電氣系統(tǒng)建模及仿真課程設(shè)計(jì)報(bào)告(大連海事大學(xué))

1、 課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目： 電氣系統(tǒng)建模與仿真 姓 名： xx 學(xué) 號(hào)： 222014xx09 所屬學(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（1）班指導(dǎo)教師： 王瑩、朱景偉 2017年1月2日目錄目錄1設(shè)計(jì)任務(wù)一2一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容21.單相橋式整流2設(shè)計(jì)任務(wù)25一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容51.一階直流激勵(lì)RC充、放電電路的研究(學(xué)號(hào)尾數(shù)為單數(shù))52.二階RLC直流激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的研究63.二階RLC交流激勵(lì)下動(dòng)態(tài)響應(yīng)的研究74.變壓器的穩(wěn)態(tài)分析9設(shè)計(jì)任務(wù)313一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?3二.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容131.三相橋式整流電路（晶閘管）分析132.三相PWM逆變電路分析163.buck降壓電

2、路分析174.boost升壓電路分析19設(shè)計(jì)任務(wù)422一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?2二.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容221.籠型異步電機(jī)直接起動(dòng)的研究222.繞線式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)的研究25電氣系統(tǒng)仿真總結(jié)29設(shè)計(jì)任務(wù)一一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 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 在基本電路與磁路、電力電子技術(shù)、電氣傳動(dòng)等方面的仿真設(shè)計(jì)二. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 單相橋式整流單相橋式整流加LC濾波電路，電源為220V,50Hz, 整流電路輸入為24V，負(fù)載為10阻性負(fù)載，濾波電感L=

3、100mH，濾波電容C=200uF。u 參數(shù)設(shè)置：電源：220V、50HZ變壓器：200VA、220V/24V電感：100mH并聯(lián)阻容支路：10ohms、200uFu 理論值計(jì)算：輸出電壓平均值：Uo=0.9cos(0°)U2=21.6Vu 注意事項(xiàng)：根據(jù)需要進(jìn)行標(biāo)記模塊根據(jù)需要標(biāo)記連線的名字的根據(jù)需要標(biāo)注示波器的曲線可以通過(guò)幫助文件了解模塊的使用方法測(cè)量電壓(流)必須經(jīng)由電壓(流)測(cè)量模塊進(jìn)入示波器Scope。u 仿真電路:u 仿真結(jié)果：二極管3波形: 二極管4波形:負(fù)載電壓波形:u 仿真結(jié)果分析：二極管波形分析:位于兩個(gè)橋壁的二極管3、二極管4交替導(dǎo)通，電流波形由濾波電感、濾波電

4、容共同決定，當(dāng)二極管截止時(shí)，二極管兩端承受反壓。負(fù)載電壓波形分析：當(dāng)1號(hào)和4號(hào)晶閘管導(dǎo)通時(shí)，整流橋兩端輸出完整的正弦正半波，當(dāng)2號(hào)和3號(hào)晶閘管導(dǎo)通時(shí)，整流橋兩端輸出完整的正弦正半波，一個(gè)周期內(nèi)整流橋兩端輸出電壓有效值為21.6V，由于濾波電容作用使負(fù)載兩端的電壓維持在18V22V之間。29設(shè)計(jì)任務(wù)2一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 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 在基本電路與磁路、電力電子技術(shù)、電氣傳動(dòng)等方面的仿真設(shè)計(jì)二. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 一階直流激勵(lì)R

5、C充、放電電路的研究(學(xué)號(hào)尾數(shù)為單數(shù))u 參數(shù)設(shè)置：電源：20V（直流）斷路器：初始狀態(tài)斷開(kāi)，0.2s閉合，1s斷開(kāi)理想開(kāi)關(guān)：初始狀態(tài)斷開(kāi)，1s閉合串聯(lián)阻容支路：500 ohms、100 uFu 理論值計(jì)算：充電時(shí)間t=R*C=0.05 s放電時(shí)間t=R*C=0.05 su 注意事項(xiàng)：根據(jù)需要進(jìn)行標(biāo)記模塊根據(jù)需要標(biāo)記連線的名字的根據(jù)需要標(biāo)注示波器的曲線可以通過(guò)幫助文件了解模塊的使用方法測(cè)量電壓(流)必須經(jīng)由電壓(流)測(cè)量模塊進(jìn)入示波器Scope。u 仿真電路圖：電容電流波形： 電容電壓波形：u 仿真結(jié)果分析：在t=0s時(shí)刻理想開(kāi)關(guān)和斷路器斷開(kāi)；在t=0.2s時(shí)閉合斷路器，電容充電容，充電開(kāi)始時(shí)

