电力电子电路典型环节的MATLAB仿真毕业设计论文

教学单位教学单位电子电气工程系学生学号202195014075编号DQ2021DQ075本科毕业设计题目学生姓名专业名称指导教师2021年月日电力电子电路典型环节的MATLAB仿真摘要:本文主要研究了电力电子电路典型环节的MATLAB仿真，首先介绍了MATLAB软件及其图形仿真界面Simulink的根底应用知识，然后介绍了用于电力电子仿真的SimPowerSystems中的各种模块库，完成了对整流电路、斩波电路典型环节的建模与仿真，并且给出了仿真结果波形。通过MATLAB/SIMULINK软件来建立各电路的仿真模型，并且对各个模块和系统内部的参数进行设置，例如仿真算法、电子器件的选择和电源幅值和频率等，最终实现电力电子系统在MATLAB中的仿真。仿真结果和理论分析结果相一致，验证了仿真建模的有效性和正确性。最后，本文对研究成果进行了总结，并提出了进一步改良建议。关键词：Matlab/Simulink，仿真，整流电路，斩波电路

Abstract:ThispapermainlystudiestheMATLABsimulationofthetypicalsessiontothepowerelectroniccircuit,ThisarticlefirstintroducestheMATLABsoftwareandtheapplicationofknowledgebasedongraphicalinterfaceSimulinksimulation,andthenintroducedthevariousmodulesofSimPowerSystemslibraryforthepowerelectronicsimulation,alsocompletedModelingandSimulationtothetypicalsessionofrectifiercircuitandChoppercircuit,andshowtheresultsofthesimulationwaveform.EstablishedvariouselectriccircuitsthroughMATLAB/SIMULINKsoftwarethesimulationmodel,andsettheestablishmenttoeachmoduleandtheinteriorparameterofsystem,forexamplesimulationalgorithm,electronicdevicechoiceandelectricalsourcepeak-to-peakvalueandfrequencyandsoon,finallyrealizedsimulationthattheelectricpowerelectronicsalternating-currentcircuitinMATLAB.Simulationresultandtheoreticalanalysisresultconsistent,hasconfirmedthesimulationmodellingvalidityandtheaccuracy.Finally,thispapersummarizestheresearchresultsandmakessuggestionsforfurtherimprovement.Keywords:Matlab/Simulink,Simulation,Rectifiercircuit,Choppercircuit

目录第1章概述 51.1国内外研究概况 51.2本课题的研究内容 51.3本课题的研究目的与意义 6第2章MATLAB/SIMULIK根底知识 72.1MATLAB介绍 72.1.1MATLAB主要组成局部 72.1.2MATLAB的系统开发环 82.2SIMULINK仿真根底 92.2.1SIMULINK启动 102.2.2SIMULINK的模块库介绍 112.2.3电力系统模块库的介绍 122.2.4SIMULINK的仿真步骤 13第3章整流电路的SIMULINK仿真设计 153.1单相桥式整流电路的仿真 153.1.1单相桥式全控整流电路的工作原理 153.1.2建立仿真模型 153.1.3设置模型参数 173.1.4模型仿真 183.2三相桥式整流电路的仿真 213.2.1三相桥式全控整流电路的工作原理 213.2.2建立仿真模型 223.2.3设置模型参数 23第4章斩波电路的SIMULINK仿真设计 264.1降压斩波电路的仿真 264.1.1降压变换器的工作原理 264.1.2建立仿真模型 274.1.3设置模型参数 284.1.4模型仿真 284.2升压斩波电路的仿真 304.2.1升压变换器的工作原理 304.2.2建立仿真模型 304.2.3设置模型参数 314.2.4模型仿真 32第5章仿真调试 345.1模型仿真应注意的问题 345.1.1模型建立和仿真参数的设置 345.1.2仿真运行和观测仿真结果 35结论 37参考文献 38致谢 40第1章概述1.1国内外研究概况电力电子技术综合了微电子、电路、自动控制等多学科知识，是电能变换与控制的核心技术，在工业、能源、交通、国防等各个领域发挥着越来越重要的作用。