Matlab電氣仿真.docx

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1、大連海事大學(xué) 題目:電氣系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計 姓名: 學(xué)號: 學(xué)院:輪機工程學(xué)院 專業(yè)班級:電氣工程及其自動化(4)班 指導(dǎo)老師:鄭忠玖 王寧 l 設(shè)計任務(wù)(一) 一、實驗?zāi)康模? 1、掌握Matlab/Simulink 電氣仿真的基本步驟; 2、掌握Matlab/Simulink中SimPowerSystems 工具箱的基本建模方法; 3、利用Matlab/Simulink 在整流電路方面的仿真設(shè)計。 二、實驗原理: 220V 50HZ交流電源經(jīng)變壓器降壓,輸出交流24V 50HZ是交流

2、電。經(jīng)單相橋式整流電路加LC濾波電路后,由于電感和電容的作用,輸出電壓和電流無法突變,使輸出電壓波形在一定的電壓附近形成正弦脈動。 三、實驗內(nèi)容: 1、單相橋式整流 (1) 設(shè)計要求: a) 單相橋式整流加LC濾波電路,電源為220V,50Hz; b) 整流電路輸入為24V; c) 負(fù)載為10Ω阻性負(fù)載; d) 濾波電感L=100mH,濾波電容C=200uF; (2) 設(shè)計電路圖: (3) 仿真結(jié)果波形圖: (4) 仿真結(jié)果分析: 1. 在變壓器輸出正弦波的正半周期,二極管VT1和二極管VT4導(dǎo)通,二極管VT2和二極管VT3被施以反壓而截止;在變壓

3、器輸出正弦波的負(fù)半周期,二極管VT2和二極管VT3導(dǎo)通,二極管VT1和二極管VT4施以反壓而截止。由于電路中二極管的作用,負(fù)載兩端的電壓極性一定,達(dá)到整流的目的。 2. 二極管導(dǎo)通時管壓降理想為零,電流波形與負(fù)載輸出電流波形保持一致;二極管截止時,二極管承受反壓,電壓波形與變壓器輸出的負(fù)半周期的電壓波形相一致,電流為零。 3. 由于電感和電容的作用,輸出電壓和電流不能突變。使輸出電壓波形形成正弦脈動。 l 設(shè)計任務(wù)(二) 一、實驗?zāi)康? 1、 掌握Matlab/Simulink中SimPowerSystems 工具箱的基本建模方法; 2、 掌握Matlab/Simulink 電氣

4、仿真的基本步驟; 3、 利用Matlab/Simulink 在一階、二階電路、變壓器方面進行仿真設(shè)計。 二、實驗原理 1、 通過對電感充電放電的過程,對一階直流激勵電路進行研究。 2、 通過對電容、電感充電放電的過程,對二階直流激勵RLC電路進行研究。 3、 二階RLC交流激勵下動態(tài)響應(yīng)的研究。 4、 變壓器穩(wěn)態(tài)運行的分析。 三、實驗內(nèi)容 1、一階直流激勵RL充放電電路的研究(學(xué)號尾數(shù)為雙數(shù)) (1) 設(shè)計要求: a) 自行設(shè)計電路,設(shè)計電路參數(shù); b) 自行選擇所需顯示的曲線,結(jié)果; c) 根據(jù)仿真結(jié)果寫出分析和結(jié)論; (2) 實驗參數(shù)設(shè)置: 34

5、 (3) 電路設(shè)計圖: (4) 仿真結(jié)果波形圖: (5)仿真結(jié)果分析: 由對理想開關(guān)的控制可知,在t=0.1s時開關(guān)閉合給電感充電,電感初始儲能為0,電壓迅速上升,其電壓變化率最大,隨著充電的進行,電感儲能增加,電感中電壓趨近U =12V。當(dāng)電感充滿電之后,相當(dāng)于短路,其兩端電壓為零,通過的電流最大。在放電過程中,電感兩端電壓逐漸減小,后趨于穩(wěn)定值0V。當(dāng)電感放電過程中電流變化很快,放完電之后通過的電流為零。 負(fù)載兩端的電壓在電感充電和放電過程中分別呈現(xiàn)先快速上升再緩慢上升和先快速下降和緩慢下降的趨勢最終趨于穩(wěn)態(tài)分別為12V和0V。 2、二階RLC直流激勵下動態(tài)響

