MATLAB在电力电子中应用

1、目录绪论.2第1章 MATLAB简介.3 1.1 MATLAB电力工具箱简介.3 1.2 MATLAB集成环境.3 1.3 SIMLINK 仿真基础.4第二章 基于MATLAB的晶闸管单相交流调压电路仿真.4 2.1 电压电流分析.4 2.2 谐波分析.6第3章 单相交流调压电路参数设置.7 3.1 单相交流调压电路介绍.7 3.2 单相交流调压电流电路仿真模型建立.8 3.3 模型仿真参数设置.8第4章 单相交流电路仿真.12 4.1 当=30时模型的仿真.12 4.2 当=60时模型的仿真.14 4.3 当=90时模型的仿真.16 4.4 当=120时模型的仿真.17 4.5 当=150时

2、模型的仿真.19 4.6 仿真结果分析.20第五章 MATLAB在电力系统中应用学.20参考文献.21绪论摘要：MATLAB是由美国的Clever Moler博士于1980年开发的，初衷是为解决“线性代数”课程的矩阵运算问题。后来又被MathWorks公司商业化，用于算法开发、数据分析及数值计算等，主要包括MATLAB和Simulink两部分。 MATLAB是Matrix Laboratory 的简称，发展迅速。目前，MATLAB 已经成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具，现在的 MATLAB 已经不仅仅是一个“矩阵实验室”了，它已经成为了一种具有广泛应用前景的全新的计算机高级编程语言，

3、有人称它为“第四代”计算机语言，它在国内外高校和研究部门正扮演着重要的角色。 MATLAB作为一种高效的科学及工程计算语言，它可以将计算过程、可视化以及编程等功能集于一体，为我们方便地服务。迄今为止，MATLAB已经广泛应用在数学分析、计算、自动控制、系统仿真、数字信号处理、图像处理、数理统计、通信工程、金融 系统和电力系统分析等领域，而且越来越受到使用者的喜爱，为我们的工作创造了很大的便利。第一章 MATLAB简介1.1 MATLAB电力工具箱简介 MATLAB在电力系统建模和仿真的过程主要由电力系统仿真模块（SimPowerSystem Blockset简称为PSB模块）来完成。PSB模块

4、主要包括电源模块库（Electrical Source）、 电器元件库（ Elements）、电机模块库（ Machines）、电力电子模块库（Power Electronics）、 测量模块库（Measurements）、相量元素模块（Phasor Elements）等。这些总的模块又各 自包括很多对应的元器件，我们将这些元器件拖拽到“模型编辑窗口”之后，通过我们构 建的模型进行连线，做完准备工作后我们就可以进行整个系统的仿真。 电力电子技术综合了电子电路、电机拖动、计算机控制等多学科知识，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

5、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。而仿真实训不受时间、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。1.2 MATLAB集成环境 安装完MATLAB之后，一般有两种方法可以启动它，可以单击开始程序MATLAB

6、MATLAB 7.10.0，也可以直接双击桌面上的MATLAB图标。下面是进入后的MATLAB界面, 即MATLAB命令窗口。注意,首次进入时,MATLAB可能打开了多个窗口,这是关闭其它窗口后退出MATLAB，然后重新进入MATLAB的显示画面。如下图1.1所示，即为MATLAB集成环境的界面。图1.1 MATLAB集成环境1.3 SIMLINK 仿真基础 SIMLINK 是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统 建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的

7、编程上。 所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以.mdl文件进行存取），进而进行仿真与分析。 我们在 SIMLINK中建立仿真模型，然后对模型中的参数进行设置，点击simulation中的Configuration Parameters，对其进行仿真参数的设置。参数设置界面如下图1.2所示。图1.2 仿真参数的设置第二章 基于MATLAB的晶闸管单相交流调压电路仿真2.1 电压电流分析 带阻感负载的单项调压电

8、路的阻抗角=arctan(wL/R).如果用导线把晶体管完全短接,稳态时负载电路应是正弦波,其相位滞后于电源电压u1的角度为。在用晶体管控制时由于只能 通过触发延迟角推迟晶体管的导通，所以晶体管的触发脉冲应在电流过零之后,而无法使其超前。把=0时刻仍定在电压过零时刻，显然，阻感负载下的异响范围为。 由晶闸管组成的交流电压控制电路，以方便地调节输出电压的有效值，结构简单、成本低廉。图2.1示出RL负载的单相交流调压电路及其电压电流波形，该电路用2套触发装置触 图2.1RL负载单相交流调压电路及其电压电流波形2个晶闸管，负载阻抗=arctan(wL/R).)。当移相角刚io既不连续，义非正弦。当“

