电力电子电路典型环节的MATLAB仿真

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1、太原工业学院毕业设计（论文）摘要本文主要研究了电力电子电路典型环节的MATLAB仿真，并完成了图形用户界面（GUI）的设计。本文首先介绍了MATLAB软件及其图形仿真界面Simulink的基础应用知识，然后介绍了用于电力电子仿真的SimPowerSystems中的各种模块库，完成了对整流电路、斩波电路典型环节的建模与仿真，并且给出了仿真结果波形。在本文中，仿真模型的建立和GUI界面设计是整个论文的难点。我们在前人研究的基础上，结合MATLAB对仿真电路进行改进，得出了仿真模型。为了使仿真更直观和易于操作，我们对论文中的各电路环节分别进行了GUI界面设计，同时也给出了GUI界面运行和界面调度的效

2、果。电路仿真模型和GUI设计的运行结果表明，仿真基本达到了模拟电力电子电路的水平，实现了任务书规定的基本功能。最后，本文对研究成果进行了总结，并提出了进一步改进建议。关键词：Matlab/Simulink，GUI，仿真，整流电路，斩波电路AbstractThis paper mainly studies the MATLAB simulation of the typical session to the power electronic circuit, and completed the design of graphical user interface (GUI).This artic

3、le first introduces the MATLAB software and the application of knowledge based on graphical interface Simulink simulation, and then introduced the various modules of SimPowerSystems library for the power electronic simulation, also completed Modeling and Simulation to the typical session of rectifie

4、r circuit and Chopper circuit, and show the results of the simulation waveform. Model simulation and GUI interface design is the difficulty of this paper. We based on previous studies, improved circuit simulation on the combination of MATLAB, and gain the simulation model. In order to make the simul

5、ation more intuitive and easy to operate, our paper links the various circuits were designed for a GUI interface, and we also gives the GUI interface operation and the effect of scheduling interface.The results of circuit model simulation and the operation of GUI design show that the simulation reac

6、hed a basic simulation of power electronic circuit level, and achievement the basic functions mission provided of the book. Finally, this paper summarizes the research results and makes suggestions for further improvement.Keywords: Matlab/Simulink, GUI, Simulation, Rectifier circuit, Chopper circuit

7、目录前言1第1章 概述21.1 国内外研究概况21.2 本课题的研究内容31.3 本课题的研究目的与意义3第2章 MATLAB/SIMULIK基础知识42.1 MATLAB介绍42.1.1 MATLAB主要组成部分42.1.2 MATLAB的系统开发环境52.2 SIMULINK仿真基础62.2.1 SIMULINK启动72.2.2 SIMULINK的模块库介绍82.2.3 电力系统模块库的介绍92.2.4 SIMULINK的仿真步骤102.3 MATLAB的GUI程序设计102.3.1 控件对象及属性112.3.2 GUI开发环境122.3.3 GUI程序设计步骤12第3章 整流电路的SIM

8、ULINK仿真设计143.1 单相桥式整流电路的仿真143.1.1 单相桥式全控整流电路的工作原理143.1.2 建立仿真模型153.1.3 设置模型参数163.1.4 模型仿真173.2 三相桥式整流电路的仿真193.2.1 三相桥式全控整流电路的工作原理193.2.2 建立仿真模型203.2.3 设置模型参数213.2.4 模型仿真22第4章 斩波电路的SIMULINK仿真设计244.1降压斩波电路的仿真244.1.1 降压变换器的工作原理244.1.2 建立仿真模型254.1.3 设置模型参数264.1.4 模型仿真264.2 升压斩波电路的仿真274.2.1 升压变换器的工作原理274

9、.2.2 建立仿真模型284.2.3 设置模型参数284.2.4 模型仿真29第5章 仿真系统的GUI界面设计305.1 三相桥式整流电路的界面设计315.1.1 GUI创建和发布315.1.2 界面布局设计325.1.3 控件属性设置325.2 M文件与回调函数345.2.1 打开simulink模块流程345.2.2 滚动条和编辑框的编辑355.2.3 按钮的回调函数365.3 运行GUI375.4 GUI界面调度的设计38第6章 仿真调试396.1 模型仿真应注意的问题396.1.1 模型建立和仿真参数的设置396.1.2 仿真运行和观测仿真结果406.2 界面设计应注意的问题426.2

10、.1 组件属性设置426.2.2 应用程序M文件42结论46参考文献47致谢48附录1：部分仿真结果图形49附录2：三相桥式全控整流电路GUI设计的M文件5668前言20世纪60年代发展起来的电力电子技术，使电能可以变换和控制，产生了现代各种高效、节能的新型电源和交直流调速装置，为工业生产、交通运输等提供了现代化的高新技术，提高了生产效率和人们的生活质量。随着新型电力电子器件的研究和开发以及先进控制技术的发展，电力电子装置的性能也不断优化和提高，这种变化的影响将越来越大。由于电力电子器件自身的开关非线性，给电力电子电路和系统的分析带来了一定的复杂性和困难，一般常用波形分析和分段线性化处理的方法

