电气工程课程设计,MATLAB仿真
目录
1课程设计说明 (1)
1.1课程设计容 (1)
1.2课程设计要求 (1)
2 Matlab介绍 (2)
2.1 Matlab主要功能 (2)
2.2 Matlab/Simulink的使用 (2)
2.3 Matlab/Simulink的启动方法 (2)
3系统构建与仿真 (3)
3.1 晶闸管元件应用系统的建模与仿真实例 (3)
3.2 可关断晶闸管元件组成的Buck变换器仿真 (5)
3.3 晶闸管单相交流调压电路的建模和仿真 (7)
3.4 晶闸管三相桥式整流器的建模和仿真 (8)
3.5 绝缘栅双极型晶体管构成的Boost直流变换器仿真 (10)
4课程设计总结 (12)
5参考资料 (13)
1课程设计说明
1.1课程设计容
（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和与仿真方法；
（2）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；
(3)相位控制的晶闸管单相机癌瘤调压器带电阻负载时系统的建模与仿真；（4）晶闸管三相桥式整流带电阻负载时系统的建模与仿真；
（5）绝缘栅双极型晶体管元件的仿真模型及一个有IGBT元件组成的Boost 变换器的建模与仿真；
1.2课程设计要求
（1）了解和掌握MATLAB软件的仿真功能；
（2）完成相应系统模型的建模、参数设置及仿真调试；
（3）写出设计报告；
2 Matlab介绍
matlab7.0是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。 MATLAB7.02009版本，高级技术计算语言和交互式环境可以较使用传统的编程语言（如 C、C++ 和 Fortran）更快地解决技术计算问题.
2.1Matlab主要功能
（1）交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题；
（2）此高级语言可用于技术计算；
（3）此开发环境可对代码、文件和数据进行管理；
（4）各种工具可用于构建自定义图形用户界面；
（5）各种函数可将基于 MATLAB 的算法与外部应用程序和语言（如 C、C++、Fortran、Java、COM 以及 Microsoft Excel）集成；
（6）数学函数可用于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化以及数值积分等；
（7）二维和三维图形函数可用于可视化数据；
2.2 Matlab/Simulink的使用
Simulink是Matlab软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与Matlab语言的主要区别在于、它与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入的，从而使得用户可以把更多的经历系统模型的构建而非语言的编程上。
所谓模型化图形输入是指Simulink提供了一些功能分类的基本系统模块，用户只需要知道这些模块的输入、输出及模块的的功能，而不必考察模块部是怎样实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以.mdl文件进行存取），进而进行仿真与分析。
2.3 Matlab/Simulink的启动方法
（1）启动Matlab后，单击Matlab主窗口模块按钮来打开Simulink Library Browser窗口；
（2）在Matlab的命令窗口输入“Simulink”，结果是将在桌面上出现一个称为Simulink Library Browser的窗口，
3系统构建与仿真
3.1晶闸管元件应用系统的建模与仿真实例
晶闸管是一种可以通过门极信号触发导通的半导体器件。晶闸管仿真模型由一个电阻R 、一个电感L 、一个直流电压源V ，和一个开关串联组成。开关受逻辑信号控制，该逻辑信号由电压、电流和门极触发信号（g ）决定。晶闸管元件的符号和仿真模型如图3-1所示。
图3-1 晶闸管元件的符号和仿真模型
晶闸管模块还包括一个RC 串联缓冲电路，它通常与晶闸管并联。缓冲电路的R 和C 值可以设置，当指定C=inf 时，缓冲电路为纯电阻；当指定R=0时，缓冲电路为纯电容；当指定R=inf 或C=0时，缓冲电路去除。如图3-2所示
(a)带缓冲电路的图标 (b)不带缓冲电路的图标
图3-2 晶闸管模块的图标
晶闸管单相半波可控整流电路图及原理如下：
1u 2u VT
T
u d
u d
i Tr UL
UR
图3-3 单相半波可控整流电路（阻-感性负载）图
如上图所示，当晶闸管VT 处于断态时，电路中电流Id=0，负载上的电压为0，U 2全部加在VT 两端，在触发角α处，触发VT 使其导通，U 2加于负载两端，
由于电感L 的存在使电流id 不能突变，id 从0开始增加同时L 的感应电动势试图阻止id 增加，这时交流电源一方面供给电阻R 消耗的能量，一方面供给电感L 吸收的电磁能量，到U 2由正变负的过零点处处id 已经处于减小的过程中，但
尚未降到零，因此VT仍处于导通状态，当id减小至零，VT关断并承受反向压降，电感L延迟了VT的关断时刻使Ud波形出现负的部分。
下面以一个单相半波整流器为例，来说明晶闸管元件应用系统的建模与仿真方法。建模及仿真步骤如下：
