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1、1电力电子技术电力电子技术 课程设计报告课程设计报告题 目： 基于 MATLAB 的电力电子技术 仿真分析 院 （系）： 机电与自动化学院 专业班级： 电气工程及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2014 年 1 月 13 日至 2014 年 1 月 17 日华华中科技大学武昌分校中科技大学武昌分校2电力电子技术课程设计任务书一、一、设计设计（ （调查报调查报告告/论论文）文）题题目目基于 MATLAB 的电力电子技术仿真分析二、二、设计设计（ （调查报调查报告告/论论文）主要内容文）主要内容1.晶闸管的仿真模型及以单相半波整流器为例，说明晶闸管元件应用系统的建模与仿真方法。2.晶闸
2、管三相桥式整流带电阻性负载时系统的建模与仿真。3.绝缘栅双极型晶体管元件的仿真模型及一个由 IGBT 元件组成的 Boost 变换器的建模与仿真。4.相位控制的晶闸管单相交流调压器带电阻性负载时系统的建模与仿真。三、原始三、原始资资料料MATLAB 仿真软件四、要求的四、要求的设计设计（ （调查调查/论论文）成果文）成果编写详细的设计说明书（附上本次设计心得体会） 说明书中完成相应系统模型的建模、参数设置及仿真调试，写出设计报告。1.晶闸管的仿真模型、参数设定方法、以单相半波整流器为例说明晶闸管元件应用系统的建模与仿真方法，记录相应波形。2.晶闸管三相桥式整流带电阻性负载时系统的建模过程与仿真
3、调试，记录波形。3.绝缘栅双极型晶体管元件的仿真模型、参数设定方法、及由 IGBT 元件组成的 Boost 变换器的建模与仿真，记录波形。4.相位控制的晶闸管单相交流调压器带电阻性负载时系统的建模与仿真，记录波形。以上 4 个类型的仿真过程中皆需包含具体电路形式，工作过程分析，在 MATLAB 中的建模，各组成环节的参数设置过程，仿真波形，波形分析。3五、五、进进程安排程安排1. 下达设计任务书，讲解设计要求、进度安排、指导时间、注意事项等，提供参考资料。 （0.5天）2. 学习并熟练 MATLAB Simulink/Power System 工具箱等相关内容（1.5 天）3. 典型电力电子器
4、件的仿真模型建模及仿真实例（0.5 天）；4. 典型电力电子变换器的应用仿真。 （1 天）5. 撰写课程设计报告。 （0.5 天）6. 答辩。 （1 天）六、主要参考六、主要参考资资料料1 王兆安，刘进军.电力电子技术（第五版）.北京：机械工业出版社，2010.2 周渊深. 电力电子技术与 MATLAB 仿真.北京：中国电力出版社, 2005.3 林飞,杜欣. 电力电子应用技术的 MATLAB 仿真.北京：中国电力出版社,2009.4 洪乃刚. 电力电子、电机控制系统的建模和仿真. 北京：机械工业出版社,2010.指导教师（签名）：20 年 月 日4课程设计成绩评定表课程设计成绩评定表项项 目
5、目比例比例得得 分分平平时时成成绩绩（百分制（百分制记记分）分）30%业务业务考核成考核成绩绩（百分制（百分制记记分）分）70%总评总评成成绩绩（百分制（百分制记记分）分）100%成成绩绩评评定定评评定等定等级级优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格指指导导教教师师（ （签签名）：名）：20 年年 月月 日日目录51 课程设计目的12 课程设计主要内容13 课程设计题目描述与要求13.1 课程设计题目描述13.2 课程设计要求24 各电路的建模与仿真24.1 单相半波可控整流器24.2 晶闸管三相桥式整流电路 94.3Boost 变换器164.4相位控制的晶闸管单相交流调压器 195 课程设
6、计总结2261 课程设计目的通过电力电子计术的课程设计达到以下几个目的： （1）培养学生文献检索的能力，特别是如何利用 Internet 检索需要的文献资料；（2）培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力； （3）培养学生运用知识的能力和工程设计的能力； （4）提高学生课程设计报告撰写水平； （5）提高学生通过实验测试、研究分析和完善设计的水平。2 课程设计主要内容（1）晶闸管的仿真模型及以单相半波整流器为例，说明晶闸管元件应用系统的建 模与仿真方法。 （2）晶闸管三相桥式整流带电阻性负载时系统的建模与仿真。 （3）绝缘栅双极型晶体管元件的仿真模型及一个由 IGBT 元件组成的 Boos
7、t 变换 器的建模与仿真。 （4）相位控制的晶闸管单相交流调压器带电阻性负载时系统的建模与仿真。3 课程设计题目描述与要求3.1 课程设计题目描述本次课程设计包含了六个内容的建模与仿真： 1晶闸管的仿真模型及以单相半波 整流器为例，说明晶闸管元件应用系统的建模与仿真方法；2晶闸管三相桥式整流系 统的建模与仿真；3. 可关断晶闸管的仿真模型及以可关断晶闸管元件组成的 Buck 变 换器为例的仿真过程；4绝缘栅双极型晶体管元件的仿真模型及一个由 IGBT 元件组 成的 Boost 变换器的建模与仿真；5相位控制的晶闸管单相交流调压器系统的建模与 仿真；6晶闸管三相半波有源逆变器的建模与仿真。这六个
