电气系统的计算机辅助设计2012_1

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1、电气系统的计算机辅助设计,轮机工程学院 2012.12,朱景伟 王 宁,本课程设计的主要目的,掌握Matlab/Simulink 电气仿真的基本步骤 利用Matlab/Simulink 在基本电路与磁路、电力电子技术、电气传动等方面的仿真设计 日程安排: 共5天,其中上机3天,写报告2天。 考核方式:优、良、中、及格、不及格。 其中上机60%,报告40%。,本课程设计的内容与基本要求,听课: 掌握Matlab/Simulink中SimPowerSystems 工具箱的基本建模方法 独立完成:基本电路与磁路的仿真设计 独立完成:几种典型的变流电路的仿真设计 独立完成:交、直流调速系统的仿真设计

2、总结上述设计内容,完成设计报告,第一章 Matlab/Simulink 中SimPowerSystems工具箱简介,第一节 基本操作 一、进入Matlab及Simulink 两种方法:1、双击桌面上的快捷图标,一、 进入Matlab及Simulink 两种方法:2、从“开始”“程序”菜单中,进入Simulink,Simulink中已经安装的各种工具箱,电力系统各种工具箱,基本Simulink模块,本次课程设计主要涉及的两个部分,Simulink中包括的模块,电力系统各种工具箱中所包含的各种模块,二、根据所设计的电路搭建模型,建模的基本步骤: 1、建立一个新的空白的Simulink文件(.mdl

3、) 2、从相应的元件库中选元件 3、联线 4、设置参数 5、运行模型,下面以一个单相半波整流电路为例进行建模与仿真研究,(1)建立一个新的空白的Simulink文件(.mdl),1,2,3,4,默认的保存路径,保存的文件名,当前路径,当前路径的文件,设置当前路径,建立一个新的空白的Simulink文件(Example1.mdl),(2)从“Electrical Sourcs(电源)”库中选电源,所有电源模块,对所选模块的解释,选中所需电源,添加到新的Example1.mdl模型中: 方法1:直接拖曳。,方法2:右键单击,(3)从“Power Electronics(电力电子器件)”库中选各种电

4、力开关等器件,二极管,IGBT,MOSFET,双击,选择,(4)从“Elements(元件)”库中选各种元器件,RLC 并联支路,RLC 并联负载,RLC 串联支路,RLC 串联负载,断路器,右键,(5)为了观测电压和电流波形,需要选择电压电流测量模块,电流测量模块,电压测量模块,输出:二极管的电压和电流,(6)、在Simulink库中选择Scope(示波器)来观测电压和电流波形。,示波器模块,若想在通过一个示波器观测多路信号的波形,比如说4路信号,可以如下设置:,信号的数目,数据大小的限制 不想限制,去掉复选框,(7)从“Elements(元件)”库中选 “地”,“地”,信号分解模块,(8)

5、测量信号的分离:该模块在Simulink库中的“Commonly Used Blocks”中,有时候会将几个波形放在一起以进行对比,会需要“信号合成模块”,(9)连线以完成模型,左键拖曳右键拖曳,(10)各元件的参数设置:单击该元件打开元件属性对话框进行参数设置。,电压源参数设置对话框,电压源电压幅值(最大值),电压源电压初始相位,电压源电压频率,二极管参数设置对话框,可以暂时先取默认值,用来测量二极管的电压和电流(观察一下去掉“”后模块的变化),RL支路参数设置对话框,设置R值,设置L值,(11)仿真运行参数设置,单击,仿真开始时间,仿真结束时间,其他的暂时取默认的参数,(12)运行仿真模型

6、,单击该“运行按钮”,双击该模块,观察结果,(13)观察运行结果,(a)阻性负载情况下,显示的曲线不合适时,单击此按钮,(b)感性负载情况下,感性负载,阻性负载,单击该模块默认的名字然后输入自己取的名字,一些提醒:1、每个模块的名字可根据需要进行修改,双击连线,然后输入名字,一些提醒:2、连线的名字的标记,连线的标注反映到示波器曲线的标注,一些提醒:3、示波器曲线的标注,如果示波器曲线中没有标注,点此图标,然后按“Apply”键,一些提醒:4、可以通过帮助文件了解模块的使用方法,a.右键单击该模块,b. 单击help,c.于是可以得到该模块的内容介绍,如下图所示,d.在该帮助文件的最后,会有该

7、模型的例子模型,可以通过打开该模型进一步了解该模块的使用方法,单击此处即可打开相应的例子模型,示波器,一些提醒:5、测量电压(流)必须经由电压(流)测量模块进入示波器Scope。,电流测量模块,电压测量模块,设计任务1:单相桥式整流加LC滤波电路,电源为220V,50Hz, 整流电路输入为24V,负载为10阻性负载,滤波电感L=100mH,滤波电容C=200uF。,所用线性变压器的参数(仅作参考),可以自行调整,注意此选项,设计任务2:基本电路与磁路的仿真设计:电路部分,一阶直流激励RC充、放电电路的研究(学号尾数为单数) 一阶直流激励RL充、放电电路的研究(学号尾数为双数) 二阶RLC直流激

8、励下动态响应的研究: a.欠阻尼情况, R小(学号尾数为单数) b.过阻尼情况(学号尾数为双数) 二阶RLC交流激励下动态响应的研究(全体学生),设计要求: 1、自行设计电路、设计电路参数 2、自行选择所需显示的曲线、结果 3、根据结果写出分析结果与结论,二阶RLC直流激励下动态响应的研究,位于Power Electronics,位于Elements,位于Measurements,也可不用switch,breaker,二阶RLC直流激励下动态响应的研究,位于Measurements,设计任务2:基本电路与磁路的仿真设计:磁路部分,变压器(无饱和,采用线性变压器模型)的稳态分析,设计要求: 变压

