Matlab電氣仿真.docx

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1、大連海事大學(xué) 題目：電氣系統(tǒng)的計算機(jī)輔助設(shè)計 姓名： 學(xué)號： 學(xué)院：輪機(jī)工程學(xué)院 專業(yè)班級：電氣工程及其自動化（4）班 指導(dǎo)老師：鄭忠玖 王寧 l 設(shè)計任務(wù)（一） 一、實驗?zāi)康模? 1、掌握Matlab/Simulink 電氣仿真的基本步驟； 2、掌握Matlab/Simulink中SimPowerSystems 工具箱的基本建模方法； 3、利用Matlab/Simulink 在整流電路方面的仿真設(shè)計。 二、實驗原理： 220V 50HZ交流電源經(jīng)變壓器降壓，輸出交流24V 50HZ是交流

2、電。經(jīng)單相橋式整流電路加LC濾波電路后，由于電感和電容的作用，輸出電壓和電流無法突變，使輸出電壓波形在一定的電壓附近形成正弦脈動。 三、實驗內(nèi)容： 1、單相橋式整流 （1） 設(shè)計要求： a) 單相橋式整流加LC濾波電路，電源為220V,50Hz； b) 整流電路輸入為24V； c) 負(fù)載為10Ω阻性負(fù)載； d) 濾波電感L=100mH，濾波電容C=200uF； （2） 設(shè)計電路圖： （3） 仿真結(jié)果波形圖： （4） 仿真結(jié)果分析： 1. 在變壓器輸出正弦波的正半周期，二極管VT1和二極管VT4導(dǎo)通，二極管VT2和二極管VT3被施以反壓而截止；在變壓

3、器輸出正弦波的負(fù)半周期，二極管VT2和二極管VT3導(dǎo)通，二極管VT1和二極管VT4施以反壓而截止。由于電路中二極管的作用，負(fù)載兩端的電壓極性一定，達(dá)到整流的目的。 2. 二極管導(dǎo)通時管壓降理想為零，電流波形與負(fù)載輸出電流波形保持一致；二極管截止時，二極管承受反壓，電壓波形與變壓器輸出的負(fù)半周期的電壓波形相一致，電流為零。 3. 由于電感和電容的作用，輸出電壓和電流不能突變。使輸出電壓波形形成正弦脈動。 l 設(shè)計任務(wù)（二） 一、實驗?zāi)康? 1、 掌握Matlab/Simulink中SimPowerSystems 工具箱的基本建模方法； 2、 掌握Matlab/Simulink 電氣

4、仿真的基本步驟； 3、 利用Matlab/Simulink 在一階、二階電路、變壓器方面進(jìn)行仿真設(shè)計。 二、實驗原理 1、 通過對電感充電放電的過程，對一階直流激勵電路進(jìn)行研究。 2、 通過對電容、電感充電放電的過程，對二階直流激勵RLC電路進(jìn)行研究。 3、 二階RLC交流激勵下動態(tài)響應(yīng)的研究。 4、 變壓器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的分析。 三、實驗內(nèi)容 1、一階直流激勵RL充放電電路的研究(學(xué)號尾數(shù)為雙數(shù)) （1） 設(shè)計要求： a) 自行設(shè)計電路，設(shè)計電路參數(shù)； b) 自行選擇所需顯示的曲線，結(jié)果； c) 根據(jù)仿真結(jié)果寫出分析和結(jié)論； （2） 實驗參數(shù)設(shè)置： 34

5、 （3） 電路設(shè)計圖： （4） 仿真結(jié)果波形圖： （5）仿真結(jié)果分析： 由對理想開關(guān)的控制可知，在t=0.1s時開關(guān)閉合給電感充電,電感初始儲能為0，電壓迅速上升，其電壓變化率最大，隨著充電的進(jìn)行，電感儲能增加，電感中電壓趨近U =12V。當(dāng)電感充滿電之后，相當(dāng)于短路，其兩端電壓為零，通過的電流最大。在放電過程中，電感兩端電壓逐漸減小，后趨于穩(wěn)定值0V。當(dāng)電感放電過程中電流變化很快，放完電之后通過的電流為零。 負(fù)載兩端的電壓在電感充電和放電過程中分別呈現(xiàn)先快速上升再緩慢上升和先快速下降和緩慢下降的趨勢最終趨于穩(wěn)態(tài)分別為12V和0V。 2、二階RLC直流激勵下動態(tài)響