然而，由于电力电子器件所固有的非线性特性，使得对电力电子电路及系统的分析十分困难。现代计算机仿真技术为电力电子电路及系统的分析提供了有效的方法，大大简化了电力电子的分析与设计过程。成为相关专业学生和工程技术人员学习和研究的重要手段。但是，复杂的数学模型、数值计算及编程过程仍然需要消耗巨大的工作量，这些都阻碍了计算机仿真技术的应用。为此，出现了PSPICE、SABER、MATLAB等适用于电力电子仿真的专用仿真软件。这些软件将各种功能子程序模块化，提供了完善的部件模型，用户只需简单的操作便可完成给定系统的仿真模型设计，成为广阔学生和工程技术人员在学习、科研和开发过程中的必备工具。早期的MATLAB软件主要用于数值计算及控制系统的仿真和分析，经过多年不断地扩展，目前涉及通信、信号处理、电气工程、人工智能等诸多领域，已经成为风行全球的科学计算软件。MATLAB中提供的“PowerSystems〞是进行电力电子系统仿真的理想工具，与其他仿真软件进行器件级别的仿真分析不同，PowerSystems中的模型更加关注器件的外特性，易于与控制系统相连接。使用这些模块进行仿真能够简化编程工作，以直观易用的图形方式对电力电子电路进行模型描述。目前对电力电子的仿真研究根本上都是建立仿真模型后直接给出了结果波形，虽未给出GUI界面设计的效果，不过这些仿真技术的研究，很大程度上也推动着仿真技术的开展，使得对复杂的电力电子电路、系统的分析和设计变得更加容易和有效，进一步拓宽了它的应用范围和使用领域。1.2本课题的研究内容本文利用MATLAB软件对电力电子电路典型环节进行了SIMULINK模型仿真设计。首先对电力电子的整流电路和斩波电路的典型环节进行了建模仿真的分析和研究，介绍了利用MATLAB/SIMULINK建立电力电子电路仿真模型并进行仿真的方法，然后完成了仿真模型的建立，给出了仿真结果波形。1.3本课题的研究目的与意义本文通过MATLAB的仿真设计，可以将电力电子中抽象的、复杂的理论知识变得直观、简单易行，利用MATLAB工具箱作仿真,学生能较快地理解课程理论,并可以初步学会用仿真来分析电力电子问题的技能。通过对仿真结果的分析就可以对系统结构进行改良或将有关参数进行修改使系统到达要求的结果和性能，这样就可以极大地加快系统的分析和设计过程。通过仿真，能够以直观易用的图像方式对电气系统进行模型描述。我们还可以通过仿真来验证一些特殊情况下波形分析的正确性,从而帮助学生更好地理解一些概念、提高授课的灵活性，而这也正是我们论文研究的目的和意义所在。

第2章MATLAB/SIMULIK根底知识2.1MATLAB介绍1980年，美国的CleveMoler博士在新墨西哥大学讲授线性代数课程时，发现采用高级语言编程极为不便，于是建立了MATLAB〔MatrixLaboratory的缩写〕，即矩阵实验室，早期开发MATLAB软件是为了帮助学校的老师和学生更好地授课和学习。1984年，由美国MathWorks公司推出了商业版，经过二十余年的不断升级，目前MATLAB的最新版本为MATLABR2021a。由于使用MATLAB编程运算与进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以不像学习Basic、Fortran和C等其它高级语言那样难于掌握。用MATLAB编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题。在这个环境下，对所要求解的问题，用户只需简单地列出数学表达式，其结果便会由MATLAB以数值或图形的方式显示出来。它可以很方便地进行图形化的输入输出，同时还具有丰富的函数库〔工具箱〕，极易实现各种不同专业的科学计算功能。另外，MATLAB和其他高级语言也具有良好的接口，可以方便地与其他语言实现混合编程，这都进一步拓宽了它的应用范围和使用领域。在各大高等院校，MATLAB软件正在成为对数值、线性代数以及其他一些高等应用数学课程进行辅助教学的有力工具，由于其高度的集成性和应用的方便性，以及它能非常快捷地实现科研人员的设想并节省科研时间，因而得到了广泛的应用与推广。MATLAB主要组成局部MATLAB的主要组成：〔1〕MATLAB语言：高级矩阵/阵列语言。〔2〕MATLAB工作环境：一组实用工具函数。〔3〕图形处理。〔4〕MATLAB数学函数。〔5〕MATLAB应用程序接口。MATLAB重要部件：〔1〕SIMULINK：进行仿真的交互式系统。〔2〕Toolboxes：用于解决某一方面问题的子程序集。