文章目錄
- 0. 綜述
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- 0.1 軟體安裝與正常使用
- 0.2 Simulink Model
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- 0.2.1 子系統 —— 電路封裝
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- 0.2.1.1 子系統參數設定
- 1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）
- 2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）
- 3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）
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- 3.1 FFT分析
- 3.2 LC濾波電路
- 3.3 實際分析
- 4.
0. 綜述
Matlab對電路模拟仿真特别在原理性仿真中是很好用的。
0.1 軟體安裝與正常使用
版本：Matlab R2018b
🔗：https://zhuanlan.zhihu.com/p/378349402
- Simulink Model界面放大縮小：滑鼠滾輪，按空格即可回到原始尺寸
- 元器件參數修改：輕按兩下元器件即可
- 快速複制元器件：對元器件使用滑鼠右鍵拖動
- 元器件的使用說明：右擊元器件 - help
- 采樣步長配置參考：8kHz下，一般選擇1e-6的最大采樣步長
- 示波器波形測量：
Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. - 添加注釋：空白處拖動，點選Creat Area
Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4.
0.2 Simulink Model
- 建立Simulink Model：
Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. -
器件庫：如下圖部件為Simulink的庫，其中包含很多類型的庫，關于電子電氣的，一般隻需要用到Simulink和Simscape中的Electrical中的器件即可，前者是弱電器件（信号模型），後者為強電器件（實體模型）。
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Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4.
0.2.1 子系統 —— 電路封裝
在庫中添加一個子系統
輕按兩下子系統進入編輯視窗，繪制電路，添加輸入輸出口和連接配接口
最終子系統電路如下圖
傳回到電路圖後，發現子電路被封裝起來，隻留下引腳，電路變得簡單明了很多
另外一種快速添加子系統的方法，選擇需要添加到子系統的電路，點選右下角的三個點，選擇建立子系統，即可快速建立主系統電路
0.2.1.1 子系統參數設定
右擊封裝好的子系統，選擇Create Mask，
在Parameters & Dialog 頁面中添加Edit，然後按需編輯即可
回到子系統電路中，輕按兩下元器件編輯參數，在參數中填入之前Edit欄内設定的變量，即可将其關聯上
如果設定變量時出現報錯，可以先對已設定的變量設定一個初始值（見下一步），再回來關聯變量
此後，輕按兩下封裝好的子系統電路，即可快速編輯子系統電路中的元器件參數
1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）
習題如下，使用Matlab進行電路仿真，并得出相應的結果。
如上所述，建立一個Simulink Model視窗，在庫中拖一個powergui到Simulink Model視窗中，拖一個交流電壓源、二極管、負載電阻等。
- 添加powergui
Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. - 添加交流電壓源
Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. - 添加二極管
Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. - 添加負載電阻
Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. -
連接配接元器件
注意器件的端口若是方形的，那它隻能與方形的端口連結。
- 修改元器件參數
Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. - 添加測量儀表（電壓表、電流表） 添加示波器
Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. 輕按兩下示波器，設定示波器的探頭為2個 Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. 添加混合器 Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. - 連接配接電路
Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. - 設定仿真時間：50Hz下一個信号為0.02s，看5個波形就是0.1s
Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. - 運作檢視波形 分開波形視窗，這裡布局設定為上下布局
Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. 可見此時的波形是比較粗糙的，不像理想的正弦波，這是因為仿真器的步長過大（采樣周期過大）導緻的，點選菜單欄中的設定，将最大步長設定為0.001s（50Hz信号下一個周期為0.02s，設定采樣步長為0.001s） Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4.
再次運作仿真，波形變得平滑
那麼基本電路就搭建成功，下面按照題目來放入相應的元器件并配置好相應參數。
波形圖的放大縮小，對波形圖使用滾輪或如下圖按鈕即可Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4.
- 使用一個晶閘管代替電路中二極管 修改電壓源電壓有效值為120V
Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. 增加電感負載并設定成0.048H，電阻阻值改為20Ω. Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. 添加萬用表并将之前的電壓表、電流表删除 Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. 将電壓源中的測量設定為電壓測量，同理将電阻中的測量改為電壓、電流測量，電感中的測量改為電壓測量。 Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. 重命名元器件 Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. 輕按兩下萬用表，将所有測量點添加到右邊 Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4.
添加一個4路信号分解器，并與萬用表連接配接
添加一個3路信号混合器，最後連接配接結果如下圖
添加脈沖發生器，給晶閘管觸發信号
設定好信号周期和題目要求的延遲角。
再增加一個示波器去檢視信号發生器的波形，最終電路如下圖
12. 點選運作，檢視兩個示波器波形，其中示波器2中黃色為電源電壓，藍色為電阻電壓，紅色為電感電壓，可見，由于電感的存在，負載的電壓存在一個滞後狀态，導緻電源電壓到零後，負載電壓還未到零。
- 添加平均值、有效值的測量，再添加一個顯示視窗
Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. 最終電路連接配接如下圖 Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. - 導出仿真資料：右擊要導出的仿真資料，選擇"log selected signal" 點選運作，再Matlab界面的工作區中，就儲存了該信号的log檔案，輕按兩下打開，有一個"value"檔案，選中并選擇上方菜單欄的繪圖，選擇plot，即可繪制該資料的圖形
Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4. Matlab —— 電路仿真0. 綜述1. 模組化實驗 —— 半波整流器（詳細）2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）4.
