絕大多數(shù)電路所需元器件，如電阻器，電容器，輸電線，變壓器，斷路器等重要原件。主要包括BREAKER功能模塊和LINEAR TRANSFORMER功能模塊2.4.2POWER ELECTRONICS模塊庫 SIMU

44、LINK里面的SIMPOWERSYSTEMS的模塊庫中，包含電力電子元件庫（POWER ELECTRONICS）。在POWER ELECTRONICS元件庫中，基本上涵蓋了絕大多數(shù)電路所需的開關元件，如晶體二極管，GTO，IGBT,MOSFET,THYRISTOR,理想開關，THREE-LEVEL BRIDGE和UNIVERSAL BRIDGE等重要器件。主要包括IDEAL SWITCH功能模塊和IGBT功能模塊。2.5 MATLAB中電路的數(shù)學描述法 電路的數(shù)學描述和建模，屬于控制系統(tǒng)的一部分。測控系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的數(shù)學描述，建模與控制系統(tǒng)相類似，可以利用控制系統(tǒng)的數(shù)學描述和建模方法，對電路進

45、行數(shù)學描述與建模分析。MATLAB提供了簡潔的仿真和模塊庫工具箱，通過電路圖的繪制，MATLAB自動生成數(shù)學模型。（1） 命令函數(shù)Power2sys的使用方法命令格式：SYS=Power2sys(SYS，structure)說明：SYS表示在SIMPOWERSYSTEMS中建立的仿真模型的名稱。該命令將用來對該電路模型的結(jié)構進行分析，并生成該電路模型的結(jié)構信息表。命令格式：SYS=Power2sys(SYS，sort)說明：該命令顯示電路圖中元件和支路的相關信息命令格式：A,B,C,D,x0,states,inputs,outputs,uss,xss,yss,freqyss,hlin= Pow

46、er2sys(SYS)說明：該命令將用來顯示電力系統(tǒng)模型sys的中的結(jié)果信息，輸出量由該函數(shù)控制。A,B,C,D分別表示電力系統(tǒng)的狀態(tài)方程模型中的矩陣，x0表示電路和電力系統(tǒng)初始值向量。States表示電力系統(tǒng)的狀態(tài)變量，inputs表示電力系統(tǒng)的輸入量；outputs表示電力系統(tǒng)輸出量，uss表示電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的輸入向量，xss表示電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的狀態(tài)矩陣變量，yss表示電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的輸出向量，freqyss表示電源頻率向量，hlin表示不同頻率下電阻的傳遞函數(shù)矩陣。命令格式：SYS=Power2sys(SYS，net)說明：該命令函數(shù)用來顯示電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構，通過調(diào)用該函數(shù)顯示電路圖模

47、型的拓撲結(jié)構。執(zhí)行該命令后，將輸出一個名為的文件到當前搜索路徑中。命令格式：SYS=Power2sys(SYS，ss)說明：該命令函數(shù)用來輸出該電路模型向狀態(tài)方程模型轉(zhuǎn)換。（2）命令函數(shù)powerinit的使用方法 在MATLAB中利用命令函數(shù)powerinit對電路模型的初始值進行設定，它的命令格式如下：格式：powerinit（SYS,look）；%說明：顯示該電路模型的當前初始狀態(tài)的數(shù)值。格式：powerinit（SYS,reset）；%說明：將電路模型的當前初始裝填的數(shù)值重新設定為零格式：powerinit（SYS,set,P）；%說明：將電路模型的當前初始狀態(tài)的數(shù)值重新設置為P（矢量

