电气系统的计算机辅助设计,轮机工程学院 2012.12,朱景伟 王 宁,本课程设计的主要目的,掌握Matlab/Simulink 电气仿真的基本步骤 利用Matlab/Simulink 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 日程安排： 共5天，其中上机3天，写报告2天。 考核方式：优、良、中、及格、不及格。 其中上机60%，报告40%。,本课程设计的内容与基本要求,听课: 掌握Matlab/Simulink中SimPowerSystems 工具箱的基本建模方法 独立完成：基本电路与磁路的仿真设计 独立完成：几种典型的变流电路的仿真设计 独立完成：交、直流调速系统的仿真设计 总结上述设计内容，完成设计报告,第一章 Matlab/Simulink 中SimPowerSystems工具箱简介,第一节 基本操作 一、进入Matlab及Simulink 两种方法：1、双击桌面上的快捷图标,一、 进入Matlab及Simulink 两种方法：2、从“开始”“程序”菜单中,进入Simulink,Simulink中已经安装的各种工具箱,电力系统各种工具箱,基本Simulink模块,本次课程设计主要涉及的两个部分,Simulink中包括的模块,电力系统各种工具箱中所包含的各种模块,二、根据所设计的电路搭建模型,建模的基本步骤： 1、建立一个新的空白的Simulink文件（.mdl） 2、从相应的元件库中选元件 3、联线 4、设置参数 5、运行模型,下面以一个单相半波整流电路为例进行建模与仿真研究,（1）建立一个新的空白的Simulink文件（.mdl）,1,2,3,4,默认的保存路径,保存的文件名,当前路径,当前路径的文件,设置当前路径,建立一个新的空白的Simulink文件（Example1.mdl）,（2）从“Electrical Sourcs（电源）”库中选电源,所有电源模块,对所选模块的解释,选中所需电源，添加到新的Example1.mdl模型中： 方法1：直接拖曳。,方法2：右键单击,（3）从“Power Electronics（电力电子器件）”库中选各种电力开关等器件,二极管,IGBT,MOSFET,双击,选择,（4）从“Elements（元件）”库中选各种元器件,RLC 并联支路,RLC 并联负载,RLC 串联支路,RLC 串联负载,断路器,右键,（5）为了观测电压和电流波形，需要选择电压电流测量模块,电流测量模块,电压测量模块,输出：二极管的电压和电流,（6）、在Simulink库中选择Scope（示波器）来观测电压和电流波形。,示波器模块,若想在通过一个示波器观测多路信号的波形，比如说4路信号，可以如下设置：,信号的数目,数据大小的限制 不想限制，去掉复选框,（7）从“Elements（元件）”库中选 “地”,“地”,信号分解模块,（8）测量信号的分离：该模块在Simulink库中的“Commonly Used Blocks”中,有时候会将几个波形放在一起以进行对比，会需要“信号合成模块”,（9）连线以完成模型,左键拖曳右键拖曳,（10）各元件的参数设置：单击该元件打开元件属性对话框进行参数设置。,电压源参数设置对话框,电压源电压幅值(最大值),电压源电压初始相位,电压源电压频率,二极管参数设置对话框,可以暂时先取默认值,用来测量二极管的电压和电流(观察一下去掉“”后模块的变化),RL支路参数设置对话框,设置R值,设置L值,（11）仿真运行参数设置,单击,仿真开始时间,仿真结束时间,其他的暂时取默认的参数,（12）运行仿真模型,单击该“运行按钮”,双击该模块，观察结果,（13）观察运行结果,（a）阻性负载情况下,显示的曲线不合适时，单击此按钮,(b)感性负载情况下,感性负载,阻性负载,单击该模块默认的名字然后输入自己取的名字,一些提醒：1、每个模块的名字可根据需要进行修改,双击连线，然后输入名字,一些提醒：2、连线的名字的标记,连线的标注反映到示波器曲线的标注,一些提醒：3、示波器曲线的标注,如果示波器曲线中没有标注，点此图标，然后按“Apply”键,一些提醒：4、可以通过帮助文件了解模块的使用方法,a.右键单击该模块,b. 单击help,c.于是可以得到该模块的内容介绍，如下图所示,d.在该帮助文件的最后，会有该模型的例子模型，可以通过打开该模型进一步了解该模块的使用方法,单击此处即可打开相应的例子模型,示波器,一些提醒：5、测量电压(流)必须经由电压(流)测量模块进入示波器Scope。,电流测量模块,电压测量模块,设计任务1：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10阻性负载，滤波电感L=100mH，滤波电容C=200uF。,所用线性变压器的参数（仅作参考），可以自行调整,注意此选项,设计任务2：基本电路与磁路的仿真设计：电路部分,一阶直流激励RC充、放电电路的研究(学号尾数为单数) 一阶直流激励RL充、放电电路的研究(学号尾数为双数) 二阶RLC直流激励下动态响应的研究： a.欠阻尼情况, R小（学号尾数为单数） b.过阻尼情况（学号尾数为双数） 二阶RLC交流激励下动态响应的研究（全体学生）,设计要求： 1、自行设计电路、设计电路参数 2、自行选择所需显示的曲线、结果 3、根据结果写出分析结果与结论,二阶RLC直流激励下动态响应的研究,位于Power Electronics,位于Elements,位于Measurements,也可不用switch，breaker,二阶RLC直流激励下动态响应的研究,位于Measurements,设计任务2：基本电路与磁路的仿真设计：磁路部分,变压器（无饱和，采用线性变压器模型）的稳态分析,设计要求： 变压器（无饱和，采用线性变压器模型）的稳态分析： 一台10kVA，60Hz，380V/220V单相变压器，原、副边的漏阻抗分别为：Zp=0.14+j0.22, Zs=0.035+j0.055,励磁阻抗Zm=30+j310，负载阻抗ZL=4+j5。 