MATLAB在電氣工程中的應(yīng)用課程設(shè)計(jì)部分學(xué)生版.doc

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1、MATLAB在電氣工程及其自動(dòng)化中的應(yīng)用課程設(shè)計(jì) 1.1 電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)概論 電氣工程及其自動(dòng)化涉及電力電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，電機(jī)電器技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，機(jī)電一體化技術(shù)等諸多領(lǐng)域，是一門(mén)綜合性較強(qiáng)的學(xué)科，其主要特點(diǎn)是強(qiáng)弱電結(jié)合，機(jī)電結(jié)合，軟硬件結(jié)合，電工技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合，元件與系統(tǒng)相結(jié)合，使學(xué)生獲得電工電子、系統(tǒng)控制、電氣控制、電力系統(tǒng)自動(dòng)化、電氣自動(dòng)化裝置及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等領(lǐng)域的基本技能。 1.2 MATLAB簡(jiǎn)介 MATLAB是Matrix&Laboratory兩個(gè)詞的組合，譯為矩陣實(shí)驗(yàn)室。MATLAB是由美國(guó)mathworks公司發(fā)布的主要面向科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互

2、式程序設(shè)計(jì)的計(jì)算環(huán)境，主要包括MATLAB、MATLAB工具箱和Simulink三大部分。 MATLAB軟件是主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案。 MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB解算問(wèn)題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語(yǔ)言

3、簡(jiǎn)捷得多，且MATLAB吸收了Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使它成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。同時(shí)，在新版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C++，JAVA的支持。MATLAB軟件主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。 1.3 SimPowerSystems模塊庫(kù)簡(jiǎn)介 Simulink是MATLAB軟件中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以采用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采

4、樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI)，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。 Simulink的電力系統(tǒng)模塊庫(kù)（SimPowerSystems）是專用于RLC電路，電力電子電路，電機(jī)傳動(dòng)控制和電力系統(tǒng)仿真的模塊庫(kù)，它包含了各種交/直流電源，大量電氣元器件和電工測(cè)量?jī)x表以及分析工具等。利用這些模塊可以模擬電力系統(tǒng)運(yùn)行和故障的各種狀態(tài)，并進(jìn)行仿真和分析。 SimPowerSystem

5、s工具箱包含電源模塊庫(kù)（Electrical Sources）、元件模塊庫(kù)（Elements）、電力電子模塊庫(kù)（Power Electronics）、電機(jī)模塊庫(kù)（Machines）、測(cè)量模塊庫(kù)（Measurements）、應(yīng)用庫(kù)（Application Libraries）、接口元件庫(kù)（Interface Library）、控制和測(cè)量元件庫(kù)（Control and Measurements Libraries）以及電源柜（Powergui）九大部分組成，如圖1-1所示。每一部分又包括許多相應(yīng)的電力設(shè)備模塊。 圖1-1 SimPowerSystems工具箱組成 電源模塊庫(kù)包括直流電壓源（

6、DC Voltage Source）、交流電壓源（AC Voltage Source）、交流電流源（AC Current Source）、可控電壓源（Controlled Voltage Source）、可控電流源（Controlled Current Source）、三相電源（Three-Phase Source）三相可編程電源（Three-Phase Programmable Source）和電池（Battery），如圖1-2所示。這一部分可以用來(lái)仿真交直流電源。 圖1-2 電源模塊庫(kù)組成 元件模塊庫(kù)包括基本元器件、傳輸線、斷路器和變壓器等基本模塊，如圖1-3所示。其中基本元器件包

7、括串聯(lián)RLC分支模塊（Series RLC Branch）、串聯(lián)RLC負(fù)載模塊（Series RLC Road）、并聯(lián)RLC分支模塊（Parallel RLC Branch）、并聯(lián)RLC負(fù)載模塊（Parallel RLC Road）、三相串聯(lián)RLC分支模塊（Three Phase Series RLC Branch）、三相串聯(lián)RLC負(fù)載模塊（Three Phase Series RLC Road）、三相并聯(lián)RLC分支模塊（Three Phase Parallel RLC Branch）、三相并聯(lián)RLC負(fù)載模塊（Three Phase Parallel RLC Road）、三相諧波濾波器（Thr