6、應(yīng)的研究 (1) 設(shè)計要求: a) 自行設(shè)計電路,設(shè)計電路參數(shù); b) 自行選擇所需顯示的曲線,結(jié)果; c) 根據(jù)仿真結(jié)果寫出分析和結(jié)論; d) 過阻尼情況(學(xué)號尾數(shù)為雙數(shù)) (2) 電路設(shè)計圖 (3) 仿真波形圖: (4) 仿真結(jié)果分析: 由圖可見,由于電路處于過阻尼狀態(tài),電感電壓逐漸上升,無震蕩,最終趨于穩(wěn)態(tài)。 二階RLC交流激勵下動態(tài)響應(yīng)的研究(全體學(xué)生) (1) 設(shè)計要求: a) 自行設(shè)計電路,設(shè)計電路參數(shù); b) 自行選擇所需顯示的曲線,結(jié)果; c) 根據(jù)仿真結(jié)果寫出分析和結(jié)論; (2) 設(shè)計電路圖: (3) 仿真波形圖:

7、 (4) 仿真結(jié)果分析: 二階RLC交流激勵的動態(tài)響應(yīng)電感兩端電壓,電流波形為正弦波,其中,電流滯后于電壓;電容兩端電壓為正弦波,而通過的電流在起始時刻波動之后趨于穩(wěn)定值為零。 4、變壓器(無飽和,采用線性變壓器模型)的穩(wěn)態(tài)分析 (1) 設(shè)計要求: 變壓器(無飽和,采用線性變壓器模型)的穩(wěn)態(tài)分析: 一臺10kVA,60Hz,380V/220V單相變壓器,原、副邊的漏阻抗分別為:Zp=0.14+j0.22Ω, Zs=0.035+j0.055Ω; 勵磁阻抗:Zm=30+j310Ω; 負(fù)載阻抗:ZL=4+j5Ω。 要求: 利用Simulink建立仿真模型,計算

8、在高壓側(cè)施加額定電壓時, a) 分別計算原、副邊的電流的有效值; b) 副邊的負(fù)載上電壓的有效值; (2) 實驗參數(shù)設(shè)置: 變壓器原,副變參數(shù)計算: 原邊: S(base)=10kVA Vpbase=380V Zp(base)=V2p(base)Sp(base)=14.44Ω Rp(pu)=RpZp(base)=0.1414.44 Xp(pu)=Xpzp(base)=0.2214.44 副邊: S(base)=10kVA Vsbase=220V Zs(base)=V2s(base)Is(base)=4.84Ω Rs(pu)=RsZs(bas

9、e)=0.0354.84 Xs(pu)=Xszs(base)=0.0554.84 勵磁支路: Rc=Rm2+Xm2Rm=97003Ω Xm=Rm2+Xm2Xm=970031Ω Rc(pu)=RcZp(base)=97003*14.44 Xm(pu)=XmZp(base)=970031*14.44 變壓器及負(fù)載參數(shù)配置:  (3) 電路設(shè)計圖及其仿真結(jié)果: (4) 仿真結(jié)果分析: 變壓器為380V/220V 10KVA 60HZ理論計算原副邊變比為1.727。由于原、副邊的漏阻抗分別為:Zp=0.14+j0.22Ω, Zs=0.035+j0.05

10、5Ω,勵磁阻抗Zm=30+j310Ω,負(fù)載阻抗ZL=4+j5Ω,所以實際變壓器存在鐵耗和銅耗等使得實際變壓器原副邊變比為1.64左右,負(fù)載兩端的電壓達(dá)不到期望值220V。 盡管電路圖設(shè)計與變壓器二次側(cè)折算到一次側(cè)的T形等效電路還是不同的,因此在實際參數(shù)折算的時候要區(qū)分開; 變壓器參數(shù)配置時選擇分?jǐn)?shù)形式比小數(shù)形式更加準(zhǔn)確;變壓器負(fù)載參數(shù)配置是要注意下圖所示的電感初始電流的設(shè)置,如若勾選即將電感初始電流設(shè)置為0則在變壓器仿真運行時將會出現(xiàn)下圖所示的警告。 l 設(shè)計任務(wù)(三) 一、實驗?zāi)康模? 1、 掌握Matlab/Simulink中SimPowerSystems 工具箱的基本建模

