Matlab电气仿真实验

Matlab电气仿真实验
指导老师：
学生姓名：爸爸
专业班级：电气工程机器自动化1班
学号：******
本课程设计的目的：
1、掌握Matlab/Simulink中SimPowerSystems 工具箱的基本建模方法；
2、掌握Matlab/Simulink 电气仿真的基本步骤；
3、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。

实验一
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10Ω阻性负载，滤波电感L=100mH，滤波电容C=200uF。

实验步骤: 在matlab_simulink中选取相应的器件如图连接。

注意事项: 将scope中的“limit data point to the last”选项应该去掉。

参数选择：交流电源幅值：220*sqrt（2），频率：50HZ。

变压器参数S=200V A,变比：220V/24V。

电感：100mH；电容：200uF；电阻：10欧。

实验结论：
Diode3电压电流如图所示
虚线显示的为电流I 是仙显示的电压U。

当diode3导通时其减压接近为0，其电流有值。

当diode3不导通时其电流值为0，功率二极管承受反向电压。

而电流图像上出现波动是因为电感L的值不是无穷大，会受频率电压幅值的影响所以如图所示。

Diode4电压电流如图所示：
虚线显示的为电流I 是仙显示的电压U。

当diode3导通时其减压接近为0，其电流有值。

当diode4不导通时其电流值为0，功率二极管承受反向电压。

而电流图像上出现波动是因为电感L的值不是无穷大，会受频率电压幅值的影响所以如图所示。

上述两图中diode3与diode4两个功率二极管的电压电流在相位上差120°，因为正版周期二极管diode1和diode4同时导通diode2和diode3受反向压降。

当为π是diode2和diode3同时导通而diode1和diode4关断承受反向电压。

负载电阻R电压如图所示
实线为电压曲线，电压曲线前半段出现上升的情况是因为给电容C充电并且伴随着放电，而当稳定时形成RC震荡电路出现正弦波形。

理论计算：
输出电压: 6.21249.09.0V 2O =⨯==U
实验总结：与实际相比二极管的电流会有一定的毛刺，是由于电感不能无穷大而在其导通的时有0.8的管压降。

整流电路负载端电压接近直流。

实验二
电路部分：
设计任务1： 一阶直流激励RL 充、放电电路的研究 （学号尾数为双数） 实验步骤： 在matlab_simulink 中选取相应的器件如图连接
Timer 和Ideal switch 的使用方法是相对应的Timer 控制Ideal switch 的开通和关断时间并且控制通过Ideal switch 的有效幅值。

Timer 参数设置time[0 0.01 0.02] amplitude[0 1 0]。

R=3000ohms 、L=1 H (inductor initial current=0)、DC=10V 。

实验结果：
负载L 的电流电压如图所示：
如图所示一阶直流激励RL 充、放电电路电压图前一部分电感电流不越变对只有电源电感充电，当充电充满时负载电压为10V ，0.004s 时电源断开电感放电为后半部分。

实验总结：
如图所示一阶直流激励RL 充、放电电路电流图前一部分电感电流不越变对只有电源电感充电，当充电充满时负载电流为0.003333，0.004s 时电源断开电感放电为后半部分。

实验目的：二阶RLC 直流和交流激励下动态响应的研究（直流激励：过阻尼情况） 实验步骤：在matlab_simulink 中选取相应的器件如图连接 直流激励：过阻尼情况
参数设置
L=10mH 、C=100uF ，过阻尼情况下Ω==201001000022uF
uH C L R ， 取R=50Ω。

交流激励：
参数设置
Timer 参数设置time [0 0.01 0.015] amplitude[1 0 1]。

R=10ohms 、L=1mH (inductor initial current=0)、AC=220V/50HZ 。

3、理论分析：
二阶RLC 直流激励下的响应会出现加大的超调，但响应速度快，时间短。

交流激励下，如图所示电路，开关闭合后，由于电源频率为50Hz,属于低频，感抗远远小于容抗，故电容电流很小，开关断开后，电容和电感并联谐振，谐振频率：
KHz uF
mH LC
59.110121
21f =⨯=
=
ππ。

实验结果：
直流激励过阻尼情况：电容的电压及电流
交流激励情况下：电流及电感上的电压及电流
电阻上的电压及电流
实验结论：在直流激励下，二阶RLC 串联电路中，电阻R=50Ω.电路为过阻尼状态，没有超调量。

交流激励下，由于电源频率低，开关闭合之前，电感几乎将电容短路，故电容电压近似为零。

开关断开后，电感、电容并联谐振如图中的0.01~0.015时间段并联谐振。

磁路部分：
设计任务2：一台10kVA ，60Hz ，380V/220V 单相变压器，原、副边的漏阻抗分别为：Zp=0.14+j0.22Ω, Zs=0.035+j0.055Ω,励磁阻抗Zm=30+j310Ω，负载阻抗ZL=4+j5Ω。