8、ee Phase Harmonic Filter）、互感器（Mutual Inductance）、三相互感器（Three-Phase Dynamic Load）、過(guò)壓抑制器（Surge Arrester）、三相動(dòng)態(tài)負(fù)載（Three Phase Harmonic Filter）、地（ground）、節(jié)點(diǎn)（node）以及連接端口（Connection Port）。傳輸線包括Pi傳輸線（Pi Section Line）、分布參數(shù)傳輸線（Distributed Parameters Line）以及三相Pi傳輸線（Three-Phase Pi Section Line）。斷路器包括斷路器（Breaker

9、）、三相斷路器（Three-Phase Breaker）以及三相故障定位器（Three-Phase Fault）。變壓器包括線性變壓器（Linear Transformer）、飽和變壓器（Saturable Transformer）、多繞組變壓器（Multi-Winding Transformer）、三相變壓器（雙繞組）（Three-Phase Transformer(Two Windings)）、三相變壓器（三繞組）（Three-Phase Transformer(Three Windings)）、異相變壓器（Phase-Shifting Transformer）、三相變壓器（12個(gè)接頭）（

10、Three-Phase Transformer(12 Terminals)）、接地變壓器（Grounding Transformer）、三相變壓器電感矩陣型（雙繞組）（Three-Phase Transformer Inductance Matrix Type(Two Windings)）以及三相變壓器電感矩陣型（三繞組）（Three-Phase Transformer Inductance Matrix Type(Three Windings)）。這部分可以仿真交流輸電線裝置。 圖1-3 元件模塊庫(kù)組成 電力電子模塊庫(kù)包括電力電子器件和脈沖信號(hào)發(fā)生器（Pulse & Signal G

11、enerators）兩部分，如圖1-4所示。電力電子器件包括二極管（Diode）、晶閘管（Thyristor）、細(xì)化晶閘管（Detailed Thyristor）、GTO、IGBT、IGBT /二極管、MOS管（MOSFET）、理想開(kāi)關(guān)（Ideal Switch）、通用橋（Universal Bridge）以及三電平橋（Three-Level Bridge）。 圖1-4電力電子模塊庫(kù)組成 電機(jī)模塊庫(kù)包括同步電機(jī)、異步電機(jī)、直流電機(jī)（DC Machine）、電動(dòng)機(jī)以及原動(dòng)機(jī)與調(diào)速器，如圖1-5所示。同步電機(jī)模型包括簡(jiǎn)化的同步電機(jī)歸一化單元（Simplified Synchronous M

12、achine pu Units）、同步電機(jī)歸一化基本模型（Synchronous Machine pu Fundamental）、同步電機(jī)歸一化標(biāo)準(zhǔn)模型（Synchronous Machine pu Standard）、簡(jiǎn)化的同步電機(jī)國(guó)際單位單元（Simplified Synchronous Machine SI Units）、同步電機(jī)國(guó)際單位基本模型（Synchronous Machine SI Fundamental）以及永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Machine）。異步電機(jī)模型包括異步電機(jī)歸一化單元（Asynchronous Machine p

13、u Units）、異步電機(jī)國(guó)際單位單元（Asynchronous Machine SI Units）、單相異步電機(jī)（Single Phase Asynchronous Machine）。電動(dòng)機(jī)模型包括開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor）和步進(jìn)電機(jī)（Stepper Motor）。原動(dòng)機(jī)與調(diào)速器模型包括通用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（Generic Power System Stabilizer）、多帶電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（Multi-Band Power System Stabilizer）、勵(lì)磁系統(tǒng)（Excitation System）、附加的勵(lì)磁系統(tǒng)（Additional Exc

14、itation System）、水輪機(jī)和調(diào)速器（Hydraulic Turbine and Governor）以及蒸汽機(jī)和調(diào)速器（Steam Turbine and Governor）。 圖1-5電機(jī)模塊庫(kù)組成 測(cè)量模塊庫(kù)主要包括電流測(cè)量（Current Measurement）、電壓測(cè)量（Voltage Measurement）、三相電壓電流測(cè)量模塊（Three-Phase V-I Measurement）、阻抗測(cè)量（Impedance Measurement）、萬(wàn)用表（Multimeter）、負(fù)載流量總線（Load Flow Bus）以及附加的測(cè)量模塊，如圖1-6所示。 圖1

