Matlab电气仿真实验作业.doc

Matlab电气仿真实验指导老师： 学生姓名：爸爸 专业班级：电气工程及其自动化 1班 学 号：222012！本课程设计的目的：1、掌握Matlab/Simulink中SimPowerSystems 工具箱的基本建模方法；2、掌握Matlab/Simulink 电气仿真的基本步骤；3、利用Matlab/Simulink 在基本电路与磁路、电力电子技术、电气传动等方面的仿真设计。实验一设计任务：单相桥式整流加LC滤波电路，电源为220V，50Hz， 整流电路输入为24V，负载为10阻性负载，滤波电感L=100mH，滤波电容C=200uF。实验步骤： 在matlab/simulink中选取相应的器件，如图连接运行。注意事项：将全部示波器scope中的“limit data point to the last”选项应该去掉。参数设置：交流电压源幅值：220*sqrt（2），频率：50HZ。变压器参数，容量S=200VA，变比k=220V/24V。电感：100mH； 电容：200uF； 电阻：10欧。实验结果：二极管Diode3电流电压曲线结果分析：第一个图显示的为二极管电流I ，第二个图显示为二极管电压U。当diode3导通时其电压接近为0V（管压降为0.7V），其电流有值；当diode3关断时，其电流值为0A，此时功率二极管承受反向电压，承受的最大反向电压幅值为24*sqrt（2）=33.94V。而电流图像上出现波动是因为电感L的值不是无穷大，会受频率电压幅值的影响，所以如图所示。二极管Diode4电压电流曲线结论分析：第一个图显示的为二极管电流I ，第二个图显示为二极管电压U。当diode3导通时其电压接近为0V（管压降为0.7V），其电流有值；当diode3关断时，其电流值为0A，此时功率二极管承受反向电压，承受的最大反向电压幅值为24*sqrt（2）=33.94V。而电流图像上出现波动是因为电感L的值不是无穷大，会受频率电压幅值的影响，所以如图所示。理论计算： 输出电压有效值：V负载电阻R电压曲线结果分析：实线为电压曲线，电压曲线前半段出现上升的情况是因为给电容C充电并且伴随着放电状态，而当稳定时形成RC震荡电路出现正弦波形。实验结论：上述两图中diode3与diode4两个功率二极管的电压电流在相位上差120，而四个二极管各导通180。在正向周期二极管diode1和diode4同时导通，而diode2和diode3承受反向压降。当为反向周期时diode2和diode3同时导通而diode1和diode4关断承受反向电压。实验总结：与实际相比二极管的电流会有一定的毛刺，是由于电感不能无穷大而在其导通的时有0.7V的管压降。整流电路负载端电压接近直流。实验二电路部分：设计任务1： 一阶直流激励RL充、放电电路的研究。实验步骤： 在matlab/simulink中选取相应的器件，如图连接运行。注意事项：Timer和Ideal switch的使用方法是由相对应的Timer控制Ideal switch的开通和关断时间，同时控制Ideal switch的有效幅值。Timer参数设置time0 0.01 0.02 amplitude0 1 0。R=3000ohms 、L=1 H (inductor initial current=0)、DC=10V。实验结果：负载L的电流电压曲线结论分析：如图所示一阶直流激励RL充、放电电路负载L的电流电压曲线，电感L电压在通电时刻发生跃变，而电感L电流不能跃变，电源对电感充电，能量的储存与释放需要一个过程。所以在0.01s时刻，电压曲线发生跃变，电压达到10V，而电流曲线缓慢上升；在0.02s时刻电源断开，电感放电需要一定的时间，而二极管导通存在压降0.7V，所以在0.02s时刻负载承受反压。实验总结：如一阶直流激励RL充、放电电路所示，电路导通时电感电流不越变，只有电源对电感充电，当充电充满时负载电流为0.003333A，0.02s时电源断开电感放电，直至电流降到0A。设计任务2：二阶RLC直流激励下动态响应的研究（过阻尼情况）。实验步骤： 在matlab/simulink中选取相应的器件，如图连接运行。直流激励：过阻尼情况参数设置：L=10mH、C=100uF，过阻尼情况下， 取R=50。 实验结果：电容C上的电压及电流曲线理论分析：二阶RLC直流激励下的响应，在过阻尼状态电压不会出现超调，但响应速度稍慢，时间长。