71基于Matlab_Simulink仿真的电力电子实验系统设计与实现 - 三亿文库

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1、71基于Matlab_Simulink仿真的电力电子实验系统设计与实现陕西理工学院学报2008年6月第24卷第2期Jo；文章编号1673-2944(2008)02-；June.2008Vol24No.2.；基于Matlab/Simulink仿真的电力电子；韩芝侠；(宝鸡文理学院电子电气工程系,陕西宝鸡72100；摘要目前,Matlab软件在各个行业应用非常；真的电力电子实验系统；关atlab/Simulink;Bu陕 西 理 工 学 院 学 报 2008 年 6 月 第 24 卷第 2 期 Journal of Shaanxi University of Technology文章编号 1673

2、 - 2944 ( 2008 ) 02 - 0026 - 05June. 2008 Vol 24 No. 2 .基于 Matlab / Sim ulink仿真的 电力电子实验系统设计与实现韩芝侠(宝鸡文理学院 电子电气工程系 , 陕西 宝鸡 721007 )摘 要 目前 ,M atlab 软件在各个行业应用非常广泛 , 设计了一个基于 M atlab / Sim ulink 仿真的电力电子实验系统 。以 Buck 变换的仿真为例 , 应用了该实验系统的设计方法分析其结 构 ,建立了仿真模型 ,并验证其结果 。使用 M atlab / Sim ulink 对电路进行分析 ,可以使复杂的计 算变得

3、非常简便 、 直观 ,便于学生在建模仿真过程中更加深刻的理解和掌握所学知识 。关 atlab / Sim ulink; B uck 变换 ; 键 词 M 电力电子仿真 中图分类号 TN911. 72 文献标识码 B电力电子技术是一门新兴技术 ,已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课 ,在 培养本专业人才中占有重要地位 。该课程是由电力学 、 电子学和控制理论 3 个学科交叉而成的 , 内容 多 ,知识面广 ,信息量大 ,在有限的学时内用传统的教学方法去授课 ,教学效果不是很理想 。如何能做到 最大限度地提高单位学时的信息量 ,培养学生的学习兴趣和能力 ,提高教学质量 ,是实验教

4、学所面临的 挑战 。为了使学生能更直观 、 高效地理解和掌握所学知识 ,引入了仿真实验 ,在建模仿真的过程中将抽 象的理论知识变成直观的感性认识 ,取得了较好的教学效果 。1 软件介绍M atlab是以矩阵为基本编程单元的一种程序设计语言 ,它提供了各种矩阵的运算与操作 ,并有较强的绘图功能 ,是目前国际上最流行的控制系统计算机辅助设计软件 。新版本的推出 , 使得 M atlab 的应 用范围更加广泛 ,而且增加了许多工具箱 ,如信号处理 、 通信系统 、 虚拟现实 、 系统辨识 、 神经网络 、 模糊 逻辑 、 实时空间等学科和领域的工具箱 ,以供不同专业的科研技术人员开发利用 。 Sim

5、 ulink 是 M atlab 软件的扩展 ,它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包 , 它和 M atlab 语言的 主要区别在于 ,与用户的交互接口是基于 W indow s模型化图形输入 ,使得用户可以把更多的精力投入到 系统模型的构建而非编程上 。目前 M ath works公司已经把 Sim ulink发展成为一个系列产品 。例如 M at2 lab / Sim ulink 中的 Si PowerSystem s是专为电力电子和电气传动系统仿真设计的 , 包含有少数开关装置 m 和简单电力电子转换器 。转换器的开关器件是基于由 V - R - L 支路组成的微模型结构 ,为使开关器

6、件 正常工作 ,在开关器件两端并接 R - C 吸收电路 。2 典型电力电子电路的仿真实验系统设计我们参考其它仿真软件的设计使用方法 ,并结合教学实际情况 ,设计了典型电力电子电路仿真实验 系统 。实验软件中提供了典型电力电子电路 (如整流电路 、 触发电路 、 有源逆变电路 、 交流变换电路 、 直流斩波电路以及无源逆变电路等 ) 的数学模型 、 m ulink 仿真模型与 M atlab 仿真程序 , 供学生实验用 。 Si 该实验系统开放灵活 ,可使广大理工科学生尽快掌握电力电子方面的专业知识 。学生在实验过程中不收稿日期 : 2007 - 10 - 26作者简介 : 韩芝侠 (1970

7、 ) ,女 ,陕西扶风人 ,宝鸡文理学院讲师 ,硕士 ,主要研究方向为检测技术与自动化装置 。第 2 期 韩芝侠 基于 M atlab / Sim ulink仿真的电力电子实验系统设计与实现 仅可以自己设计模型来完成同样功能的实验任务 ,而且可以自行组合或开发多种实验项目 。2. 1 实验系统总体设计我们设计的实验系统 ,其电力电子电路的 Sim ulink 仿真建模流程如图 1 所示 。 数学建模阶段 : 将实际对象的动态特性用微分方程 、 传递函数 、 状态方程 或结构图等方式描述出来 。 模型转换阶段 : 在 M atlab 环境下选择仿真算法将数学模型转化成能被 计算机接受的离散化模型

8、 ,即仿真模型 。用户可以采用鼠标点击或拖放模块 图标的方法来建模 。通过图形用户界面 ( GU I) ,用户可以像用铅笔在纸上画 图一样画模型图 。建立模型后 ,设定每个模块参数 。 运行仿真阶段 : 在 Sim ulink 环境下设置仿真参数 ,包括仿真时间 、 仿真步 长、 解算器算法类型等 。采取快速仿真算法或离散相似法 , 既能达到实时仿 真的目的 ,又能满足一定的精度要求 。 分析仿真结果 : 使用 Scopes (示波器 ) 或者其它的显示模块 , 可以观察仿 图 1 Sim ulink仿真建模 流程图 真结果 。并且能在仿真运行过程中随时改变参数 ,观察其变化情况 。仿真的 结

9、果可以放在 M atlab 的工作空间 (Workspace )中 ,以待用户做进一步的分析处理 。 2. 2 电力电子电路 Sim ulink仿真实验系统设计的特点 电力电子电路实验系统的 Sim ulink 仿真 ,具有以下特点 : ( 1) 仿真研究方法简单 、 灵活 、 多样 。该仿真实验系统比实际物理系统简单 , 既可以在实验室教 学也可以在多体教室进行 ,在仿真时还可以任意作参数调整 , 体现了仿真研究和教学的方便性和灵活 性。 ( 2) 仿真结果直观 。通过仿真研究可以得到有关系统设计的大量 、 充分而且直观的曲线与数据 , 方便对系统进行分析 、 。 改进 (3) 教学成本低

10、。实验室 M atlab / Sim ulink 研究和仿真教学的低成本是毋庸置疑的 。实际上 , 仿 真的对象是物理系统的数学模型 ,而不是物理系统本身 。3 仿真应用举例BUCK变换器是非线性电路 , 可看作是数字 、 模拟电路的混合 ,对该变换器的仿真是数字电路与模 拟电路的混合仿真 。它是一种对输入输出电压进行 图 2 BUCK变换器电路 降压变换的直流斩波器 ,即输出电压低于输入电压 。 其基本结构如图 2 所示 。 3. 1 BUCK变换器的工作原理 假定 : 开关晶体管 、 二极管 、 、 电感 电容均是理想元件 。电感工作在线性区未饱和 ,输出电压中纹波 电压与输出电压比值小到