電氣工程課程設(shè)計(jì),MATLAB仿真參考模板

1、 目錄1課程設(shè)計(jì)說(shuō)明11.1課程設(shè)計(jì)內(nèi)容11.2課程設(shè)計(jì)要求12 Matlab介紹22.1 Matlab主要功能22.2 Matlab/Simulink的使用22.3 Matlab/Simulink的啟動(dòng)方法23系統(tǒng)構(gòu)建與仿真33.1 晶閘管元件應(yīng)用系統(tǒng)的建模與仿真實(shí)例33.2 可關(guān)斷晶閘管元件組成的Buck變換器仿真53.3 晶閘管單相交流調(diào)壓電路的建模和仿真73.4 晶閘管三相橋式整流器的建模和仿真83.5 絕緣柵雙極型晶體管構(gòu)成的Boost直流變換器仿真104課程設(shè)計(jì)總結(jié)125參考資料130 / 171課程設(shè)計(jì)說(shuō)明1.1課程設(shè)計(jì)內(nèi)容 （1）晶閘管的仿真模型及以單相半波整流器為例，說(shuō)明晶閘

2、管元件應(yīng)用系統(tǒng)的建模和與仿真方法； （2）可關(guān)斷晶閘管的仿真模型及以可關(guān)斷晶閘管元件組成的Buck變換器為例的仿真過(guò)程； (3)相位控制的晶閘管單相機(jī)癌瘤調(diào)壓器帶電阻負(fù)載時(shí)系統(tǒng)的建模與仿真； （4）晶閘管三相橋式整流帶電阻負(fù)載時(shí)系統(tǒng)的建模與仿真； （5）絕緣柵雙極型晶體管元件的仿真模型及一個(gè)有IGBT元件組成的Boost變換器的建模與仿真；1.2課程設(shè)計(jì)要求 （1）了解和掌握MATLAB軟件的仿真功能； （2）完成相應(yīng)系統(tǒng)模型的建模、參數(shù)設(shè)置及仿真調(diào)試； （3）寫(xiě)出設(shè)計(jì)報(bào)告； 2 Matlab介紹matlab7.0是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分

3、析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。 MATLAB7.02009版本，高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境可以較使用傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言（如 C、C+ 和 Fortran）更快地解決技術(shù)計(jì)算問(wèn)題.2.1Matlab主要功能 （1）交互式工具可以按迭代的方式探查、設(shè)計(jì)及求解問(wèn)題；（2）此高級(jí)語(yǔ)言可用于技術(shù)計(jì)算；（3）此開(kāi)發(fā)環(huán)境可對(duì)代碼、文件和數(shù)據(jù)進(jìn)行管理；（4）各種工具可用于構(gòu)建自定義圖形用戶界面；（5）各種函數(shù)可將基于 MATLAB 的算法與外部應(yīng)用程序和語(yǔ)言（如 C、C+、Fortran、Java、COM 以及 Microsoft Excel）集成

4、；（6）數(shù)學(xué)函數(shù)可用于線性代數(shù)、統(tǒng)計(jì)、傅立葉分析、篩選、優(yōu)化以及數(shù)值積分等；（7）二維和三維圖形函數(shù)可用于可視化數(shù)據(jù)；2.2 Matlab/Simulink的使用 Simulink是Matlab軟件的擴(kuò)展，它是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包，它與Matlab語(yǔ)言的主要區(qū)別在于、它與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入的，從而使得用戶可以把更多的經(jīng)歷系統(tǒng)模型的構(gòu)建而非語(yǔ)言的編程上。 所謂模型化圖形輸入是指Simulink提供了一些功能分類的基本系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入、輸出及模塊的的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是怎樣實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)對(duì)這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來(lái)就可