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。

实验步骤： 在matlab_simulink 中选取相应的器件如图连接
参数设置与理论计算: 由设计要求可知， 容量：KVA 10S n
频率：Hz 50f =
原边电压有效值：V 380U 1= 副边电压有效值：V 220U 2=
原边漏阻抗对应的电阻、电感：Ω=14.01R ；H f
X L 00058357.0222
.01
1==
=
πω
副边漏阻抗对应的电阻、电感：Ω=35.02R ；H f
X L 00014589.02055
.02
2==
=
πω
因为英文版的励磁绕组为并联，中文版的为串联，所以关系转换如下：
励磁电阻：Ω=+=+=33.323330
310302
22
2m m m M R X R R
其标幺值：
Ω===44.1410/380/)(2
2K s v z base base base =M R '
M R /
z
base
=224.5Ω
励磁电感：Ω=+=+=9.312310
31030222
2
m m m M X X R X
其标幺值：M
X
'
=M X /
z
base
=21.7Ω
负载电阻： R=5Ω H f
X L M
0132629.0.025
==
=πω
仿真结果:
原、副边电压电流如图所示：
效率：%74.92%100*41
.20*3805.33*7.214%100*P P 12===
η 实验结果：
在模式ode45下输出负载电压有效值204.8V ，且计算时间很慢，改用ode23s 算法后，变压器二次电压为214.7V 。

带负载情况下，受内阻压降的影响，二次侧端电压有所降低。

符合实际情况。

有与仿真计算对损耗的考虑不全面。

本设计过程中，还可取额定容量和额定电压为基值，推算其他参数的标幺值，各参数用标幺值表示。

实验三
设计任务：3个交流电源（单独的），U = 220 + (学号%10)×10V ，50Hz 。

串联负载分别为：R = 1Ω，L= 1mH 。

实验要求：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 实验步骤：。

在matlab_simulink 中选取相应的器件如图连接
实验参数设置：
电源电压有效值U=220V ，f=50Hz 负载R=1Ω、L=1mH
实验理论计算：
负载电压：当ɑ=0度时 ：8.5140cos 22034.2cos U 34.2U 2d =︒⨯⨯==αV A R U d 8.5141
8
.514I d ===
当ɑ=30度时：V 8.44530cos 22034.2cos U 34.2U 2d =︒⨯⨯==α A R U d 8.4451
8
.445I d ===
实验结果：
当 a=0度：负载电压电流波形：
Ub: 1ohm//1H
Ib: 1ohm//1H
晶闸管电压波形：
Usw1: Universal Bridge
Usw2: Universal Bridge
Usw3: Universal Bridge
Usw4: Universal Bridge
Usw5: Universal Bridge
Usw6: Universal Bridge
当ɑ=30度时：负载电压波形和电流波形
Ub: 1ohm//1H
Ib: 1ohm//1H
晶闸管电压波形：
00.010.020.030.040.050.060.070.080.09
0.1
-5000
500
Usw1: Universal Bridge
00.010.020.030.040.050.060.070.080.09
0.1
-5000
500
Usw2: Universal Bridge
0.010.020.030.040.050.060.070.080.09
0.1
-500
500
Usw3: Universal Bridge
0.010.020.030.040.050.060.070.080.09
0.1
-500
0500Usw4: Universal Bridge
0.010.020.030.040.050.060.070.080.09
0.1
-5000500Usw5: Universal Bridge
0.010.020.030.040.050.060.070.080.09
0.1
-5000500Usw6: Universal Bridge
实验目的：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+j1Ω。

实验要求：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。

实验步骤：在matlab_simulink 中选取相应的器件如图连接
实验参数设置：
直流电源电压U=100V，电容C1=C2=1F , 频率f=50Hz ,负载Z L= 2+j1Ω。

实验结果：
电压波形：
Ub: Series RLC Branch3
Ub: Series RLC Branch4
00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05
Ub: Series RLC Branch5
Ib: Series RLC Branch3
5
-5
00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05
Ib: Series RLC Branch4
5
-5
00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05
Ib: Series RLC Branch5
5
-5
00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05
实验结果分析：逆变时一定要加电阻R1，应为电容电压不能突变。

电容C1，C2串联，中间取参考点，即可得到正负电源。

且电容越大，输出电压越平滑。

实验目的：buck降压电路分析,直流电压源电压U = 100 + (学号%10)×20V。

负载为：RL= 50Ω，滤波电容C=0.3mF
实验要求：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。

实验步骤：在matlab_simulink中选取相应的器件如图连接
实验参数设置：
直流电压V DC 100V ，电感L=1H ，滤波电容C=300uF ，负载电阻RL=100Ω 开关频率f=10KHz 、占空比ɑ=0.6.
理论分析计算： 输出电压： V E 601006.0U o =⨯==α 负载电流： A R U o 6.0100
60
I o ===
实验结果：负载电压电流波形：
Ub: Parallel RLC Branch
Ib: Parallel RLC Branch
实验结果：输出负载电压值约为60V ,前期的波动是因为电感和电容充放电不完全引起的，负载电流约为0.6A ，前期的波动与电压波动情况相同，电压电流都基本符合理论值。