11、方法; 2、 掌握Matlab/Simulink 電氣仿真的基本步驟; 3、 利用Matlab/Simulink 在整流、逆變、斬波等電力電子技術(shù)方面的仿真設(shè)計; 二、實驗原理 1、三相橋式整流電路,晶閘管導(dǎo)通順序為VT1—VT6,VT1—VT2,VT2—VT3,VT3—VT4,VT4—VT5,VT5—VT6。帶阻感性負(fù)載時,若電感足夠大,則負(fù)載電流不斷續(xù)。負(fù)載輸出波形隨著觸發(fā)角的變化而變化。 2、三相PWM逆變電路,將直流電逆變?yōu)榻涣麟姟k妷盒湍孀冸娐?,直流?cè)為直流電壓源,或并聯(lián)大電容相當(dāng)于電壓源。由于直流電源的鉗位作用,交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波,并且與負(fù)載阻抗角無關(guān),輸出電流波

12、形和相位因負(fù)載情況的不同而不同。 3、buck降壓電路,是一個DC-DC變換器或者稱為斬波電路,將直流電變?yōu)榭烧{(diào)電壓的直流電。通過Pulse Generator對開關(guān)器件的控制,實現(xiàn)直流-直流降壓的作用,并且通過調(diào)整占空比可以改變輸出電壓平均值。 4、boost升壓電路,是一個DC-DC變換器或者稱為斬波電路,將直流電變?yōu)榭烧{(diào)電壓的直流電。通過Pulse Generator對開關(guān)器件的控制,實現(xiàn)直流-直流升壓的作用,并且通過調(diào)整占空比可以改變輸出電壓平均值。 三、實驗內(nèi)容 1、三相橋式整流電路(晶閘管)分析 (1) 設(shè)計要求: 已知: 3個交流電源,U = 220 +(學(xué)號%10

13、 )10V,50Hz; 串聯(lián)負(fù)載分別為:R = 1Ω,L= 1mH; 要求: 利用Simulink建立仿真模型,觀察: (a) 各個晶閘管的電壓; (b) 負(fù)載上的電流、電壓。模型和曲線要有標(biāo)注; (2) 電路設(shè)計圖: (3) 仿真波形圖: u 觸發(fā)角:control angle=0 u 觸發(fā)角:control angle=30 u 觸發(fā)角:control angle=60 (4) 仿真結(jié)果分析 三相橋式整流電路,如圖分別選取觸發(fā)角為0、30、60的情形。當(dāng)觸發(fā)角為0時,總的整流輸出電壓為線電壓在正半周的包絡(luò)線

14、;當(dāng)觸發(fā)角小于60整流輸出電壓的每一段線電壓推遲相應(yīng)的角度,總的平均值降低,負(fù)載電壓波形不會出現(xiàn)負(fù)的部分;當(dāng)觸發(fā)角等于60時負(fù)載電壓波形為臨界狀態(tài)。由理論可知當(dāng)觸發(fā)角大于60時負(fù)載電壓波形會出現(xiàn)負(fù)的部分。帶阻感負(fù)載時,三相橋式整流電路觸發(fā)角的移相范圍為90。 由于電感作用,使得負(fù)載電流變得較為平直,當(dāng)電感足夠大的時候,負(fù)載電流的波形可以近似為一條直線。 各晶閘管電壓波形相同,由于導(dǎo)通時刻依次延遲60故相位互差60。 2、三相PWM逆變(IGBT) (1) 設(shè)計要求: 已知: 直流電壓源電壓U = 100 +(學(xué)號%10)5V,輸出頻率50Hz; 負(fù)載分別為:ZL = 2+j1Ω

15、; 要求:利用Simulink建立仿真模型,觀察: 負(fù)載上的電流、電壓。模型和曲線要有標(biāo)注。 (2) 電路設(shè)計圖: (3) 實驗參數(shù)設(shè)置: 根據(jù)實驗要求中的設(shè)計提示對電路各器件參數(shù)進行設(shè)置,如上圖所示: a) 兩個直流電壓源串聯(lián),中間接地;(每個電壓源根據(jù)學(xué)號設(shè)為110V) b) 整流橋的橋臂數(shù)選3,ABC為輸出; c) PWM發(fā)生器位于Extra Library 的 Discrete Control Blocks,載波頻率取輸出頻率的20倍; d) 需要Powergui模塊; 其中 PWM發(fā)生器載波頻率為1000HZ,調(diào)制比為0.4,負(fù)載輸出頻