11、来研究电力电子电路。仿真技术的发展为此提供了崭新的方法，可以使分析和设计变得更加容易和有效，也是学习电力电子技术的重要手段。本文基于MATLAB软件，对电力电子电路典型环节分别进行了仿真系统设计和GUI界面设计，同时给出了运行结果图。对于仿真模型的图形用户界面（GUI）设计，本文以三相桥式全控整流电路为例进行了介绍，同时还完成了界面之间的调度设计。仿真结果的运行效果证实了本文设计的准确性和实用性，取得了比较满意的效果。需要指出的是，要获得正确的仿真结果，需要对仿真有正确的理解，也就是仿真的电路和系统模型要正确，参数设计要合理，并要选择恰当的数值计算方法。仿真出错时，MATLAB软件会给出一定的

12、参考提示，但是这种提示不一定是准确的，仿真的技巧需要在实践中不断积累和提高。实践证明，采用图形化仿真环境来对电力电子电路进行建模仿真可使之变得直观、简单易行和真实准确。在教学中，引入仿真的方法，对培养学生的创新能力、引导学生对电力电子电路的兴趣方面同样会起到积极的效果。第1章 概述1.1 国内外研究概况电力电子技术综合了微电子、电路、自动控制等多学科知识，是电能变换与控制的核心技术，在工业、能源、交通、国防等各个领域发挥着越来越重要的作用。然而，由于电力电子器件所固有的非线性特性，使得对电力电子电路及系统的分析十分困难。现代计算机仿真技术为电力电子电路及系统的分析提供了有效的方法，大大简化了电

13、力电子的分析与设计过程。成为相关专业学生和工程技术人员学习和研究的重要手段。但是，复杂的数学模型、数值计算及编程过程仍然需要耗费巨大的工作量，这些都阻碍了计算机仿真技术的应用。为此，出现了PSPICE、SABER、MATLAB等适用于电力电子仿真的专用仿真软件。这些软件将各种功能子程序模块化，提供了完善的部件模型，用户只需简单的操作便可完成给定系统的仿真模型设计，成为广大学生和工程技术人员在学习、科研和开发过程中的必备工具。早期的MATLAB软件主要用于数值计算及控制系统的仿真和分析，经过多年不断地扩展，目前涉及通信、信号处理、电气工程、人工智能等诸多领域，已经成为风靡全球的科学计算软件。MA

14、TLAB中提供的“PowerSystems”是进行电力电子系统仿真的理想工具，与其他仿真软件进行器件级别的仿真分析不同，PowerSystems中的模型更加关注器件的外特性，易于与控制系统相连接。使用这些模块进行仿真能够简化编程工作，以直观易用的图形方式对电力电子电路进行模型描述。目前对电力电子的仿真研究基本上都是建立仿真模型后直接给出了结果波形，虽未给出GUI界面设计的效果，不过这些仿真技术的研究，很大程度上也推动着仿真技术的发展，使得对复杂的电力电子电路、系统的分析和设计变得更加容易和有效，进一步拓宽了它的应用范围和使用领域。1.2 本课题的研究内容本文利用MATLAB软件对电力电子电路典

15、型环节进行了SIMULINK模型仿真设计，并完成了对所仿真模型的GUI界面设计，这也是本文的创新之处。本文首先对电力电子的整流电路和斩波电路的典型环节进行了建模仿真的分析和研究，介绍了利用MATLAB/SIMULINK建立电力电子电路仿真模型并进行仿真的方法，然后完成了仿真模型的建立，给出了仿真结果波形。对于仿真模型的图形用户界面（GUI）设计，本文以三相桥式全控整流电路为例进行了介绍，同时还完成了界面之间的调度设计。仿真结果的运行效果证实了本文模型设计的准确性和实用性，符合设计的要求。本文主要内容包括：整流电路的SIMULINK仿真设计、斩波电路的SIMULINK仿真设计以及仿真系统的GUI

16、界面设计等。1.3 本课题的研究目的与意义本文通过MATLAB的仿真设计，可以将电力电子中抽象的、复杂的理论知识变得直观、简单易行，利用MATLAB工具箱作仿真,学生能较快地理解课程理论,并可以初步学会用仿真来分析电力电子问题的技能。通过对仿真结果的分析就可以对系统结构进行改进或将有关参数进行修改使系统达到要求的结果和性能，这样就可以极大地加快系统的分析和设计过程。通过仿真，能够以直观易用的图像方式对电气系统进行模型描述。我们还可以通过仿真来验证一些特殊情况下波形分析的正确性,从而帮助学生更好地理解一些概念、提高授课的灵活性，而这也正是我们论文研究的目的和意义所在。第2章 MATLAB/SIM

17、ULIK基础知识2.1 MATLAB介绍1980年，美国的Cleve Moler博士在新墨西哥大学讲授线性代数课程时，发现采用高级语言编程极为不便，于是建立了MATLAB（Matrix Laboratory的缩写），即矩阵实验室，早期开发MATLAB软件是为了帮助学校的老师和学生更好地授课和学习。1984年，由美国Math Works公司推出了商业版，经过二十余年的不断升级，目前MATLAB的最新版本为MATLABR2008a1 林飞,杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真。由于使用MATLAB编程运算与进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以不像学习Basic、Fortran和C等其它高

18、级语言那样难于掌握。用MATLAB编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题。在这个环境下，对所要求解的问题，用户只需简单地列出数学表达式，其结果便会由MATLAB以数值或图形的方式显示出来。它可以很方便地进行图形化的输入输出，同时还具有丰富的函数库（工具箱），极易实现各种不同专业的科学计算功能。另外，MATLAB和其他高级语言也具有良好的接口，可以方便地与其他语言实现混合编程，这都进一步拓宽了它的应用范围和使用领域。在各大高等院校，MATLAB软件正在成为对数值、线性代数以及其他一些高等应用数学课程进行辅助教学的有力工具，由于其高度的集成性和应用的方便性，以及它能非常快捷地实现科研人员的设想