6、應(yīng)的研究 （1） 設(shè)計要求： a) 自行設(shè)計電路，設(shè)計電路參數(shù)； b) 自行選擇所需顯示的曲線，結(jié)果； c) 根據(jù)仿真結(jié)果寫出分析和結(jié)論； d) 過阻尼情況（學(xué)號尾數(shù)為雙數(shù)） （2） 電路設(shè)計圖 （3） 仿真波形圖： （4） 仿真結(jié)果分析： 由圖可見，由于電路處于過阻尼狀態(tài)，電感電壓逐漸上升，無震蕩，最終趨于穩(wěn)態(tài)。 二階RLC交流激勵下動態(tài)響應(yīng)的研究（全體學(xué)生） （1） 設(shè)計要求： a) 自行設(shè)計電路，設(shè)計電路參數(shù)； b) 自行選擇所需顯示的曲線，結(jié)果； c) 根據(jù)仿真結(jié)果寫出分析和結(jié)論； （2） 設(shè)計電路圖： （3） 仿真波形圖：

7、 （4） 仿真結(jié)果分析： 二階RLC交流激勵的動態(tài)響應(yīng)電感兩端電壓，電流波形為正弦波，其中，電流滯后于電壓；電容兩端電壓為正弦波，而通過的電流在起始時刻波動之后趨于穩(wěn)定值為零。 4、變壓器（無飽和，采用線性變壓器模型）的穩(wěn)態(tài)分析 （1） 設(shè)計要求： 變壓器（無飽和，采用線性變壓器模型）的穩(wěn)態(tài)分析： 一臺10kVA，60Hz，380V/220V單相變壓器，原、副邊的漏阻抗分別為：Zp=0.14+j0.22Ω, Zs=0.035+j0.055Ω； 勵磁阻抗：Zm=30+j310Ω； 負(fù)載阻抗：ZL=4+j5Ω。 要求: 利用Simulink建立仿真模型，計算

8、在高壓側(cè)施加額定電壓時， a) 分別計算原、副邊的電流的有效值； b) 副邊的負(fù)載上電壓的有效值； （2） 實驗參數(shù)設(shè)置： 變壓器原，副變參數(shù)計算： 原邊： S(base)=10kVA Vpbase=380V Zp(base)=V2p(base)Sp(base)=14.44Ω Rp(pu)=RpZp(base)=0.1414.44 Xp(pu)=Xpzp(base)=0.2214.44 副邊： S(base)=10kVA Vsbase=220V Zs(base)=V2s(base)Is(base)=4.84Ω Rs(pu)=RsZs(bas

9、e)=0.0354.84 Xs(pu)=Xszs(base)=0.0554.84 勵磁支路： Rc=Rm2+Xm2Rm=97003Ω Xm=Rm2+Xm2Xm=970031Ω Rc(pu)=RcZp(base)=97003*14.44 Xm(pu)=XmZp(base)=970031*14.44 變壓器及負(fù)載參數(shù)配置：  （3） 電路設(shè)計圖及其仿真結(jié)果： （4） 仿真結(jié)果分析: 變壓器為380V/220V 10KVA 60HZ理論計算原副邊變比為1.727。由于原、副邊的漏阻抗分別為：Zp=0.14+j0.22Ω, Zs=0.035+j0.05

10、5Ω,勵磁阻抗Zm=30+j310Ω，負(fù)載阻抗ZL=4+j5Ω，所以實際變壓器存在鐵耗和銅耗等使得實際變壓器原副邊變比為1.64左右，負(fù)載兩端的電壓達(dá)不到期望值220V。 盡管電路圖設(shè)計與變壓器二次側(cè)折算到一次側(cè)的T形等效電路還是不同的，因此在實際參數(shù)折算的時候要區(qū)分開； 變壓器參數(shù)配置時選擇分?jǐn)?shù)形式比小數(shù)形式更加準(zhǔn)確；變壓器負(fù)載參數(shù)配置是要注意下圖所示的電感初始電流的設(shè)置，如若勾選即將電感初始電流設(shè)置為0則在變壓器仿真運(yùn)行時將會出現(xiàn)下圖所示的警告。 l 設(shè)計任務(wù)（三） 一、實驗?zāi)康模? 1、 掌握Matlab/Simulink中SimPowerSystems 工具箱的基本建模