48、）格式：powerinit（SYS,steady）；%說明：重新該電路模型的當前初始狀態(tài)，使得該系統(tǒng)從穩(wěn)態(tài)時啟動仿真。格式：powerinit（SYS,setb,STATE,VALUE）；%說明：重新給設定該電路模型的初始狀態(tài)變量STATE設定新的初始值VALUE。3電力電子電路的仿真3.1實驗的意義電力電子技術和電力拖動控制系統(tǒng)組合了電子電路電機拖動自動控制理論微機原理和應用等多學科知識，由于電力電子器件自身的非關聯(lián)性，給電力電子電路和系統(tǒng)的分析了一定的復雜性和困難，一般常用波形分析和分段線性化處理的方法來研究電力電子電路?，F(xiàn)代計算機仿真技術為電力電子電路和系統(tǒng)的分析提供了嶄新的方法，可以使

49、復雜的電力電子電路系統(tǒng)的分析和設計變得更加容易和有效。3.2 交流-直流變流器所謂變流就是指交流電和直流電之間的轉(zhuǎn)換，對交直流電壓，電流的調(diào)節(jié)，和對交流電頻率，相數(shù)，相位的變換和控制。而電力電子變流電路就是應用電力電子器件實現(xiàn)這些轉(zhuǎn)換的線路，一般這些電路可以分為四大類。（1）交流-直流變流器。（2）直流-直流斬波調(diào)壓器。（3）直流-交流變流器。（4）交流-交流變流器，其中又分交流變壓器和交-交變頻器。這里將要運用現(xiàn)代仿真技術學習研究和設計交流-直流變流器。交流-直流變流器又稱整流器，AC-DC變流器，其作用是將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，一般稱為整流，并且在整流的同時還對直流電壓電流進行調(diào)節(jié)，以符合用

50、電設備的要求。常用的整流器用單相和三相整流器，從控制角度區(qū)分，有不可控，半控，和全控整流電路之分，從輸出直流的波形來區(qū)分，又分半波和全波整流器之分。二極管，晶閘管是常用的整流器件，現(xiàn)在采用全控型器件的PWM方式整流器也越來越多。整流電路的仿真可以用powersys模型庫的二極管和晶閘管等模塊來構建，對三相整流電路模型庫中有6-PULSE DIODE BRIDGE, 6-PULSE THYRISTOR BRIDGE, UNIVERSAL BRIDGE等模塊可以調(diào)用，使用這些模塊可以使仿真更方便。復雜的大功率多相整流器可以在三相橋的基礎上構建。3.2.1 單相橋式全控整流電路仿真單相橋式全控整流電

51、路如圖3-1所示：圖3-1單相橋式全控整流電路原理圖電流由交流電源u1,整流變壓器T，晶閘管VT1VT4，負載電阻R以及觸發(fā)電路組成。在變壓器二次電壓u2的正半周觸發(fā)晶閘管VT1和VT4，在u2的負半周觸發(fā)晶閘管VT2和VT3，在負載電阻上可以得到方向不變的直流電，改編晶閘管的控制角可以調(diào)節(jié)輸出直流電壓和電流的大小。該電路的仿真過程可以分為建立仿真模型，設置模型參數(shù)和觀測仿真結(jié)果等幾個主要階段。 1.建立仿真模型（1）首先建立一個仿真模型文件。在MATLAB的彩電上點擊FILE，選擇再在彈出菜單中選擇MODEL，這時出現(xiàn)一個空白的仿真平臺，在這平臺上可以繪制電路的仿真模型。同時也可以在FILE

52、菜單下給文件命名。（2）提取電路元器件模塊。在仿真模型串口的菜單上調(diào)出模型庫瀏覽器，在模型庫中提取適合的模塊放到仿真平臺上。組成單相橋式整流電路的主要元器件有交流電源，晶閘管，RLC負載等，提取元器件模塊的路徑見表3-1元器件名稱提取元器件路徑交流電源u2Power system blocksetelectrical sourcesAC voltage source晶閘管VT1VT4Power system blocksetpower electronicsthyristorRLC串聯(lián)電路Power system blocksetelementsseriesRLC branch脈沖發(fā)生發(fā)生器S