MATLAB的系统开发环境在桌面上双击MATLAB快捷方式图标，或者在开始菜单里点击MATLAB的选项，即可进入环境。进入MATLAB环境，即翻开了MATLAB窗口〔见图2.1〕。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CurrentDirectory和Workspace键进行切换。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。在这里，对开发环境做简单介绍。图2.1MATLAB的操作界面窗口〔1〕MATLAB的主菜单MATLAB的主菜单有File、Edit、View、Web和Help六项。点击菜单命令就会显示下拉子菜单的内容。这些菜单的内容和其他程序的菜单区别不大，在这里不做说明。〔2〕命令窗口〔CommandWindow〕命令窗口是用户与MATLAB进行交互的主要场所。如上图中右方窗口所示。命令窗口的空白区域，用于输入和显示计算结果。可以在该区域键入各种MATLAB命令进行各种操作，或直接键入数学表达式进行计算，还可以直接键入MATLAB的系统命令并执行。〔3〕工作空间〔Workspace〕工作空间〔Workspace〕是指接受MATLAB命令的内存区域，存储着命令窗口输入的命令和创立的所有变量值。每翻开一次MATLAB，都会自动建立一个工作空间，当MATLAB运行程序时，程序中的变量就会存放到工作空间中，程序的运行结果也以变量的形式保存在工作空间中，关闭MATLAB后，工作空间会自动消除。2.2SIMULINK仿真根底系统仿真〔SIMULINK〕环境也称工具箱〔Toolbox〕，是MATLAB最早开发的，它包括SIMULINK仿真平台和系统仿真模型库两局部，主要用于仿真以数学函数和传递函数表达的系统，是20世纪70年代开发的连续系统仿真程序包〔CCS〕的继续，现在的系统仿真〔SIMULINK〕包括了连续系统、非线性系统和离散系统的仿真。由于SIMULINK的仿真平台使用方便、功能强大，后来拓展的其他模型库也都共同使用这个仿真环境，成为MATLAB仿真的公共平台。SIMULINK是Simulation和Link两个英文单词的缩写，意思是仿真链接，MATLAB模型库都在此环境中使用，从模型库中提取放到SIMULINK的仿真平台上进行仿真。所以，有关SIMULINK的操作是仿真应用的根底。SIMULINK作为面向系统框图的仿真平台，它具有如下特点：〔1〕以调用模块代替程序的编写，以模块连成的框图表示系统，点击模块即可以输入模块参数。以框图表示的系统应包括输入〔鼓励源〕、输出〔观测仪器〕和组成系统本身的模块。〔2〕画完系统框图，设置好仿真参数，即可启动仿真。这时，会自动完成仿真系统的初始化过程，将系统框图转换为仿真的数学方程，建立仿真的数据结构，并计算系统在给定鼓励下的响应。〔3〕系统运行的状态和结果可以通过波形和曲线观察，这和实验室中用示波器观察的效果几乎一致。〔4〕系统仿真的数据可以以.mat为后缀的文件保存，并且可以用其他数据处理软件进行处理。〔5〕如果系统框图绘制不完整或仿真过程中出现计算不收敛的情况，会给出一定的出错提示信息，但是这提示不一定准确，这是软件还不够完备的地方。〔6〕以框图的形式对控制系统进行仿真是SIMULINK的最早功能，后来在SIMULINK的根底上又开发了数字信号处理、通信系统、电力系统、模糊系统等数10种模型库，但是SIMULINK的窗口界面是其他工具箱共用的平台，在此平台上可以进行控制系统、电力系统、通信系统等各种系统的仿真。SIMULINK启动从MATLAB窗口进入SIMULINK环境有以下几种方法：〔1〕在MATLAB菜单栏上单击File，并在下拉菜单中的New选项下单击Model；〔2〕在MATLAB工具栏上单击按钮，然后在翻开的模型库浏览器窗口菜单上单击按钮；〔3〕在MATLAB的命令窗口中输入“simulink〞后回车，然后在翻开的模型库浏览器窗口菜单上单击按钮。完成上述操作之一后，屏幕上出现SIMULINK的工作窗口〔见图2.2〕。在SIMULINK工作窗口上方标题栏上，“untitled〞表示一个尚未命名的新文件，在其上方右侧是最小化、最大化和关闭三个按钮。标题栏下方是菜单栏，这里有File〔文件〕、Edit〔编辑〕、View〔查看〕、Simulation〔仿真〕、Format〔格式〕、Tools〔工具〕和Help〔帮助〕7项主要功能菜单。第三栏是菜单命令的等效按钮。窗口下方有仿真状态的提示栏，在启动仿真后，在该栏中可以提示仿真的进度和使用的仿真算法。窗口中部的空白局部是绘制仿真模型框图的空间，这是对系统仿真的主要工作平台。图2.2SIMULINK工作窗口SIMULINK的模块库介绍在Matlab命令窗口中键入Simulink命令，便可以翻开SIMULINK的库浏览器窗口〔见图2.3〕，窗口左部的树状目录是各分类模型库的名称。