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Matlab电气仿真实验作业


Matlab 电气仿真实验

指导老师: 学生姓名:爸爸 专业班级:电气工程及其自动化 1 班 学 号:222012!!!!

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/S

imulink 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: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,如图连接运行。

注意事项:将全部示波器 scope 中的“limit data point to the last”选项应该去掉。 参数设置:交流电压源幅值:220*sqrt(2),频率:50HZ。 变压器参数,容量 S=200VA,变比 k=220V/24V。 电感:100mH; 电容:200uF; 电阻:10 欧。 实验结果: 二极管 Diode3 电流电压曲线

1

结果分析: 第一个图显示的为二极管电流 I ,第二个图显示为二极管电压 U。当 diode3 导通时其 电压接近为 0V(管压降为 0.7V),其电流有值;当 diode3 关断时,其电流值为 0A,此时 功率二极管承受反向电压,承受的最大反向电压幅值为 24*sqrt(2)=33.94V。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。 二极管 Diode4 电压电流曲线

结论分析: 第一个图显示的为二极管电流 I ,第二个图显示为二极管电压 U。当 diode3 导通时其 电压接近为 0V(管压降为 0.7V),其电流有值;当 diode3 关断时,其电流值为 0A,此时 功率二极管承受反向电压,承受的最大反向电压幅值为 24*sqrt(2)=33.94V。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。 理论计算: 输出电压有效值: VO ? 0.9U 2 ? 0.9 ? 24 ? 21.6 V 负载电阻 R 电压曲线

结果分析: 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 电状态,而当稳定时形成 RC 震荡电路出现正弦波形。 实验结论: 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°,而四个二 极管各导通 180°。在正向周期二极管 diode1 和 diode4 同时导通,而 diode2 和 diode3 承受 反向压降。 当为反向周期时 diode2 和 diode3 同时导通而 diode1 和 diode4 关断承受反向电压。
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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 0.7V 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。 实验步骤: 在 matlab/simulink 中选取相应的器件,如图连接运行。

注意事项:Timer 和 Ideal switch 的使用方法是由相对应的 Timer 控制 Ideal switch 的开通和 关断时间, 同时控制 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 的电流电压曲线

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结论分析: 如图所示一阶直流激励 RL 充、 放电电路负载 L 的电流电压曲线, 电感 L 电压在通电时 刻发生跃变,而电感 L 电流不能跃变,电源对电感充电,能量的储存与释放需要一个过程。 所以在 0.01s 时刻,电压曲线发生跃变,电压达到 10V,而电流曲线缓慢上升;在 0.02s 时 刻电源断开,电感放电需要一定的时间,而二极管导通存在压降 0.7V,所以在 0.02s 时刻负 载承受反压。 实验总结: 如一阶直流激励 RL 充、放电电路所示,电路导通时电感电流不越变,只有电源对电感 充电,当充电充满时负载电流为 0.003333A,0.02s 时电源断开电感放电,直至电流降到 0A。

设计任务 2:二阶 RLC 直流激励下动态响应的研究(过阻尼情况)。 实验步骤: 在 matlab/simulink 中选取相应的器件,如图连接运行。 直流激励:过阻尼情况

参数设置: L=10mH、C=100uF,过阻尼情况下 R ? 2 实验结果: 电容 C 上的电压及电流曲线

L 10000uH ? 2 ? 20Ω , 取 R=50Ω。 C 100uF

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理论分析: 二阶 RLC 直流激励下的响应,在过阻尼状态电压不会出现超调,但响应速度稍慢,时 间长。

设计任务 3:二阶 RLC 交流激励下动态响应的研究 实验步骤: 在 matlab/simulink 中选取相应的器件,如图连接运行。 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。 实验结果: 电容、电感上的电压及电流曲线

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电阻上的电压及电流曲线

结果分析: 在交流激励下,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:

f?

1 2? LC

?

1 ? 1.59KHz ;开关闭合,电阻上的电压、电流波形与交流电 2? 1m H ? 10uF

源的相同;开关断开,电阻上的电压电流值为 0。 任务 2、3 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。 在交流激励下,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:
变压器(无饱和,采用线性变压器模型)的稳态分析 设计任务 1 :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 。 实验要求: 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。 理论值计算: 通过等效电路,可以计算求得原边电流有效值: I1 ? 20.34A ,副边电流有效值:

I2 ? 33.49A ,负载电压有效值 Ud ? 214 .4 V。
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实验步骤:在 matlab/simulink 中选取相应的器件,如图连接运行。

参数设置: 由设计要求可知 容量: Sn ? 10KVA 频率: f ? 60 Hz

原边电压有效值: U1 ? 380 V 副边电压有效值: U 2 ? 220 V 原边漏阻抗对应的电阻、电感: R1 ? 0.14? ; L1 ?