19、并节省科研时间，因而得到了广泛的应用与推广。2.1.1 MATLAB主要组成部分MATLAB的主要组成：（1）MATLAB语言：高级矩阵/阵列语言。（2）MATLAB工作环境：一组实用工具函数。（3）图形处理。（4）MATLAB数学函数。（5）MATLAB应用程序接口。MATLAB重要部件：（1）SIMULINK：进行仿真的交互式系统。（2）Toolboxes：用于解决某一方面问题的子程序集。2.1.2 MATLAB的系统开发环境在桌面上双击MATLAB快捷方式图标，或者在开始菜单里点击MATLAB的选项，即可进入环境。进入MATLAB环境，即打开了MATLAB窗口（见图2.1）。环境包括MA

20、TLAB标题栏、主菜单栏和常用工具栏。在默认显示状态时，在工具栏下有三个子窗口，左边上方窗口显示MATLAB联机说明书目录或工作间的内容，两者可以通过子窗口下方的Current Directory和Workspace键进行切换。左边下方窗口将显示已执行的命令（Command History）。右方窗口是MATLAB的命令子窗口，这是MATLAB的主要工作窗口，在这个窗口中，在提示符“”后逐行输入MATLAB命令，回车后，命令就能立即得到执行。在这里，对开发环境做简单介绍。图2.1 MATLAB的操作界面窗口（1）MATLAB的主菜单MATLAB的主菜单有File、Edit、View、Web和H

21、elp六项。点击菜单命令就会显示下拉子菜单的内容。这些菜单的内容和其他程序的菜单区别不大，在这里不做说明。（2）命令窗口（Command Window）命令窗口是用户与MATLAB进行交互的主要场所。如上图中右方窗口所示。命令窗口的空白区域，用于输入和显示计算结果。可以在该区域键入各种MATLAB命令进行各种操作，或直接键入数学表达式进行计算，还可以直接键入MATLAB的系统命令并执行。（3）工作空间（Workspace）工作空间（Workspace）是指接受MATLAB命令的内存区域，存储着命令窗口输入的命令和创建的所有变量值。每打开一次MATLAB，都会自动建立一个工作空间，当MATLAB

22、运行程序时，程序中的变量就会存放到工作空间中，程序的运行结果也以变量的形式保存在工作空间中，关闭MATLAB后，工作空间会自动消除。2.2 SIMULINK仿真基础系统仿真（SIMULINK）环境也称工具箱（Toolbox），是MATLAB最早开发的，它包括SIMULINK仿真平台和系统仿真模型库两部分，主要用于仿真以数学函数和传递函数表达的系统，是20世纪70年代开发的连续系统仿真程序包（CCS）的继续，现在的系统仿真（SIMULINK）包括了连续系统、非线性系统和离散系统的仿真。由于SIMULINK的仿真平台使用方便、功能强大，后来拓展的其他模型库也都共同使用这个仿真环境，成为MATLAB

23、仿真的公共平台。SIMULINK是Simulation和Link两个英文单词的缩写，意思是仿真链接，MATLAB模型库都在此环境中使用，从模型库中提取放到SIMULINK的仿真平台上进行仿真。所以，有关SIMULINK的操作是仿真应用的基础。SIMULINK作为面向系统框图的仿真平台，它具有如下特点：（1）以调用模块代替程序的编写，以模块连成的框图表示系统，点击模块即可以输入模块参数。以框图表示的系统应包括输入（激励源）、输出（观测仪器）和组成系统本身的模块。（2）画完系统框图，设置好仿真参数，即可启动仿真。这时，会自动完成仿真系统的初始化过程，将系统框图转换为仿真的数学方程，建立仿真的数据结

24、构，并计算系统在给定激励下的响应。（3）系统运行的状态和结果可以通过波形和曲线观察，这和实验室中用示波器观察的效果几乎一致。（4）系统仿真的数据可以以.mat为后缀的文件保存，并且可以用其他数据处理软件进行处理。（5）如果系统框图绘制不完整或仿真过程中出现计算不收敛的情况，会给出一定的出错提示信息，但是这提示不一定准确，这是软件还不够完备的地方。（6）以框图的形式对控制系统进行仿真是SIMULINK的最早功能，后来在SIMULINK的基础上又开发了数字信号处理、通信系统、电力系统、模糊系统等数10种模型库，但是SIMULINK的窗口界面是其他工具箱共用的平台，在此平台上可以进行控制系统、电力系

25、统、通信系统等各种系统的仿真。2.2.1 SIMULINK启动从MATLAB窗口进入SIMULINK环境有以下几种方法：（1）在MATLAB菜单栏上单击File，并在下拉菜单中的New选项下单击Model；（2）在MATLAB工具栏上单击按钮，然后在打开的模型库浏览器窗口菜单上单击按钮；（3）在MATLAB的命令窗口中输入“simulink”后回车，然后在打开的模型库浏览器窗口菜单上单击按钮。完成上述操作之一后，屏幕上出现SIMULINK的工作窗口（见图2.2）。在SIMULINK工作窗口上方标题栏上，“untitled”表示一个尚未命名的新文件，在其上方右侧是最小化、最大化和关闭三个按钮。标