6、儲(chǔ)能為0，其中電壓最小而其電壓變化率最大；隨著充電的進(jìn)行，電容儲(chǔ)能增加，電壓增大而電壓變化率減小，電容中電壓亦接近理論值U =20V；在t=1s時(shí)閉合理想開(kāi)關(guān)，斷開(kāi)斷路器，電容放電，放電開(kāi)始時(shí)儲(chǔ)能為0，其中電壓最大而其電壓變化率最大；隨著放電的進(jìn)行，電容儲(chǔ)能減少，電壓增大而電壓變化率減小，放電結(jié)束后電容中電壓為U=0V；2. 二階RLC直流激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的研究要求：欠阻尼情況（學(xué)號(hào)尾數(shù)為單數(shù)）u 參數(shù)設(shè)置：電源：10V（直流）斷路器：初始狀態(tài)斷開(kāi)，0.01 s閉合理想開(kāi)關(guān)：初始狀態(tài)閉合，0.01 s斷開(kāi)電阻：5 ohms電感：10 mH電容：100 uFu 理論值計(jì)算：臨界阻尼時(shí)電阻取值：R

7、s=2*（L/C）(1/2)=20u 注意事項(xiàng)：根據(jù)需要進(jìn)行標(biāo)記模塊根據(jù)需要標(biāo)記連線的名字的根據(jù)需要標(biāo)注示波器的曲線可以通過(guò)幫助文件了解模塊的使用方法測(cè)量電壓(流)必須經(jīng)由電壓(流)測(cè)量模塊進(jìn)入示波器Scope。u 仿真電路圖：u 仿真結(jié)果：u 仿真結(jié)果分析：設(shè)置電容C=100uF,電感L=10mH，根據(jù)Rs=2*（L/C）(1/2)=20ohms,考慮使電路工作在欠阻尼狀態(tài)，取電阻R=5ohms。由圖可見(jiàn)，負(fù)載電流、電壓出現(xiàn)超調(diào)部分，電路處于欠阻尼狀態(tài)。3. 二階RLC交流激勵(lì)下動(dòng)態(tài)響應(yīng)的研究u 參數(shù)設(shè)置：電源：100V、50Hz電阻：1 ohm電感：1 mH電容：10 uFu 注意事項(xiàng)：根

8、據(jù)需要進(jìn)行標(biāo)記模塊根據(jù)需要標(biāo)記連線的名字的根據(jù)需要標(biāo)注示波器的曲線可以通過(guò)幫助文件了解模塊的使用方法測(cè)量電壓(流)必須經(jīng)由電壓(流)測(cè)量模塊進(jìn)入示波器Scope。u 仿真電路圖：u 仿真結(jié)果：u 仿真結(jié)果分析：結(jié)論：交流電源電容、電阻、電感電壓都為正弦波/電路穩(wěn)定后，電感接近短路電阻兩端電壓與電容兩端電壓相差半個(gè)周期（由于電容、電感正方向相反，所以圖中顯示為同向）4. 變壓器的穩(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+j0.22, Zs=0.035+j0.055,勵(lì)磁阻抗Zm=30+j310，負(fù)載阻抗ZL=4+j5。要求: 利用Si

9、mulink建立仿真模型，計(jì)算在高壓側(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u 參數(shù)設(shè)置和理論值計(jì)算：電源參數(shù)設(shè)置：變壓器參數(shù)設(shè)置：根據(jù)公式： 計(jì)算變壓器參數(shù)設(shè)置如下：R(base)=14.44L(base)=0.0383H由于國(guó)內(nèi)教材常采用變壓器的等效電路與英文版中常采用的等效電路在勵(lì)磁支路上存在區(qū)別，故計(jì)算勵(lì)磁阻抗時(shí)，需使用一下轉(zhuǎn)換公式： Rc=3233.4Xm=312.9Lm=Xm/(2*pi*60)=0.83HRm(pu)=Rc/R(base)=223.92Lm(pu)=Lm/L(base)=21.67變壓器的參數(shù)如圖：原邊漏阻抗：副

