电力电子技术仿真实训指导

《电力电子技术》课程仿**训简介电力电子技术MATLAB仿**训是在MATLAB／SIMULINK环境下，主要使用电力系统模块库和SIMULINK两个模块库进行。能完成电力电子技术教材中绝大部分电路的仿真，包括：1．整流电路（单相半波可控整流电路、单相桥式全控整流电路、单相桥式半控整流电路、三相半波不可控整流电路、三相半波可控整流电路、三相桥式全控整流电路）仿真。2．逆变电路（单相桥式全控有源逆变电路、三相半波有源逆变电路、三相桥式全控有源逆变电路）仿真。3．交流调压电路4．直流斩波电路（降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路）仿真。前言电力电子技术综合了电子电路、电机拖动等多学科知识，是一门实践性和应用形很强的课程。由于电力电子器件自身的开关非线性，给电力电子电路的分析带来了一定的复杂性和困难，一般常用波形分析的方法来研究。仿真技术为电力电子电路的分析提供了崭新的方法。我们在电力电子技术课程的教学中引入了仿真，对于加深学生对这门课程的理解起到了良好的作用。掌握了仿真的方法，学生的想法可以通过仿真来验证，对培养学生的创新能力很有意义，并且可以调动学生的积极性。实验实训是本课程的重要组成部分，学校的实验实训条件毕竟是有限的，也受到学时的限制。而仿**训不受时间、空间和物质条件的限制，学生可以在课外自行上机。仿真在促进教学改革、加强学生能力培养方面起到了积极的推动作用。目录第一章MATLAB基础……………………………………………………………………………11．1MATLAB介绍……………………………………………………………………………11．2MATLAB的安装与启动…………………………………………………………………21．3MATLAB环境……………………………………………………………………………3第二章MATLAB/Simulink/PowerSystem工具箱简介…………………………………………72．1Simulink工具箱简介………………………………………………………………………72．2PowerSystem工具箱简介……………………………………………………………102．3Simulink/PowerSystem的模型窗口……………………………………………………132．4Simulink/PowerSystem模块的基本操作…………………………………………………17第三章电力电子电路仿**训………………………………………………………………21实训一单相半波可控整流电路仿**训……………………………………………………21实训二单相桥式半控整流电路仿**训……………………………………………………29实训三单相桥式全控整流电路仿**训……………………………………………………35实训四单相桥式全控有源逆变电路仿**训………………………………………………42实训五单相交流调压电路仿**训…………………………………………………………45实训六降压斩波电路仿**训………………………………………………………………48实训七升压斩波电路仿**训………………………………………………………………51实训八升降压斩波电路实训…………………………………………………………………54实训九三相半波不可控整流电路仿**训…………………………………………………57实训十三相半波可控整流电路仿**训……………………………………………………59实训十一三相桥式全控整流电路仿**训…………………………………………………67实训十二三相半波可控整流电路有源逆变电路仿**训…………………………………72实训十三三相桥式有源逆变电路仿**训…………………………………………………75第1章MATLAB基础1.1MATLAB介绍MATLAB是一种科学计算软件。MATLAB是MatrixLaboratory(矩阵实验室)的缩写，这是一种以矩阵为基础的交互式程序计算语言。早期的MATLAB主要用于解决科学和工程的复杂数学计算问题。由于它使用方便、输入便捷、运算高效、适应科技人员的思维方式，并且有绘图功能，有用户自行扩展的空间，因此特别受到用户的欢迎，使它成为在科技界广为使用的软件，也是国内外高校教学和科学研究的常用软件。MATLAB由美国Mathworks公司于1984年开始推出，历经升级，到2001年已经有了6．0版，现在MATLAB6.1、6.5、7.0版都已相继面世。早期的MATLAB在DOS环境下运行，1990年推出了Windows版本。1993年，Mathworks公司又推出了MATLAB的微机版，充分支持在MicrosoftWindows界面下的编程，它的功能越来越强大，在科技和工程界广为传播，是各种科学计算软件中使用频率最高的软件。MATLAB比较易学，它只有一种数据类型(即**位双精度二进制)，一种标准的输入输出语句，它用解释方式工作，不需要编译，一般入门后经过自学就可以掌握。如果有不清楚的地方，可以通过它的帮助(help)和演示(demo)功能得到启示。学习MATLAB的难点在于，它有大量函数，这些MATLAB函数仅基本部分就有700多个，其中常用的有200～300个，掌握和记忆起来都比较困难。1993年出现了SIMULINK，这是基于框图的仿真平台，SIMULINK挂接在MATLAB环境上，以MATLAB的强大计算功能为基础，以直观的模块框图进行仿真和计算。SIMULINK提供了各种仿真工具，尤其是它不断扩展的、内容丰富的模块库，为系统的仿真提供了极大便利。在SIMULINK平台上，拖拉和连接典型模块就可以绘制仿真对象的模型框图，并对模型进行仿真。在SIMULINK平台上，仿真模型的可读性很强，这就避免了在MATLAB窗口使用MATLAB命令和函数仿真时，需要熟悉记忆大量M函数的**，对广大工程技术人员来说，这无疑是**的**。现在的MATLAB都同时捆绑了SIMULINK，SIMULINK的版本也在不断地升级，从1993年的MATLAB4．