26、题栏下方是菜单栏，这里有File（文件）、Edit（编辑）、View（查看）、Simulation（仿真）、Format（格式）、Tools（工具）和Help（帮助）7项主要功能菜单。第三栏是菜单命令的等效按钮。窗口下方有仿真状态的提示栏，在启动仿真后，在该栏中可以提示仿真的进度和使用的仿真算法。窗口中部的空白部分是绘制仿真模型框图的空间，这是对系统仿真的主要工作平台。图2.2 SIMULINK工作窗口2.2.2 SIMULINK的模块库介绍在Matlab命令窗口中键入Simulink命令，便可以打开SIMULINK的库浏览器窗口（见图2.3），窗口左部的树状目录是各分类模型库的名称。在分类模

27、型库下还有二级子模型库，点击模型库前带“+”的小方块则可展开二级子模型库的目录，点击模型库名前带“-”的小方块则可关闭二级目录。在这里点击或直接点击图标可以在窗口中展现三级目录下的模型图标。图2.4所示为打开仪器仪表模块库（Sinks）子模型库后的窗口。在窗口右边展现了Sinks子模型库中的9个模块。 图2.3 模型库浏览器窗口之一 图2.4 模型库浏览器窗口之二2.2.3 电力系统模块库的介绍在Matlab命令窗口中输入“powerlib”，按回车键（Enter），就可以打开电力系统工具箱。电力系统工具箱包括了电路、电力电子等电气工程学科中常用的元件模型，这些元件模型分布在7个模块库中，如图

28、2.5所示。利用这些库模块及其它库模块，可以方便、直观地建立各种系统模型并进行仿真。图2.5 电力系统工具箱模块库（1）电源模块库(Electrical Sources)：包括交流、直流及可控的电压源和电流源。这一部分模型可以用来仿真交、直流电源。（2）元件模块库(Elements)：包括串联及并联的RLC支路负载、断路器、分布参数线、线性变压器、饱和变压器、和过电压自动装置、互感、开关等。这部分可以仿真交流输电线装置。（3）电力电子模块库(Power Electronics)：包括二极管、晶闸管、GTO、MOSFET、IGBT 等电力电子器件。还有通用桥(Universal Bridge)，

29、它可设定成不同电力电子器件的单臂、双臂和三臂桥。这些设备模型不仅可以单独进行仿真而且可以组合在一起仿真整流电路等直流输变电的电力电子设备。（4）电机模块库(Machines)：此部分有异步电动机、励磁系统、水轮电机及其监测系统、永磁同步电机、简化的同步电机、同步电机。这些模型可以仿真电力系统中发电机设备、电力拖动设备等。（5）连接模块库(Connectors)：这一部分包括一些电力系统中常用的接线设备。如地线、中性点、连结点等。（6）测量模块库(Measurements)：包括电流、电压等测量模块，该部分模型用来采集线路的电压或电流值。这一部分还起着连接SIMULINK 模型与POWERLIB

30、 模型的作用。（7）附加模块库(Extras)：扩展模块组包含了上述各个模块组中的各个附加子模块组。用户可以根据自己的电力系统结构图使用POWERLIB和SLMULINK中相应的模型来组成仿真的电路模型。主要有控制模块库：内有同步6 脉冲发生器、PWM 发生器、时钟、三相可编程电源等。离散测量模块库：各种离散测量模块。离散控制模块库：离散PI、PID 控制器，离散PWM 发生器和二阶滤波器等。测量模块库：有交流调速中的坐标变换等。矢量模块库：序列分析器等。附加电机模块库：有直流电机、离散直流电机等。2.2.4 SIMULINK的仿真步骤利用SIMULINK环境仿真一个系统的过程基本上可以分为如

31、下几个步骤：（1）根据要仿真的系统框图，在SIMULINK窗口的仿真平台上构建仿真模型；（2）设置模块参数；（3）设置仿真参；（4）启动仿真；（5）观测仿真结果。2.3 MATLAB的GUI程序设计在MATLAB中，图形用户界面是一种包含多种对象的图形窗口。用户必须对每一个对象进行界面布局和编辑，从而使用户激活GUI每个对象时都能够执行相应的行为。另外，用户必须保存和发布所创建的GUI，使得GUI能够真正得到应用。MATLAB为用户开发图形界面提供了一个方便高效的集成环境：MATLAB图形用户界面GUIDE（MATLABs Graphical User Interfaces Developme

32、nt Environment）。上述多有工作都能够使用GUIDE方便地实现。GUIDE主要是一个界面设计工具集，MATLAB将所有GUI支持的用户控件都集成在这个环境中并提供界面外观、属性和行为响应方式的设置方法。GUIDE将用户保存设计好的GUI界面保存在一个FIG资源文件中，同时还能够生成包含GUI初始化和组件界面布局控制代码的M文件。这个M文件为实现回调函数（当用户激活GUI某一组件时执行的函数）提供了一个参考框架。虽然使用用户自己编写的、包含GUI所有发布命令的M文件也能够实现一个GUI，但是使用GUIDE执行效率更高。实现一个GUI主要包括以下两项工作：GUI界面设计和GUI组件编程

33、。整个GUI的实现过程可以分为以下几步：（1）通过设置GUIDE应用程序的选项来进行GUIDE组态；（2）使用界面设计编辑器进行GUI界面设计；（3）理解应用程序M文件中所使用的编程技术；（4）编写用户GUI组件行为响应控制（即回调函数）代码。2.3.1 控件对象及属性界面设计编辑器组件平台中包含所有能够在GUI中使用的用户界面控件。这些控件都属于MATLAB的用户控件对象（uicontrol），可以通过Callback属性来进行回调函数编程。下面简单介绍部分控件的特点2 施晓红,周佳.精通GUI图形界面编程：（1）按钮：通过鼠标点击按钮可以实现某种行为（按钮陷下和弹起等）并调用相应的回调子函