9、=”时，负载电流成为完全的正弦波。当“”时，分2种情况：晶闸管门极用窄脉冲触发，若先触发vTl且“，如果触发脉冲的宽度+一(+a)= -”，则当vTl的电流下降到零时，vT2的门极脉冲已经消失而无法导通，这样输出电流将如同半波整流，变成直流。晶闸管门极用宽脉冲或脉冲列触发：则经过一段时间的过渡过程后，电路达到稳定状态，也即使电路工作在“=”时的状态。负载电压有效值：晶闸管电流有效值负载电流有效值为。2.2谐波分析电流只含3、5、7等次谐波，陋次数的增加，谐波含量减少；和电阻负载时相比，阻感负载时的谐波电流含鼍少一些；“角相同时，随的增大，谐波含量有所减少。=O时谐渡变化曲线见图2.2。图表 1

10、 =0时谐波变化曲线第三章 单相交流调压电路仿真模型建立及参数设置3.1 单相交流调压电路介绍 对单相交流电的电压进行调节的电路。用在电热控制、交流电动机速度控制、灯光控制和交流稳压器等场合。与自耦变压器调压方法相比，交流调压电路控制方便，调节速度快，装置的重量轻、体积小，有色金属消耗也少。 交流调压电路的一般结构如图3.1（a）所示。按一定的规律控制交流开关S1的通断，即可控制输出的负载电压u0。按单相交流调压电路的控制方式有周波控制调压、相位控制调压和斩波控制调压。采用前两种控制方式的单相交流调压电路如图1b所示。图1c所示。是斩波控制的单相交流调压电路，图中的双向开关S2是续流开关。 周

11、波控制调压适用于负载热时间常数较大的电热控制系统。控制图2.3(b)所示。中晶闸管导通时间与关断时间之比，使交流开关在某几个周波连续导通，某几个周波连续关断，如此反复循环地运行，其输出电压的波形如图2所示。改变导通的周波数和控制周期的周波数之比即可改变输出电压。为了提高输出电压的分辨率，必须增加控制周期的周波数。为了减少对周围通信设备的干扰，晶闸管在电源电压过零时开始导通。在负载容量很大时，开关的通断将引起对电网的冲击，产生由控制周期决定的分数次谐波，这些分数次谐波引起电网电压闪变。这是其缺陷。 利用控制触发滞后角的方法,控制输出电压。晶闸管承受正向电压开始到触发点之间的电角度称为触发滞后角。

12、在有效移相范围内改变触发滞后角，即能改变输出电压。有效移相范围随负载功率因数不同而不同，电阻性负载最大,纯感性负载最小。图3是阻性负载时相控方式的交流调压电路的输出电压波形。相控交流调压电路输出电压包含较多的谐波分量，当负载是电动机时，会使电动机产生脉动转矩和附加谐波损耗。另外它还会引起电源电压畸变。为减少对电源和负载的谐波影响，可在电源侧和负载侧分别加滤波网络。 使开关在一个电源周期中多次通断，将输入电压切成几个小段，用改变小段的宽度或开关通断的周期来调节输出电压。斩控调压电路输出电压的质量较高,对电源的影响也较小。图4是斩波控制的交流调压电路的输出电压波形。在斩波控制的交流调压电路中，为了

13、在感性负载下提供续流通路，除了串联的双向开关S1外，还须与负载并联一只双向开关S2。当开关 S1导通，S2关断时，输出电压等于输入电压；开关S1关断，S2导通时,输出电压为零。控制开关导通时间与关断时间之比即能控制交流调压器的输出电压。开关 S1、S2动作的频率称斩波频率。斩波频率越高,输出电压中的谐波电压频率越高,滤波较容易。当斩波频率不是输入电源频率的整数倍时，输出电压中会产生分数次谐波。当斩波频率较低时，分数次谐波较大，对负载产生恶劣的影响。将斩波信号与电源电压锁相，可消除分数次谐波。斩波控制的交流调压电路的功率开关元件必须采用功率晶体管或其他自关断元件，所以成本较高。 图3.1 单相交

14、流调压电路3.2 单相交流调压电路仿真模型建立用simulink的建模如图3.2所示，品闸管模块并联r阻容缓冲电路(具体参数为): R=1, L=0.002 , 计算的 =32度. R1=0.001, lon=0, Vf=0.8, Io=0, Rs=10. Cs=4e-6, 电源电压：交流图3.2 单相交流调压模型 如上图3.2所示即为单相交流调压电流，在该调压电路的模型中，我们用到的模块有交流电压源（AC Voltage Source）、脉冲信号发生器（PulseGenerator）、晶闸管（Thyristor）、电流测量模块（Current Measurement）、电压测量模块（Volt

15、age Measurement）、示波器（Scope）等。3.3 模型仿真参数设置3.1.1 交流电压源参数设置 电压源，即理想电压源，是从实际电源抽象出来的一种模型，在其两端总能保持一定的电压而不论流过的电流为多少。电压源具有两个基本的性质：第一，它的端电压定值U或是一定的时间函数U(t)与流过的电流无关。第二，电压源自身电压是确定的，而流过它的电流是任意的。 电压源是一个理想元件,因为它能为外电路提供一定的能量,所以又叫有源元件。 本次仿真的交流电压源是有效值100V,峰值为141V，相位角为0度，频率为50Hz。交流电压源的参数设置如下图3.3所示。 图3.3 交流电压源的参数设置3.3

