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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 姓名： 學(xué)號(hào)： 學(xué)院：輪機(jī)工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)：電氣工程及其自動(dòng)化（4）班 指導(dǎo)老師：鄭忠玖 王寧 l 設(shè)計(jì)任務(wù)（一） 一、實(shí)驗(yàn)?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(jì)。 二、實(shí)驗(yàn)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(wú)法突變，使輸出電壓波形在一定的電壓附近形成正弦脈動(dòng)。 三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 1、單相橋式整流 （1） 設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)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(shí)，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(dòng)。 l 設(shè)計(jì)任務(wù)（二） 一、實(shí)驗(yàn)?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(jì)。 二、實(shí)驗(yàn)原理 1、 通過(guò)對(duì)電感充電放電的過(guò)程，對(duì)一階直流激勵(lì)電路進(jìn)行研究。 2、 通過(guò)對(duì)電容、電感充電放電的過(guò)程，對(duì)二階直流激勵(lì)RLC電路進(jìn)行研究。 3、 二階RLC交流激勵(lì)下動(dòng)態(tài)響應(yīng)的研究。 4、 變壓器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的分析。 三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1、一階直流激勵(lì)RL充放電電路的研究(學(xué)號(hào)尾數(shù)為雙數(shù)) （1） 設(shè)計(jì)要求： a) 自行設(shè)計(jì)電路，設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置： 34

5、 （3） 電路設(shè)計(jì)圖： （4） 仿真結(jié)果波形圖： （5）仿真結(jié)果分析： 由對(duì)理想開(kāi)關(guān)的控制可知，在t=0.1s時(shí)開(kāi)關(guān)閉合給電感充電,電感初始儲(chǔ)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(chǔ)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(guò)的電流最大。在放電過(guò)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(guò)程中電流變化很快，放完電之后通過(guò)的電流為零。 負(fù)載兩端的電壓在電感充電和放電過(guò)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(shì)最終趨于穩(wěn)態(tài)分別為12V和0V。 2、二階RLC直流激勵(lì)下動(dòng)態(tài)響

6、應(yīng)的研究 （1） 設(shè)計(jì)要求： a) 自行設(shè)計(jì)電路，設(shè)計(jì)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(guò)阻尼情況（學(xué)號(hào)尾數(shù)為雙數(shù)） （2） 電路設(shè)計(jì)圖 （3） 仿真波形圖： （4） 仿真結(jié)果分析： 由圖可見(jiàn)，由于電路處于過(guò)阻尼狀態(tài)，電感電壓逐漸上升，無(wú)震蕩，最終趨于穩(wěn)態(tài)。 二階RLC交流激勵(lì)下動(dòng)態(tài)響應(yīng)的研究（全體學(xué)生） （1） 設(shè)計(jì)要求： a) 自行設(shè)計(jì)電路，設(shè)計(jì)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(jì)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(lì)的動(dòng)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(guò)的電流在起始時(shí)刻波動(dòng)之后趨于穩(wěn)定值為零。 4、變壓器（無(wú)飽和，采用線性變壓器模型）的穩(wěn)態(tài)分析 （1） 設(shè)計(jì)要求： 變壓器（無(wú)飽和，采用線性變壓器模型）的穩(wěn)態(tài)分析： 一臺(tái)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(lì)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(jì)算

8、在高壓側(cè)施加額定電壓時(shí)， a) 分別計(jì)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(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置： 變壓器原，副變參數(shù)計(jì)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(lì)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(jì)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(jì)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(lì)磁阻抗Zm=30+j310Ω，負(fù)載阻抗ZL=4+j5Ω，所以實(shí)際變壓器存在鐵耗和銅耗等使得實(shí)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(jì)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(shí)際參數(shù)折算的時(shí)候要區(qū)分開(kāi)； 變壓器參數(shù)配置時(shí)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(shí)將會(huì)出現(xiàn)下圖所示的警告。 l 設(shè)計(jì)任務(wù)（三） 一、實(shí)驗(yàn)?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(jì)； 二、實(shí)驗(yàn)原理 1、三相橋式整流電路，晶閘管導(dǎo)通順序?yàn)閂T1—VT6,VT1—VT2,VT2—VT3,VT3—VT4,VT4—VT5,VT5—VT6。帶阻感性負(fù)載時(shí)，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(wú)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(gè)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(guò)Pulse Generator對(duì)開(kāi)關(guān)器件的控制，實(shí)現(xiàn)直流-直流降壓的作用，并且通過(guò)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(gè)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(guò)Pulse Generator對(duì)開(kāi)關(guān)器件的控制，實(shí)現(xiàn)直流-直流升壓的作用，并且通過(guò)調(diào)整占空比可以改變輸出電壓平均值。 三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1、三相橋式整流電路（晶閘管）分析 （1） 設(shè)計(jì)要求： 已知： 3個(gè)交流電源，U = 220 +(學(xué)號(hào)%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(gè)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(jì)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(shí)，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(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分；當(dāng)觸發(fā)角等于60時(shí)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(shí)負(fù)載電壓波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。帶阻感負(fù)載時(shí)，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(shí)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(shí)刻依次延遲60故相位互差60。 2、三相PWM逆變（IGBT） （1） 設(shè)計(jì)要求： 已知： 直流電壓源電壓U = 100 +（學(xué)號(hào)%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(jì)圖： （3） 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置： 根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求中的設(shè)計(jì)提示對(duì)電路各器件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如上圖所示： a) 兩個(gè)直流電壓源串聯(lián)，中間接地；（每個(gè)電壓源根據(jù)學(xué)號(hào)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(shí)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?hào)。理論