在分类模型库下还有二级子模型库，点击模型库前带“+〞的小方块那么可展开二级子模型库的目录，点击模型库名前带“-〞的小方块那么可关闭二级目录。在这里点击或直接点击图标可以在窗口中展现三级目录下的模型图标。图2.4所示为翻开仪器仪表模块库〔Sinks〕子模型库后的窗口。在窗口右边展现了Sinks子模型库中的9个模块。图2-3模型库浏览器窗口之一图2.4模型库浏览器窗口之二电力系统模块库的介绍在Matlab命令窗口中输入“powerlib〞，按回车键〔Enter〕，就可以翻开电力系统工具箱。电力系统工具箱包括了电路、电力电子等电气工程学科中常用的元件模型，这些元件模型分布在7个模块库中，如图2.5所示。利用这些库模块及其它库模块，可以方便、直观地建立各种系统模型并进行仿真。图2.5电力系统工具箱模块库〔1〕电源模块库(ElectricalSources)：包括交流、直流及可控的电压源和电流源。这一局部模型可以用来仿真交、直流电源。〔2〕元件模块库(Elements)：包括串联及并联的RLC支路负载、断路器、分布参数线、线性变压器、饱和变压器、和过电压自动装置、互感、开关等。这局部可以仿真交流输电线装置。〔3〕电力电子模块库(PowerElectronics)：包括二极管、晶闸管、GTO、MOSFET、IGBT等电力电子器件。还有通用桥(UniversalBridge)，它可设定成不同电力电子器件的单臂、双臂和三臂桥。这些设备模型不仅可以单独进行仿真而且可以组合在一起仿真整流电路等直流输变电的电力电子设备。〔4〕电机模块库(Machines)：此局部有异步电动机、励磁系统、水轮电机及其监测系统、永磁同步电机、简化的同步电机、同步电机。这些模型可以仿真电力系统中发电机设备、电力拖动设备等。〔5〕连接模块库(Connectors)：这一局部包括一些电力系统中常用的接线设备。如地线、中性点、连结点等。〔6〕测量模块库(Measurements)：包括电流、电压等测量模块，该局部模型用来采集线路的电压或电流值。这一局部还起着连接SIMULINK模型与POWERLIB模型的作用。〔7〕附加模块库(Extras)：扩展模块组包含了上述各个模块组中的各个附加子模块组。用户可以根据自己的电力系统结构图使用POWERLIB和SLMULINK中相应的模型来组成仿真的电路模型。主要有①控制模块库：内有同步6脉冲发生器、PWM发生器、时钟、三相可编程电源等。②离散测量模块库：各种离散测量模块。③离散控制模块库：离散PI、PID控制器，离散PWM发生器和二阶滤波器等。④测量模块库：有交流调速中的坐标变换等。⑤矢量模块库：序列分析器等。⑥附加电机模块库：有直流电机、离散直流电机等。SIMULINK的仿真步骤利用SIMULINK环境仿真一个系统的过程根本上可以分为如下几个步骤：〔1〕根据要仿真的系统框图，在SIMULINK窗口的仿真平台上构建仿真模型；〔2〕设置模块参数；〔3〕设置仿真参；〔4〕启动仿真；〔5〕观测仿真结果。第3章整流电路的SIMULINK仿真设计常用的整流器有单相和三相整流器，从控制角度区分，有不控、半控和全控整流电路之分，从输出直流的波形来区分，又有半波和全波整流之分。二极管、晶闸管是常用的整流器件，现在采用全控型器件的PWM方式整流器也越来越多。整流电路的仿真可以用powersys模型库中的二极管和晶闸管等模块来构建，对三相整流电路模型库中有6-pulsediodebridge、6-pulsethyristorbridge、universalbridge等模块可以调用，使用这些模块可以使仿真更方便。复杂的大功率多相整流器可以在三相桥的根底上构建。这里主要介绍常用的单相和三相桥式全控整流电路的仿真。3.1单相桥式整流电路的仿真单相桥式全控整流电路的工作原理单相桥式全控整流电路如图3.1所示，电路由交流电源u1、整流变压器T、晶闸管VT1-VT4、负载电阻R以及触发器电路组成。在变压器二次电压u2的正半周触发晶闸管VT1和VT3，在u2的负半周触发晶闸管VT2和VT4，在负载上可以得到方向不变的直流电，改变晶闸管的控制角可以调节输出直流电压和电流的大小。在这里我们只讨论电阻性负载时的情况。图3.1单相桥式全控整流电路原理建立仿真模型〔1〕首先建立一个仿真模型的新文件。在MATLAB的菜单栏上点击File，选择New，在弹出的菜单中选择Model，这时出现一个空白的方针平台，在这平台上可以绘制电路的仿真模型。同时也可以在File菜单下给文件命名，本电路的文件命名为li1。〔2〕提取电路元器件模块。在仿真模型窗口的菜单栏上点击图标调出模型库浏览器，在模型库中提取适合的模型放到仿真平台上。组成单相桥式全控整流电路的主要元器件有交流电源、晶闸管、RLC负载等，提取元器件模块的路径见表3.1。