16、.2 脉冲信号发生器参数设置脉冲信号发生器是信号发生器的一种。信号发生器按信号源有很多种分类方法，其中一种方法可分为混和信号源和逻辑信号源两种。其中混和信号源主要输出模拟波形；逻辑信号源输出数字码形。混和信号源又可分为函数信号发生器和任意波形/函数发生器，其中函数信号发生器输出标准波形，如正弦波、方波等，任意波/函数发生器输出用户自定义的任意波形；逻辑信号发生器又可分为脉冲信号发生器和码型发生器，其中脉冲信号发生器驱动较小个数的的方波或脉冲波输出，码型发生器生成许多通道的数字码型。如泰克生产的AFG3000系列就包括函数信号发生器、任意波形/函数信号发生器、脉冲信号发生器的功能。另外，信号源还

17、可以按照输出信号的类型分类，如射频信号发生器、扫描信号发生器、频率合成器、噪声信号发生器、脉冲信号发生器等等。信号源也可以按照使用频段分类，不同频段的信号源对应不同应用领域。脉冲信号发生器参数设置如下图3.4所示。图3.4 脉冲信号发生器参数设置3.3.3 晶闸管参数设置 晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；1957年美国通用电气公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极； 晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用

18、于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。 晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管（SCR）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）、门极关断晶闸管（GTO）、BTG晶闸管、温控晶闸管（TT国外，TTS国内）和光控晶闸管（LTT）等多种。晶闸管导通条件为：加正向电压且门极有触发电流；其派生器件有：快速晶闸管，双向晶闸管，逆导晶闸管，光控晶闸管等。它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示（旧标准中用字“SCR”表示）。 当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导通，必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。图2中每个晶体管的集电

19、极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。因此，两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门极电流Ig流入时，就会形成强烈的正反馈，造成两晶体管饱和导通，晶体管饱和导通。晶闸管参数设置如下图3.5所示。图3.5 晶闸管参数设置3.3.4 电流测量模块参数设置 MATLAB中的电流测量模块用来对仿真电路中的电流进行测量，其参数设置如下图3.6所示。3.3.5 电压测量模块参数设置 MATLAB中的电压测量模块用来对仿真电路中的电流进行测量，其参数设置如下图3.7所示。 第四章 单相交流电路仿真 触发角的不同对模型的仿真结果有一定的影响，改变a值就可以看到不同的仿真结果。 4.1 当=30时模型的仿真 当=

20、30时，两个信号脉冲发生器的参数设置是不同的，两个信号脉冲发生器的参数设置分别如下图4.1和图4.2所示。图4.1 =30时Pulse Generato 参数设置图4.2 =30时Pulse Generato1 参数设置 参数设置完成后，我们就可以进行模拟的仿真。仿真结果如下图4.3所示。图4.3 =30时仿真结果如上图4.3所示为=30时，u1，uG1，ug2，io，uo，uvt波形。由图可知，当=时，由于指数分量衰减到零后VT1和VT2的导通时间趋近于的一个分量为正弦稳态分量,另一个为指数衰减分量。4.2 当=60时模型的仿真 当=60时，两个信号脉冲发生器的参数设置也是不同的，两个信号脉

21、冲发生器的参数设置分别如下图4.4和图4.5所示。图4.4 =60时Pulse Generato 参数设置图4.5=60时Pulse Generato1 参数设置参数设置完成后，我们就可以进行模拟的仿真。仿真结果如下图4.6所示。图4.6 =60时仿真结果如上图4.6所示为=60时，u1，uG1，ug2，io，uo，uvt波形。4.3 当=90时模型的仿真当=90时，两个信号脉冲发生器的参数设置也是不同的，两个信号脉冲发生器的参数设置分别如下图4.7和图4.8所示。图4.7 =90时Pulse Generato 参数设置图4.8 =90时Pulse Generato1 参数设置参数设置完成后，

22、我们就可以进行模拟的仿真。仿真结果如下图4.9所示。图4.9 =90时仿真结果如上图4.9所示为=90时，u1，uG1，ug2，io，uo，uvt波形。4.4 当=120时模型的仿真 当=120时，两个信号脉冲发生器的参数设置也是不同的，两个信号脉冲发生器的参数设置分别如下图4.10和图4.11所示。图4.10 =120时Pulse Generato 参数设置图4.11 =120时Pulse Generato1 参数设置参数设置完成后，我们就可以进行模拟的仿真。仿真结果如下图4.12所示。图4.12 =120时仿真结果如上图4.12所示为=120时，u1，uG1，ug2，io，uo，uvt波形。4.5当=150时模型的仿真当=150时，两个信号脉冲发生器的参数设置也是不同的，两个信号脉冲发生器的参数设置分别如下图4.13和图4.14所示。图4.13 =150时Pulse Generato 参数设置图4.13 =150时Pulse Generato 参数设置参数设置完成后，我们就可以进行模拟的仿真。仿真结果如下图4.15所示。图4.15 =150时仿真结果如上