基于Matlab的电力电子技术课程设计报告

《电力电子技术》
课程设计报告
题目：基于Matlab的电力电子技术
仿真分析
专业：电气工程及其自动化
班级：电气2班
学号： Z01114007
姓名：吴奇
指导教师：过希文
安徽大学电气工程与自动化学院
2015年 1 月 7 日
中文题目 基于Matlab 的电力电子技术仿真分析
一、设计目的
（1）加深理解《电力电子技术》课程的基本理论；
（2）掌握电力电子电路的一般设计方法，具备初步的独立设计能力；
（3）学习Matlab 仿真软件及各模块参数的确定。

二、设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕：
（1）根据设计题目要求的指标，通过查阅有关资料分析其工作原理，
设计电路原理图；
（2）利用MATLAB 仿真软件绘制主电路结构模型图，设置相应的参数。

（3）用示波器模块观察和记录电源电压、控制信号、负载电压、电流
的波形图。

三、设计内容
（1）设计一个降压变换器（Buck Chopper ），其输入电压为200V ，负载为阻感性带反电动势负载，电阻为2欧，电感为5mH ，反电动势为80V 。

开关管采用IGBT ，驱动信号频率为1000Hz ，仿真时间设置为0.02s ，观察不同占空比下（25%、50%、75%）的驱动信号、负载电流、负载电压波形，并计算相应的电压、电流平均值。

然后，将负载反电动势改变为160V ，观察电流断续时的工作波形。

（最大步长为5e-6，相对容忍率为1e-3，仿真解法器采用ode23tb ）
（2）设计一个采用双极性调制的三相桥式逆变电路，主电路直流电源200V ，经由6只MOSFET 组成的桥式逆变电路与三相阻感性负载相连接，负载电阻为1欧，电感为5mH ，三角波频率为1000Hz ，调制度为0.7，试观察输入信号（载波、调制波）、与直流侧假想中点N ‘的三相电压Uun ’、Uvn ’、Uwn ’，输出线电压UV 以及负载侧相电压Uun 的波形。

四、设计方案
实验1：降压变换器
dc-dc 变流电路可以将直流电变成另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。

其中，直接直流变流电路又称为斩波电路，功能是将直流电变为另一直流电。

本次实验主要是在Matlab 中设计一个降压斩波电路并仿真在所给条件下的波形和数值与理论计算相对比。

降压斩波电路原理图如下所示，该电路使用一个全控型器件V ，这里用IGBT ，也可采用其他器件，例如晶闸管，若采用晶闸管，还需设置使晶闸管关断的辅助电路。

为在V 关断时给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管VD 。

斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后两种情况下负载中均会出现反电动势，图中用m E 表示。

若无反电动势，只需令0m E ，以下的分析和表达式中均适用。

E V L
R
Em
VD Uo
Io
原理图：降压斩波电路
实验图：
参数设置：输入电压E为200V，负载为阻感性带反电动势负载，电阻R为2欧，电感L为5mH，反电动势
m
E为80V。

开关管采用IGBT，驱动信号频率f为1000Hz，仿真时间设置为0.02s，最大步长为5e-6，相对容忍率为1e-3，仿真解法器采用ode23tb，调节脉冲信号占空比分别为25%，50%，75%。

然后调整反电动势为160V。

重复上述步骤。

实验2：双极性调制的三相桥式逆变电路的设计
本次实验是利用PWM调制控制三项桥是逆变电路。

PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。

面积等效原理是PWM控制技术的重要理论基础。

PWM技术在逆变电路最为常用，分为单极性控制和双极性控制。

本次课程设计使用双极性控制方式。

下面
介绍一下双极性调制三相桥式逆变电路的原理。

图是三相桥式PWM 逆变电路，这种电路都是采用双极性控制方式。

U 、V 和W 三相的PWM 控制通常公用一个三角波载波c u ，三相的调制信号rU u ，rV u 和rW u 相位依次相差120。

U 、V 和W 各项功率开关器件的控制规律相同，现以U 相为例。

当rU u >c u 时，上桥臂导通，下桥臂关断，则U 相相对于直流电源假想终点'N 的输出电压'2d uN U u =。

当rU u <c u 时，下桥臂导通，上桥臂关断，则U 相相对于直流电源假想终点'N 的输出电压
'2d
uN U u =-，上桥臂和下桥臂的驱动信号始终是互补的。

当给上（下）桥臂加
导通信号时，可能是上桥臂导通，可能是下桥臂导通，也可能是续流二极管导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定。

V 相和W 相的控制方式都和U 相相同。

原理图：三相桥式PWM 逆变电路
实验图：
参数设置：主电路直流电源200V ，经由6只MOSFET 组成的桥式逆变电路与三相阻感性负载相连接，负载电阻R 为1欧，电感L 为5mH ，三角波频率f 为1000Hz ，调制度A 为0.7。

五、仿真结果与分析
实验1仿真结果与分析：
图1: 反电动势为80V占空比为25% 图2：反电动势为80V占空比为50%
图3: 反电动势为80V占空比为75%
图4：反电动势为160V占空比为25%
图5：反电动势为160V占空比为50%
图6：反电动势为160V 占空比为75%
负载电压平均值为on on o on off t t U E E E t t T
α===+，式中，on t 为V 处于通态时间，off t 为V 处于断态时间，T 为开关周期，α为占空比。

图1、4125%α=，图2、5占空比250%α=，图3、6占空比375%α=。

所以，当125%α=时，50o U =V ；当250%α=时，100o U =V ；当375%α=时，150o U =V 。

负载电流平均值o m o U E I R
-=， 当125%α=时，5080152
o m o U E I R --===-A ； 当250%α=时，10080102
o m o U E I R --===A ； 当375%α=时，15080352
o
m o U E I R --===A ，与实验结果相吻合。

实验2仿真结果与分析
图4：双极性调制的三相桥式逆变电路
实验结果分析：观察波形图可知，'UN u 、'VN u 、'WN u 的PWM 波形都只有
2d U ± 两种电平。

图中的线电压UV u 的波形可由''UN VN u u -得出。

可以看出，当桥臂1和桥臂6导通时，UV d u U =；
当桥臂3和桥臂4导通时，UV d u U =-；
当桥臂1和桥臂3或桥臂4和桥臂6导通时，0UV u =。

所以逆变器输出线电压PWM 波由d U ±、0三种电平构成。

而负载相电压的PWM 波由0V ，60±V ，120±V 五种电平组成，满足0，
13d U ±,23d
U ±五种电平组成，符合实验结果。

五、设计总结
通过本次实验，我初步了解了Matlab ，学会如何用matlab 软件的Simulink 进行绘制电路图并进行仿真。

然而我也发现了很多的问题，例如电子元器件找不到，设计电路图时不够理解，直到问同学之后才能够独立的画出电路图，在电力电子这方面的学习也较为缺乏，理解不够充分，所以在不多的大学时间里要好好学习这些知识，为以后的工作打好基础。

六、主要参考文献 [1] 王兆安．电力电子技术，机械工业出版社．2009．
[2] 李传琦．电力电子技术计算机仿真实验，电子工业出版，2005．
[3] 洪乃刚．电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB 仿真，机械工业出版社．2006．
[4] 洪乃刚. 电力电子电机控制系统仿真技术，2013年8月。