基于MATLAB的电力电子技术仿真分析

1《电力电子技术》课程设计报告题目：基于MATLAB的电力电子技术仿真分析院（系）：机电与自动化学院专业班级：电气工程及其自动化学生姓名：学号：指导教师：2014年1月13日至2014年1月17日华中科技大学武昌分校2电力电子技术课程设计任务书一、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带电阻性负载时系统的建模与仿真。3.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。4.相位控制的晶闸管单相交流调压器带电阻性负载时系统的建模与仿真。三、原始资料MATLAB仿真软件四、要求的设计（调查/论文）成果编写详细的设计说明书（附上本次设计心得体会）说明书中完成相应系统模型的建模、参数设置及仿真调试，写出设计报告。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带电阻性负载时系统的建模过程与仿真调试，记录波形。3.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。4.相位控制的晶闸管单相交流调压器带电阻性负载时系统的建模与仿真，记录波形。以上4个类型的仿真过程中皆需包含具体电路形式，工作过程分析，在MATLAB中的建模，各组成环节的参数设置过程，仿真波形，波形分析。3五、进程安排1.下达设计任务书，讲解设计要求、进度安排、指导时间、注意事项等，提供参考资料。（0.5天）2.学习并熟练MATLABSimulink/PowerSystem工具箱等相关内容（1.5天）3.典型电力电子器件的仿真模型建模及仿真实例（0.5天）；4.典型电力电子变换器的应用仿真。（1天）5.撰写课程设计报告。（0.5天）6.答辩。（1天）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，2010.[2]周渊深.电力电子技术与MATLAB仿真.北京：中国电力出版社,2005.[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]洪乃刚.电力电子、电机控制系统的建模和仿真.北京：机械工业出版社,2010.指导教师（签名）：20年月日4课程设计成绩评定表成绩评定项目比例得分平时成绩（百分制记分）30%业务考核成绩（百分制记分）70%总评成绩（百分制记分）100%评定等级优良中及格不及格指导教师（签名）：20年月日目录51课程设计目的…………………………………………………………………………12课程设计主要内容……………………………………………………………………13课程设计题目描述与要求……………………………………………………………13.1课程设计题目描述…………………………………………………………………13.2课程设计要求………………………………………………………………………24各电路的建模与仿真…………………………………………………………………24.1单相半波可控整流器………………………………………………………………24.2晶闸管三相桥式整流电路…………………………………………………………94.3Boost变换器………………………………………………………………………164.4相位控制的晶闸管单相交流调压器……………………………………………195课程设计总结…………………………………………………………………………2261课程设计目的通过电力电子计术的课程设计达到以下几个目的：（1）培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料；（2）培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力；（3）培养学生运用知识的能力和工程设计的能力；（4）提高学生课程设计报告撰写水平；（5）提高学生通过实验测试、研究分析和完善设计的水平。2课程设计主要内容（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带电阻性负载时系统的建模与仿真。（3）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。（4）相位控制的晶闸管单相交流调压器带电阻性负载时系统的建模与仿真。3课程设计题目描述与要求3.1课程设计题目描述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。并且，交流技术讨论的电能转换与控制，需要对各种电压与电流7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。3.2课程设计要求编写详细的设计说明书,说明书中完成相应系统模型的建模、参数设置及仿真调试，写出设计报告。（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。（1）晶闸管三相桥式整流带电阻性负载时系统的建模过程与仿真调试，记录波形。（1）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。（1）相位控制的晶闸管单相交流调压器带电阻性负载时系统的建模与仿真，记录波形。以上4个类型的仿真过程中皆需包含具体电路形式，工作过程分析，在MATLAB中的建模，各组成环节的参数设置过程，仿真波形，波形分析。4各电路的建模与仿真4.1单相半波可控整流器4.1.1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4-1，当勾选“Showmeasurementport”项时便显示第二个输出端（m）如图4-2，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4-1图4-2⑵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4-3所示8图4-3“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。4.1.2单相半波可控整流电路的仿真⑴电路图及工作原理1u2uVTTududiTrULUR单相半波可控整流电路（阻感负载）图9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，整体模型如下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，10“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，如下图所示。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，如下图所示。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。如下图所示11④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，如下图所示，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