10、邊漏阻抗：u 仿真電路圖：u 仿真結(jié)果分析：根據(jù)電路圖所示，原邊電流有效值20.44A，負(fù)載電壓有效值214.8V，副邊電流有效值33.54A。設(shè)計(jì)任務(wù)3一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 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 在基本電路與磁路、電力電子技術(shù)、電氣傳動(dòng)等方面的仿真設(shè)計(jì)二. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 三相橋式整流電路（晶閘管）分析 已知：3個(gè)交流電源，U = 220 + (學(xué)號(hào)%10)×20V，50Hz。串聯(lián)負(fù)載分別為：R = 1，L= 1mH。要

11、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。提示：(1) Synchronized 6-Pulse Generator 位于Extra Library 的 Control Blocks。其Block端輸入為0(選constant模塊)，頻率為50Hz。 (2) 整流橋選Universal Bridge，位于power electronics 模塊中。u 參數(shù)設(shè)置：電源：400V、50Hz電感：100mH同步6脈沖產(chǎn)生器：頻率：50Hz 脈寬：10°串聯(lián)阻感支路：1 ohm、1mhu 理論值計(jì)算：輸出電壓平

12、均值：Uo=2.34cos（0°）U2=936Vu 注意事項(xiàng)：根據(jù)需要進(jìn)行標(biāo)記模塊根據(jù)需要標(biāo)記連線的名字的根據(jù)需要標(biāo)注示波器的曲線可以通過(guò)幫助文件了解模塊的使用方法測(cè)量電壓(流)必須經(jīng)由電壓(流)測(cè)量模塊進(jìn)入示波器Scope。u 仿真電路圖u 仿真結(jié)果晶閘管電壓波形：晶閘管電流波形：負(fù)載電壓電流波形：u 仿真結(jié)果分析：1號(hào)-6號(hào)晶閘管依次導(dǎo)通，后一晶閘管比前一晶閘管滯后60°導(dǎo)通，整流后的電壓在840V-980V波動(dòng)。2. 三相PWM逆變電路分析已知：直流電壓源電壓U = 100 + (學(xué)號(hào)%10)×20V，輸出頻率50Hz。負(fù)載分別為：ZL= 2+j1。要求:

13、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。提示：(1) 兩個(gè)直流電壓源串聯(lián)，中間接地。 (2) 整流橋的橋臂數(shù)選3，ABC為輸出。 (3) 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。 (4) 需要Powergui模塊。u 參數(shù)設(shè)置：電源：140V(兩個(gè)串聯(lián)，中間接地)PWM波形發(fā)生器：載波頻率：1000Hz 輸出電壓頻率：50Hz (其余參數(shù)采用默認(rèn)值)三相阻感負(fù)載：2 ohms、3.183mhu 注意事項(xiàng)：根據(jù)需要進(jìn)行標(biāo)記模塊根據(jù)需要標(biāo)記連線的名字的根據(jù)需要標(biāo)注示波器的曲

14、線可以通過(guò)幫助文件了解模塊的使用方法測(cè)量電壓(流)必須經(jīng)由電壓(流)測(cè)量模塊進(jìn)入示波器Scope。u 仿真電路圖： u 仿真結(jié)果：負(fù)載電壓波形：負(fù)載電流波形：3. buck降壓電路分析已知：直流電壓源電壓U = 100 + (學(xué)號(hào)%10)×20V。負(fù)載為：RL= 50 ohms，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。提示：脈沖發(fā)生器位于Simulink 的 Sources，周期取0.0001s，脈沖寬度取60%。u 參數(shù)設(shè)置：電源：280V(直流)脈沖發(fā)生器：周期：0.

