【正文】 2 ． MATLAB 的主要組成部分 4 MATLAB 的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境 4 SIMULINK 仿 真 基礎(chǔ) 6 SIMULIN 啟動(dòng) 11 SIMULINK 仿 真 的 運(yùn)行 15 GUI 開發(fā)環(huán)境 19 單相 整 流 電 路 的仿真 19 單相橋式可控 整流電路 23 三相半波 可控 整流電路 26 第 4 章 直 流 斬 波 電 路 的仿真 31 降 壓 斬 波 電路 37 無 中 線 星 型 聯(lián) 結(jié) 調(diào) 壓器 40 第 6 章 結(jié)論 采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，則可大大地節(jié)約開支，提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期。 本課題的研究?jī)?nèi)容 本課題 主要 研究的是 利用 MATLAB/SIMULINK 建立電力電子電路仿真模型并進(jìn)行仿真 。其中星型聯(lián)結(jié)又有無中線和有中線兩種電路，三角形聯(lián)結(jié)有線路控制，支路控制 和中點(diǎn)控制的不同電路。 由于計(jì)算機(jī)中修改參數(shù)方便， 可以通過改變方針參數(shù) 就可觀察各種現(xiàn)象，加深了對(duì)其電路原理的理解。 MATLAB 已發(fā)展成為適合眾多學(xué)科，多種工作平臺(tái)、功能強(qiáng)大的大型軟件。在中國(guó)， MATLAB 也已日益受到重視，短時(shí)間內(nèi)就將盛行起來，因?yàn)闊o論哪個(gè)學(xué)科或工程領(lǐng)域都可以從 MATLAB 中找到合適的功能 [2]。 elmat 初 步矩陣，和矩陣操作。 atafun 數(shù)據(jù)分析和傅立葉變換。 (3) MATLAB 語(yǔ)言： (MATLAB Language)一種高級(jí)編程語(yǔ)言（ 高階的矩陣/數(shù)組語(yǔ)言 ），包括控制流的描述、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出及面對(duì)對(duì)象編程； (4) 句柄圖形： (Handle Graphics) MATLAB 制圖系統(tǒng) 具有 2 維 、 三維的數(shù)據(jù)可視化，圖象處理，動(dòng)畫片制作和表示圖形 功能 。 (5) 應(yīng)用程序接口： (Applied Function Interface) MATLAB 的應(yīng)用程序接口允許用戶使用 C 或 FORTRAN 語(yǔ)言編寫程序與 MATLAB 連接。 2． 命令窗口： (Command window)MATLAB 的主要交互窗口。 臨時(shí)變量不占空間 。 4． 當(dāng)前目錄瀏覽器： (Current Directory) 用于顯示及設(shè)置當(dāng)前工作目錄，同時(shí)顯示當(dāng)前工作目錄下的文件名、文件類型及目錄的修改時(shí)間等信息。 5． 命令歷史窗口： (Command History) 記錄已運(yùn)行過的 MATLAB 命令歷史，包括已運(yùn)行過的命令、函數(shù)、表達(dá)式等信息，可進(jìn)行命令歷史的查找、檢查 等工作，也可以在該窗口中進(jìn)行命令復(fù)制與重運(yùn)行。 搜索目錄的設(shè)置通過選擇主菜單 Set Path 菜單項(xiàng)進(jìn)行。 SIMULINK 仿真 基礎(chǔ) SIMULINK 是 MATLAB 軟件的擴(kuò)展，它是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包，它與 MATLAB 語(yǔ)言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于Windows 的模型化圖形輸入，其結(jié)果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語(yǔ)言的編程上 [3]。仿真結(jié)果可以以圖中國(guó)石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 7 形方式在示波器窗口顯示，也可將輸出結(jié)果以變量形式保存起來，并輸入到MATLAB 中以完成進(jìn)一步的分析 。 也可以通過 MATLAB 主窗口的快捷按鈕來打開 Simulink Library Browser 窗口。 電力系統(tǒng)模塊庫(kù)的介紹 進(jìn)入 MATLAB系統(tǒng)后打開模塊庫(kù)瀏覽窗口，用鼠標(biāo)左鍵雙擊其中的 Power System Blocks 即可彈出電 力系統(tǒng)工具箱模塊庫(kù)，它包括連接元件庫(kù)(Connectors)，電源庫(kù) (Electrical Sources)，基本元件庫(kù) (Elements)， 元件庫(kù) (Extra Library)，電機(jī)元件庫(kù) (Machines)，測(cè)量元件庫(kù) (Measurements)和電力電子元件庫(kù) (Power Electronics)。這部分可以仿真交流輸電線裝置。