53、imulinksourcespulse generatorT形節(jié)點Power system blocksetconnectorsT connector中性節(jié)點Power system blocksetconnectorsneutral(output)表3-1 元器件名稱及路徑（3）將電路元器件模塊按單相整流的原理圖連接起來組成仿真電路。將元器件連接組成仿真模型如圖3-2圖3-2 單相橋式整流電路模型在SIMULINK模型庫中沒有專門的單相橋式整流觸發(fā)器模型，這里使用了2個脈沖發(fā)生器來分別VT1和VT3，VT2和VT4的觸發(fā)脈沖。整流器的負載選用了RLC串聯(lián)電路，可以通過參數(shù)設置來改變電阻，電感

54、，和電容的組合。模型中使用了兩種測量儀器，示波器（SCOPE）和多路測量器（MULTIMETER）。示波器可以觀測它連接點上的波形，多路測量器可以接受一些模塊發(fā)出來的參數(shù)型號并通過示波器觀測。 2.設置模型參數(shù)。設置模型參數(shù)是保證仿真準確和順利的重要一步，有些參數(shù)由任務來規(guī)定，比如此次仿真中的電源電壓，電阻值等，有些參數(shù)是需要仿真來確定的。（1）交流電壓源u2，電壓為220V，頻率為50Hz，初始相位為0°。在電壓設置中要輸入的是電壓峰值，輸入“220×sprt(2)”。測量選擇選中電壓“voltage，”u2的數(shù)據(jù)可以送入多路測量器。如圖3-3 圖3-3 交流電源參數(shù)設置

55、（2）晶閘管VT1VT4直接使用了模型的默認參數(shù)。（3）負載RLC，R的值2，L的值0，C的值為inf，并在參數(shù)頁最后的測量選擇中選擇“voltage and current”,這樣負載R的電壓和電流可以通過多路測量器觀測。如圖3-4。圖3-4 RLC參數(shù)設置 （4）晶閘管觸發(fā)采用簡單的脈沖發(fā)生器來產(chǎn)生，脈沖發(fā)生器周期T必須和交流電源u2同步。晶閘管的控制角以脈沖的延遲時間t來表示t=T/360°，其中為控制角，T=1/f,f為交流電源頻率。=30°時的脈沖發(fā)生器參數(shù)設置如下表3-2。項目脈沖發(fā)生器1脈沖發(fā)生器2Pulse typeTime-basedTime-basedA

56、mplitude11Period0.02s0.02sPulse width0.0005s0.0005sPhase delay0.00167s0.01167s表3-2脈沖發(fā)生器參數(shù)設置 3.模型仿真模型仿真前設置仿真參數(shù)主要包括：開始時間，終止時間，仿真類型，以及相對誤差，絕對誤差。步長大小要適中一般選可變步長（variable-step），仿真數(shù)值計算方法可選ode15，ode23，ode45等，這里仿真數(shù)值計算方法選擇了ode45，仿真時間為0.06s。如圖 3-5圖3-5 模型仿真參數(shù)設置開始仿真，在仿真計算完成后即可通過示波器來觀察仿真結(jié)果：（1）電阻負載時的仿真波形。如圖3-6為仿真時

57、間中電源u2的波形圖3-6 電源電壓u2波形如圖3-7上部分和下部分分別為=30°，R的值為2時負載二點電壓和通過負載的電流波形。圖3-7 =30°時負載電阻兩端電壓和電流波形該電壓和電流都是脈動的直流，反應了電源的交流電經(jīng)過整流后形成為了直流電，實現(xiàn)了整流。因為是電阻負載，整流后的電壓和電流波形相同，但是縱坐標的標尺不同，電壓的幅值Um=311V,電流的幅值I=155A，與計算結(jié)果Im=Um/R相同。如圖3-8下部分和上部分分別為晶閘管VT1兩端的電壓和通過晶閘管VT1的電流波形。圖3-8 =30°時VT1兩端的電壓和電流波形通過晶閘管的電流僅是負載的一半，只有半個周期內(nèi)有電流通過晶閘管VT1。并且通過比較可以看到晶閘管導通時晶閘管兩段電壓為零，在4個晶閘管都不導通時（0.01s0.012