表3.1元器件名称及路径元器件名称提取元器件路径交流电源u2Powersystemblockset/electricalsources/ACvoltagesource晶闸管VT1-VT4Powersystemblockset/powerelectronics/thyristorRLC串联电路Powersystemblockset/elements/seriesRLCbranch脉冲发生器Simulink/sources/pulsegeneratorT形节点Powersystemblockset/connectors/Tconnector中性节点Powersystemblockset/connectors/neutral(output)〔3〕将电路元器件模块按单相整流的原理图连接起来组成仿真电路。首先将元器件移动到适宜的位置，将光标箭头指向需要移动的元器件，按住鼠标左键将元器件移动到指定位置。单相桥需要4个晶闸管模块，这可以使用模块的复制方法，以鼠标左键单击晶闸管模型图标，模型图标的四角出现四个小黑块〔■〕，外表该模块已被选中，这时同时按住键盘中的Ctrl键以及鼠标的左键。移动鼠标那么可以将晶闸管模块复制到其他位置。同时点击元器件模块的名称可以修改模块的名称，如将thyristor改名为VT1等。连接模块只需要以光标移向模块的输出端，以左键点住并移动鼠标即可拖拉出一条连线，将连线拉到另一元器件的输入端，松开鼠标即完成一条接线。在SIMULINK模型库中没有专门的单相桥式整流器触发模型，这里使用了两个脉冲发生器来分别产生VT1和VT3、VT2和VT4的触发脉冲。整流器的负载选用了RLC串联电路，可以通过参数设置来改变电阻、电感和电容的组合。模型中使用了两种测量仪器，示波器〔Scope〕和多路测量器〔Multimeter〕。示波器可以观察它连接点上的波形，多路测量器可以接收一些模块发送出来的参数信号并通过示波器观测，接上观测器后的仿真电路如图3.2所示。图3.2单相桥式全控整流电路仿真模型对于晶闸管两端的电压、电流波形，我们观测VT1、VT2、VT3和VT4中的一个即可，在该模型中，我们观测的是VT1两端的电压、电流波形。设置模型参数设置模型参数是保证仿真准确和顺利的重要一步，有些参数是由仿真任务规定的。如本仿真电路中的电源电压、电阻值等，有些参数是需要通过仿真来确定的。设置模型参数可以双击模块图标弹出参数设置对话框，然后按框中提示输入，假设有不清楚的地方可以借助Help帮助。本仿真电路的参数设置如下：〔1〕交流电压源u2，电压为220V，频率为50Hz，初始相位为0°。在电压设置中要输入的是电压峰值，在该栏中键入“220*sqrt(2)〞。在对话框最后的测量选项选择选中电压“voltage〞，这样，u2数据可以送入多路测量器〔Miltimeter〕。〔2〕晶闸管VT1-VT4直接使用模型的默认参数。〔3〕负载RLC，R的值为2Ω，L的值为0，C的值为inf。〔4〕本电路中晶闸管的触发采用简单的脉冲触发器〔PulseGenerator〕来产生，脉冲发生器的脉冲周期Τ必须和交流电源u2同步。晶闸管的控制角α以脉冲的延迟时间t来表示，t=αΤ/360°，其中，α为控制角，Τ=1/f，f为交流电源频率。本仿真电路在α=30°时的脉冲发生器参数设置见表3.2。表3.2脉冲发生器参数设置工程脉冲发生器1脉冲发生器2脉冲类型〔Pulsetype〕Time-basedTime-based脉冲幅值〔Amplitude〕11周期〔Period〕0.02s0.02s脉冲宽度〔Pulsewidth〕0.0005s0.0005s相位延迟〔Phasedelay〕0.00167s0.01167s模型仿真在模型开始仿真前还必须首先设置仿真参数。在菜单中选择Simulation，在下拉菜单中选择Simulationparameters，在弹出的对话框中可设置的工程很多，主要有开始时间、终止时间、仿真类型〔包括步长和解电路的数值方法〕，以及相对误差、绝对误差等。步长、解法和误差的选择对仿真运行的速度影响很大，步长太大计算容易发散，步长太小运算时间太长，在难于确定时一般可选可变步长〔variable-step〕，仿真数值计算方法可选ode15、ode23、ode45等，误差选择1/1000对于电力电子电路的仿真精度来说以及足够了。在本仿真电路中，将仿真时间设为0.06s，选择ode45仿真算法，最大步长设为1e-3。在参数设置完毕后即可开始仿真。在菜单Simulation下选择Start，或者直接点击工具栏上的“〞图标仿真立即开始，在屏幕下方的状态栏上可以看到仿真的进程。假设要中途停止仿真可以选择Stop或工具栏上的“■〞图标。在仿真计算完成后即可以通过示波器来观察仿真的结果。在仿真参数设置对话框中设置的仿真时间0-0.1s内，电源u2的电压波形如图3.3所示，晶闸管VT1和VT3、VT2和VT4的触发脉冲如图3.4所示。