15、-6測(cè)量模塊庫(kù)組成 附加的測(cè)量模塊庫(kù)如圖1-7所示。它包括單相測(cè)量（平均值（Mean）、有效值（RMS）、總諧波畸變（THD）、傅立葉變換器（Fourier）、功率（Power）以及鎖相環(huán)驅(qū)動(dòng)的基值（Fundamental（PLL-Driven）））、三相測(cè)量（序列分析儀（Sequence Analyzer）、鎖相環(huán)驅(qū)動(dòng)的正向序列（Positive- Sequence（PLL-Driven））以及功率以及向量測(cè)量（平均向量（Mean（Phasor））、序列分析儀向量、功率向量（Power（3ph.Phasor））測(cè)量））。 圖1-7附加的測(cè)量模塊庫(kù)組成 應(yīng)用模塊庫(kù)主要包括電氣驅(qū)動(dòng)模塊

16、庫(kù)、柔性輸電模塊庫(kù)以及可再生能源模塊庫(kù)，如圖1-8所示。其中，可再生能源模塊庫(kù)包括風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)。 圖1-8應(yīng)用模塊庫(kù)組成 電氣驅(qū)動(dòng)模塊庫(kù)包括直流驅(qū)動(dòng)（DC Dives）、交流驅(qū)動(dòng)（AC Drives）、移相與減速器（Shafts and Speed reducers）以及特別電源（Extra Sources），如圖1-9所示。 圖1-9電氣驅(qū)動(dòng)模塊庫(kù)組成 柔性輸電模塊庫(kù)包括基于電力電子的柔性輸電（Power-Electronics Based FACTS）、變壓器以及高壓直流輸電系統(tǒng)（HVDC Systems）三個(gè)模塊，如圖1-10所示。 圖1-10 柔性輸電模塊庫(kù) 接

17、口元件模塊庫(kù)包括電流電壓Simscape接口（Current-Voltage Simscape Interface）和電壓電流Simscape接口（Voltage-Current Simscape Interface），如圖圖1-11所示。 圖1-11接口模塊庫(kù)組成 控制和測(cè)量模塊庫(kù)包括測(cè)量模塊（Measurements）、濾波器（Filters）、鎖相環(huán)（PLL）、脈沖信號(hào)發(fā)生器（Pulse & Signal Generators）、邏輯（Logic）、變換（Transformations）以及附加元件（Additional Components）模塊庫(kù)，如圖1-12所示。其中測(cè)量模

18、塊庫(kù)如圖1-7所示。 圖1-12控制和測(cè)量元件庫(kù)組成 濾波器模塊庫(kù)包括一階濾波器、二階濾波器、二階濾波器（變參數(shù)）（Second-Order Filter（Variable-Tuned））以及超前滯后濾波器（Lead-Lag Filter），如圖1-13所示。 圖1-13 濾波器模塊庫(kù)組成 脈沖信號(hào)發(fā)生器模塊庫(kù)包括晶閘管變換器脈沖發(fā)生器、脈沖寬度調(diào)制器以及信號(hào)發(fā)生器，如圖1-14所示。 圖1-14 脈沖信號(hào)發(fā)生器模塊組成 邏輯模塊庫(kù)包括邊沿檢測(cè)（Edge Detector）、導(dǎo)通/關(guān)斷延時(shí)（On/Off Delay）、單穩(wěn)態(tài)（Monostable）以及雙穩(wěn)態(tài)（Bista

19、ble），如圖1-15所示。 圖1-15 邏輯模塊庫(kù)組成 變換模塊庫(kù)包括Clark變換和Park變換，如圖1-16所示。 圖1-16 變換模塊庫(kù)組成 附加元件模塊庫(kù)包括離散可變時(shí)間延時(shí)（Discrete Variable Time Delay）、離散移位寄存器（Discrete Shift Register）以及采樣和保持（Sample and Hold），如圖1-17所示。 圖1-17 附加元件模塊庫(kù)組成 1.4 Simulink在電力電子裝置中的應(yīng)用 電力電子技術(shù)是建立在電子學(xué)、電工原理以及自動(dòng)控制理論三大學(xué)科上的新興學(xué)科，是使用電力電子器件（如晶閘管，G