11、方法； 2、 掌握Matlab/Simulink 電氣仿真的基本步驟； 3、 利用Matlab/Simulink 在整流、逆變、斬波等電力電子技術(shù)方面的仿真設(shè)計； 二、實驗原理 1、三相橋式整流電路，晶閘管導(dǎo)通順序為VT1—VT6,VT1—VT2,VT2—VT3,VT3—VT4,VT4—VT5,VT5—VT6。帶阻感性負(fù)載時，若電感足夠大，則負(fù)載電流不斷續(xù)。負(fù)載輸出波形隨著觸發(fā)角的變化而變化。 2、三相PWM逆變電路，將直流電逆變?yōu)榻涣麟?。電壓型逆變電路，直流?cè)為直流電壓源，或并聯(lián)大電容相當(dāng)于電壓源。由于直流電源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)，輸出電流波

12、形和相位因負(fù)載情況的不同而不同。 3、buck降壓電路，是一個DC-DC變換器或者稱為斬波電路，將直流電變?yōu)榭烧{(diào)電壓的直流電。通過Pulse Generator對開關(guān)器件的控制，實現(xiàn)直流-直流降壓的作用，并且通過調(diào)整占空比可以改變輸出電壓平均值。 4、boost升壓電路，是一個DC-DC變換器或者稱為斬波電路，將直流電變?yōu)榭烧{(diào)電壓的直流電。通過Pulse Generator對開關(guān)器件的控制，實現(xiàn)直流-直流升壓的作用，并且通過調(diào)整占空比可以改變輸出電壓平均值。 三、實驗內(nèi)容 1、三相橋式整流電路（晶閘管）分析 （1） 設(shè)計要求： 已知： 3個交流電源，U = 220 +(學(xué)號%10

13、 )10V，50Hz； 串聯(lián)負(fù)載分別為：R = 1Ω，L= 1mH； 要求： 利用Simulink建立仿真模型，觀察： (a) 各個晶閘管的電壓； (b) 負(fù)載上的電流、電壓。模型和曲線要有標(biāo)注； （2） 電路設(shè)計圖： （3） 仿真波形圖： u 觸發(fā)角：control angle=0 u 觸發(fā)角：control angle=30 u 觸發(fā)角：control angle=60 （4） 仿真結(jié)果分析 三相橋式整流電路，如圖分別選取觸發(fā)角為0、30、60的情形。當(dāng)觸發(fā)角為0時，總的整流輸出電壓為線電壓在正半周的包絡(luò)線

14、；當(dāng)觸發(fā)角小于60整流輸出電壓的每一段線電壓推遲相應(yīng)的角度，總的平均值降低，負(fù)載電壓波形不會出現(xiàn)負(fù)的部分；當(dāng)觸發(fā)角等于60時負(fù)載電壓波形為臨界狀態(tài)。由理論可知當(dāng)觸發(fā)角大于60時負(fù)載電壓波形會出現(xiàn)負(fù)的部分。帶阻感負(fù)載時，三相橋式整流電路觸發(fā)角的移相范圍為90。 由于電感作用，使得負(fù)載電流變得較為平直，當(dāng)電感足夠大的時候，負(fù)載電流的波形可以近似為一條直線。 各晶閘管電壓波形相同，由于導(dǎo)通時刻依次延遲60故相位互差60。 2、三相PWM逆變（IGBT） （1） 設(shè)計要求： 已知： 直流電壓源電壓U = 100 +（學(xué)號%10）5V，輸出頻率50Hz； 負(fù)載分別為：ZL = 2+j1Ω

15、; 要求：利用Simulink建立仿真模型，觀察： 負(fù)載上的電流、電壓。模型和曲線要有標(biāo)注。 （2） 電路設(shè)計圖： （3） 實驗參數(shù)設(shè)置： 根據(jù)實驗要求中的設(shè)計提示對電路各器件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如上圖所示： a) 兩個直流電壓源串聯(lián)，中間接地；（每個電壓源根據(jù)學(xué)號設(shè)為110V） b) 整流橋的橋臂數(shù)選3，ABC為輸出； c) PWM發(fā)生器位于Extra Library 的 Discrete Control Blocks，載波頻率取輸出頻率的20倍； d) 需要Powergui模塊； 其中 PWM發(fā)生器載波頻率為1000HZ，調(diào)制比為0.4，負(fù)載輸出頻