图3.3电源电压u2的波形〔a〕〔b〕图3.4晶闸管VT1、VT3的触发脉冲〔a〕和VT2和VT4的触发脉冲〔b〕图3.5中的上部和下局部别为α=30°、R的值为2Ω时负载两端的电压和通过负载的电流波形，该电压和电流都是脉动的直流，反映了电源的交流电经过整流器后成为了直流电，实现了整流。图3.5α=30°时负载电阻两端的电压波形和电流波形晶闸管VT1两端的电压和经过晶闸管VT1的电流波形如图3.6中的下部和上部所示，通过晶闸管的电流仅是负载电流的一半，只在半个周期内有电流通过晶闸管VT1。通过比拟可以看到在晶闸管导通时晶闸管两端电压为零，在4个晶闸管都不导通时〔0.01-0.012s，0.02-0.022s区间〕，每个晶闸管承受u2/2电压，且晶闸管承受的最高反向电压为电源电压的峰值311V，根据该电压和电流可以选择晶闸管的额定参数。图3.6α=30°时晶闸管的电流波形和电压波形如果要观察在其他控制角下，整流器的工作情况，只需修改脉冲触发器的延迟时间，重新启动仿真即可。3.2三相桥式整流电路的仿真三相桥式全控整流电路的工作原理目前在各种整流电路中，应用最广泛的是三相桥式全控整流电路，原理图如图3.7所示，习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管〔VT1、VT3、VT5〕称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管〔VT2、VT4、VT6〕称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按从1到6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。图3.7三相桥式全控整流电路原理图6个晶闸管依次相隔60°触发，将交流电整流为直流电。三相桥式整流电路必须采用双脉冲触发或宽脉冲触发方式，以保证在每一瞬间都有两个晶闸管同时导通〔上桥臂和下桥臂各一个〕。整流变压器采用三角形/星型联结是为了减少3的整倍数次谐波电流对电源的影响。建立仿真模型三相桥式全控整流电路的仿真使用MATLAB模型库中的三相桥和触发器的集成模块是很方便的。Matlab6.5版的电力系统工具箱提供了可设定为不同电力电子器件的通用桥(UniversalBridge)和同步6脉冲触发器(Synchronized6-PulseGenerator)，使得相控电路的模型搭建很容易。6脉冲触发器的同步电压要求是线电压，因此用电压测量模块将相电压转为线电压。在触发模块的参数设定中，频率选为与电源频率一致(例如60Hz)，并选双脉冲触发形式。模型中负载的输出电压和电流是通用电压和电流直接测量的。在模型的正常工作中保证触发脉冲与主电路同步很重要，仿真使用的6脉冲发生器是在同步电压过零时作为控制角α=0°的位置。在同步信号关系难以确定时，可以发挥仿真的特点，将三相同步电压信号以不同的顺序连接到6脉冲发生器的AB、BC、CA3个同步输入端，然后运行该模型，观察整流器输出电压波形，如果电压波形在一周期中6个波头连续规那么，那么该整流器的同步是正确的。负载和控制角可以按需要设定。该仿真模型中主要使用的元器件模块提取路径见表3.3。表3.3三相整流电路模型主要提取路径元器件名称提取元器件路径交流电源u2Electricalsources/ACvoltagesource三相晶闸管整流器Extralibrary/three-phaselibrary/6-pulsethyristorbridgeRLC负载Elements/seriesRLCbranch6脉冲发生器Extralibrary/controlblocks/synchronized6-pulsegenerator触发角设定Simulink/sources/constant翻开新建模型窗口，将所需元件模块从模块库中拖入新建模型窗口并改名，设定有关参数后将各模块按照原理图连接组成仿真模型，晶闸管三相桥式整流电路仿真模型如图3.8所示。图3.8三相桥式全控整流电路仿真模型设置模型参数在这里，我们只研究三相桥带电阻负载的情况，本仿真电路的参数设置如下：〔1〕电源参数设置：三相电压源的电压峰值为100V，,频率为60Hz，相位分别为0°、120°、240°。〔2〕三相晶闸管整流器参数设置：使用默认值。〔3〕RLC负载参数设置：R的值为45Ω，L的值为0，C的值为inf。〔4〕6脉冲发生器设置：频率为60Hz，脉冲宽度取10°，选择双脉冲触发方式。将它的第五个输入端〔Block〕置“0〞，此时有脉冲输出。如果置“1〞，那么没有脉冲输出。〔5〕触发角设置：给的a设置为0°、60°。模型仿真将仿真时间设为0.02s，数值算法采用ode45。仿真参数设置完成后即可启动仿真，可得到的相应仿真结果。当触发角a为0°时，三相电源电压、三相电源电流、触发信号、负载电流、负载电压波形如图下列图所示。当触发角a为0°时，三相电源电压、三相电源电流、触发信号、负载电流、负载电压波形如图下列图所示。阻感负载的仿真结果见附录一中〔3〕所示。