34、数；（2）复选框：为用户提供一些可以独立选择的选项进行设置程序模式，例如显示工具条与否以及生成回调函数原型与否等等；（3）编辑框：是控制用户编辑或修改字符串的文本域，其String属性包含用户输入的文本信息。（4）静态文本：通常作为其他控件的标签使用，用户不能采用交互方式修改静态文本或调用相应的回调函数；（5）滚动条：使用户能够通过移动滚动条来改变指定范围内的数值输入，滚动条的位置代表用户输入的数值；（6）组合框：是图形窗口中的一个封闭区域，它把相关联的控件（例如一组单选按钮）组合在一起，使得用户界面更容易理解；（7）列表框：它用来显示由其Sting属性定义的一系列列表项并使用用户能够选择其中

35、的一项或多项；（8）弹出式菜单：弹出式菜单将打开并显示一个由其String属性定义的选项列表。当用户希望提供一些相互排斥的选项但不希望使用一系列占用有限空间的单选按钮时，文本菜单将非常有用。GUI中可以存在一个多多个以上的GUI组件，使用时要注意保证各个组件的名称或属性有所不同，可以区分。2.3.2 GUI开发环境GUIDE提供以下几种组件布局工具：组件布局编辑器、排列工具、属性编辑器、对象浏览器和菜单编辑器等，这些工具都集成在布局编辑器界面中，使用guide命令将显示该界面。如果要对一个已经存在的GUI进行布局，可以使用菜单打开该GUI或使用以下命令装载以存在的图像窗口（mygui）：gui

36、de mygui.fig在添加需要布置的组建之前，应该使用GUIDE应用程序选项对话框对GUI进行组态。在Command里面输入GUIDE或者从菜单里面，或者从快捷按钮均可进入GUIDE，生成的新建GUIDE文件窗口如图2.6所示，选择Blank GUI(Default)创建一个新文件进入操作界面窗口如图2.7所示：图2.6 新建GUIDE文件窗口 图2.7 GUIDE操作界面窗口2.3.3 GUI程序设计步骤用GUI进行程序设计，大致可以分为如下几个步骤：（1）GUI组态。选择界面编辑器的Tools菜单下的Application Options选项打开选项GUI应用程序选项对话框，设置相关选

37、项。（2）进行界面设计。从组件面板中选择GUI组件并将它们排列在图形窗口中。界面设计编辑器由四个部分组成：组件面板、工具栏、菜单栏和界面区域。（3）设计菜单。GUIDE能够创建两种类型的菜单，一种是在图形窗口菜单栏中显示的菜单栏菜单；另一种是当用户右击图形对象时弹出的文本菜单。这两种类型的菜单都可以使用菜单编辑器来进行创建。（4）设置组件属性。通过对GUI中各个用户控件对象的属性设置可以实现用户所需的控件外观和行为特征。（5）保存GUI。激活GUI界面，确保界面符合用户要求。设计满意后保存GUI。（6）执行GUI。运行GUI的应用程序M文件，可以对该M文件进行反复调试使之符合用户的要求。第3章

38、 整流电路的SIMULINK仿真设计常用的整流器有单相和三相整流器，从控制角度区分，有不控、半控和全控整流电路之分，从输出直流的波形来区分，又有半波和全波整流之分。二极管、晶闸管是常用的整流器件，现在采用全控型器件的PWM方式整流器也越来越多。整流电路的仿真可以用powersys模型库中的二极管和晶闸管等模块来构建，对三相整流电路模型库中有6-pulse diode bridge、6-pulse thyristor bridge、universal bridge等模块可以调用，使用这些模块可以使仿真更方便。复杂的大功率多相整流器可以在三相桥的基础上构建。这里主要介绍常用的单相和三相桥式全控整流

39、电路的仿真。3.1 单相桥式整流电路的仿真3.1.1 单相桥式全控整流电路的工作原理单相桥式全控整流电路如图3.1所示，电路由交流电源u1、整流变压器T、晶闸管VT1-VT4、负载电阻R以及触发器电路组成。在变压器二次电压u2的正半周触发晶闸管VT1和VT3，在u2的负半周触发晶闸管VT2和VT4，在负载上可以得到方向不变的直流电，改变晶闸管的控制角可以调节输出直流电压和电流的大小。在这里我们只讨论电阻性负载时的情况。图3.1 单相桥式全控整流电路原理3.1.2 建立仿真模型（1）首先建立一个仿真模型的新文件。在MATLAB的菜单栏上点击File，选择New，在弹出的菜单中选择Model，这时

40、出现一个空白的方针平台，在这平台上可以绘制电路的仿真模型。同时也可以在File菜单下给文件命名，本电路的文件命名为f1。（2）提取电路元器件模块。在仿真模型窗口的菜单栏上点击图标调出模型库浏览器，在模型库中提取适合的模型放到仿真平台上。组成单相桥式全控整流电路的主要元器件有交流电源、晶闸管、RLC负载等，提取元器件模块的路径见表3.1。表3.1 元器件名称及路径元器件名称提取元器件路径交流电源u2Power system blockset/electrical sources/AC voltage source晶闸管VT1-VT4Power system blockset/power elec