16、率為50HZ； 三相橋橋臂為3，電力電子器件選IGBT，其他參數(shù)默認(rèn)； （4） 仿真波形圖： （5） 仿真結(jié)果分析： 如圖為電壓型逆變電路，直流側(cè)為直流電壓源，交流側(cè)輸出電壓波形為方波，電流波形由負(fù)載的阻抗角決定。三相負(fù)載每一相上的輸出波形相位互差120。此時為雙向PWM波逆變電路，由面積等效原理把調(diào)制好的PWM波變?yōu)榻平涣餍盘?。理?/p>

17、上電感越大效果越好。 PWM發(fā)生器當(dāng)選擇模式是調(diào)制信號內(nèi)部產(chǎn)生時，無需連接輸入端子Signal(s), 該模式下可以通過改變Modulation index（調(diào)制比）來改變輸出信號的幅值，改變Frequency of output voltage來改變輸出電壓的頻率，改變Phase of output voltage來改變輸出電壓的初始相位。 3、buck降壓電路分析 （1） 設(shè)計要求： 已知： 直流電壓源電壓U = 100 +(學(xué)號%10) 5V； 負(fù)載為：RL = 50Ω； 濾波電容C=0.3mF； 要求： 利用Simulink建立仿真模型，觀察： a) IG

18、BT的電流、電壓； b) 負(fù)載上的電流、電壓； 模型和曲線要有標(biāo)注。 （2） 設(shè)計電路圖： （3） 實驗參數(shù)設(shè)置： 根據(jù)實驗要求中的設(shè)計提示對電路中脈沖發(fā)生器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如下圖所示： 周期取0.0001s，脈沖寬度取60%。 （4） 仿真波形圖： 負(fù)載的電壓、電流： buck降壓電路IGBT電壓，電流波形： （4）仿真結(jié)果分析： 由理論計算得PWM波占空比為60%,直流側(cè)電壓為110V，則輸出電壓應(yīng)為0.6110V=66V。通常，串聯(lián)的電感越大，負(fù)載電流連續(xù)且脈動越小。 4、boost升壓電路分析 （1） 設(shè)計要求： 已知： 直流

19、電壓源電壓U = 100 +（學(xué)號%10）5V； 負(fù)載為：RL = 100Ω； 濾波電容C=0.3mF； 要求: 利用Simulink建立仿真模型，觀察： a) IGBT的電流、電壓； b) 負(fù)載上的電流、電壓； 模型和曲線要有標(biāo)注。 （2） 設(shè)計電路圖： （3） 參數(shù)設(shè)置：周期取0.0001s，脈沖寬度取60%。 （4） 仿真波形圖: 負(fù)載的電壓、電流: boost降壓電路IGBT電壓，電流波形： （5） 仿真結(jié)果分析: 由理論計算得PWM波占空比為60%,直流側(cè)電壓為110V，則輸出電壓應(yīng)為110(1-0.6)=275V 。因為IGBT處于導(dǎo)通

20、和截止的狀態(tài)其兩側(cè)電壓和電流波形應(yīng)為近似方波。 l 設(shè)計任務(wù)（四） 一、實驗?zāi)康? 1、 掌握Matlab/Simulink中SimPowerSystems 工具箱的基本建模方法； 2、 掌握Matlab/Simulink 電氣仿真的基本步驟； 3、 利用Matlab/Simulink 在異步電機(jī)起動等電機(jī)控制技術(shù)方面的仿真設(shè)計。 二、實驗原理 1、鼠籠式異步電機(jī)直接起動，通過對異步電機(jī)的定子繞組施加三相交流電使其直接起動。 2、繞線式異步電機(jī)串電阻起動，通過在轉(zhuǎn)子繞組串電阻的方式，實現(xiàn)異步電機(jī)的起動。 三、實驗內(nèi)容 1、籠型異步電機(jī)直接起動的研究: （1） 設(shè)計要求：