设计任务3：二阶RLC交流激励下动态响应的研究实验步骤： 在matlab/simulink中选取相应的器件，如图连接运行。交流激励：参数设置：Timer参数设置time 0 0.01 0.015 ，amplitude1 0 1。R=10ohms ，L=1mH (inductor initial current=0)， AC=220V/50HZ。实验结果：电容、电感上的电压及电流曲线电阻上的电压及电流曲线结果分析：在交流激励下，如图所示电路，开关闭合后，由于电源频率为50Hz，属于低频，感抗远远小于容抗，故电容电流很小。开关断开后，电容和电感并联谐振，谐振频率：；开关闭合，电阻上的电压、电流波形与交流电源的相同；开关断开，电阻上的电压电流值为0。 任务2、3结论：在直流激励下，二阶RLC串联电路中，电阻R=50.电路为过阻尼状态，没有超调量。在交流激励下，由于电源频率低，开关闭合之前，电感几乎将电容短路，故电容电压近似为零。开关断开后，电感、电容并联谐振如图中的0.010.015时间段并联谐振。磁路部分：变压器（无饱和，采用线性变压器模型）的稳态分析设计任务1：一台10kVA，60Hz，380V/220V单相变压器，原、副边的漏阻抗分别为：Zp=0.14+j0.22, Zs=0.035+j0.055,励磁阻抗Zm=30+j310，负载阻抗ZL=4+j5。实验要求: 利用Simulink建立仿真模型，计算在高压侧施加额定电压时 (a)分别计算原、副边的电流的有效值。 (b)副边的负载上电压的有效值。理论值计算：通过等效电路，可以计算求得原边电流有效值：，副边电流有效值：，负载电压有效值。实验步骤：在matlab/simulink中选取相应的器件，如图连接运行。参数设置:由设计要求可知容量： 频率：原边电压有效值：副边电压有效值：原边漏阻抗对应的电阻、电感： ；副边漏阻抗对应的电阻、电感： ；因为英文版的励磁绕组为并联，中文版的为串联，所以关系转换如下：励磁电阻：其标幺值： /=224.5励磁电感： 其标幺值：=/=21.7 负载电阻： R=5 变压器参数设置为：仿真结果: 原边电流： 副边电流： 负载电压：效率：实验结论：用ode23s算法，变压器二次电压为214.7V。带负载情况下，受内阻压降的影响，二次侧端电压有所降低。符合实际情况。由于仿真计算对损耗的考虑不全面，与理论值存在微小的差别。本设计过程中，还可取额定容量和额定电压为基值，推算其他参数的标幺值，各参数用标幺值表示。实验三三相桥式整流电路（晶闸管）分析设计任务1：3个交流电源（单独的），U = 240V，50Hz。串联负载分别为R = 1，L= 1mH。实验要求：利用Simulink建立仿真模型，观察： (a) 各个晶闸管的电压。 (b) 负载上的电流、电压。模型和曲线要有标注实验步骤：在matlab/simulink中选取相应的器件，如图连接运行。 参数设置： 电源电压有效值U=240V ，且三个电源互差120，本设计中令A项电源的初始相位为0，B项电源的初始相位为 -120，C项电源的初始相位为120。f=50Hz，负载R=1、L=1mH。而晶闸管的触发角由“constant”决定。理论值计算： 负载电压：当=0时 ：V 当=30时： 实验结果： 当 a=0时：负载电压电流曲线 晶闸管电压曲线 当=30时：负载电压波形和电流曲线 晶闸管电压曲线实验结论：本次三相桥式整流电路（晶闸管）的仿真，与实际运行中晶闸管的电压，负载的电压电流波形大体相同，达到了预期的效果。三（或单）相PWM逆变电路分析设计任务2：直流电压源电压U = 110V，输出频率50Hz。负载分别为：Zl= 2+j1。实验要求：利用Simulink建立仿真模型，观察： 负载上的电流、电压。模型和曲线要有标注。实验步骤：在matlab/simulink中选取相应的器件，如图连接运行。参数设置：直流电源电压U=110V，输出频率f=50Hz ，负载ZL= 2+j1。实验结果： 负载电压曲线 负载电流曲线结果分析：逆变时一定要加负载电阻R，因为电容电压不能突变。两个直流电压源串联，中间取参考点，即可得到正负电源。且电容越大，输出电压越平滑。Buck降压电路分析设计任务3：直流电压源电压U = 110V。负载为：Rl= 50，滤波电容C=0.3mF。实验要求：利用Simulink建立仿真模型，观察： (a) IGBT的电流、电压。 (b) 负载上的电流、电压。模型和曲线要有标注。