若要修改圖形的一些參數，點選菜單欄中的滑鼠，然後輕按兩下圖形空白處即可
将圖形修改成以下更加直覺的圖形之後，點選編輯 - 複制圖窗，即可将圖形複制
2. 模組化實驗 —— 單相全波整流電路（子系統封裝）
如上所述，建立一個Simulink Model視窗，在庫中拖一個powergui到Simulink Model視窗中，使用子系統搭建全橋電路
使用子系統搭建脈沖發生器，該脈沖發生器是用于給晶閘管導通的，其配置的參數如下，其中變量freq、alpha未子系統Mask參數（見0.2.1.1節）
添加負載電阻和電感，參數配置如下
最終外部電路如下
運作後波形圖如下
3. 模組化實驗 —— 相控/斬控交交調壓電路（FFT分析）
相控交交調壓電路、斬控交交調壓電路如下，現用Matlab進行電路仿真。
- 相控交交調壓電路：當交流電源為正相時，晶閘管S1導通，反之S2導通
- 斬控交交調壓電路：當交流電源為正相時，晶閘管S1導通，反之S2導通，其中S3、S4是感性負載的續流作用
相控交交調壓電路如下：
參數如下：
以功率6000W來計算，負載電阻約為8.067ohm .
仿真時間為0.06秒即可
最大采樣步長設定為0.0001秒
點選運作仿真，檢視示波器波形：
可見負載電壓相對電源電壓正負半周期都是延遲了30°相位角才觸發，其電壓平均值于電源電壓平均值一樣，但RMS（有效值）比電源的RMS小很多，而且延遲角越大，RMS越小，進而實作降壓功能
斬控交交調壓電路如下
電源與負載參數與相控交交調壓電路一樣，如下
其中主電路子系統電路如下
其中Motset 的m腳接的是終端，作用隻是防止編譯警告
觸發電路子系統電路如下
添加選擇開關，其作用是當控制端口（輸入2端口，即中間那個端口）滿足所選标準時，信号通過輸入1；否則，通過輸入3。控制端口2的标準為u2>=門檻值、u2>門檻值或u2~=0可選。這裡控制端口2的信号為交流電壓源信号，即當電源電壓為正時，信号通過輸入1端口，反之通過輸入2端口。
添加信号轉換器，輸出類型選擇布爾型
添加邏輯信号操作器，配置為反相器
添加常數，常數設定為0，輸出類型為布爾型
添加脈沖發生器，參數如下
點選運作，檢視示波器波形
将信号放大後可見，輸出信号并不平滑，此時分析它的總諧波畸變率（THD）（輸出信号所有的諧波之和加基波之和占信号的百分比）
3.1 FFT分析
右擊要分析的資料，選擇"log selected signal"，再次點選運作，生成資料
輕按兩下Power gui，選擇FFT分析（傅裡葉分析）
配置好FFT 分析參數，點選Display，即可顯示FFT分析波形，從左到右依次為基波、三次諧波、五次諧波、七次諧波 … ，同時可見輸出信号的THD為14.62%，總諧波失真非常大
同理檢視斬控交交調壓電路的THD，注意将最大頻率改為40kHz，可見其THD達到99.88%
3.2 LC濾波電路
L1計算：
已知電路功率為6000W，電壓值為220V，則計算得輸出電流約為27.273A
已知電感的感抗為ωL，電感上的電壓為0.05V=ωL * I，已知V=220V、I=27.273A、ω=314，則計算得出L約為0.00128H
C1計算：
電容值通過LC濾波電路的諧振頻率公式來計算，諧振頻率取5kHz，計算得C約為0.8μF
天機RMS和Display部件檢視其負載電壓的有效值，再次點選電路運作，檢視波形圖
3.3 實際分析
回到最初的斬控交交調壓電路，理想情況下Mosfet S1和S4互補導通（S2、S3同理），前面的電路觸發也是如此設定，但實際電路中可能因為某些原因，存在Mosfet S1、S4都不導通的情況，若此時負載L中存在大電壓，此電壓得不到及時的洩放，會對負載形成較大的威脅。
回到觸發電路子系統電路，将S4、S3配置為常觸發狀态，修改如下
再次運作并檢視示波器，仿真下，結果與前面的分析并無差異。
再次檢視FFT分析，發現THD降低到3.47%，滿足電網THD<5%的要求。
使用一個示波器檢視兩個電路的負載電壓，可見斬控交交調壓電路比相控交交調壓電路效果更佳。
4.