41、tronics/thyristorRLC串联电路Power system blockset/elements/series RLC branch脉冲发生器Simulink/sources/pulse generatorT形节点Power system blockset/connectors/T connector中性节点Power system blockset/connectors/neutral(output)（3）将电路元器件模块按单相整流的原理图连接起来组成仿真电路。首先将元器件移动到合适的位置，将光标箭头指向需要移动的元器件，按住鼠标左键将元器件移动到指定位置。单相桥需要4个晶闸管模

42、块，这可以使用模块的复制办法，以鼠标左键单击晶闸管模型图标，模型图标的四角出现四个小黑块（），表面该模块已被选中，这时同时按住键盘中的Ctrl键以及鼠标的左键。移动鼠标则可以将晶闸管模块复制到其他位置。同时点击元器件模块的名称可以修改模块的名称，如将thyristor改名为VT1等3 洪乃刚,陈坚.电力电子技术基础。连接模块只需要以光标移向模块的输出端，以左键点住并移动鼠标即可拖拉出一条连线，将连线拉到另一元器件的输入端，松开鼠标即完成一条接线。在SIMULINK模型库中没有专门的单相桥式整流器触发模型，这里使用了两个脉冲发生器来分别产生VT1和VT3、VT2和VT4的触发脉冲。整流器的负载选

43、用了RLC串联电路，可以通过参数设置来改变电阻、电感和电容的组合。模型中使用了两种测量仪器，示波器（Scope）和多路测量器（Multimeter）。示波器可以观察它连接点上的波形，多路测量器可以接收一些模块发送出来的参数信号并通过示波器观测，接上观测器后的仿真电路如图3.2所示。图3.2 单相桥式全控整流电路仿真模型对于晶闸管两端的电压、电流波形，我们观测VT1、VT2、VT3和VT4中的一个即可，在该模型中，我们观测的是VT1两端的电压、电流波形，用Terminator模块接到了VT2、VT3和VT4的输出端，以免运行程序时MATLAB出现warning（报警）。3.1.3 设置模型参数设

44、置模型参数是保证仿真准确和顺利的重要一步，有些参数是由仿真任务规定的。如本仿真电路中的电源电压、电阻值等，有些参数是需要通过仿真来确定的。设置模型参数可以双击模块图标弹出参数设置对话框，然后按框中提示输入，若有不清楚的地方可以借助Help帮助。本仿真电路的参数设置如下：（1）交流电压源u2，电压为220V，频率为50Hz，初始相位为0。在电压设置中要输入的是电压峰值，在该栏中键入“220*sqrt(2)”。在对话框最后的测量选项选择选中电压“voltage”，这样，u2数据可以送入多路测量器（Miltimeter）。（2）晶闸管VT1-VT4直接使用模型的默认参数。（3）负载RLC，R的值为2

45、，L的值为0，C的值为inf。（4）本电路中晶闸管的触发采用简单的脉冲触发器（Pulse Generator）来产生，脉冲发生器的脉冲周期必须和交流电源u2同步。晶闸管的控制角以脉冲的延迟时间t来表示，t=/360，其中，为控制角，=1/f，f为交流电源频率。本仿真电路在=30时的脉冲发生器参数设置见表3.2。表3.2 脉冲发生器参数设置项目脉冲发生器1脉冲发生器2脉冲类型（Pulse type）Time-basedTime-based脉冲幅值（Amplitude）11周期（Period）0.02s0.02s脉冲宽度（Pulse width）0.0005s0.0005s相位延迟（Phase d

46、elay）0.00167s0.01167s3.1.4 模型仿真在模型开始仿真前还必须首先设置仿真参数。在菜单中选择Simulation，在下拉菜单中选择Simulation parameters，在弹出的对话框中可设置的项目很多，主要有开始时间、终止时间、仿真类型（包括步长和解电路的数值方法），以及相对误差、绝对误差等。步长、解法和误差的选择对仿真运行的速度影响很大，步长太大计算容易发散，步长太小运算时间太长，在难于确定时一般可选可变步长（variable-step），仿真数值计算方法可选ode15、ode23、ode45等，误差选择1/1000对于电力电子电路的仿真精度来说以及足够了。在本仿

47、真电路中，将仿真时间设为0.1s，选择ode15s（stiff/NDF）仿真算法，最大步长设为1e-5。在参数设置完毕后即可开始仿真。在菜单Simulation下选择Start，或者直接点击工具栏上的“”图标仿真立即开始，在屏幕下方的状态栏上可以看到仿真的进程。若要中途停止仿真可以选择Stop或工具栏上的“”图标。在仿真计算完成后即可以通过示波器来观察仿真的结果。在仿真参数设置对话框中设置的仿真时间0-0.1s内，电源u2的电压波形如图3.3所示，晶闸管VT1和VT3、VT2和VT4的触发脉冲如图3.4所示。图3.3 电源电压u2的波形图3.4 晶闸管VT1、VT3的触发脉冲（a）和VT2和V