实验步骤：在matlab/simulink中选取相应的器件如图连接参数设置：直流电压VDC =110V，电感L=1H，滤波电容C=0.3mF，负载电阻Rl=50，开关频率f=10KHz ，占空比=0.6。理论值计算： 输出电压： 负载电流： 实验结果：IGBT电压电流曲线负载电压电流曲线结果分析：输出负载电压值约为65V，前期的波动是因为电感和电容充放电不完全引起的，负载电流约为1.30A，前期的波动与电压波动情况相同，电压电流都基本符合理论值。另外通过增大或减小占空比可以改变输出电压Ud。Boost升压电路分析设计任务4：直流电压源电压U = 110V。负载为：Rl= 100，滤波电容C=0.3mF 。实验要求：利用Simulink建立仿真模型，观察： (a) IGBT的电流、电压。 (b) 负载上的电流、电压。模型和曲线要有标注。实验步骤：在matlab/simulink中选取相应的器件，如图连接运行。参数设置： 直流电压VDC=110V，电感L=1H，滤波电容C=0.3mF，负载电阻Rl=100，开关频率f=10KHz ，占空比=0.6。理论值计算： 输出电压： 负载电流： 实验结果：IGBT电流电压曲线负载电压电流曲线 结果分析：波形波动是因为电容充放电，待波形稳定后输出电压值为273V，电流为2.70A，理论电压值为275V，电流值为2.75A.仿真结果与理论值基本吻合。另外通过增大或减小占空比可以改变输出电压Ud。实验四鼠笼式异步电机直接起动的研究设计任务1：三相交流电压源，线电压为380V，频率为50Hz。电动机机械转矩T = 10.32Nm。实验要求：利用Simulink建立仿真模型，观察： A相转子电流Ira、A相定子电流Isa、转速(rpm)、电磁转矩Te。实验步骤：在matlab/simulink中选取相应的器件，如图连接运行。参数设置：三相交流电压源参数：电机参数：电动机机械转矩T =10.32 Nm理论值计算： 同步转速：实验结果：经放大可知：=1465 r/min转差率: 转子电流变化频率=0.023350HZ=1.167HZ 实验结论：工程中一般10Kw下的电机允许直接起动，且起动时间一般在0.1s秒之内。本次设计三相四级鼠笼式异步电机，起动转矩和起动电流都很大。0s时电机起动，0.2s开始稳定运行，由于电机处于空载状态，故稳态电流、转矩都比较小。稳态电流大部分来建立旋转磁场，稳态转矩则用来克服摩擦阻力。绕线式异步电机转子串电阻起动的研究设计任务2：三相交流电压源，线电压为380V，频率为50Hz。电动机机械转矩T =10.32Nm。串联电阻R = 3。实验要求：利用Simulink建立仿真模型，对比未串联和串联电阻起动效果，观察： A相转子电流Ira、A相定子电流Isa、转速(rpm)、电磁转矩Te。实验步骤：在matlab/simulink中选取相应的器件，如图连接运行。 注意事项：未串入电阻：“Three-Phase Breaker”的通断时间为0（起始状态为“open”），“Three-Phase Breaker 1” 的通断时间为0 （起始状态为“open”）。在t=0时起动电机，同时将转子绕组短路。串入电阻：“Three-Phase Breaker 1” 的通断时间为0 （起始状态为“close”）。在t=0时起动电机，同时串入电阻。实现串电阻起动。参数设置：参数设计同“鼠笼式异步电机直接起动的研究”。理论计算： 同步转速： 转差率S=1时：故：转子回路所串的电阻取：（实际仿真中取了R=3）实验结果：未串入电阻起动曲线串入电阻起动曲线结果分析：由实验结果可以看出，当串入电阻起动时，启动转矩Te增大,定子启动电流I减小。当达到稳定时，转差率S增大，转子电流频率f2增大，转速speed减少。串入电阻起动的目的就是为了减小定子启动电流,增大起动转矩。当电机启动后，原理上为一级一级的断开电阻使所串电阻值一级一级的减小,最后所串入电阻为零。电机达到额定转速和额定转矩。课程设计总结与心得：在此次仿真过程中，我熟练地掌握了Matlab/Simulink中SimPowerSystems工具箱的基本建模方法，掌握了Matlab/Simulink电气仿真的基本步骤，加深了对基本电路与磁路、电力电子技术、电气传动等方面知识的理解。 在做Buck降压电路、Boost升压电路时，发现万用表测出的数据与理论和实际相差很大，好多人都出现了这个问题，最终在命令窗口中用plot绘图，得到了正确的响应曲线。在做三相桥式整流电路（晶闸管）