20、TO，IGBT等）對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)主要包括電力電子器件、電力電子電路和電力電子裝置及其系統(tǒng)。其主要任務(wù)是為各種各樣的負(fù)載提供形式多樣的電源。電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍不僅是一般的工業(yè)，而且廣泛應(yīng)用在交通運(yùn)輸、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)、照明和空調(diào)等家用電器及航空航天領(lǐng)域。 本節(jié)將以實(shí)例介紹MATLAB在電力電子裝置中的應(yīng)用，力求讓讀者學(xué)習(xí)并逐步了解MATLAB/Simulink的電力系統(tǒng)仿真模塊庫(kù)及電力電子裝置的建模與仿真方法。 1.4.1 Buck電路的Simulink仿真 直流斬波電路將不可控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏敵?，廣泛應(yīng)用于可調(diào)直流開(kāi)關(guān)電源及

21、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中。Buck電路是DC/DC 變換器中最具代表性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一，其工作原理如圖1-18所示。 在工程實(shí)際中， Buck電路的控制方式有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種。閉環(huán)控制方式根據(jù)采用的控制方式不同，又可分為PID控制，F(xiàn)uzzy控制以及滑?？刂频?。 圖1-18 Buck電路工作原理 基于Simulink搭建的Buck電路的仿真模型如圖1-19所示。 圖1-19 Buck電路的Simulink仿真模型 Buck電路仿真模型由以下模塊組成： （1）直流電源模塊； （2）萬(wàn)用表模塊； （3）串聯(lián)RLC分支模塊； （4）Mosfet管； （5）二極管模塊； （6）總線選擇

22、器模塊； （7）示波器模塊； （8）平均值模塊； （9）Display模塊； （10）脈沖發(fā)生器模塊； （11）To Workspace模塊 分析仿真模型圖1-19可知： （1）萬(wàn)用表用來(lái)測(cè)量Mosfet管上的電壓、電流以及負(fù)載電阻R上的電壓。 （2）可以根據(jù)需要設(shè)定負(fù)載大小和類型。 （3）可以根據(jù)需要設(shè)定Pulse Generator的周期和占空比。 下面給出主要模塊的參數(shù)設(shè)置： （1）在Electrical Sources模塊庫(kù)中拖拽直流電源模塊，幅值為20V。 （2）在Elements模塊庫(kù)中，拖拽三個(gè)Ser

23、ies RLC Branch模塊，分別選擇L、C和R。設(shè)置L=4.5*10-4H，C=4.17*10-4F，R=10Ohm。 （3）在Power Electronics模塊庫(kù)中，拖拽Mosfet模塊和Diode模塊，使用它們的默認(rèn)值。勾選Mosfet模塊和Diode模塊的“Show measurement port”選項(xiàng)。 （4）在Simulink模塊庫(kù)中的Sources模塊庫(kù)中，拖拽Pulse Generator模塊，參數(shù)設(shè)置如圖1-20所示。 圖1-20 Pulse Generator模塊參數(shù)設(shè)置 （5）在Simulink模塊庫(kù)中的Commonly Us

24、ed Blocks模塊庫(kù)中拖拽Scope模塊。將“Number of axes”設(shè)為6，勾選“Save data to workspace”參數(shù)設(shè)置如圖1-21所示。 圖1-21 Scope模塊參數(shù)設(shè)置 （6）平均值（Mean）計(jì)算：在Extra Library模塊庫(kù)中的Measurement模塊庫(kù)中拖拽Mean Value模塊，將“Averaging period”其頻率設(shè)為0.01s。將Mean Value模塊的輸出端連接到Simulink模塊庫(kù)的Sink模塊庫(kù)的Display模塊，可以在線觀測(cè)平均值。 （7）在Measurements模塊庫(kù)中拖拽Multime