15、0001s 脈寬：60% (其余參數(shù)采用默認(rèn)值)電感：10H電阻：100ohms電容：0.3mFu 理論值計(jì)算：負(fù)載電壓U=60%E=168Vu 注意事項(xiàng)：根據(jù)需要進(jìn)行標(biāo)記模塊根據(jù)需要標(biāo)記連線的名字的根據(jù)需要標(biāo)注示波器的曲線可以通過(guò)幫助文件了解模塊的使用方法測(cè)量電壓(流)必須經(jīng)由電壓(流)測(cè)量模塊進(jìn)入示波器Scope。u 仿真電路圖：u 仿真結(jié)果：IGBT電流電壓：負(fù)載電壓電流：u 仿真結(jié)果分析：E=280V，脈沖寬度取60%，負(fù)載電壓U=60%E=168V，根據(jù)負(fù)載電壓波形可知降壓電路運(yùn)行正常。4. boost升壓電路分析已知：直流電壓源電壓U = 100 + (學(xué)號(hào)%10)×20

16、V。負(fù)載為：RL= 100 ohms，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。提示：脈沖發(fā)生器位于Simulink 的 Sources，周期取0.0001s，脈沖寬度取60%。u 參數(shù)設(shè)置：電源：280V(直流)脈沖發(fā)生器：周期：0.0001s 脈寬：60% (其余參數(shù)采用默認(rèn)值)電感：1H電阻：100 ohms電容：0.3mFu 理論值計(jì)算：負(fù)載電壓U=E/(1-60%)=700Vu 注意事項(xiàng)：根據(jù)需要進(jìn)行標(biāo)記模塊根據(jù)需要標(biāo)記連線的名字的根據(jù)需要標(biāo)注示波器的曲線可以通過(guò)幫助文件了

17、解模塊的使用方法測(cè)量電壓(流)必須經(jīng)由電壓(流)測(cè)量模塊進(jìn)入示波器Scope。u 仿真電路圖:u 仿真結(jié)果：IGBT電流電壓：負(fù)載電壓電流：u 仿真結(jié)果分析：E=280V，脈沖寬度取60%，負(fù)載電壓U=E/(1-60%)=700V，根據(jù)負(fù)載電壓波形可知升壓電路運(yùn)行正常。設(shè)計(jì)任務(wù)4一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 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 在基本電路與磁路、電力電子技術(shù)、電氣傳動(dòng)等方面的仿真設(shè)計(jì)二. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 籠型異步電機(jī)直接起動(dòng)的研究已知：三

18、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相轉(zhuǎn)子電流Ira、A相定子電流Isa、轉(zhuǎn)數(shù)(rpm)、電磁轉(zhuǎn)矩。模型和曲線要有標(biāo)注。提示：(1) 電機(jī)要選擇Asynchronous Machine SI Units。 (2) 電源和電機(jī)的電壓、頻率需要設(shè)置。u 參數(shù)設(shè)置：電源：220V、60Hz三相電阻:60Hz、5kw （其他參數(shù)默認(rèn)設(shè)置）三相電壓電流測(cè)量器：放大器：30/pi電動(dòng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩：T =10.09N·M

19、母線選擇器（第一個(gè)）參數(shù)：異步電機(jī)設(shè)置：u 注意事項(xiàng)：根據(jù)需要進(jìn)行標(biāo)記模塊根據(jù)需要標(biāo)記連線的名字的根據(jù)需要標(biāo)注示波器的曲線可以通過(guò)幫助文件了解模塊的使用方法測(cè)量電壓(流)必須經(jīng)由電壓(流)測(cè)量模塊進(jìn)入示波器Scope。u 仿真電路圖：A相轉(zhuǎn)子電流Ira、A相定子電流Isa、轉(zhuǎn)數(shù)(rpm)、電磁轉(zhuǎn)矩波形：u 仿真結(jié)果分析：鼠籠式異步電機(jī)起動(dòng)后隨著轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)子電流和定子電流均減小，穩(wěn)定后在很小的范圍內(nèi)周期性波動(dòng)；電磁轉(zhuǎn)矩逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定在10.09N·m。2. 繞線式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)的研究已知：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 = 3要求: 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相轉(zhuǎn)子電流Ira、A相定子電流Isa、轉(zhuǎn)數(shù)(rpm)、電磁轉(zhuǎn)矩。模型和曲線要有標(biāo)注。u 參數(shù)設(shè)置：電源：220V、60Hz三相電壓電流測(cè)量器：放大器：30/pi電動(dòng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩：T =10.09N·M 異步電機(jī)繞線串聯(lián)斷路器電阻：3 ohms母線選擇器參數(shù)（第一個(gè)）：異步電機(jī)設(shè)置：斷路器設(shè)置：u 仿真電路圖u 仿真結(jié)果串電阻前：串電阻后：u 仿真結(jié)果分析：繞線式異步電機(jī)串電阻起動(dòng)后轉(zhuǎn)子電流和定