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,几点说明：,设计任务2：基本电路与磁路的仿真设计：磁路部分,1、Simulink线性变压器模型中的电阻和电感的参数是标幺值（pu values）。,标幺值,实际值(任意单位),基值(与实际值同单位),The concept of per-unit system,Or,Single-phase system,Rated power额定功率(apparent power),The values of Vbase and Ibase change at a transformer according to its turns ratio. 变压器两侧的电压（流）基值不同（由于变比）。,2、线性变压器等效电路中，励磁支路国内中文版采用的串联式（本设计中给出的就是），国外英文版采用的是并联式，因此需要进行转换：即根据给出的Rm和Xm的值，求出相应的RC和XM （及LM）的值，然后根据上述公式计算出相应的标幺值。,英文版中常采用的等效电路,国内教材常采用的等效电路,励磁电阻(反映铁耗),铁耗电阻,磁化电抗,励磁电抗(反映磁化过程),3、有效值的测量方法：根据电流(压)测量模块得到的是电流(压)的瞬时值，将其再通过一个rms计算模块即可直接计算出有效值(rms值)。,就是这个模块,4、前面是通过示波器Scope得到波形结果，数字的显示要用数值显示器Display模块。,就是这个模块,5、仿真运行参数设定,6、最终结果,原边电流有效值,副边电流有效值,负载电压有效值,设计任务3：几种典型的变流电路的仿真设计,1、整流电路 2、逆变电路 3、boost升压电路 4、buck降压电路,设计任务3：几种典型的变流电路的仿真设计,三相桥式整流电路（晶闸管）分析,设计要求：400 已知：3个交流电源， U = 220 + (2220102269%10)20V，50Hz。串联负载分别为：R = 1，L= 1mH。,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。,提示：(1) Synchronized 6-Pulse Generator 位于Extra Library 的 Control Blocks。其Block端输入为0(选constant模块)，频率为50Hz。 (2) 整流桥选Universal Bridge，位于power electronics 模块中。,设计任务3：几种典型的变流电路的仿真设计,三（或单）相PWM逆变电路分析（IGBT）,设计要求： 已知：直流电压源电压U = 100 + (学号%10)20V，输出频率50Hz。负载分别为：ZL= 2+j1。,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。,提示：(1) 两个直流电压源串联，中间接地。 (2) 整流桥的桥臂数选3，ABC为输出。 (3) PWM发生器位于Extra Library 的 Discrete Control Blocks，载波频率取输出频率的20倍。,三相逆变电路,设计任务3：几种典型的变流电路的仿真设计,单相PWM逆变电路分析（IGBT）,设计任务3：几种典型的变流电路的仿真设计,单相PWM逆变电路分析（IGBT）,设计任务3：几种典型的变流电路的仿真设计,buck降压电路分析,设计要求： 已知：直流电压源电压U = 100 + (学号%10)20V。负载为：RL= 50，滤波电容C=0.3mF。,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。,提示：脉冲发生器位于Simulink 的 Sources，周期取0.0001s，脉冲宽度取60%。,设计任务3：几种典型的变流电路的仿真设计,boost升压电路分析,设计要求： 已知：直流电压源电压U = 100 + (学号%10)20V。负载为：RL= 100，滤波电容C=0.3mF。,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。,提示：脉冲发生器位于Simulink 的 Sources，周期取0.0001s，脉冲宽度取60%。,Boost converter circuit,Buck converter circuit,设计任务4：电机拖动电路的仿真设计,1、鼠笼型异步电机直接起动的研究 2、绕线式异步电机转子串电阻起动的研究,设计任务4：电机拖动电路的仿真设计,鼠笼型异步电机直接起动的研究,设计要求： 已知：三相交流电压源(线电压取值：学号单号为220V，双号为380V)，频率(单号：60Hz，双号为50Hz)。电动机机械转矩T = 10 + (学号%100)/100Nm。,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、转数(rpm)、电磁转矩。模型和曲线要有标注。,提示：(1) 电机要选择Asynchronous Machine SI Units。 (2) 电源和电机的电压、频率需要设置。,Three-Phase V-I Measurement 位于的 Measurements,Constant 位于