（1）打开Matlab软件：
（2）双击图标“”，打开Simulink Library Browser，点击文“File”下的“New Model”，新建一个模型窗口，命名为“A1”；
（3）在Simulink Library Browser下面的搜索窗口分别输入相应模块的英文单词，将相应的模块添加到A1中，这些模块的名称分别是：交流电压源（AC Voltage Source）、脉冲发生器（Pulse Generator）、晶闸管（thyristor）、示波器（Scope）、电压测量模块（Voltage Measurement）、电流测量模块（Current Measurement），Demux、RLC串联电路模块（Series RLC Load）；
（4）适当连接后，可以得到仿真模型电路如下图3-4所示：
图3-4单相半波整流器仿真模型
（4）双击打开晶闸管对话框，按如下参数进行设置参数：Ron=0.001Ω；L=0H；Vf=0.8V；R5=20Ω；C5=4e-6F；
（5）双击打开图3-4中的电压源模块，打开参数设置对话框，按要求设置参数：Peak amplitude=220V,Phase=0，Frequency=50Hz；
（6）双击打开图3-4中的RLC串联电路模块，打开参数设置对话框，按要求设置参数：Resistance=1Ω、Inductance=10mH、Capaaitance=inf；
注意：晶闸管有一个以字母“m”命名的输出端口，该端口输出两路信号：第一路为晶闸管的电流、第二路为晶闸管的电压，将一个两输出的信号分离器连接到晶闸管的m端上，再将信号分离器的两个输出信号接人四通道示波器，重命名该四通道示波器为Scope(在示波器特性／基础对话框中将轴数设置为4可得到四通道示波器）。
（9）建立给晶闸管thyristor提供触发信号的同步脉冲发生器模型。仿真窗口中，命名为Pulse，并将其输出连接到thyristor的门极上。thyristor的
触发脉冲受电源控制。一个周期，给晶闸管thyristor提供一个触发角为a的触发脉冲，双击“pulse”模块，参数设置如下图3-5所示：
图3-5 Pulse参数设置对话框
(10)单击图标“”，然后双击示波器，并单击“”，就得到单相半波整流器仿真结果图如下图3-6所示：
图3-6单相半波整流器仿真结果图
3.2可关断晶闸管元件组成的Buck变换器仿真
步骤如下：
（1）打开Matlab软件：
（2）双击图标“”，打开Simulink Library Browser，点击文“File”下的“New Model”，新建一个模型窗口，命名为“A1”；
（3）在Simulink Library Browser下面的搜索窗口分别输入相应模块的英
文单词，将相应的模块添加到A1中，这些模块的名称分别是：交流电压源（AC Voltage Source）、脉冲发生器（Pulse Generator）、晶闸管（thyristor）、示波器（Scope）、电压测量模块（Voltage Measurement）、电流测量模块（Current Measurement），Demux、RLC串联电路模块（Series RLC Load）；
（4）适当连接后，可以得到仿真模型电路如下图3-7所示：
图3-7可关断晶闸管元件组成的Buck变换器仿真模型参数设置如下：
（5）双击打开图3-7中的电压源模块，打开参数设置对话框，按要求设置参数：Amplitude=80；
（6）双击打开图3-7中的RLC串联电路模块，打开参数设置对话框，按要求设置参数：Resistance=5Ω、Inductance=20mH、Capaaitance=inf；
（7）双击打开图3-7中的Pulse，打开参数设置对话框，按要求设置参
数：Amplitude=1，Period=0.0002secs，Pulse Width=50，Phase Delay=0；
（8）双击打开图3-4中的Diode，打开参数设置对话框，按要求设置参
数：Resistance Ron=0.001，Inductance=0，Forward voltage=0.08，Initial current=0，Snubber resistance Rs=500，Snubber capacitancy=250e-9；
(9)参数设置完后，单击图标“”，然后双击示波器，并单击“”，就得到单相半波整流器仿真结果图如下图3-8所示：
图3-8 单相半波整流器仿真结果图
3.3晶闸管单相交流调压电路的建模和仿真
操作步骤如下：
（1）打开Matlab软件：
（2）双击图标“”，打开Simulink Library Browser，点击文“File”下的“New Model”，新建一个模型窗口，命名为“A2”；
（3）在Simulink Library Browser下面的搜索窗口分别输入相应模块的英文单词，将相应的模块添加到A1中，这些模块的名称分别是：交流电压源（AC Voltage Source）、脉冲发生器（（Pulse Generator）、晶闸管（thyristor）、示波器（Scope）、电压测量模块（Voltage Measurement）、RLC串联电路模块（Series RLC Load）、电流测量模块（Current Measurement）、地（Ground）；
（4）适当连接后，可以得到仿真模型电路如下图3-9所示：
图3-9 晶闸管单相交流调压器电路的仿真模型