X1 0.22 ? ? 0.00058357 H ? 2?f
X2

副边漏阻抗对应的电阻、电感: R2 ? 0.35? ; L2 ?

?

?

0.055 ? 0.00014589 H 2?f

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: RM ? 其标幺值:

Rm ? X m 302 ? 3102 ? ? 3233 .33? Rm 30

2

2

z

base

? (vbase ) 2 / sbase ? 3802 / 10K ? 14.44?

R ' M ? RM / zbase =224.5 ?
励磁电感: X M 其标幺值: X
'

Rm ? X m 302 ? 3102 ? ? ? 312.9? Xm 310
= XM /

2

2

M

z

base

=21.7 ?

负载电阻: R=5 ?

L?

XM

?

?

5 ? 0.0.0 1 3 2 6H 29 2?f
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变压器参数设置为:

仿真结果: 原边电流:

副边电流:

负载电压:

效率:

??

P2 214.7 * 33.5 *100% ? *100% ? 92.74% P1 380* 20.41

实验结论: 用 ode23s 算法,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。由于仿真计算对损耗的考虑不全面,与理论值存在微小 的差别。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。
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实验三
三相桥式整流电路(晶闸管)分析 设计任务 1: 3 个交流电源 (单独的) , U = 240V, 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,如图连接运行。

参数设置: 电源电压有效值 U=240V ,且三个电源互差 120°,本设计中令 A 项电源的初始相位为 0°,B 项电源的初始相位为 -120°,C 项电源的初始相位为 120°。f=50Hz,负载 R=1Ω、 L=1mH。而晶闸管的触发角 ɑ 由“constant”决定。 理论值计算: 负载电压:当 ɑ =0°时 : U d ? 2.34U 2cos? ? 2.34 ? 240 ? cos0? ? 561.6 V

Id ?

Ud 561 .6 ? A ? 561 .6A R 1

当 ɑ =30°时: U d ? 2.34U 2cos? ? 2.34 ? 240 ? cos30? ? 486.4V

Id ?

Ud 486 .4 ? A ? 486 .4A R 1

实验结果: 当 a=0°时:
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负载电压电流曲线

晶闸管电压曲线

当 ɑ =30°时: 负载电压波形和电流曲线

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晶闸管电压曲线

实验结论: 本次三相桥式整流电路(晶闸管)的仿真,与实际运行中晶闸管的电压,负载的电压电 流波形大体相同,达到了预期的效果。

三(或单)相 PWM 逆变电路分析 设计任务 2:直流电压源电压 U = 110V,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,如图连接运行。

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参数设置: 直流电源电压 U=110V,输出频率 f=50Hz ,负载 ZL= 2+j1Ω 。 实验结果: 负载电压曲线

负载电流曲线

结果分析: 逆变时一定要加负载电阻 R,因为电容电压不能突变。两个直流电压源串联,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。

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Buck 降压电路分析 设计任务 3:直流电压源电压 U = 110V。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

参数设置: 直流电压 VDC =110V,电感 L=1H,滤波电容 C=0.3mF,负载电阻 Rl=50Ω,开关频率 f=10KHz ,占空比 ɑ =0.6。 理论值计算: 输出电压: U o ? 负载电流: 实验结果: IGBT 电压电流曲线

?E ? 0.6 ? 110V ? 66V
Uo 66 ? A ? 1.32A R 50

Io ?

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负载电压电流曲线

结果分析: 输出负载电压值约为 65V,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 1.30A,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。另外通过增 大或减小占空比 ɑ 可以改变输出电压 Ud。

Boost 升压电路分析 设计任务 4:直流电压源电压 U = 110V。负载为:Rl= 100Ω ,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,如图连接运行。

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参数设置: 直流电压 VDC=110V,电感 L=1H,滤波电容 C=0.3mF,负载电阻 Rl=100Ω,开关频率 f=10KHz ,占空比 ɑ =0.6。 理论值计算: 输出电压: U o ?

1 1 E ? ? 110V ? 275V 1-? 1 - 0.6

负载电流: 实验结果:

Io ?