第4章斩波电路的SIMULINK仿真设计直流-直流变换器〔DC/DCConverter〕，能将一种直流电变换为另一中具有不同输出特性的直流电，是开关电源的核心。一般按照电路拓扑的不同，DC-DC变换器分为不带隔离变压器的DC-DC变换器和带隔离变压器的DC-DC变换器。BUCK电路和Boost电路是DC-DC变换器最根本的两种拓扑形式。DC-DC变换器的主要功能是变换直流电压等级，隔离变压器那么根据需要选取，其根本的作用是输入输出之间的隔离，也可进行变压。无论哪一种DC-DC变换器，主回路使用的元件都是功率半导体器件、电感、电容。目前使用的开关器件主要有MOSFET、IGBT以及二极管等。电感、电容是储存和传递电能的元件。DC-DC变换器的根本手段都是通过开关器件的通断，使带有滤波器的负载线路与直流电源一会儿接通，一会儿断开，在负载上得到另一个等级的直流电压。在本章中主要介绍了常用的降压〔BUCK〕变换器和升压〔BOOST〕变换器的仿真，并进行了MATLAB/SIMULINK仿真分析，其他变换器的仿真也可以用同样的方法进行。4.1降压斩波电路的仿真降压变换器的工作原理降压式〔Buck〕变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器。用于降低直流电源的电压，使负载侧电压低于电源电压，Buck变换器的主电路由开关管VT、二极管VD、输出滤波电感L和负载构成。这种电路，电压是电压源性质、负载为电流源性质。其原理电路如图4.1所示。图4.1降压〔Buck〕斩波电路的原理图在开关器件VT导通时有电流经电感L向负载供电，在VT关断时，电感L释放电能，维持负载电流。电流经负载和二极管VD形成回路。调节开关器件VT的通断周期。可以调整负载侧输出电流和电压的大小。根据电感电流是否连续，Buck变换器有3种工作模式：连续导电模式、不连续导电模式和临界状态。电感电流连续是指输出滤波电感L的电流总大于零，电感电流断续是指在开关管VT关断期间有一段时间流过电感的电流为零。在这两种工作方式之间有一个工作边界，称为电感电流临界连续状态，即在开关管关断期末，滤波电感的电流刚好降为零。在这里对此不做讨论。建立仿真模型主电路的设计除要选择开关器件和二极管外，还需要确定电感L的参数，电感参数的计算是复杂的，但是采用仿真却很方便。在本模型中，开关器件我们采用了可关断晶闸管GTO，GTO的驱动信号由脉冲发生器Pulse产生，设定脉冲发生器的脉冲周期和脉冲宽度可以调节脉冲占空比。模型中连接了两个示波器，用来分别测量GTO的输出电压、电流和负载的输出电压、电流。将各模块按照原理图连接组成仿真模型，得到直流降压斩波电路仿真模型如图4.2所示。图4.2降压〔buck〕斩波电路的仿真模型设置模型参数本仿真电路中的模块参数设置如下：在“SimPowerSystems/ElectricalSources〞库中选择“DCVoltageSource〞直流电压源模块，在对话框中将直流电压设置为200V。在“SimPowerSystems/PowerElectronics〞库中选择“GTO〞和“Diode〞模块，参数保存其缺省值，勾选“Showmeasurementport〞。在“Simulink/Sources〞库中选择“PulseGeneretor〞，对话框中脉冲周期“Period〔secs〕〞设置为0.0002，脉冲宽度“PulseWidth〔%ofperiod〕〞设置为50，其他设置保持为缺省值。该仿真模型中主要使用的元器件模块提取路径见表4.1：表4.1降压斩波电路模型主要提取路径元器件名称提取元器件路径可关断晶闸管GTOSimPowerSystems/PowerElectronics串联RLC支路SimPowerSystems/Elements脉冲发生器Simulink/Sources电压、电流测量模块SimPowerSystems/Measurements模型仿真翻开仿真参数窗口，选择ode23tb算法，将相对误差设置为1e-3，仿真开始时间为0，停止时间为0.002，仿真参数设置完成后即可启动仿真，仿真结束后双击示波器模块便可得到相应仿真结果。负载电压的波形如图4.3所示。图4.3负载电流和负载电压的波形可关断晶闸管GTO的负载电流波形如图4.4所示。图4.4可关断晶闸管GTO的电流波形4.2升压斩波电路的仿真4.2.1升压变换器的工作原理升压〔Boost〕变换器是一种输出电压等于或高于输入电压的单管非隔离直流变换器。通过控制开关管VT的导通比，可控制升压变换器的输出电压。它用于需要提升直流电压的场合，其原理电路如图4.5所示。