48、T4的触发脉冲（b）图3.5中的上部和下部分别为=30、R的值为2时负载两端的电压和通过负载的电流波形，该电压和电流都是脉动的直流，反映了电源的交流电经过整流器后成为了直流电，实现了整流。图3.5 =30时负载电阻两端的电压波形和电流波形晶闸管VT1两端的电压和经过晶闸管VT1的电流波形如图3.6中的下部和上部所示，通过晶闸管的电流仅是负载电流的一半，只在半个周期内有电流通过晶闸管VT1。通过比较可以看到在晶闸管导通时晶闸管两端电压为零，在4个晶闸管都不导通时（0.01-0.012s，0.02-0.022s区间），每个晶闸管承受u2/2电压，且晶闸管承受的最高反向电压为电源电压的峰值311V，

49、根据该电压和电流可以选择晶闸管的额定参数。图3.6 =30时晶闸管的电流波形和电压波形如果要观察在其他控制角下，整流器的工作情况，只需修改脉冲触发器的延迟时间，重新启动仿真即可。=60时的仿真结果图见附录一中（1）所示。3.2 三相桥式整流电路的仿真3.2.1 三相桥式全控整流电路的工作原理目前在各种整流电路中，应用最广泛的是三相桥式全控整流电路，原理图如图3.7所示，习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT2、VT4、VT6）称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按从1到6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中

50、与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。图3.7 三相桥式全控整流电路原理图6个晶闸管依次相隔60触发，将交流电整流为直流电。三相桥式整流电路必须采用双脉冲触发或宽脉冲触发方式，以保证在每一瞬间都有两个晶闸管同时导通（上桥臂和下桥臂各一个）。整流变压器采用三角形/星型联结是为了减少3的整倍数次谐波电流对电源的影响。3.2.2 建立仿真模型三相桥式全控整流电路的仿真使用MATLAB模型库中的三相桥和触发器的集成模块是很方便的。Ma

51、tlab 6.5 版的电力系统工具箱提供了可设定为不同电力电子器件的通用桥(Universal Bridge)和同步6脉冲触发器(Synchronized 6-Pulse Generator)，使得相控电路的模型搭建很容易。6脉冲触发器的同步电压要求是线电压，因此用电压测量模块将相电压转为线电压。在触发模块的参数设定中，频率选为与电源频率一致(例如50Hz)，并选双脉冲触发形式4 张建民,何怡刚,龙佳乐.基于MATLAB整流电路的建模仿真方法研究. 湖南大学电气与信息工程学院学报。模型中负载的输出电压和电流是通用电压和电流直接测量的。在模型的正常工作中保证触发脉冲与主电路同步很重要，仿真使用的

52、6脉冲发生器是在同步电压过零时作为控制角=0的位置。在同步信号关系难以确定时，可以发挥仿真的特点，将三相同步电压信号以不同的顺序连接到6脉冲发生器的AB、BC、CA3个同步输入端，然后运行该模型，观察整流器输出电压波形，如果电压波形在一周期中6个波头连续规则，则该整流器的同步是正确的。负载和控制角可以按需要设定。该仿真模型中主要使用的元器件模块提取路径见表3.3。表3.3 三相整流电路模型主要提取路径元器件名称提取元器件路径交流电源u2Electrical sources/AC voltage source三相晶闸管整流器Extra library/three-phase library /6

53、-pulse thyristor bridgeRLC负载Elements/series RLC branch6脉冲发生器Extra library/control blocks/synchronized 6-pulse generator触发角设定Simulink/sources/constant打开新建模型窗口，将所需元件模块从模块库中拖入新建模型窗口并改名，设定有关参数后将各模块按照原理图连接组成仿真模型，晶闸管三相桥式整流电路仿真模型如图3.8所示。图3.8 三相桥式全控整流电路仿真模型3.2.3 设置模型参数在这里，我们只研究三相桥带电阻负载的情况，本仿真电路的参数设置如下：（1）电源

54、参数设置：三相电压源的电压峰值为220*，可表示为“220*sqrt(2)”,频率为50Hz，相位分别为0、120、240。（2）三相晶闸管整流器参数设置：使用默认值。（3）RLC负载参数设置：R的值为1，L的值为0，C的值为inf。（4）6脉冲发生器设置：频率为50Hz，脉冲宽度取1，选择双脉冲触发方式。将它的第五个输入端（Block）置“0”，此时有脉冲输出。如果置“1”，则没有脉冲输出。（5）触发角设置：给的a设置为30。3.2.4 模型仿真将仿真时间设为0.06s，数值算法采用ode15s。仿真参数设置完成后即可启动仿真，可得到的相应仿真结果。当触发角a为30时，负载两端的电压波形如图

55、3.9所示，通过负载的电流波形如图3.10所示，晶闸管T1两端的电压波形如图3.11所示。图3.9 =30时负载两端的电压波形图3.10 =30时通过负载的电流波形图3.11 =30时晶闸管T1两端的电压波形当触发角a为60时，模型的仿真结果见附录一中（2）所示。 阻感负载的仿真结果见附录一中（3）所示。第4章 斩波电路的SIMULINK仿真设计直流-直流变换器（DC/DC Converter），能将一种直流电变换为另一中具有不同输出特性的直流电，是开关电源的核心。一般按照电路拓扑的不同，DC-DC变换器分为不带隔离变压器的DC-DC变换器和带隔离变压器的DC-DC变换器。BUCK电路和Boo

56、st电路是DC-DC变换器最基本的两种拓扑形式。DC-DC变换器的主要功能是变换直流电压等级，隔离变压器则根据需要选取，其基本的作用是输入输出之间的隔离，也可进行变压。无论哪一种DC-DC变换器，主回路使用的元件都是功率半导体器件、电感、电容。目前使用的开关器件主要有MOSFET、IGBT以及二极管等。电感、电容是储存和传递电能的元件。DC-DC变换器的基本手段都是通过开关器件的通断，使带有滤波器的负载线路与直流电源一会儿接通，一会儿断开，在负载上得到另一个等级的直流电压。在本章中主要介绍了常用的降压（BUCK）变换器和升压（BOOST）变换器的仿真，并进行了MATLAB/SIMULINK仿真