Uo 275 ? A ? 2.75A R 100
IGBT 电流电压曲线

负载电压电流曲线

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结果分析: 波形波动是因为电容充放电,待波形稳定后输出电压值为 273V,电流为 2.70A,理论 电压值为 275V,电流值为 2.75A.仿真结果与理论值基本吻合。另外通过增大或减小占空比 ɑ 可以改变输出电压 Ud。

实验四
鼠笼式异步电机直接起动的研究 设计任务 1: 三相交流电压源, 线电压为 380V, 频率为 50Hz。 电动机机械转矩 T = 10.32N· m。 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、转速(rpm)、电磁转矩 Te。 实验步骤:在 matlab/simulink 中选取相应的器件,如图连接运行。

参数设置: 三相交流电压源参数:

电机参数:电动机机械转矩 T =10.32 N·m
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理论值计算: 同步转速: n1 ? 实验结果:

60 f 60 * 50 ? ? 1500 r / min P 2

经放大可知: n 1 =1465 r/min
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转差率: s ?

n ? n1 1500 ? 1465 ? ? 0.0233 n 1500

转子电流变化频率 f 2 = s ? f1 =0.0233 ? 50HZ=1.167HZ 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 0.1s 秒之内。本次设计 三相四级鼠笼式异步电机, 起动转矩和起动电流都很大。 0s 时电机起动, 0.2s 开始稳定运行, 由于电机处于空载状态,故稳态电流、转矩都比较小。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。

绕线式异步电机转子串电阻起动的研究 设计任务 2: 三相交流电压源, 线电压为 380V, 频率为 50Hz。 电动机机械转矩 T =10.32N· m。 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、转速(rpm)、电磁转矩 Te。 实验步骤:在 matlab/simulink 中选取相应的器件,如图连接运行。

注意事项: 未串入电阻: “Three-Phase Breaker” 的通断时间为[0] (起始状态为 “open” ) , “Three-Phase Breaker 1” 的通断时间为[0 ](起始状态为“open”)。在 t=0 时起动电 机,同时将转子绕组短路。 串入电阻: “Three-Phase Breaker 1” 的通断时间为[0 ] (起始状态为 “close” ) 。 在 t=0 时起动电机,同时串入电阻。实现串电阻起动。 参数设置: 参数设计同“鼠笼式异步电机直接起动的研究”。 理论计算:

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同步转速: n1 ? 转差率 S=1 时:

60 f 60 * 50 ? ? 1500 r / min P 2

Sm ?

R2' R ? ( X 1? ? X 2? )
2 1 2

? R '2 ? R12 ? ( X 1? ? X 2? ) 2 ? 0.82 ? (0.226 ? 0.226 ) 2 ? 1.32?

故:转子回路所串的电阻取: R ? R '2 ? R2 ? 1.32 ? 0.5 ? 0.82?(实际仿真中取了 R=3Ω) 实验结果: 未串入电阻起动曲线

串入电阻起动曲线

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结果分析: 由实验结果可以看出,当串入电阻起动时,启动转矩 Te 增大,定子启动电流 I 减小。当 达到稳定时,转差率 S 增大,转子电流频率 f2 增大,转速 speed 减少。串入电阻起动的目 的就是为了减小定子启动电流,增大起动转矩。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,最后所串入电阻为零。电机达到额定转速和额定转矩。

课程设计总结与心得:
在此次仿真过程中,我熟练地掌握了 Matlab/Simulink 中 SimPowerSystems 工具箱的基 本建模方法,掌握了 Matlab/Simulink 电气仿真的基本步骤,加深了对基本电路与磁路、电 力电子技术、电气传动等方面知识的理解。 在做 Buck 降压电路、Boost 升压电路时,发现万用表测出的数据与理论和实际相差很 大,好多人都出现了这个问题,最终在命令窗口中用 plot 绘图,得到了正确的响应曲线。 在做三相桥式整流电路(晶闸管)过程中,起初无论怎样调整,都得不到相应的曲线,经过 查阅资料以及自己的分析我知道,要使三相电源初相位互差 120°,经过调整,出现了相应 的曲线,实验获得成功。而且,在电机的仿真设计过程中,需要反复调节各种参数,才能使 电机正常运转。 通过此次实验我发现, 作为电气工程及其自动化专业的学生来说, 仅仅学会课本上的知 识是远远不够的,还应该深入了解知识,多动脑思考,勤于锻炼与总结。在实验课或者课程 设计时, 不能仅仅关注是否得到了相应的结果, 还应该注重实验的操作过程以及对实验的结 果分析。这样我们才能真正理解相关知识,掌握相应技术,使自身有所提高。另外,我们还 可以关注一些本专业相关的动态,以明确我们的方向。

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