25、ter模塊，勾選電阻模塊Measurements選項(xiàng)的“Branch voltage”一項(xiàng)。 （8）在Simulink模塊庫(kù)的Signal Routing模塊庫(kù)中拖拽Demux模塊，設(shè)置成圖1-19所示的通道數(shù)6。 （9）從Simulink模塊庫(kù)的Commonly Used Blocks模塊庫(kù)中選擇Bus Selector模塊，連接到Mosfet模塊的m端。 （10）從Simulink模塊庫(kù)的Sink模塊庫(kù)拖拽To Workspace模塊，修改變量名為UR，如圖1-22所示。 圖1-22 To Workspace模塊參數(shù)設(shè)置 （11）打開(kāi)M文件編輯

26、器，編制繪圖文件，并命名為Buckopen.m figure(1) plot(ScopeData.time,ScopeData.signals(1,1).values,linewidth,1.5) xlabel(time(s),fontsize,10) ylabel(PWM,fontsize,10) title(PWM Pulse Signal,fontsize,10) figure(2) subplot(2,1,1) plot(ScopeData.time,ScopeData.signals(1,2).values,linewidth,1.5) xlabel(time

27、(s),fontsize,10) ylabel(UL/V,fontsize,10) grid on title(Inductance Voltage,fontsize,10) subplot(2,1,2) plot(ScopeData.time,ScopeData.signals(1,3).values,linewidth,1.5) xlabel(time(s),fontsize,10) ylabel(iL/A,fontsize,10) grid on title(Inductance Current,fontsize,10) figure(3) plot(Scop

28、eData.time,ScopeData.signals(1,4).values,linewidth,1.5) xlabel(time(s),fontsize,10) ylabel(UR/V,fontsize,10) grid on title(Load Voltage,fontsize,10) figure(4) plot(ScopeData.time,ScopeData.signals(1,5).values,linewidth,1.5) xlabel(time(s),fontsize,10) ylabel(Umos,Imos/V,fontsize,10) grid

29、 on title(Mosfet Voltage and Current,fontsize,10) figure(5) plot(ScopeData.time,ScopeData.signals(1,6).values,linewidth,1.5) xlabel(time(s),fontsize,10) ylabel(UD,ID/V,fontsize,10) grid on title(Mosfet Voltage and Current,fontsize,10) figure(6) plot(UR.time,UR.signals.values,linewidth

30、,1.5) xlabel(time(s),fontsize,10) ylabel(UR/V,fontsize,10) grid on title(Load Voltage Mean Value,fontsize,10) （12）信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生PWM信號(hào)如圖1-23所示。 圖1-23 PWM脈沖信號(hào) （13）電感L的電壓、電流波形如圖1-24所示。 圖1-24 電感L的電壓、電流波形 （14）負(fù)載電阻R上的電壓UR如圖1-25所示。 圖1-25 負(fù)載電阻R上的電壓UR波形 （15）Mosfet管上的電壓和電流波形如圖1-26

31、所示。 圖1-26 Mosfet管上的電壓和電流波形 （16）二極管上的電壓、電流波形如圖1-27所示。 圖1-27 二極管上的電壓、電流波形 （17）負(fù)載電阻R上的電壓平均值波形如圖1-28所示。 圖1-28 負(fù)載電阻R上的電壓平均值波形 1.4.2 電力電子課程設(shè)計(jì)題目 1. 基于Simulink的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)Buck電路仿真 （1）實(shí)驗(yàn)要求 基于Simulink完成Buck電路的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)PI控制系統(tǒng)仿真。 （2）設(shè)計(jì)要求 輸入電壓為20V，輸出電壓10V，要求紋波電壓為輸出電壓的0.25％，負(fù)載電阻10歐姆，計(jì)算工作頻率分別為10kHz（

32、50kHz）時(shí)所需的電感、電容。要求繪制Buck電路開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的直流電壓波形以及電感電流波形。 （3）思考題 隨著PWM脈沖信號(hào)的占空比不斷增加，則輸出電壓值如何變化？ 2. 基于Simulink的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)Boost電路仿真 （1）實(shí)驗(yàn)要求 基于Simulink完成Boost電路的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)PI控制系統(tǒng)仿真。 圖1-41 Boost電路的工作原理 （2）設(shè)計(jì)要求 Boost電路的輸入電壓為60V，開(kāi)關(guān)頻率取為20kHz，輸出電壓為200V。要求紋波電壓為輸出電壓的0.3％。計(jì)算工作頻率分別為20kHz時(shí)所需的電感、電容。要求繪制Boost電路開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)