16、率為50HZ; 三相橋橋臂為3,電力電子器件選IGBT,其他參數(shù)默認(rèn); (4) 仿真波形圖: (5) 仿真結(jié)果分析: 如圖為電壓型逆變電路,直流側(cè)為直流電壓源,交流側(cè)輸出電壓波形為方波,電流波形由負(fù)載的阻抗角決定。三相負(fù)載每一相上的輸出波形相位互差120。此時為雙向PWM波逆變電路,由面積等效原理把調(diào)制好的PWM波變?yōu)榻平涣餍盘?。理?/p>

17、上電感越大效果越好。 PWM發(fā)生器當(dāng)選擇模式是調(diào)制信號內(nèi)部產(chǎn)生時,無需連接輸入端子Signal(s), 該模式下可以通過改變Modulation index(調(diào)制比)來改變輸出信號的幅值,改變Frequency of output voltage來改變輸出電壓的頻率,改變Phase of output voltage來改變輸出電壓的初始相位。 3、buck降壓電路分析 (1) 設(shè)計要求: 已知: 直流電壓源電壓U = 100 +(學(xué)號%10) 5V; 負(fù)載為:RL = 50Ω; 濾波電容C=0.3mF; 要求: 利用Simulink建立仿真模型,觀察: a) IG

18、BT的電流、電壓; b) 負(fù)載上的電流、電壓; 模型和曲線要有標(biāo)注。 (2) 設(shè)計電路圖: (3) 實驗參數(shù)設(shè)置: 根據(jù)實驗要求中的設(shè)計提示對電路中脈沖發(fā)生器的參數(shù)進行設(shè)置,如下圖所示: 周期取0.0001s,脈沖寬度取60%。 (4) 仿真波形圖: 負(fù)載的電壓、電流: buck降壓電路IGBT電壓,電流波形: (4)仿真結(jié)果分析: 由理論計算得PWM波占空比為60%,直流側(cè)電壓為110V,則輸出電壓應(yīng)為0.6110V=66V。通常,串聯(lián)的電感越大,負(fù)載電流連續(xù)且脈動越小。 4、boost升壓電路分析 (1) 設(shè)計要求: 已知: 直流

19、電壓源電壓U = 100 +(學(xué)號%10)5V; 負(fù)載為:RL = 100Ω; 濾波電容C=0.3mF; 要求: 利用Simulink建立仿真模型,觀察: a) IGBT的電流、電壓; b) 負(fù)載上的電流、電壓; 模型和曲線要有標(biāo)注。 (2) 設(shè)計電路圖: (3) 參數(shù)設(shè)置:周期取0.0001s,脈沖寬度取60%。 (4) 仿真波形圖: 負(fù)載的電壓、電流: boost降壓電路IGBT電壓,電流波形: (5) 仿真結(jié)果分析: 由理論計算得PWM波占空比為60%,直流側(cè)電壓為110V,則輸出電壓應(yīng)為110(1-0.6)=275V 。因為IGBT處于導(dǎo)通

20、和截止的狀態(tài)其兩側(cè)電壓和電流波形應(yīng)為近似方波。 l 設(shè)計任務(wù)(四) 一、實驗?zāi)康? 1、 掌握Matlab/Simulink中SimPowerSystems 工具箱的基本建模方法; 2、 掌握Matlab/Simulink 電氣仿真的基本步驟; 3、 利用Matlab/Simulink 在異步電機起動等電機控制技術(shù)方面的仿真設(shè)計。 二、實驗原理 1、鼠籠式異步電機直接起動,通過對異步電機的定子繞組施加三相交流電使其直接起動。 2、繞線式異步電機串電阻起動,通過在轉(zhuǎn)子繞組串電阻的方式,實現(xiàn)異步電機的起動。 三、實驗內(nèi)容 1、籠型異步電機直接起動的研究: (1) 設(shè)計要求:

21、已知: 三相交流電壓源(線電壓取值:學(xué)號單號為220V,雙號為380V),頻率(單號:60Hz,雙號為50Hz)。電動機機械轉(zhuǎn)矩T = 10 +(學(xué)號%100)/100Nm。 要求: 利用Simulink建立仿真模型,觀察: a) A相轉(zhuǎn)子電流Ira; b) A相定子電流Isa; c) 轉(zhuǎn)數(shù)(rpm); d) 電磁轉(zhuǎn)矩;模型和曲線要有標(biāo)注。 (2) 設(shè)計電路圖: (3) 實驗參數(shù)設(shè)置: (4) 仿真結(jié)果圖: (5) 仿真結(jié)果分析: 鼠籠式異步電機起動,如圖定子和轉(zhuǎn)子電流應(yīng)為交流電,隨著轉(zhuǎn)速趨于額定值,定子和轉(zhuǎn)子電流幅值不斷減小,最終趨于穩(wěn)定

22、。異步電機轉(zhuǎn)速不斷增加,最終趨于額定轉(zhuǎn)速1500r/min,電磁轉(zhuǎn)矩最終趨于輸出機械轉(zhuǎn)矩10.42。 2、繞線式異步電機轉(zhuǎn)子串電阻起動的研究: (1) 設(shè)計要求: 已知: 三相交流電壓源(線電壓取值:學(xué)號單號為220V,雙號為380V),頻率(單號:60Hz,雙號為50Hz)。電動機機械轉(zhuǎn)矩T = 10 + (學(xué)號%100)/100Nm。 串聯(lián)電阻R = 3Ω。 利用Simulink建立仿真模型,對比未串聯(lián)和串聯(lián)電阻起動效果,觀察: a) A相轉(zhuǎn)子電流Ira; b) A相定子電流Isa; c) 轉(zhuǎn)數(shù)(rpm); d) 電磁轉(zhuǎn)矩;模型和曲線要有標(biāo)注。 (2) 設(shè)計電路圖:

23、 (3) 實驗參數(shù)設(shè)置: 繞線式電機參數(shù)配置如下 通過改變斷路器——breaker的初始狀態(tài)和開關(guān)動作時刻來模擬繞線式異步電機轉(zhuǎn)子未串電阻起動和轉(zhuǎn)子串電阻起動。 轉(zhuǎn)子未串電阻起動: 轉(zhuǎn)子串電阻起動: (4) 仿真波形圖: 轉(zhuǎn)子未串電阻起動: 轉(zhuǎn)子串電阻起動: (5) 仿真結(jié)果分析: 繞線式異步電機起動,由圖可知,相對于未串聯(lián)電阻起動,串聯(lián)電阻起動的電動機定子側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)的電流減小,起動轉(zhuǎn)矩變大,在2.5s后切斷電阻,轉(zhuǎn)速上升,電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定后

24、不變。 在繞線式異步電機有無串電阻起動運行情況比較的實驗中,可以通過對每一相所串電阻并聯(lián)一個斷路器的充分使用省去一個未串電阻起動的電路設(shè)計,當(dāng)斷路器的初始狀態(tài)為0即斷開,0s時刻開關(guān)動作即閉合,此時所串電阻被短路即為未串電阻起動;當(dāng)斷路器的初始狀態(tài)為1即閉合,0s時刻開關(guān)動作即斷開,此時電機為串電阻起動,當(dāng)電機穩(wěn)定運行后,2.5s開關(guān)動作即閉合,此時各相所串電阻被短路,即完成了電機穩(wěn)定運行后串電阻被切掉的要求。 總結(jié) 通過本次仿真實驗的學(xué)習(xí),培養(yǎng)了自己獨立解決問題的能力,并且深入而全面地對本學(xué)期所學(xué)的電機學(xué),電力電子技術(shù)以及電氣系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)這些課程知識的融會貫通,受益匪淺。在實踐過程

25、中,出現(xiàn)了很多疑難和困惑,其中印象最為深刻的變壓器參數(shù)的折算,PWM發(fā)生器的使用以及繞線式異步電機串電阻起動。從最初的元器件的選取到其內(nèi)部參數(shù)的設(shè)定,從基本電路的設(shè)計到最終電路的完善和優(yōu)化,從仿真時間的選擇到仿真算法的選取,一步步摸索,在老師的指引和同學(xué)的幫助下都得到了解決,不僅進一步理解和鞏固了所學(xué)的專業(yè)知識而且還鍛煉了自己獨立思考和總結(jié)的能力。

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