Matlab电路仿真笔记(3)

2019-05-24 21:54

散化电路模型(discretize electrical model)。设置采样周期25e-6s。重新开始仿真,功率系统将使用Tustin方法(相应于梯形积分)并以25us采样周期进行离散化。

打开“Simulation > Simulation parameters > Solver”对话框,设置仿真时间为0.2s。启动仿真。

注:一旦系统被离散化,电路系统再无连续状态了。因此,如果你不需要变步长积分方法进行仿真,在“Simulation > Simulation parameters > Solver”对话框中,可选择Fixed-step 和 discrete选项,并设定固定步长为25us 为测量仿真时间,可运行下面的命令重新仿真:

tic; sim(gcs); toc

当仿真完成后,其间所经历的时间会显示在Matlab命令行窗口。

要返回连续仿真状态,打开powergui模块,选择“continuous”选项。如果比较一下连续仿真和离散仿真,你会发现离散仿真比连续仿真将近快3.5倍。

要比较两种仿真方法的精度,请完成下列三个仿真:

(1) 仿真连续系统,Ts=0 (2) 仿真离散系统,Ts=25us

(3) 仿真离散系统,Ts=50us

对于每一个仿真,将U2值保存到不同的变量中,相应的为U2c,U2d25,U2d50,使用下列命令绘制U2波形:

plot(U2c(:,1), U2c(:,2), U2d25(:,1),U2d25(:,2), U2d50(:,1),U2d50(:,2))

从上图中,可以看出,25us的离散化系统已经非常接近连续系统了,50us有较大误差。

1.7.矢量仿真方法简介 1.7.1.介绍

本节你将学会: ? ?

将矢量仿真方法用于简单的线性电路中 了解该方法的优点和局限性

到目前为止,你已经学会了两种仿真电路的方法: ? 使用连续simulink求解器及变步长进行仿真 ?

用离散化方法及固定步长进行仿真 本节介绍的是第三种方法-矢量求解法进行仿真

1.7.2.何时使用矢量求解法

矢量求解法主要用于研究功率系统的电子机械振荡,这类系统一般由大型的发电机和电动机组成。例如,可以使用这种方法对三相系统和机械类的多机械系统进行仿真。然而,该不方法不仅仅局限在机械的暂态稳定性研究领域,完全可以拓展应用到任何线性系统上。

在一个线性电路中,如果你所感兴趣的仅仅是当开关处于关或开的状态下所有电压和电流的幅值和相位,那么,就没有必要求解由电阻、电容和电感交互作用而带来的差分方程(也即状态空间模型)。你仅仅需要求解相对而言简单得多的与电压和电流相位有关的代数方程组,这正是矢量求解法所要解决的问题。顾名思义,该方法以矢量描述电压和电流。矢量是一个复数,可以用来表示特定频率下的正弦电压和电流。矢量既可以用笛卡尔坐标(Cartesian coordinates)表示(复数的实部与虚部),也可以用极坐标(polar coordinates)表示。在忽略电路状态的情况下,矢量求解法无需特定的求解器用于求解系统的电路部分。因此仿真速度要快得多。但应始终记住,这种快速求解技术只能给出某个特定频率下的结果。

1.7.3.电路暂态过程的矢量仿真

下面你将会把矢量求解法应用到一个简单的线性电路上。打开powerlib的演示实例库,打开通用演示库(General Demos library),选择名称为“暂态分析”的示例,一个名为power_transient的系统打开了,如下图所示:

可以通过各模块参数设置对话框,看看各模块设置的参数。

(1)激活powergui中的矢量求解法

现在,你将使用矢量求解法仿真同样的电路。这种选项可以通过打开powergui来设定,具体设置请参考在线帮助。设定该选项后,continues变为phasors,在启动仿真前,还需指定输出到示波器上的信号的格式。

(2) 选择矢量信号测量的格式 双击“Voltage Measurement”模块或“Current Measurement”模块,可以看到有一个菜单,通过该菜单可设置矢量信号的四种输出格式:complex(复数,默认),real-imag(实部-虚部),magnitude-angle(幅度-角度),magnitude(幅度)。当你要处理的信号为复数信号时,由于示波器(scope)只能观察信号幅度,因此,这里选择“magnitude”。

重新启动仿真,60Hz的电压和电流的幅度显示在示波器(scope)上。从连续仿真和矢量仿真得到的波形上,可以看出他们的波形是有区别的。但他们反映了统一规律。 注意到:连续仿真情况下,电路波形状态改变出现在断路器打开时电流的下一个0点位置。而对于矢量仿真,电路波形状态改变与断路器开关时刻是同步的。

(3) 处理电压和电流矢量

“complex”格式允许运用复数运算和矢量处理,无需将实部和虚部分离。例如,假设你要计算负载的功耗(有功功率P和无功功率Q),而复数功率s可通过下式计算:

S?P?jQ?*

12?U?I

*这里的I是电流矢量的共轭复数。1/2用于将电压和电流的幅度从峰值转换为有效值。

设置电压和电流的输出值均为“complex”格式,利用来自Simulink Math库的模块,实现功率的测量,如下图所示:

2.高级组件和技术 2.1.功率电子简介

2.2.仿真变速发动机的控制 2.3.三相系统和机械 2.4.构建和定制非线性模型 2.4.1.介绍

SimPowerSystems提供了大量非线性元器件模型。然而,有时,你可能需要定制自己的模型并将其与SimPowerSystems提供的标准器件模型相连。定制的模型可能是一种用来模拟一段电弧或变阻器的非线性电阻,也可能是可饱和的电感,一种新的类型的发电机或电动机等等。

在本节中,你将学习如何在simulink中定制自己的非线性模型。这里以一个简单的可饱和的非线性电感和非线性电阻为例来说明。

2.4.2.一个非线性电感的建模

考虑一个工作在额定频率为fnom=60Hz、额定电压Vnom=120V RMS的2H的电感。从0-120V RMS范围内,电感值为一个常数:2H,当电压超过其额定电压时,电感饱和,将为0.5H,下图绘制的是该电感的非线性特征曲线,电流量(current)和磁通量(flux)的刻度为每单位(per unit),额定电压和电流被选为每单位的基准值。

流经电感的电流是磁通量?的非线性函数,依次,磁通量是电感两端电压的非线性函数,该关系可用下列方程描述:

v?L?didt?d?dt 或 ???vdt

i??L(?)

因此,该电感的非线性模型可以用一个受控电流源来描述,电流i是电压v的非线性函数,如下图所示:

“非线性电感的实现”一节给出了一个包含2H非线性电感的电路,该非线性电感与两个电压源(1个120V、60Hz的交流电压源和一个直流电压源)和一个5欧的电阻串联。

所有用于构建非线性电感的元件都被组合在一个名为非线性电感的子系统中,电感的两端标有“in”和“out”。注意,第2个输出返回的是磁通量?,也被加到子系统中,将该输出连接到scope模块,可以观察磁通量的变化。

该非线性模型使用了两个powerlib模块和两个simulink模块。这两个powerlib模块分别是电压测量模块(用于读取电感两端的电压)和控制电流源模块(controled current source),根据模型上的标示,该电流的箭头方向是从输入到输出。如上图所示。

两个simulink模块分别是积分模块(用来计算来源于电压输入的得到的磁通量),和一个查表模块(look_up table)(用来描述i和?的关系特征)


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