33、的電壓以及電流波形。 （3）思考題 隨著電容值的變化（增大或減?。?，輸出電壓波形如何變化？ 1.5 Simulink在交直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 1.5.1 基于Simulink的開(kāi)環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)仿真 直流電動(dòng)機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)的性能可以與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，在許多場(chǎng)合正逐漸取代直流調(diào)速系統(tǒng)。但在許多需要高性能可控電力拖動(dòng)的場(chǎng)合，如軋鋼、紡織以及金屬加工等場(chǎng)合，仍然廣泛采用直流調(diào)速系統(tǒng)。直流電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)控制原理如圖1-42所示。晶

34、閘管開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)由交流電源、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)、觸發(fā)電路和給定電路組成。整流器提供可以調(diào)節(jié)的直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出，而系統(tǒng)的輸出量沒(méi)有反饋給定環(huán)節(jié)參與控制。 圖1-42 直流電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)控制原理 利用SimPowerSystem模塊庫(kù)中的Universal Bridge模塊和合成6脈沖發(fā)生器集成模塊，可以搭建開(kāi)環(huán)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖1-43所示。 圖1-43開(kāi)環(huán)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型 開(kāi)環(huán)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型包括以下模塊： （1）交流電源模塊； （2）合成6脈沖發(fā)生器模塊； （3）Universal Brid

35、ge模塊； （4）DC Machine模塊； （5）Demux模塊； （6）示波器模塊； （7）直流電源模塊； （8）串聯(lián)RLC分支模塊； （9）電壓測(cè)量模塊； （10）常數(shù)模塊； 分析仿真模型圖1-43可知： （1）可以根據(jù)需要設(shè)定Synchronized 6-pulse generator Pulse Generator的觸發(fā)角。 （2）可以通過(guò)Demux模塊觀測(cè)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁電流、電樞電流以及電磁轉(zhuǎn)矩波形。 下面給出模塊的參數(shù)設(shè)置： （1）在Electrical Sources模塊庫(kù)中拖拽三個(gè)交流電壓源模塊，設(shè)置三相對(duì)稱交流

36、電源的峰值電壓為220V，初始相位分別為0，-120和120，頻率為50Hz。 （2）晶閘管整流橋參數(shù)設(shè)置如圖1-44所示：從Power Electronics模塊庫(kù)中選取Universal Bridge模塊。設(shè)置緩沖電阻Rs為50k，緩沖電容Cs為inf，內(nèi)電阻Ron為0.001，內(nèi)電抗Lon為0H，“Power Electronic device”選擇“Thyristors”。 圖1-44 晶閘管整流橋參數(shù)設(shè)置 （3）在Elements模塊庫(kù)中，拖拽Series RLC Branch模塊，選擇電感L，設(shè)置L=5*10-3H。 （4）直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置：從Machine

37、s模塊庫(kù)中拖拽DC Machine模塊，直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組“F+～F-” 端接直流恒定勵(lì)磁電源，勵(lì)磁電源從Electrical Sources模塊中拖拽DC Voltage Source模塊，設(shè)置幅值為220V。電樞繞組“A+～A-”端經(jīng)平波電抗器接晶閘管整流橋的輸出端。電動(dòng)機(jī)經(jīng)TL端接恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，通過(guò)m端可以測(cè)量直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁電流、電樞電流以及電磁轉(zhuǎn)矩。直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)置如圖1-45所示。勵(lì)磁電阻Rf為240，電感Lf為120H，電樞電阻Ra為0.6，電樞電感La為0.012H，電樞繞組和勵(lì)磁繞組互感Laf為1.8H，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為，額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩。 （5） 6脈沖發(fā)

38、生器的參數(shù)設(shè)置：從SimPowerSystem模塊庫(kù)中的Extra Library模塊庫(kù)中的Control Blocks模塊庫(kù)中拖拽Synchronous 6 Pulse Generator模塊。由于該模塊需要三相線電壓同步信號(hào)，因此通過(guò)三個(gè)電壓測(cè)量模塊將三相理想交流電源的相電壓轉(zhuǎn)換成線電壓。設(shè)置Block為0，觸發(fā)角為50。雙擊打開(kāi)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，設(shè)置頻率為50Hz，脈沖寬度為10，勾選雙脈沖。 圖1-45 直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置 （6）由于是開(kāi)環(huán)控制，因此晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的控制電路只有一個(gè)給定信號(hào)。從Simulink模塊庫(kù)中拖拽Constant模塊，設(shè)置為50rad/s。