实验目的：boost 升压电路分析，直流电压源电压U = 100 + (学号%10)×20V 。

负载为：RL= 100Ω，滤波电容C=0.3mF boost 升压电路分析
实验要求：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。

实验步骤：在matlab_simulink 中选取相应的器件如图连接
实验参数设置：
直流电压V DC 100V ，电感L=0.1H ，滤波电容C=300uF ，负载电阻RL=100Ω 开关频率f=10KHz 、占空比ɑ=0.6.
理论分析计算：
输出电压： V E 2501006.0-11-11U o =⨯==
α 负载电流： A R U o 250100
250
I o ===
实验结论：
Ub: R
00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5
Ib: R
00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5
5、仿真结果分析
输出电压值为250V，电流为2.5A，理论电压值为250V，电流值为2.5A.仿真结果与理论值吻合.
实验四
实验目的：笼型异步电机直接起动的研究，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。

实验要求：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。

实验步骤：在matlab_simulink中选取相应的器件如图连接
试验参数：
KW 5.7Sn =电机容量： V 380U =额定电压： Hz 50f =频率：
Ω+=j 8767.1115.1Z 1原边阻抗： Ω+=j 767.18.0083.1Z 2副边阻抗： H 2037.0L m =互感： 2
.Kg 02.0J m =阻尼：
理论计算： 同步转速：min /15002
50
*60601r P f n ===
实验结果：
t/s
I r /A
定子电流变化曲线
I s /A
t/s
t/s
r /m i n
t
T
转矩变化曲线
转差率: 05333.01500
1420
15001=-=-=n n n s
转子电流变化频率665.2500533.0s 12=⨯=⨯=f f
实验结论：工程中一般10Kw 下的电机允许直接起动，且起动时间一般在1s 秒之内。

本次设计三相四级鼠笼式异步电机，起动转矩很大。

1s 时电机起动，开始稳定运行，由于电机空载，故稳态电流、转矩都比较下。

稳态电流大部分来建立旋转磁场，稳态转矩则用来克服摩擦阻力。

实验目的：绕线式异步电机转子串电阻起动的研究，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 。

串联电阻R = 3Ω。

实验要求：利用Simulink 建立仿真模型，对比未串联和串联电阻起动效果，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。

.实验步骤：在matlab_simulink 中选取相应的器件如图连接 实验目的：绕线式异步电机转子串电阻起动的研究
实验步骤：在matlab_simulink 中选取相应的器件如图连接
Discre te ,
Ts = 5e -006 s.
pow e rgui
y
To Work s pace1
t
To Work s pace
A B C
a
b
c
Three-Phase Breaker1
A B C
a b c
Three-Phase Breaker A B C
a b c
Three-Phase V-I Measurement1A B C
A B C Three-Phase
Series RLC Branch
N
A
B C
Three-Phase Programmable
Voltage Source 220V 60Hz
A
B
C
Three-Phase
Parallel RLC Load
Selector1Selector
Scope
m
ir_abc
is_abc wm Te
-K-Gain
10.10Cons tant
Clock
Tm
m A B C
a b c
Asynchronous Machine SI Units1
wm
isa
ira
Te
实验参数设置
KW 5.7Sn =电机容量： V 380U =额定电压：
Hz 50f =频率： Ω+=j 8767.1115.1Z 1原边阻抗： Ω+=j 767.18.0083.1Z 2副边阻抗： H 2037.0L m =互感： 2
.Kg 18.0J m =阻尼：
理论计算： 同步转速：min /15002
50
*60601r P f n ===
转差率S=1时：2
2121
'2
m )
(S σσX X R R ++=
⇒
Ω=++=++=
32.1)226.0226.0(8.0)(R 2222121'
2σσX X R
故：转子回路所串的电阻取：Ω=-=-=82.05.032.1R R 2'
2R （实际仿真中取了R=3Ω）
注意：在t=0时起动电机，t=0.3s 时闭合断路器，将转子绕组短路
实验仿真结果： 串电阻起动：
t/s
I r /A
转子电流变化率
定子电流变化率
t/s
I s /A
t/s
r /m i n
速度变化曲线
t/s
T
转矩变化率
未串电阻启动：
t/s
r /m i n
转速曲线变化
t/s
T
转矩变化率
转差率: 05333.01500
1420
15001=-=-=n n n s
转子电流变化频率
665.2500533.0s 12=⨯=⨯=f f
实验结果：由仿真结果可以看出，当串电阻时启动转矩会增大大约为10,启动电流会有所减
小,转电阻启动的目的就是为了减小启动电流,增大启动转矩,当电机启动后原理上为一级一级的断开电阻使所串电阻值一级一级的减小,最后所传电阻为零。

电机达到额定转速，和额定转矩。