5、以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型（以.mdl文件進(jìn)行存?。M(jìn)而進(jìn)行仿真與分析。2.3 Matlab/Simulink的啟動(dòng)方法（1）啟動(dòng)Matlab后，單擊Matlab主窗口模塊按鈕來(lái)打開(kāi)Simulink Library Browser窗口；（2）在Matlab的命令窗口輸入“Simulink”，結(jié)果是將在桌面上出現(xiàn)一個(gè)稱為Simulink Library Browser的窗口，3系統(tǒng)構(gòu)建與仿真3.1晶閘管元件應(yīng)用系統(tǒng)的建模與仿真實(shí)例晶閘管是一種可以通過(guò)門(mén)極信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的半導(dǎo)體器件。晶閘管仿真模型由一個(gè)電阻R、一個(gè)電感L、一個(gè)直流電壓源V，和一個(gè)開(kāi)關(guān)串聯(lián)組成。開(kāi)關(guān)受邏輯信號(hào)控制，該邏輯信號(hào)由電壓、電流

6、和門(mén)極觸發(fā)信號(hào)（g）決定。晶閘管元件的符號(hào)和仿真模型如圖3-1所示。圖3-1 晶閘管元件的符號(hào)和仿真模型晶閘管模塊還包括一個(gè)RC串聯(lián)緩沖電路，它通常與晶閘管并聯(lián)。緩沖電路的R和C值可以設(shè)置，當(dāng)指定C=inf時(shí)，緩沖電路為純電阻；當(dāng)指定R=0時(shí)，緩沖電路為純電容；當(dāng)指定R=inf或C=0時(shí)，緩沖電路去除。如圖3-2所示 (a)帶緩沖電路的圖標(biāo) (b)不帶緩沖電路的圖標(biāo)圖3-2 晶閘管模塊的圖標(biāo) 晶閘管單相半波可控整流電路圖及原理如下：圖3-3 單相半波可控整流電路（阻-感性負(fù)載）圖 如上圖所示，當(dāng)晶閘管VT處于斷態(tài)時(shí)，電路中電流Id=0，負(fù)載上的電壓為0，U2全部加在VT兩端，在觸發(fā)角處，觸發(fā)V

7、T使其導(dǎo)通，U2加于負(fù)載兩端，由于電感L的存在使電流id不能突變，id從0開(kāi)始增加同時(shí)L的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)試圖阻止id增加，這時(shí)交流電源一方面供給電阻R消耗的能量，一方面供給電感L吸收的電磁能量，到U2由正變負(fù)的過(guò)零點(diǎn)處處id已經(jīng)處于減小的過(guò)程中，但尚未降到零，因此VT仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)id減小至零，VT關(guān)斷并承受反向壓降，電感L延遲了VT的關(guān)斷時(shí)刻使Ud波形出現(xiàn)負(fù)的部分。下面以一個(gè)單相半波整流器為例，來(lái)說(shuō)明晶閘管元件應(yīng)用系統(tǒng)的建模與仿真方法。建模及仿真步驟如下：（1）打開(kāi)Matlab軟件：（2）雙擊圖標(biāo)“”，打開(kāi)Simulink Library Browser，點(diǎn)擊文“File”下的“New Mo

8、del”，新建一個(gè)模型窗口，命名為“A1”；（3）在Simulink Library Browser下面的搜索窗口分別輸入相應(yīng)模塊的英文單詞，將相應(yīng)的模塊添加到A1中，這些模塊的名稱分別是：交流電壓源（AC Voltage Source）、脈沖發(fā)生器（Pulse Generator）、晶閘管（thyristor）、示波器（Scope）、電壓測(cè)量模塊（Voltage Measurement）、電流測(cè)量模塊（Current Measurement），Demux、RLC串聯(lián)電路模塊（Series RLC Load）； （4）適當(dāng)連接后，可以得到仿真模型電路如下圖3-4所示： 圖3-4單相半波整流器仿