图4.5升压〔Boost〕斩波电路的原理图在电路中IGBT导通时，电流由电源E经升压电感L和VT形成回路，电感L的电流增加，电感储能；当IGBT关断时，电感产生的反电动势和直流电源电压串联共同向负载供电，由于在IGBT关断时电感的反电动势和直流电源电压方向相同互相叠加，从而在负载侧得到高于电源的电压。二极管的作用是阻断IGBT导通时，电容的放电回路。升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。这些可以通过仿真来确定。建立仿真模型根据升压变流器的原理电路建立仿真模型，命名为f4，如图4.6所示。图4.6升压〔boost〕斩波电路的仿真模型设置模型参数〔1〕取脉冲发生器脉冲周期为0.2ms，脉冲宽度为50%。〔2〕将直流电源设置为200V。〔3〕RLC负载参数设置：R的值为5Ω，L的值为0.1mH，C的值为100µF。〔4〕设置仿真参数，取仿真时间3ms，仿真算法采用ode23tb。该仿真模型中主要使用的元器件模块提取路径见表4.2：表4.2降压斩波电路模型主要提取路径元器件名称提取元器件路径IGBT模块SimPowerSystems/PowerElectronics直流电压源SimPowerSystems/ElectricalSources串联RLC支路SimPowerSystems/Elements脉冲发生器Simulink/Sources电流表、电压表模块SimPowerSystems/Measurements模型仿真仿真参数设置完成后即可启动仿真，得到相应仿真结果。IGBT两端电压和电流波形如图4.7和图4.8所示，负载两端电压波形如图4.9所示。图4.7IGBT两端电压波形图4.8通过IGBT的电流波形图4.9负载两端电压波形从图4.9可见，选择的参数已能满足要求，输出电压到达400V，脉动在5%以内。如果需要进一步减少输出电压波动，可以提高脉冲发生器产生脉冲的周期，并选择多组LC参数比拟以得到更满意的结果。第5章仿真调试5.1模型仿真应注意的问题5.1.1模型建立和仿真参数的设置〔1〕SIMULINK系统建模的过程中，在用信号线连接模型中所需的模块时，有几点需要注意：①在建模之前应对模块和信号线有一个整体、清晰和仔细的安排，这样在建模时会省下很多不必要的麻烦；②模块的输入端只能和上级模块的输出端相连接；③模块的每个输入端必须要有指定的输入信号，但输出端可以空置。〔2〕建立好仿真模型以后，选择菜单项选择项[Simulation>simulationparameters]，将显示仿真参数对话框，如图6.1所示。这里介绍解法设置属性页〔Solver〕中最常用的设置项，读者可以通过查阅help文档了解其它工程的相关内容。图6.1仿真参数设置对话框①设置仿真时间设置仿真时间非常重要，它决定了模型仿真的时间或取值区域，其设置完全根据待仿真系统的特性确定，反映在输出显示上就是示波器的横轴坐标值的取值范围。“Starttime〞和“Stoptime〞项分别用以设置仿真开始时间〔或取值区域下限〕和终止时间〔或取值区域上限〕，默认值分别为0.0和10.0。②选择仿真算法在SIMULINK的仿真过程中选择适宜的算法是很重要的。仿真算法是求常微分方程、传递函数、状态方程的数值计算方法，主要有欧拉法〔Eular〕、阿达姆斯法〔Adams〕和龙格—库塔法〔Runge-Kutta〕。由于动态系统的差异性，使得某种算法对某类问题比拟有效，而另外算法对另一类问题更有效。因此，对不同的问题，可以选择不同的适应算法和相应的参数，以得到更准确、快速的解。根据仿真步长，SIMULINK中提供的常微分方程数值计算的算法大致可以分两类：VariableStep：可变步长类算法，在仿真过程中可以自动调整步长，并通过减小步长来提高计算的精度。FixedStep：固定步长类算法，在仿真过程中采取基准采样时间作为固定步长。一般而言，使用变步长的自适应算法是比拟好的选择。这类算法会按照设定的精确度在各积分段内自适应地寻找最大步长进行积分，从而使得效率最高。5.1.2仿真运行和观测仿真结果〔1〕在模型仿真过程中如果出现错误，SIMULINK将会终止仿真并弹出一个标题为“ErrorDialog〞的带有明显出错图标的错误提示框。点击提示框中的“OK〞按键，将显示如图6.2的错误信息对话框。该对话框分如下四个局部：图6.2错误信息对话框①Message：信息类型，如模块错误，连线警告等；②Source：模型中出错的模块名；③Reportedby：出错信息来源，如SINMULINK、Stateflow、Workshop等；④Summary：出错信息概括。〔2〕示波器〔Scope〕模块是SIMULINK仿真中非常重要的一个模块，不仅可以实现仿真结果波形的显示，而且可以同时保存波形数据，是人机交互的重要手段。如图6.3所示，示波器模块属性的设置对用户观察和分析仿真结果影响很大，必须进行适宜的属性设置才能得到满意的显示效果。图6.3示波器窗口界面点击“示波