57、分析，其他变换器的仿真也可以用同样的方法进行。4.1降压斩波电路的仿真4.1.1 降压变换器的工作原理降压式（Buck）变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器。用于降低直流电源的电压，使负载侧电压低于电源电压，Buck变换器的主电路由开关管VT、二极管VD、输出滤波电感L和负载构成。这种电路，电压是电压源性质、负载为电流源性质。其原理电路如图4.1所示。图4.1 降压（Buck）斩波电路的原理图在开关器件VT导通时有电流经电感L向负载供电，在VT关断时，电感L释放电能，维持负载电流。电流经负载和二极管VD形成回路。调节开关器件VT的通断周期。可以调整负载侧输出电流和电压的

58、大小。根据电感电流是否连续，Buck变换器有3种工作模式：连续导电模式、不连续导电模式和临界状态。电感电流连续是指输出滤波电感L的电流总大于零，电感电流断续是指在开关管VT关断期间有一段时间流过电感的电流为零。在这两种工作方式之间有一个工作边界，称为电感电流临界连续状态，即在开关管关断期末，滤波电感的电流刚好降为零。在这里对此不做讨论。4.1.2 建立仿真模型主电路的设计除要选择开关器件和二极管外，还需要确定电感L的参数，电感参数的计算是复杂的，但是采用仿真却很方便。在本模型中，开关器件我们采用了可关断晶闸管GTO，GTO的驱动信号由脉冲发生器Pulse产生，设定脉冲发生器的脉冲周期和脉冲宽度

59、可以调节脉冲占空比。模型中连接了两个示波器，用来分别测量GTO的输出电压、电流和负载的输出电压、电流。将各模块按照原理图连接组成仿真模型，得到直流降压斩波电路仿真模型如图4.2所示5 王云亮主编.电力电子技术。图4.2 降压（buck）斩波电路的仿真模型4.1.3 设置模型参数本仿真电路中的模块参数设置如下：在“SimPowerSystems/Electrical Sources”库中选择“DC Voltage Source”直流电压源模块，在对话框中将直流电压设置为200V。在“SimPowerSystems/Power Electronics”库中选择“GTO”和“Diode”模块，参数保

60、留其缺省值，勾选“Show measurement port”。在“Simulink/Sources”库中选择“Pulse Generetor”，对话框中脉冲周期“Period（secs）”设置为0.0002，脉冲宽度“Pulse Width（% of period）”设置为50，其他设置保持为缺省值。该仿真模型中主要使用的元器件模块提取路径见表4.1：表4.1 降压斩波电路模型主要提取路径元器件名称提取元器件路径可关断晶闸管GTOSimPowerSystems/Power Electronics串联RLC支路SimPowerSystems/Elements脉冲发生器Simulink/Sour

61、ces电压、电流测量模块SimPowerSystems/Measurements4.1.4 模型仿真打开仿真参数窗口，选择ode23tb算法，将相对误差设置为1e-3，仿真开始时间为0，停止时间为0.01，仿真参数设置完成后即可启动仿真，仿真结束后双击示波器模块便可得到相应仿真结果。负载电流和负载电压的波形如图4.3所示。图4.3 负载电流和负载电压的波形可关断晶闸管GTO的负载电流、电压波形如图4.4所示。图4.4 可关断晶闸管GTO的电流、电压波形4.2 升压斩波电路的仿真4.2.1 升压变换器的工作原理升压（Boost）变换器是一种输出电压等于或高于输入电压的单管非隔离直流变换器。通过控

62、制开关管VT的导通比，可控制升压变换器的输出电压。它用于需要提升直流电压的场合，其原理电路如图4.5所示。图4.5 升压（Boost）斩波电路的原理图在电路中IGBT导通时，电流由电源E经升压电感L和VT形成回路，电感L的电流增加，电感储能；当IGBT关断时，电感产生的反电动势和直流电源电压串联共同向负载供电，由于在IGBT关断时电感的反电动势和直流电源电压方向相同互相叠加，从而在负载侧得到高于电源的电压。二极管的作用是阻断IGBT导通时，电容的放电回路。升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。这些可以通过仿

63、真来确定。4.2.2 建立仿真模型根据升压变流器的原理电路建立仿真模型，命名为f4，如图4.6所示。图4.6 升压（boost）斩波电路的仿真模型4.2.3 设置模型参数（1）取脉冲发生器脉冲周期为0.2ms，脉冲宽度为50%。（2）将直流电源设置为200V。（3） RLC负载参数设置：R的值为5，L的值为0.1mH，C的值为100F。（4）设置仿真参数，取仿真时间3ms，仿真算法采用ode15。该仿真模型中主要使用的元器件模块提取路径见表4.2：表4.2 降压斩波电路模型主要提取路径元器件名称提取元器件路径IGBT模块SimPowerSystems/Power Electronics直流电压源SimPowerSystems/Electrical Sources串联RLC支路SimPowerSystems/Elements脉冲发生器Simulink/Sources电流表、电压表模块SimPowerSystems/Measurements4.2.4 模型仿真仿真参数设