9、真模型 （4）雙擊打開(kāi)晶閘管對(duì)話框，按如下參數(shù)進(jìn)行設(shè)置參數(shù)：Ron=0.001；L=0H；Vf=0.8V；R5=20；C5=4e-6F； （5）雙擊打開(kāi)圖3-4中的電壓源模塊，打開(kāi)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，按要求設(shè)置參數(shù)：Peak amplitude=220V,Phase=0，F(xiàn)requency=50Hz； （6）雙擊打開(kāi)圖3-4中的RLC串聯(lián)電路模塊，打開(kāi)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，按要求設(shè)置參數(shù)：Resistance=1、Inductance=10mH、Capaaitance=inf； 注意：晶閘管有一個(gè)以字母“m”命名的輸出端口，該端口輸出兩路信號(hào)：第一路為晶閘管的電流、第二路為晶閘管的電壓，將一個(gè)兩輸出的信

10、號(hào)分離器連接到晶閘管的m端上，再將信號(hào)分離器的兩個(gè)輸出信號(hào)接人四通道示波器，重命名該四通道示波器為Scope(在示波器特性基礎(chǔ)對(duì)話框中將軸數(shù)設(shè)置為4可得到四通道示波器）。（9）建立給晶閘管thyristor提供觸發(fā)信號(hào)的同步脈沖發(fā)生器模型。仿真窗口中，命名為Pulse，并將其輸出連接到thyristor的門(mén)極上。thyristor的觸發(fā)脈沖受電源控制。一個(gè)周期，給晶閘管thyristor提供一個(gè)觸發(fā)角為a的觸發(fā)脈沖，雙擊“pulse”模塊，參數(shù)設(shè)置如下圖3-5所示： 圖3-5 Pulse參數(shù)設(shè)置對(duì)話框 (10)單擊圖標(biāo)“”，然后雙擊示波器，并單擊“”，就得到單相半波整流器仿真結(jié)果圖如下圖3-6

11、所示： 圖3-6單相半波整流器仿真結(jié)果圖3.2可關(guān)斷晶閘管元件組成的Buck變換器仿真 步驟如下：（1）打開(kāi)Matlab軟件：（2）雙擊圖標(biāo)“”，打開(kāi)Simulink Library Browser，點(diǎn)擊文“File”下的“New Model”，新建一個(gè)模型窗口，命名為“A1”；（3）在Simulink Library Browser下面的搜索窗口分別輸入相應(yīng)模塊的英文單詞，將相應(yīng)的模塊添加到A1中，這些模塊的名稱分別是：交流電壓源（AC Voltage Source）、脈沖發(fā)生器（Pulse Generator）、晶閘管（thyristor）、示波器（Scope）、電壓測(cè)量模塊（Voltag

12、e Measurement）、電流測(cè)量模塊（Current Measurement），Demux、RLC串聯(lián)電路模塊（Series RLC Load）； （4）適當(dāng)連接后，可以得到仿真模型電路如下圖3-7所示： 圖3-7可關(guān)斷晶閘管元件組成的Buck變換器仿真模型參數(shù)設(shè)置如下： （5）雙擊打開(kāi)圖3-7中的電壓源模塊，打開(kāi)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，按要求設(shè)置參數(shù)：Amplitude=80； （6）雙擊打開(kāi)圖3-7中的RLC串聯(lián)電路模塊，打開(kāi)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，按要求設(shè)置參數(shù)：Resistance=5、Inductance=20mH、Capaaitance=inf； （7）雙擊打開(kāi)圖3-7中的Pulse，打開(kāi)參

13、數(shù)設(shè)置對(duì)話框，按要求設(shè)置參數(shù)：Amplitude=1，Period=0.0002secs，Pulse Width=50，Phase Delay=0； （8）雙擊打開(kāi)圖3-4中的Diode，打開(kāi)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，按要求設(shè)置參數(shù)：Resistance Ron=0.001，Inductance=0，F(xiàn)orward voltage=0.08，Initial current=0，Snubber resistance Rs=500，Snubber capacitancy=250e-9； (9)參數(shù)設(shè)置完后，單擊圖標(biāo)“”，然后雙擊示波器，并單擊“”，就得到單相半波整流器仿真結(jié)果圖如下圖3-8所示： 圖3-8

