基于MATLAB的电力电子技术仿真分析

《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

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

华中科技大学武昌分校

电力电子技术课程设计任务书

课程设计成绩评定表

目录

1课程设计目的 (1)

2课程设计主要内容 (1)

3课程设计题目描述与要求 (1)

3.1课程设计题目描述 (1)

3.2课程设计要求 (2)

4 各电路的建模与仿真 (2)

4.1单相半波可控整流器 (2)

4.2晶闸管三相桥式整流电路 (9)

4.3Boost变换器 (16)

4.4相位控制的晶闸管单相交流调压器 (19)

5课程设计总结 (22)

1 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。

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20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，把代表晶闸管、触发器、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，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

⑴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[I ak U ak]端，可连接仪表检测流经晶闸管的电流（I ak）与晶闸管的正向压降（U ak），晶闸管组件的符号和仿真模型图如图所示。

图4-1 图4-2

⑵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

图4-3

“Resistance Ron(Ohms)”：晶闸管导通电阻Ron（Ω）。

“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

“Forward voltage Vf（V）”：晶闸管元件的正向管压降Vf（V）。