2.1 Simulink仿真模块的操作及使用

在Simulink中，一个仿真模型单元叫做一个模块，它是构成模型的基本元素，用户用它们来构造较大规模的系统模型。下面以使用Simulink库中模块进行仿真为例介绍仿真模块的常规操作方法。

在构建仿真模型之前，用户需要按图22所示新建并打开一个仿真工作空间。

图22 新建仿真工作空间

在Simulink中，SimPowerSystems库的位置如图2 3所示。

图23 SimPowerSystems库

该库包含了电力电子器件库（PowerElectronics）、电源库（EletricalSources）、电气元器件库（Elements）、电机库（Machines）等多个子库。

SimPowerSystems库的模块与Simulink库的模块有些区别，Simulink库的模块都是

一些运算模块，有输入信号，也有输出信号，但SimPowerSystems库的模块大部分都为电力或电子器件，通常只有电的接线端子，在模块图上表示为小正方形。为了仿真运算的方便，有些模块也可以输出一些测量信号，这些信号端子则如同Simulink模块，是一个向外的“＞”符号。

另外，SimPowerSystems库是一个后扩展的专业库，Simulink只是为这个专业库中的

模型提供了运算平台，并不具备对这个专业库中模块所形成的数学模型进行管理的能力，

因此在SimPowerSystems库中还有一个叫做“Powergui”管理模块。因此，凡是使用SimPowerSystems库模块搭建的仿真模型都需要一个“Powergui”。由于这个模块不与其

他模块连接，所以用户在使用SimPowerSystems模型库中的模块搭建仿真模型时，最好先把它加入仿真工作空间。

2.1.1 电源库（ElectricalSources）

电路中最重要的部件便是电源，为此，SimPowerSystems库使用了一个单独的电源库（ElectricalSources）来提供电源仿真模型，库中包含了电力系统常用的直流电源和交流电

源。电源库在SimPowerSystems库的位置如图2 4所示。

图2 4 电源库（ElectricalSources）

直流电压源的功能就是为电路提供一个理想的直流电压，在库中的位置及其图标如图

2 5所示。

图2 5 直流电压源（DCVoltageSources）

直流电压源的参数设置窗口如图26所示。

图26 直流电压源图标及参数设置对话框

从直流电压源的参数设置对话框中可见，它只有一个需要设置的参数，即电压源的电

压值。除此之外就是需要用户在下拉列表Measurements的菜单中选择“None”或“Volt-

age”，选中前者意味着本电源不需要测量，选中后者则意味着该电源可以在仿真时使用Multimeter等外部具有测量功能的模块来测量其电压值。

交流电压源也是一种理想电源，它在库中的位置如图27所示。

图2 7 交流电压源（ACVoltageSource）

交流电压源的图标与参数设置窗口如图28所示。

图28 交流电压源的图标与参数设置对话框

交流电压源的可设置参数见表22。

表2 2

交流电压源（ACVoltageSource）的可设置参数

SimPowerSystems在电源库中还提供了一个三相可编程电压源（Three PhasePro-

grammableVoltageSource），它可以通参数设置其基波分量以及谐波分量的幅值、频率和

相位，从而得到含有谐波分量的交流电压源。Three PhaseProgrammableVoltageSource

在库中的位置如图29所示。

图29 ThreePhaseProgrammableVoltageSource在库中的位置

Three PhaseProgrammableVoltageSource的图标及参数设置对话框如图2 10所示。

图210 ThreePhaseProgrammableVoltageSource的图标及参数设置对话框

Three PhaseProgrammableVoltageSource的参数见表2 3。

表2 3

Three PhaseProgrammableVoltageSource的参数表

参数

说明

2.1.2 测量仪器库

测量仪器是电路实验需要的重要设备，SimPowerSystems中提供了测量仪器库 Meas-

urements，该库在系统中的位置如图211所示。

图2 11 测量仪器库 Measurements的位置

电流表（CurrentMeasurement）与电压表（Voltage Measurement）是常用电工测量

仪表，这两种仪表在库中的位置如图212所示。

图2 12 库中的电流表（CurrentMeasurement）与电压表（VoltageMeasurement）

从使用方法上来看，这两种测量仪表与实际电流表和电压表没有什么区别，电流表需串联在被测电路支路，电压表需要并联在被测元器件或支路两端，但需要注意，Simlink提供的电流表与电压表实质上只相当是一个表头，均没有显示装置，所以使用时需要由使

用者在Simlink的Sink库中选择合适的显示器，例如Scope。

万用表Multimeter在库中位置及其在仿真环境中的图标如图213所示。

图213 Multimeter在库中的位置及图标

万用表可以测量多个参数，在分析电路时，灵活使用 Multimeter模块，可以简化电路分析。但万用表的使用需要电路中各个元器件模块的配合，即在对元器件进行参数设置时，需要在其参数设置对话框中的选项中指定该元器件需要测量的参数，如图214所示。