9、器(无饱和,采用线性变压器模型)的稳态分析: 一台10kVA,60Hz,380V/220V单相变压器,原、副边的漏阻抗分别为:Zp=0.14+j0.22, Zs=0.035+j0.055,励磁阻抗Zm=30+j310,负载阻抗ZL=4+j5。 要求: 利用Simulink建立仿真模型,计算在高压侧施加额定电压时, (a)分别计算原、副边的电流的有效值。 (b) 副边的负载上电压的有效值,几点说明:,设计任务2:基本电路与磁路的仿真设计:磁路部分,1、Simulink线性变压器模型中的电阻和电感的参数是标幺值(pu values)。,标幺值,实际值(任意单位),基值(与实际值同单位),The c

10、oncept of per-unit system,Or,Single-phase system,Rated power额定功率(apparent power),The values of Vbase and Ibase change at a transformer according to its turns ratio. 变压器两侧的电压(流)基值不同(由于变比)。,2、线性变压器等效电路中,励磁支路国内中文版采用的串联式(本设计中给出的就是),国外英文版采用的是并联式,因此需要进行转换:即根据给出的Rm和Xm的值,求出相应的RC和XM (及LM)的值,然后根据上述公式计算出相应的标幺值

11、。,英文版中常采用的等效电路,国内教材常采用的等效电路,励磁电阻(反映铁耗),铁耗电阻,磁化电抗,励磁电抗(反映磁化过程),3、有效值的测量方法:根据电流(压)测量模块得到的是电流(压)的瞬时值,将其再通过一个rms计算模块即可直接计算出有效值(rms值)。,就是这个模块,4、前面是通过示波器Scope得到波形结果,数字的显示要用数值显示器Display模块。,就是这个模块,5、仿真运行参数设定,6、最终结果,原边电流有效值,副边电流有效值,负载电压有效值,设计任务3:几种典型的变流电路的仿真设计,1、整流电路 2、逆变电路 3、boost升压电路 4、buck降压电路,设计任务3:几种典型的

12、变流电路的仿真设计,三相桥式整流电路(晶闸管)分析,设计要求:400 已知:3个交流电源, U = 220 + (2220102269%10)20V,50Hz。串联负载分别为:R = 1,L= 1mH。,要求: 利用Simulink建立仿真模型,观察: (a) 各个晶闸管的电压。 (b) 负载上的电流、电压。模型和曲线要有标注。,提示:(1) Synchronized 6-Pulse Generator 位于Extra Library 的 Control Blocks。其Block端输入为0(选constant模块),频率为50Hz。 (2) 整流桥选Universal Bridge,位于po

13、wer electronics 模块中。,设计任务3:几种典型的变流电路的仿真设计,三(或单)相PWM逆变电路分析(IGBT),设计要求: 已知:直流电压源电压U = 100 + (学号%10)20V,输出频率50Hz。负载分别为:ZL= 2+j1。,要求: 利用Simulink建立仿真模型,观察: 负载上的电流、电压。模型和曲线要有标注。,提示:(1) 两个直流电压源串联,中间接地。 (2) 整流桥的桥臂数选3,ABC为输出。 (3) PWM发生器位于Extra Library 的 Discrete Control Blocks,载波频率取输出频率的20倍。,三相逆变电路,设计任务3:几种典

14、型的变流电路的仿真设计,单相PWM逆变电路分析(IGBT),设计任务3:几种典型的变流电路的仿真设计,单相PWM逆变电路分析(IGBT),设计任务3:几种典型的变流电路的仿真设计,buck降压电路分析,设计要求: 已知:直流电压源电压U = 100 + (学号%10)20V。负载为:RL= 50,滤波电容C=0.3mF。,要求: 利用Simulink建立仿真模型,观察: (a) IGBT的电流、电压。 (b) 负载上的电流、电压。模型和曲线要有标注。,提示:脉冲发生器位于Simulink 的 Sources,周期取0.0001s,脉冲宽度取60%。,设计任务3:几种典型的变流电路的仿真设计,b

15、oost升压电路分析,设计要求: 已知:直流电压源电压U = 100 + (学号%10)20V。负载为:RL= 100,滤波电容C=0.3mF。,要求: 利用Simulink建立仿真模型,观察: (a) IGBT的电流、电压。 (b) 负载上的电流、电压。模型和曲线要有标注。,提示:脉冲发生器位于Simulink 的 Sources,周期取0.0001s,脉冲宽度取60%。,Boost converter circuit,Buck converter circuit,设计任务4:电机拖动电路的仿真设计,1、鼠笼型异步电机直接起动的研究 2、绕线式异步电机转子串电阻起动的研究,设计任务4:电机拖

16、动电路的仿真设计,鼠笼型异步电机直接起动的研究,设计要求: 已知:三相交流电压源(线电压取值:学号单号为220V,双号为380V),频率(单号:60Hz,双号为50Hz)。电动机机械转矩T = 10 + (学号%100)/100Nm。,要求: 利用Simulink建立仿真模型,观察: A相转子电流Ira、A相定子电流Isa、转数(rpm)、电磁转矩。模型和曲线要有标注。,提示:(1) 电机要选择Asynchronous Machine SI Units。 (2) 电源和电机的电压、频率需要设置。,Three-Phase V-I Measurement 位于的 Measurements,Constant 位于

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