這些模型可以仿真電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)設(shè)備，電力拖動(dòng)設(shè)備等。這 一部分還起著連接 SIMULINK 模型與 POWERLIB 模型的作用。 （ 3）對(duì)模塊進(jìn)行連接，從而構(gòu)成需要的系統(tǒng)模型 。 SIMULINK 功能模塊的處理 功能模塊的基本操作，包括模塊的移動(dòng)、復(fù)制、刪除、轉(zhuǎn)向、改變大小、模塊命名、顏色設(shè)定、參數(shù)設(shè)定、屬性設(shè)定、模塊輸入輸出信號(hào)等。 （ 1） 移動(dòng)：選中模塊，按住鼠標(biāo)左鍵將其拖曳到所需的位置即可。若要?jiǎng)h除多個(gè)模塊，可以同中國(guó)石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 10 時(shí)按住 Shift 鍵，再用鼠標(biāo)選中多個(gè)模塊，按 Delete 鍵即可?；蛘咧苯影?Ctrl+F 鍵執(zhí)行 Flip Block，按 Ctrl+R鍵執(zhí)行 Rotate Block。 Hide Name可以隱藏模塊名稱。通過對(duì)模塊的參數(shù)設(shè)定，就可以獲得需要的功能模塊。 中國(guó)石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 11 （ 10） 模塊的輸入輸出信號(hào)：模塊處理的信號(hào)包括標(biāo)量信號(hào)和向量信號(hào)；標(biāo)量信號(hào)是一種單一信號(hào)，而向量信號(hào)為一種復(fù)合信號(hào)，是多個(gè)信號(hào)的集合，它對(duì)應(yīng)著系統(tǒng)中幾條連線的合成。用鼠標(biāo)可以在功能模塊的輸入與輸出端之間直接連線。 2． 設(shè)定標(biāo)簽：只要在線上雙擊鼠標(biāo)，即可輸入該線的說明標(biāo)簽。或者按住 Ctrl 鍵，并在要建立分支的地方用鼠標(biāo)拉出即可 。 Solver 頁(yè)，它允許用戶設(shè)置仿真的開始和結(jié)束時(shí)間， 選擇解法器，說明解法器參數(shù)及選擇一些輸出選項(xiàng)。 ① 仿真時(shí)間：注意這里的時(shí)間概念與真實(shí)的時(shí)間并不一樣，只是計(jì)算機(jī)仿真中對(duì)時(shí)間的一種表示，比如 10秒的仿真時(shí)間，如果采樣步長(zhǎng)定為 ，則需要執(zhí)行 100步，若把步長(zhǎng)減小，則采樣點(diǎn)數(shù)增加，那么實(shí)際的執(zhí)行時(shí)間就會(huì)增加。變步長(zhǎng)模式可以在仿真的過程中改變步長(zhǎng)，提供誤差控制和過零檢測(cè)。 a) ode45：缺省值，四 /五階龍格－庫(kù)塔法，適用于大多數(shù)連續(xù)或離散系統(tǒng)，但不適用于剛性（ stiff）系統(tǒng)。也是一個(gè)單步解法器。也是一種多步解法器。 f) ode23t：是梯形規(guī)則的一種自由插值實(shí)現(xiàn)。 固定步長(zhǎng)模式解法器有： ode5， ode4， ode3， ode2， ode1 和 discrete。 中國(guó)石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 14 l) ode2：改進(jìn)的歐拉法。 a) Maximum step size（最大步長(zhǎng)參數(shù) ）：它決定了解法器能夠使用的最大時(shí)間步長(zhǎng)，它的缺省值為 “ 仿真時(shí)間 /50” ，即整個(gè)仿真過程中至少取50個(gè)取樣點(diǎn)，但這樣的取法對(duì)于仿真時(shí)間較長(zhǎng)的系統(tǒng)則可能帶來取樣點(diǎn)過于稀疏，而使仿真結(jié)果失真。 b) Absolute tolerance（絕對(duì)誤差）：表示誤差值的門限，或者是說在狀態(tài)值為零的情況下，可以接受的誤差。如果一切設(shè)置無誤，則開始仿真運(yùn)行，結(jié)束時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出一鳴叫聲。當(dāng)某一事件發(fā)生時(shí)，應(yīng)用程序會(huì)做出響應(yīng)并執(zhí)行某些預(yù)定的功能子程序 （ Callback） 。屬性由兩部分組成：屬性名和屬性值，它們必須是成對(duì)出現(xiàn)的 。 （ 4） 復(fù)選框 (Check Boxes)：?jiǎn)蝹€(gè)的復(fù)選框用來在兩種狀態(tài)之 間切換，多個(gè)復(fù)選框組成一 個(gè)復(fù)選框組時(shí)，可使用戶在一組狀態(tài)中作組合式的選擇，或稱為多選項(xiàng)。 （ 8） 邊框 (Frames)：在圖形窗口圈出一塊區(qū)域。 3． 控件對(duì)象的屬性 (Attributes of controller object) 用戶可以在創(chuàng)建控件對(duì)象時(shí)，設(shè)定其屬性值，未指定時(shí)將使用系統(tǒng)缺省值。布局編輯器是可以啟動(dòng)用戶界面的控制面板，上述工具都必須從布局編輯器中訪問，用 guide 命令可以啟動(dòng)，或在啟動(dòng)平臺(tái)窗口中選擇 GUIDE 來啟動(dòng)布局編輯器。 （ 2） 使用幾何位置排列工具 對(duì)控件的位置進(jìn)行調(diào)整。 3． 編寫代碼 (Edit code) GUI 圖形界面的功能 ,還是要通過一定的設(shè)計(jì)思路和計(jì)算方法 ,由特定的程序來實(shí)現(xiàn)。)。 （ 2） 提取電路與器件模塊，組成上述電路的主要元件有交流電源，晶閘管、 RLC 負(fù)載等。 3. 仿真結(jié)果及波形分析 圖 33 晶閘管的電流（ VTi）和電壓（ VTu） 圖 33 反映了通過晶閘管的電流及其電壓， VT 導(dǎo)通時(shí)，相當(dāng)于短路其中國(guó)石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 21 兩端電壓為零，有電流通過， VT 關(guān)斷時(shí)，電流為零，所受電壓最大值為電源電壓峰值。電壓的幅值 RU =311V,電流的幅值 RI =，與計(jì)算結(jié)果 RI = RU /R 相同。 工作原理 ： 中國(guó)石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 22 VT1和 VT4 組成一對(duì)橋臂，在 u2正半 周承受電壓 u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng) U2過零時(shí)關(guān)斷。 選擇仿真終止時(shí)間為 ，采用變步長(zhǎng)算法 ode23tb(stiff／TR． BDF2)， ? =30176。至 wt=? +a 時(shí)刻，給 VT2和 VT3 加 觸發(fā)脈沖，因 VT2 和 VT3本已承受正電壓，故兩管導(dǎo)通。 a 移相范圍為 90?。三相可控整流電路中，最基本的是三相半波可控整流電路，應(yīng)用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路、以及雙反星形可控整流電路、 十二脈波可控整流電路等，均可在三相半波的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析 。 圖 38 原理圖 根據(jù)原理圖利用 SIMULINK 中電力電子模塊庫(kù)建立相應(yīng)的仿真模型如圖所示 。 ?30?? 時(shí)：整流電壓波形與電阻負(fù)載時(shí)相同。 時(shí)， u波形中正負(fù)而積相等， ud的平均值為零。 完整的三相橋式全控整流電路 由整流變壓器， 6個(gè)橋式連接的晶閘 管、負(fù)載、觸發(fā)器和同步環(huán)節(jié)組成。 （ 2） 提取電路與器件模塊，組成上述電路的主要元件有交流電源，晶閘管、 RLC 負(fù)載等。、 240176。 5） 6 脈沖發(fā)生器設(shè)置：頻率為 50Hz，脈沖寬度取 1176。設(shè)置仿真 時(shí)間 ，數(shù)值算法采用 ode15。 證明仿真波形是準(zhǔn)確的。處于通態(tài)， 240176。 期間， ia波形的形狀也與 同時(shí)段的 ud波形相同，但為負(fù)值 。 ， 如果繼續(xù)增大至 120176。它有多種類型，這里主 要介紹 降壓變流器 、 升壓變流器的仿真 [7]。負(fù)載側(cè)輸出電壓的平均值為 ： （ 41） 式 （ 41） 中 T 為 V開關(guān)周期 ,ont 為導(dǎo)通時(shí)間，為占空比。 降壓變流器的主電路的設(shè)計(jì)除要選擇開關(guān)器件和二極管外，還需要確定EETtEtt tU ????? onof fonono中國(guó)石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 32 電感 L 的參數(shù)，電感參數(shù)的計(jì)算是復(fù)雜的，但采用仿真很方便。 1. 設(shè)直流降壓變流器電源 電壓 E=200V，輸出電壓 RU =100V，電阻負(fù)載為 5Ω 。啟動(dòng)仿真，仿真波形如下。由圖可知所設(shè)參數(shù)滿足降壓要求但是電壓的波動(dòng)很大。 在電 路中 IGBT 導(dǎo)通時(shí)，電流 由 E經(jīng)升壓電感 L 和 V 形成回路， 電感 L 儲(chǔ)能；當(dāng) IGBT 關(guān)斷時(shí)，電 感產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)和直流電源電壓 方向相同互相疊加，從而在負(fù)載側(cè) 圖 45 原理圖 得到高于電源的電壓，二極管的作用是阻斷 IGBT 導(dǎo)通是，電容的放電回路。在以上分析中，認(rèn)為 V處于通態(tài)期間因電容 C 的作用使得輸出電壓 Uo 不變，但實(shí)際上 C 值不可能為無窮大，在此階段其向負(fù)載放電， U。設(shè)計(jì)一個(gè)直流升壓變流器，并選擇電感和電容參數(shù)值。 （ 3） IGBT 和二極管的參數(shù)可以保持默認(rèn)值。 仿真波形 如 圖 47 所示 。 中國(guó)石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 37 第 5 章 三相交流調(diào)壓 的仿真 三相交流調(diào) 壓仿真基礎(chǔ) 交 交變流包括交流調(diào)壓和交 交變頻