21、已知： 三相交流電壓源(線電壓取值：學(xué)號單號為220V，雙號為380V)，頻率(單號：60Hz，雙號為50Hz)。電動機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩T = 10 +（學(xué)號%100）/100Nm。 要求： 利用Simulink建立仿真模型，觀察： a) A相轉(zhuǎn)子電流Ira； b) A相定子電流Isa； c) 轉(zhuǎn)數(shù)(rpm)； d) 電磁轉(zhuǎn)矩；模型和曲線要有標(biāo)注。 （2） 設(shè)計電路圖： （3） 實驗參數(shù)設(shè)置： （4） 仿真結(jié)果圖: （5） 仿真結(jié)果分析： 鼠籠式異步電機(jī)起動，如圖定子和轉(zhuǎn)子電流應(yīng)為交流電，隨著轉(zhuǎn)速趨于額定值，定子和轉(zhuǎn)子電流幅值不斷減小，最終趨于穩(wěn)定

22、。異步電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷增加，最終趨于額定轉(zhuǎn)速1500r/min，電磁轉(zhuǎn)矩最終趨于輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩10.42。 2、繞線式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻起動的研究： （1） 設(shè)計要求： 已知： 三相交流電壓源(線電壓取值：學(xué)號單號為220V，雙號為380V)，頻率(單號：60Hz，雙號為50Hz)。電動機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩T = 10 + （學(xué)號%100）/100Nm。 串聯(lián)電阻R = 3Ω。 利用Simulink建立仿真模型，對比未串聯(lián)和串聯(lián)電阻起動效果，觀察： a) A相轉(zhuǎn)子電流Ira; b) A相定子電流Isa; c) 轉(zhuǎn)數(shù)(rpm); d) 電磁轉(zhuǎn)矩;模型和曲線要有標(biāo)注。 （2） 設(shè)計電路圖:

23、 （3） 實驗參數(shù)設(shè)置: 繞線式電機(jī)參數(shù)配置如下 通過改變斷路器——breaker的初始狀態(tài)和開關(guān)動作時刻來模擬繞線式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子未串電阻起動和轉(zhuǎn)子串電阻起動。 轉(zhuǎn)子未串電阻起動： 轉(zhuǎn)子串電阻起動： （4） 仿真波形圖： 轉(zhuǎn)子未串電阻起動： 轉(zhuǎn)子串電阻起動： （5） 仿真結(jié)果分析： 繞線式異步電機(jī)起動，由圖可知，相對于未串聯(lián)電阻起動，串聯(lián)電阻起動的電動機(jī)定子側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)的電流減小，起動轉(zhuǎn)矩變大，在2.5s后切斷電阻，轉(zhuǎn)速上升，電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定后

24、不變。 在繞線式異步電機(jī)有無串電阻起動運(yùn)行情況比較的實驗中，可以通過對每一相所串電阻并聯(lián)一個斷路器的充分使用省去一個未串電阻起動的電路設(shè)計，當(dāng)斷路器的初始狀態(tài)為0即斷開，0s時刻開關(guān)動作即閉合，此時所串電阻被短路即為未串電阻起動；當(dāng)斷路器的初始狀態(tài)為1即閉合，0s時刻開關(guān)動作即斷開，此時電機(jī)為串電阻起動，當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，2.5s開關(guān)動作即閉合，此時各相所串電阻被短路，即完成了電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后串電阻被切掉的要求。 總結(jié) 通過本次仿真實驗的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了自己獨(dú)立解決問題的能力，并且深入而全面地對本學(xué)期所學(xué)的電機(jī)學(xué)，電力電子技術(shù)以及電氣系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)這些課程知識的融會貫通，受益匪淺。在實踐過程

25、中，出現(xiàn)了很多疑難和困惑，其中印象最為深刻的變壓器參數(shù)的折算，PWM發(fā)生器的使用以及繞線式異步電機(jī)串電阻起動。從最初的元器件的選取到其內(nèi)部參數(shù)的設(shè)定，從基本電路的設(shè)計到最終電路的完善和優(yōu)化，從仿真時間的選擇到仿真算法的選取，一步步摸索，在老師的指引和同學(xué)的幫助下都得到了解決，不僅進(jìn)一步理解和鞏固了所學(xué)的專業(yè)知識而且還鍛煉了自己獨(dú)立思考和總結(jié)的能力。