39、 （7）系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置：打開(kāi)Simulation菜單的Configuration Parameters對(duì)話框，選擇變步長(zhǎng)算法ode23s（stiff/Mod.Rosenbrock），如圖1-46所示。設(shè)置“Start time”為0，“Stop time”設(shè)定為10s。 圖1-46 系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置 （8）打開(kāi)M文件編輯器，編制繪圖文件，并命名為DCWIT.m figure(1) plot(DCWIT.time,DCWIT.signals(1,1).values,linewidth,1.5) xlabel(time(s),fontsize,10) ylabe

40、l(rad/s,fontsize,10) title(Speed,fontsize,10) grid on figure(2) plot(DCWIT.time,DCWIT.signals(1,2).values,linewidth,1.5) xlabel(time(s),fontsize,10) ylabel(Ia/A,fontsize,10) title(Armature Current,fontsize,10) grid on figure(3) plot(DCWIT.time,DCWIT.signals(1,3).values,linewidth,1.5)

41、 xlabel(time(s),fontsize,10) ylabel(If/A,fontsize,10) title(Field Current,fontsize,10) grid on figure(4) plot(DCWIT.time,DCWIT.signals(1,4).values,linewidth,1.5) xlabel(time(s),fontsize,10) ylabel(Te/Nm,fontsize,10) title(Mechanical Torque,fontsize,10) grid on figure(5) subplot(4,1

42、,1) plot(DCWIT.time,DCWIT.signals(1,1).values,linewidth,1.5) ylabel(rad/s,fontsize,10) grid on title(DC Motor Simulation Waves,fontsize,10) subplot(4,1,2) plot(DCWIT.time,DCWIT.signals(1,2).values,linewidth,1.5) ylabel(Ia/A,fontsize,10) grid on subplot(4,1,3) plot(DCWIT.time,DCWIT.signals(

43、1,3).values,linewidth,1.5) ylabel(If/A,fontsize,10) grid on subplot(4,1,4) plot(DCWIT.time,DCWIT.signals(1,4).values,linewidth,1.5) xlabel(time(s),fontsize,10) ylabel(Te/Nm,fontsize,10) grid on （9）轉(zhuǎn)速波形如圖1-47所示。 圖1-47 轉(zhuǎn)速波形 （10）電樞電流波形如圖1-48所示。 圖1-48 電樞電流波形 （11）勵(lì)磁電流波形如圖1-

44、49所示。 圖1-49 勵(lì)磁電流波形 （12）電磁轉(zhuǎn)矩波形如圖1-50所示。 圖1-50 電磁轉(zhuǎn)矩波形 1.5.2 交直流調(diào)速課程設(shè)計(jì)題目 1. 基于Simulink的晶閘管單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)仿真 （1）實(shí)驗(yàn)要求 基于Simulink完成晶閘管單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)仿真。晶閘管單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖如圖1-63所示。 圖1-63 閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 （2）設(shè)計(jì)要求 直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)參數(shù)如圖1-45所示。要求繪制直流電動(dòng)機(jī)單閉環(huán)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁電流、電樞電流以及電磁轉(zhuǎn)矩波形。 （

45、3）思考題 隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的增加，則電樞電流波形如何變化？ 2. 基于Simulink的晶閘管單閉環(huán)無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)仿真 （1）實(shí)驗(yàn)要求 基于Simulink完成晶閘管單閉環(huán)無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)仿真。晶閘管單閉環(huán)無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖如圖1-64所示。 （2）設(shè)計(jì)要求 直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)參數(shù)如圖1-45所示。要求繪制直流電動(dòng)機(jī)單閉環(huán)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁電流、電樞電流以及電磁轉(zhuǎn)矩波形。 （3）思考題 單閉環(huán)無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)與單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)的區(qū)別在哪里？ 圖1-64 晶閘管單閉環(huán)無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