图214 各元器件参数设置对话框中的Measurements选项

2.1.3 电力电子器件库

电力电子库中包含了常用的电力电子器件及模块，器件有电力二极管Diode、电力场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT、门极可关断晶闸管GTO等等，模块有不控整流桥、两电平通用桥、三电平通用桥等等。

1.绝缘栅双极型晶体管IGBT

在SimPowerSystems中，只关心IGBT的部分参数，例如IGBT的内阻、导通压降及

RC缓冲电路等，而不考虑其电压电流等级。考虑到实际应用中IGBT常常需要与一个二极管反并联，库中还提供了一个IGBT/Diode模块供用户选用。

IGBT的仿真模型结构如图215所示。

图215IGBT的仿真模型

IGBT的伏安特性及开关特性如图216所示。

图216IGBT的伏安特性及开关特性

SimPowerSystems中IGBT的符号及参数设置对话框如图2 17所示。

图217 SimPowerSystems中IGBT的符号及参数设置对话框

参数设置对话框中各选项的说明见表24。

表2 4

IGBT参数设置对话框各选项说明

2.电力二极管Diode

SimPowerSystems中电力二极管Diode的内部结构及伏安特性如图2 18所示。

图218 电力二极管Diode的内部结构及伏安特性

电力二极管的图标及参数设置对话框如图219所示。

图219 电力二极管的图标及参数设置对话框

在SimPowerSystems中没有普通二极管与肖特基二极管或电力二极管的区别，要得到不同的二极管模型只需设置不同的参数即可。

需要注意的是，由于Simulink是一种系统级仿真软件，因此它一般不用于开关器件的开关特性仿真。

2.1.4 电气元器件库

电气元器件（Elements）库包含了断路器、电阻、电容、电感、变压器、传输线等常用电气元器件的仿真模型。电气元器件（Elements）库的位置如图220所示。

图2 20 电气元器件（Elements）库

1.断路器（Breaker）

断路器在电路中作为开关开通或关断电流使用。

在断路器的仿真模型中包含有一个串联的RC缓冲电路，如果断路器串联在感性电路中或断路器与电流源串联，必须在断路器中加入缓冲电路。

断路器的图标及参数设置对话框如图221所示。

图221 断路器Breaker的图标及参数设置对话框

断路器参数说明见表25。

表2 5

断路器参数说明

在直流电路中应使用理想开关，而不推荐使用断路器。

另外，在模型中使用断路器，仿真时应选择刚性（stiff）算法，使用ode23t可得到较快的仿真速度。

2.串联RLC支路

为了方便用户，系统把一个串联RLC支路制作成了一个仿真模块SeriesRLCBranch，

如图222所示。

图2 22 串联RLC支路模块SeriesRLC Branch

可以看到，与串联RLC支路相类似的还有串联RLC负载（SeriesRLC Load）、并联RLC支路（ParallelRLCBranch）、并联RLC负载（ParallelRLCLoad）及三相的各种类似支路和

负载。

这里仅以串联RLC支路为例介绍这类模块的参数设置和应用。

串联RLC支路的图标与参数设置对话框如图223所示。其参数说明见表26。

图223 串联RLC支路的图标与参数设置对话框

表2 6

串联RLC支路的参数设置

2.1.5 控制模块库

在SimPowerSystems的ExtraLibrary中包含有两个控制模块库，ControlBlocks和DiscreteControlBlocks，前者提供了连续控制模块，后者提供了离散控制模块。

两个控制模块库如图224所示。

图2 24 在ExtraLibrary库中的两个控制模块库

1.PWM信号发生器

PWM信号发生器是电力电子技术的重要装置，SimPowerSystems\ExtraLibrary\ControlBlocks提供的PWM Generator是一个多功能模块，主要用来为GTO、MOSFET、

IGBT等自关断器件提供门极驱动信号。PWM Generator在库中的位置如图2 25所示。

图2 25 PWM Generator的位置

PWM Generator的图标及参数设置对话框如图2 26所示。

图2 26 PWM Generator的图标及参数设置对话框

PWM Generator的参数及其设置见表2 7。

表2 7

PWM Generator的参数及设置

2.可编程定时器Timer

为方便实现随时间变化的信号，系统为用户提供了一个可编程定时器（Timer）。可编程定时器在库中的位置如图227所示。

图227 Timer在库中的位置

Timer的图标及参数设置对话框如图228所示。

图228 可编程定时器Timer的图标及参数设置对话框

Timer的参数设置见表2 8。

表2 8

Timer的参数