14、單相半波整流器仿真結(jié)果圖3.3晶閘管單相交流調(diào)壓電路的建模和仿真 操作步驟如下：（1）打開(kāi)Matlab軟件：（2）雙擊圖標(biāo)“”，打開(kāi)Simulink Library Browser，點(diǎn)擊文“File”下的“New Model”，新建一個(gè)模型窗口，命名為“A2”；（3）在Simulink Library Browser下面的搜索窗口分別輸入相應(yīng)模塊的英文單詞，將相應(yīng)的模塊添加到A1中，這些模塊的名稱分別是：交流電壓源（AC Voltage Source）、脈沖發(fā)生器（Pulse Generator）、晶閘管（thyristor）、示波器（Scope）、電壓測(cè)量模塊（Voltage Measure

15、ment）、RLC串聯(lián)電路模塊（Series RLC Load）、電流測(cè)量模塊（Current Measurement）、地（Ground）； （4）適當(dāng)連接后，可以得到仿真模型電路如下圖3-9所示： 圖3-9 晶閘管單相交流調(diào)壓器電路的仿真模型 （4）分別雙擊打開(kāi)晶閘管Thyristor和Thyristor1對(duì)話框，參數(shù)設(shè)置為：R=0.001；L=0H；Vf=0.8；R=500；C=250e-9F, （5）雙擊打開(kāi)圖3-9中的電壓源模塊，打開(kāi)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，按要求設(shè)置參數(shù)：Peak amplitude=100V,Phase=0，F(xiàn)requency=50Hz； （6）雙擊打開(kāi)圖3-9中的RLC

16、串聯(lián)電路模塊，打開(kāi)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，按要求設(shè)置參數(shù)：Resistance=1、Inductance=10mH、Capaaitance=inf； （7）雙擊打開(kāi)圖3-9中的Pulse1，打開(kāi)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，按要求設(shè)置參數(shù)：Amplitude=1，Period=0.02secs，Pulse Width=40，Phase Delay=1/150； （8）雙擊打開(kāi)圖3-9中的Pulse2，打開(kāi)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，按要求設(shè)置參數(shù)：Amplitude=1，Period=0.02secs，Pulse Width=40，Phase Delay=1/250； (9)參數(shù)設(shè)置完后，單擊圖標(biāo)“”，然后雙擊示波器，并單擊“

17、”，就得到如圖3-10所示的仿真圖： 圖3-10晶閘管單相交流調(diào)壓器電路的仿真圖3.4晶閘管三相橋式整流器的建模和仿真 步驟如下：（1）打開(kāi)Matlab軟件：（2）雙擊圖標(biāo)“”，打開(kāi)Simulink Library Browser，點(diǎn)擊文“File”下的“New Model”，新建一個(gè)模型窗口，命名為“A3”； （3）在Simulink Library Browser下面的搜索窗口分別輸入相應(yīng)模塊的英文單詞，將相應(yīng)的模塊添加到A1中，這些模塊的名稱分別是：交流電壓源（AC Voltage Source）、6脈沖發(fā)生器（Synchronized 6-Pulse Generator）、通用橋（Un

18、iversal Bridge）、示波器（Scope）、電壓測(cè)量模塊（Voltage Measurement）、電流測(cè)量模塊（Current Measurement），RLC串聯(lián)電路模塊（Series RLC Load）、常量（Constant）、Multimeter； （4）適當(dāng)連接后，可以得到仿真模型電路如下圖3-11所示： 圖3-11 晶閘管三相橋式整流器的仿真模型 （5）打開(kāi)圖3-11中的電源模塊組，重新命名為A ,B ,C；打開(kāi)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，按要求進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，主要的參數(shù)有交流峰值電壓、相位和頻率。三相電源的相位互差120度。峰值220V，頻率50Hz； （6） 打開(kāi)圖3-11的測(cè)量