0／SIMULINK1．0版到2001年的MATLAB6．1／SIMULINK4．1版，2002年即推出了MATLAB6．5／SIMULINK5．0版。MATLAB已经不再是单纯的“矩阵实验室”了，它已经成为一个高级计算和仿真平台。SIMULINK原本是为控制系统的仿真而建立的工具箱，在使用中易编程、易拓展，并且可以解决MATLAB不易解决的非线性、变系数等问题。它能支持连续系统和离散系统的仿真，支持连续离散混合系统的仿真，也支持线性和非线性系统的仿真，并且支持多种采样频率(Multirate)系统的仿真，也就是不同的系统能以不同的采样频率组合，这样就可以仿真较大较复杂的系统。因此，各科学领域根据自己的仿真需要，以MATLAB为基础，开发了大量的专用仿真程序，并把这些程序以模块的形式都放人SIMULINK中，形成了模块库。SIMULINK的模块库实际上就是用MATLAB基本语句编写的子程序集。现在SIMULINK模块库有三级树状的子目录，在一级目录下就包含了SIMULINK最早开发的数学计算工具箱、控制系统工具箱的内容，之后开发的信号处理工具箱(DSPBlocks)、通信系统工具箱(Comm)等也并行列入模块库的一级子目录，逐级打开模块库浏览器(SIMULINKLibraryBrowser)的目录，就可以看到这些模块。从SIMULINK4．1版开始，有了电力系统模块库(PowerSystemBlockset)，该模块库主要由加拿大HydroQuebec和TECSIMInternational公司共同开发。在SIMULINK环境下用电力系统模块库的模块，可以方便地进行RLC电路、电力电子电路、电机控制系统和电力系统的仿真。本书中电力电子电路的仿真就是在MATLAB／SIMULINK环境下，主要使用电力系统模块库和SIMULINK两个模块库进行。通过电力电子电路的仿真，不仅展示了MAT-LAB／SIMULINK的强大功能，并且可以学习控制系统仿真的方法和技巧，研究电路的原理和性能。本书主要是介绍电力电子电路的仿真，因此对MATLAB只介绍与本书有关的内容。MATLAB功能强大，有关MATLAB的书刊已经很多，对MATLAB更深入的要求，可以阅读其他介绍MATLAB的书籍。现在因特网上有大量的MATLAB资源，如有关MATLAB的新消息，免费的工具箱下载，有关MATLAB的讨论和讲座等，读者可以进入这些网站，以获取更多的信息。有关MATLAB的网站很多，下面列举部分网站供读者参考，其中包括http：／／matlab．netsh．net、http：//www．mathworks．com、http：//mathtools．net、http：//matlab．myrice．com(MATLAB大观园)、http：//www．hirain．com(恒润科技，MATLAB国内代理)、http：//matlab．netsh．net等。1.2MATLAB的安装和启动将MATLAB6．1版插入计算机的光驱，如果操作系统是Windows98或Windows2000，系统会自动进入和运行安装程序，出现图1-1所示的MATLAB启动界面，并随后出现图1-2所示的安装对话框，按照对话框的提示，点击Next键，即可完成MATLAB的安装过程。在安装过程中，需要输入用户名称、公司及产品注册码等。在安装过程中，可以选择安装组件，如果计算机磁盘空间不足，可以减少一些暂时不用组件的安装。图1-1MATLAB启动界面在MATLAB安装结束时，可以选择“立即重新启动计算机”或“暂不重启计算机”。安装完成后，在Windows桌面上会自动生成MATLAB的快捷方式图标。图1-2MATLAB安装对话框不同版本的MATLAB安装过程会略有差异，但大体是相同的。1.3MATLAB环境在桌面上双击MATLAB快捷方式图标，或者在开始菜单里点击MATLAB的选项，即可进入MATLAB环境。进入MATLAB环境，即打开了MATLAB窗口(见图1-3)。环境包括MATLAB标题栏、主菜单栏和常用工具栏。在默认显示状态时，在工具栏下有三个子窗口，左边上方窗口显示MATLAB联机说明书目录或工作间的内容，两者可以通过子窗口下方的LaunchPad和Workspace键切换。左边下方窗口将显示已执行的命令(CommandHistory)。右方窗口是MATLAB的命令子窗口，这是MATLAB的主要工作窗口，在这个窗口中，在提示符“”后逐行输入MATLAB命令，回车后，命令就能立即得到执行。图1-3MATLAB的工作环境1.3.1MATLAB的主菜单MATLAB的主菜单有File、Edit、View、Web、Window和Help六项。点击菜单命令，就会显示下拉子菜单的内容。这些菜单的内容与其他应用程序的菜单区别不大，因此只选择一些主要内容进行说明。1．File(文件)菜单(1)“New'’创建一个新文件，有三种文件，即“M-file'’、“Figure”、“Model”可选。选择“Model”即可进入SIMULINK环境，以绘制仿真模型方式对电路和系统仿真，这是本书介绍的主要仿真方式。(2)“Open”打开一个名为“work”的文件夹，这是MATLAB默认的保存文件的地方。只要文件保存时没有另外指定文件保存的路径，MATLAB系统就将文件保存在“work”文件夹中。(3)“CloseCommmandWindow'’，点击该项可以切换窗口显示。(4)“ImpoaData'’为打开MATLAB“work'’文件夹中带有．mat后缀的数据文件，并将数据放到工作间(Workspace)中备用。(5)“SaveworkspaceAs…”为保存工作间(Workspace)中的数据。(6)“SetPath…”为打开MATLAB的路径浏览器，搜索MATLAB所有文件的路径。(7)“Preferences…”可以打开一个MATLAB的参数设置对话框，供用户改变工作环境的外观和相关操作的