MATLAB软件应用及仿真-课程设计.doc

目 录1. 课程设计任务及内容11.1 课程设计的名称11.2 课程设计的目的11.3 课程设计的主要内容12. 单相半波可控整流系统22.1 晶闸管的仿真22.1.1 晶闸管模型22.1.2 晶闸管参数及其设置22.2 单相半波可控整流电路的仿真32.2.1 电路图及工作原理32.2.2 建立仿真模型42.2.3 模型参数简介与设置42.2.4 仿真结果73. 升压斩波电路（Boost变换器）83.1绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的仿真83.1.1绝缘栅双极型晶体管模型83.1.2绝缘栅双极型晶体管参数及其设置83.2Boost变换器的仿真93.2.1电路图及工作原理93.2.2建立仿真模型93.2.3模型参数设置及仿真结果104.相位控制的晶闸管单相交流调压器带电阻性负载时系统134.1电路图及工作原理134.2建立仿真模型134.3模型参数设置及仿真结果145. 总 结186.参考文献191.课程设计任务及内容1.1课程设的名称 MATLAB软件应用及仿真1.2课程设计的目的 （1）让学生能综合应用所学知识，设计出课程要求的电路和能够较全面地巩固和应用本课程中所学的基本理论和基本方法。 (2) 使学生能熟练掌握MATLAB软件 的使用方法，以及应用simulink来进行各不同电路的仿真。 (3) 培养学生独立思考、独立收集资料、独立设计的能力；培养分析、总结及撰写技术报告的能力。1.3课程设计的主要内容 (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) 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。 (3)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2.单相半波可控整流系统2.1晶闸管的仿真2.1.1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，当勾选“Showmeasurementport”项时便显示第二个输出端（m）如图，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1-1 晶闸管组件的符号和仿真模型2.1.2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，如下图所示：“ResistanceRon(Ohms)”：晶闸管导通电阻Ron（）。“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（）。“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。2.2单相半波可控整流电路的仿真2.2.1电路图及工作原理图1-2单相半波可控整流电路（阻-感性负载） 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。2.2.2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，整体模型如图所示:图1-3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：2.2.3模型参数设置（1） 交流电压源提取路径：SimulinkSimPoweSystenElectricalACVoltageSource“Peakamplitude”:正弦电压峰值Um，单位V，“Phase”：正弦电压初相角,单位度，“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：SimulinkSimPoweSystenPowerElectronicsThyristor设置“SnubberresistanceRs（ohms）”缓冲电阻Rs=500，“SnubbercapacitanceCs（F）”：缓冲电容Cs为无穷大inf，其他为默认设置，如下图所示：（3）RLC元件提取路径：SimulinkSimPoweSystenElementsSeriesRLCBranch设置“Resistance(Ohms)”电阻R=1，“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：（4）脉冲信号发生器提取路径：SimulinkSimlinkSourcePulseGenerator“Amplitude”：脉冲幅值，“Period(secs)”：周期（秒），“Pulse Width(%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（/360）s，如下图所示，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，负载电压ud，电源电压U2。（6） 电压电流测量 无需设置直接使用2.2.4仿真结果 设置触发脉冲为30。其产生的相应波形如下图所示。在波形图中第一列为脉冲电压Ug波形，第二列为晶闸管两端电压UVT波形，第三列为负载电流id波形，第四列为负载电压ud波形，第五列为电源电压U2波形。图1-4 阻感负载触发角将阻感性负载改为电阻性负载，设置触发脉冲为30。其产生的相应波形如图所示。图1-5 电阻负载触发角=303.