19、模塊組，重新命名為Vab、Vac、Vbc，用于測(cè)量三相交流線電壓，獲得同步電源。 （7）雙擊打開(kāi)圖3-11中的RLC串聯(lián)電路模塊，打開(kāi)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，按要求設(shè)置參數(shù)：Resistance=1、Inductance=10mH、Capaaitance=inf； (8)雙擊打開(kāi)圖3-11中的同步6脈沖觸發(fā)器模塊，按要求設(shè)置同步6脈沖觸發(fā)器參數(shù)： （9）雙擊打開(kāi)圖3-11中的晶閘管通用橋模塊，按要求設(shè)置晶閘管通用橋參數(shù)：Rs=1e5，Cs=inf，RonL=1e-3,Forward voltage=0；在Number of bridge arms的下拉菜單中選擇3，在Power Electronic

20、device的下拉菜單中選擇晶閘管Thysistor； (10)參數(shù)設(shè)置完后，單擊圖標(biāo)“”，然后雙擊示波器，并單擊“”，就得到單相半波整流器仿真結(jié)果圖如下圖3-12所示： 圖3-12 晶閘管三相橋式整流器的仿真結(jié)果圖 3.5絕緣柵雙極型晶體管構(gòu)成的Boost直流變換器仿真升壓式（Boost)變換器的建模與仿真步驟如下：（1）打開(kāi)Matlab軟件：（2）雙擊圖標(biāo)“”，打開(kāi)Simulink Library Browser，點(diǎn)擊文“File”下的“New Model”，新建一個(gè)模型窗口，命名為“Boost”；（3）在Simulink Library Browser下面的搜索窗口分別輸入相應(yīng)模塊的英文

21、單詞，將相應(yīng)的模塊添加到A1中，這些模塊的名稱分別是：直流電壓源(DC Voltage Source）、脈沖發(fā)生器（Pulse Generator）、IGBT模塊、二極管Diode模塊、示波器（Scope）、電壓測(cè)量模塊（Voltage Measurement）、電流測(cè)量模塊（Current Measurement），Demux、RLC串聯(lián)電路模塊（Series RLC Load）； （4）適當(dāng)連接后，可以得到仿真模型電路如下圖3-13所示： 圖3-13 IGBT元件組成的Buck變換器仿真模型 （5）雙擊打開(kāi)圖313中的電壓源模塊，打開(kāi)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，按要求設(shè)置參數(shù)：Amplitude=10

22、0； （6）雙擊打開(kāi)圖3-13中的3個(gè)RLC串聯(lián)電路模塊，打開(kāi)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，按要求設(shè)置參數(shù)：R1=0、L1=2e-3、C1=inf；R2=0、L2=0mH、C2=2e-3；R3=0、L3=20mH、C3=inf； （7）雙擊打開(kāi)圖3-13中的Pulse，打開(kāi)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，按要求設(shè)置參數(shù)：Amplitude=1，Period=0.0001secs，Pulse Width=50，Phase Delay=0； （8）雙擊打開(kāi)圖3-13中的Diode，打開(kāi)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，按要求設(shè)置參數(shù)：Resistance Ron=0.001，Inductance=0，F(xiàn)orward voltage=0.8，In

23、itial current=0，Snubber resistance Rs=500，Snubber capacitancy=250e-9； (9)參數(shù)設(shè)置完后，單擊圖標(biāo)“”，然后雙擊示波器，并單擊“”，就得到如圖3-14 升壓式（Boost)變換器的建模與仿真圖： 圖3-14 升壓式（Boost)變換器的建模與仿真圖 4 課程設(shè)計(jì)總結(jié)這次課程設(shè)計(jì)歷時(shí)二個(gè)星期多左右，通過(guò)這兩個(gè)星期的學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足，自己知識(shí)的很多漏洞，看到了自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)還是比較缺乏，理論聯(lián)系實(shí)際的能力還急需提高。課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問(wèn)題鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新日異，電子技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今世界空前活躍的領(lǐng)域，在生活中可以說(shuō)得是無(wú)處不在。因此作為二十一世紀(jì)的大學(xué)來(lái)說(shuō)掌握電子的開(kāi)發(fā)技術(shù)是十分重要的。而仿真軟件matlab中的simulink模塊中的simpowersyste