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(hào)內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)，無(wú)需連接輸入端子Signal(s), 該模式下可以通過(guò)改變Modulation index（調(diào)制比）來(lái)改變輸出信號(hào)的幅值，改變Frequency of output voltage來(lái)改變輸出電壓的頻率，改變Phase of output voltage來(lái)改變輸出電壓的初始相位。 3、buck降壓電路分析 （1） 設(shè)計(jì)要求： 已知： 直流電壓源電壓U = 100 +(學(xué)號(hào)%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(jì)電路圖： （3） 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置： 根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求中的設(shè)計(jì)提示對(duì)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(jì)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(dòng)越小。 4、boost升壓電路分析 （1） 設(shè)計(jì)要求： 已知： 直流

19、電壓源電壓U = 100 +（學(xué)號(hào)%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(jì)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(jì)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?yàn)镮GBT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(jì)任務(wù)（四） 一、實(shí)驗(yàn)?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(dòng)等電機(jī)控制技術(shù)方面的仿真設(shè)計(jì)。 二、實(shí)驗(yàn)原理 1、鼠籠式異步電機(jī)直接起動(dòng)，通過(guò)對(duì)異步電機(jī)的定子繞組施加三相交流電使其直接起動(dòng)。 2、繞線式異步電機(jī)串電阻起動(dòng)，通過(guò)在轉(zhuǎn)子繞組串電阻的方式，實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的起動(dòng)。 三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1、籠型異步電機(jī)直接起動(dòng)的研究: （1） 設(shè)計(jì)要求：

21、已知： 三相交流電壓源(線電壓取值：學(xué)號(hào)單號(hào)為220V，雙號(hào)為380V)，頻率(單號(hào)：60Hz，雙號(hào)為50Hz)。電動(dòng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩T = 10 +（學(xué)號(hào)%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(jì)電路圖： （3） 實(shí)驗(yàn)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(dòng)，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(dòng)的研究： （1） 設(shè)計(jì)要求： 已知： 三相交流電壓源(線電壓取值：學(xué)號(hào)單號(hào)為220V，雙號(hào)為380V)，頻率(單號(hào)：60Hz，雙號(hào)為50Hz)。電動(dòng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩T = 10 + （學(xué)號(hào)%100）/100Nm。 串聯(lián)電阻R = 3Ω。 利用Simulink建立仿真模型，對(duì)比未串聯(lián)和串聯(lián)電阻起動(dòng)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(jì)電路圖:

23、 （3） 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置: 繞線式電機(jī)參數(shù)配置如下 通過(guò)改變斷路器——breaker的初始狀態(tài)和開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)刻來(lái)模擬繞線式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子未串電阻起動(dòng)和轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)。 轉(zhuǎn)子未串電阻起動(dòng)： 轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)： （4） 仿真波形圖： 轉(zhuǎn)子未串電阻起動(dòng)： 轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)： （5） 仿真結(jié)果分析： 繞線式異步電機(jī)起動(dòng)，由圖可知，相對(duì)于未串聯(lián)電阻起動(dòng)，串聯(lián)電阻起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)定子側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)的電流減小，起動(dòng)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(wú)串電阻起動(dòng)運(yùn)行情況比較的實(shí)驗(yàn)中，可以通過(guò)對(duì)每一相所串電阻并聯(lián)一個(gè)斷路器的充分使用省去一個(gè)未串電阻起動(dòng)的電路設(shè)計(jì)，當(dāng)斷路器的初始狀態(tài)為0即斷開(kāi)，0s時(shí)刻開(kāi)關(guān)動(dòng)作即閉合，此時(shí)所串電阻被短路即為未串電阻起動(dòng)；當(dāng)斷路器的初始狀態(tài)為1即閉合，0s時(shí)刻開(kāi)關(guān)動(dòng)作即斷開(kāi)，此時(shí)電機(jī)為串電阻起動(dòng)，當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，2.5s開(kāi)關(guān)動(dòng)作即閉合，此時(shí)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(guò)本次仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了自己獨(dú)立解決問(wèn)題的能力，并且深入而全面地對(duì)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(shí)的融會(huì)貫通，受益匪淺。在實(shí)踐過(guò)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(dòng)。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(jì)到最終電路的完善和優(yōu)化，從仿真時(shí)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(shí)而且還鍛煉了自己獨(dú)立思考和總結(jié)的能力。