8、内容基本包含了电力变换 的四大类，从中能比较全面的掌握电力电子 MATLAB 仿真的方法。 此仿真实验主要涉及到以下四个方面，而基于MATLAB 的电力电子技术仿真则是一下 几个内容很好的结合。 电力电子器件：电力电子器件是一系列固态高电压、大电流的电子器件，被控对象 的设备功率很大。按可控性可分为三类：不控器件（二极管）、半控器件（晶闸管） 、全控 器件（GTR、GTO、IGBT、MOSFET 等） 。 电力电子技术应用：该技术广泛应用于多种形式的电源、电力拖动控制、电网电能 质量技术提高以及大功率电能传输。 MATLAB 仿真：MATLAB 程序设计语言是美国Math Works 公司在2
9、0世纪80年代中期推 出的搞性能数值计算软件， 2005年8月该公司就推出MATLAB7.1版，现已成为线性代数、 自动控制理论、数理统计、数字信号分析与处理、动态系统仿真等各种课程的基本数学 工具。 电力电子技术MATLAB 实践：电力电子技术中有关电能的变换与控制过程，有各种电 路原理的分析与研究、大量的计算、电能变换的波形测量、绘制与分析等，都离不开 MATLAB。首先，它的运算功能强大，应用于交流电的可控整流、直流电的有源逆变与无 源逆变中存在的整流输出的平均值、有效值、与电路功率计算、控制角、导通角计算。 其次，MATLAB 的 SimpowerSystems 实体图形化仿真模型系统
10、，把代表晶闸管、触发器、7电阻、电容、电源、电压表等实物的特有符号连接成一个整流装置电路或是一个系统， 更 简单方便，节省设计制作时间和成本等。并且，交流技术讨论的电能转换与控制，需 要对 各种电压与电流波形进行测量、绘制与分析， MATLAB 提供了功能强大且方便使用的 图形 函数，特别适合完成这项任务。3.2 课程设计要求编写详细的设计说明书,说明书中完成相应系统模型的建模、参数设置及仿真调试， 写出设计报告。 （1）晶闸管的仿真模型、参数设定方法、以单相半波整流器为例说明晶闸管元件 应用系统的建模与仿真方法，记录相应波形。 （1）晶闸管三相桥式整流带电阻性负载时系统的建模过程与仿真调试，
11、记录波形。（1）绝缘栅双极型晶体管元件的仿真模型、参数设定方法、及由 IGBT 元件组成 的 Boost 变换器的建模与仿真，记录波形。 （1）相位控制的晶闸管单相交流调压器带电阻性负载时系统的建模与仿真，记录 波形。 以上4个类型的仿真过程中皆需包含具体电路形式，工作过程分析，在 MATLAB 中 的建模，各组成环节的参数设置过程，仿真波形，波形分析。4 各电路的建模与仿真4.1 单相半波可控整流器4.1.1 晶闸管的仿真晶闸管模型 晶闸管是一种门极信号触发导通的半导体器件。晶闸管有两个输入端和两个输出 端，第一个输入与输出是阳极媏（a）与阴极端（k） ，第二个输入（g）是门极控制信 号端如
12、图 4-1，当勾选“Show measurement port”项时便显示第二个输出端（m）如图 4-2，这是晶闸管检测输出向量Iak Uak端，可连接仪表检测流经晶闸管的电流（Iak） 与晶闸管的正向压降（Uak） ，晶闸管组件的符号和仿真模型图如图所示。图 4-1 图 4-2 晶闸管参数及其设置 在模型结构图中，当鼠标双击模型时，则弹出晶闸管参数对话框，如下图 4-3 所 示8图 4-3 “Resistance Ron(Ohms)”：晶闸管导通电阻 Ron（） 。 “Inductance Lon（H） ”：晶闸管元件内电感 Lon（H） 。电感参数与电阻参数不能同 时设 为 0 “Forw
13、ard voltage Vf（V） ”：晶闸管元件的正向管压降 Vf（V） 。 “Initial current Ic（A） ”：初始电流 Ic（A） 。 “Snubber resistance Rs（ohms） ”：缓冲电阻 Rs（） 。 “Snubber capacitance Cs（F） ”：缓冲电容 Cs（F） 。可对 Rs 与 Cs 设置不同的数 值以改变或者取消吸收电路。 “Show measurement port”为设置是否显示检测端（m） 。 需要说明的是，含有晶闸管模型的电路仿真时，最好采用特定的算法 Ode23tb 与 Oder15s，而当电路进行离散化处理时，晶闸管的内
14、电感量应设为 0。4.1.2 单相半波可控整流电路的仿真电路图及工作原理1u2uVTTududiTrULUR单相半波可控整流电路（阻感负载）图如上图所示，当晶闸管 VT 处于断态时，电路中电流 Id=0，负载上的电压为 0，U29全部加在 VT 两端，在触发角 处，触发 VT 使其导通，U2加于负载两端，由于电感 L的存在使电流 id 不能突变，id 从 0 开始增加同时 L 的感应电动势试图阻止 id 增加，这时交流电源一方面供给电阻 R 消耗的能量，一方面供给电感 L 吸收的电磁能量，到U2由正变负的过零点处处 id 已经处于减小的过程中，但尚未降到零，因此 VT 仍处于导通状态，当 id 减小至零，VT 关断并承受反向压降，电感 L 延迟了 VT 的关断时刻使Ud 波形出现负的部分。 （2）建立仿真模型 根据原理图用 matalb 软件画出正确的仿真电路图，整体模型如下图所示单相半波晶闸管可控整流电路（阻感负载）的仿真模型仿真参数：选择 ode23tb 算法，将相对误差设置为 1e-3