升压斩波电路（Boost变换器）3.1绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的仿真3.1.1绝缘栅双极型晶体管模型 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是一种栅极信号触发导通的全控型器件。晶闸管模型有两个输入端和两个输出端，第一个输入与输出是集电极（C）与发射极（E），第二个输入（g）是栅极控制信号端如图，当勾选“Showmeasurementport”项时便显示第二个输出端（m）如图，这是IGBT检测输出向量IakUak端，可连接仪表检测流经IGBT的电流（Iak）与正向压降（Uak），IGBT组件的符号和仿真模型图如图所示。图2-1 绝缘栅双极型晶体管的符号和仿真模型3.1.2绝缘栅双极型晶体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，如下图所示：由图可知，IGBT的参数设置与普通晶闸管的参数设置几乎完全相同，另有2个参数类似GTO参数设置。“Current10%falltimeTf(s)”：电流下降时间Tf。“CurrenttailtimeTt(s)”：电流拖尾时间Tt。对于绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模型的电路仿真时，同样宜采用Ode23tb与Oder15s算法。3.2Boost变换器的仿真3.2.1电路图及工作原理 首先假设电路中电感L的值很大，电容C值也很大。当IGBT处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为I1，同时电容C上的电压向负载R供电。因C值很大，基本保持输出电压u0为恒值，记为U0。设IGBT处于通态的时间为ton，此阶段电感L上积蓄的能量为EI1ton。当IGBT处于断态时E和L共同向电容C充电并向负载R提供能量。设IGBT处于断态的时间为toff，则在此期间电感L释放的能量为（U0-E）I1toff。当电路工作升压斩波电路（电阻负载）原理图于稳态时，一个周期T中电感L上积蓄的能量与释放的能量相等EI1ton=（U0-E）I1toff化简为U0=T*E/toff输出电压高于电源电压。图3-2 Boost变换器的电路3.2.2建立仿真模型IGBT元件组成的Boost变换器仿真模型，如图3-3图3-3Boost变换器仿真模型3.2.3模型参数设置与仿真结果（1） 参数设置电压源设置：双击模块，在弹出如图3-4，进行设置。 图3-4并联RLC分支元件设置：双击模块，在弹出如图3-5，进行设置。图3-5IGBT的参数设置：双击模块，在弹出如图3-6，进行设置。图3-6 脉冲发生器参数设置：双击模块，在弹出如图3-7，进行设置。图3-7（3） 仿真结果 仿真算法选择ode23tb算法，相对误差设置为1e-3，开始仿真时间为0，停止时间设置为0.0015，仿真结果如图3-2-7所示。图3-84.相位控制的晶闸管单相交流调压器带电阻性负载时系统4.1电路图及工作原理 在交流电源U1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的触发延迟角进行控制，使得输出电压波形为正弦电压的一部分，从而实现调节输出电压的目的，负载阻抗角=arctan(L/R),负载电压相位滞后于晶闸管输出电压相位，把=0的时刻定在电源电压过零的时刻，显然阻感负载下稳态时的移相范围为（-）。单相交流调压电路原理图如下图所示：图4-1 原理图4.2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：图4-2仿真电路模型4.3模型参数设置及仿真结果晶闸管的参数设置：双击模块，在弹出如图4-3所示，进行设置。图4-3电压源的参数设置：双击模块，在弹出如图4-4，进行设置。图4-4当移相控制角为时的脉冲发生器的参数设置：双击模块，在弹出如图4-5、图4-6，进行设置。图4-5图4-6当移相控制角为时的脉冲发生器的参数设置：双击模块，在弹出如图4-7、图4-8，进行设置。图4-7图4-8（3）晶闸管单相交流调压电路的仿真结果 仿真算法选择为ode23tb算法，仿真时间设置为00.03s，开始仿真。当移相控制角等于和带电阻负载和电感负载时，负载上的电流、电压波形以及触发脉冲波形，如图4-9。（a)控制角为时的电阻性负载电流、电压和脉冲波形 （b）控制角为时的电阻性负载电流、电压和脉冲波形图4-9 电阻性负载电流、电压和脉冲波形5.总 结 课程设计是一个重要的教学环节，通过课程设计使我们了解到一些实际与理论之间的差异。通过课程设计不仅可以巩固专业知识，为以后的工作打下了坚实的基础，而其还可以培养和熟练使用资料，运用工具书的能力，把我们所学的课本知识与实践结合起来，起到温故而知新的作用。虽然这次课程是那么短暂的3周时间，我感觉到这些天我的所学胜过我这一学期所学，这次任务原则上是设计，其实就是一次大的作业，让我对课本知识的巩固和对应用，使我做事的耐心和仔细程度得以提高。课程设计是培训学生运用本专业所学的理论知识和专业知识来分析解决实际问题的重要教学环节，是对所学知识的复习和巩固。同样，也促使了同学们的相互探讨，相互学习。因此，我们必须认真、谨慎、踏实、一步一步的完成设计。如果时间可以重来，我可能会认真的去学习和研究，也可能会自己独立的完成一个项目，我相信无论是谁看到自己做出的成果时心里一定会很兴奋。此次设计让我明白了一个很深刻的道理：团队精神固然很重要，担人往往还是要靠自己的努力，自己亲身去经历，这样自己的心里才会踏实，学到的东西才会更多。6.参考文献1.