电力电子与MATLAB应用技术

1、MATLAB,王忠礼 段慧达 高玉峰编著,3电力电子与MATLAB应用技术,3.1 电力电子器件与MATLAB,3.1.1电力二极管,电力二极管是一种具有单向导电性的半导体器件，即正向导电、反向阻断。,1电力二极管基本特性,2电力二极管在MATLAB中实现,电力二极管仿真模型: 由一个电阻Ron、一个电感Lon、一个直流电压源Vf和一个开关串联组成,模块有两个输出（k、m端子）和一个输入（a端子）， 分别电力二极管的阴极和测量信号输出端子以及二极管的阳极端子,参数设置界面,Resistance Ron：电力二极管元件内电阻 Inductance Lon ：电力二极管元件内电感 Forward

2、voltage Vf：电力二极管元件正向管压降Vf Initial current Ic：初始电流 Snubber resistance Rs：缓冲电阻 Snubber capacitance Cs：缓冲电容,3. 电力二极管元件的仿真举例,单相半波整流器,3.1.2晶闸管,1.晶闸管工作原理,阳极、阴极、门极分别表示为A、K、g,2晶闸管伏安特性,3晶闸管在MATLAB中的实现,由一个电阻Ron、一个电感Lon、一个直流电压源Vf和一个开关串联组成。 开关受逻辑信号控制，该逻辑信号由电压Vak、电流Iak和门极触发信号g决定。,晶闸管仿真模型原理,晶闸管模块的图标,晶闸管元件参数设置,Res

3、istance Ron：晶闸管元件内电阻Ron Inductance Lon ：晶闸管元件内电感Lon Forward voltage Vf（V）： 晶闸管元件的正向管压降Vf Initial current Ic（A）：初始电流Ic Snubber resistance Rs（ohms）：缓冲电阻Rs Snubber capacitance Cs（F）：缓冲电容Cs,4.晶闸管仿真举例,单相半波整流器模型,Pulse的参数设置对话框,晶闸管模块设置： Ron=0.001；Lon=0H；Vf=0.8V； Rs=20；Cs=4e6F； 串联RLC元件模块和接地模块到Thyristor模型 R=1

4、；L=0.01H,仿真参数： 选择ode23tb算法，将相对误差设置为1e-3 开始仿真时间设置为0，停止仿真时间设置为0.1,=0单相半波整流桥仿真结果,反并联续流二极管,3.1.3 可关断晶闸管,1 .可关断晶闸管工作原理,2. GTO的静态伏安特性,3. GTO在MATLAB中的实现,GTO模型由电阻Ron电感Lon、直流电压源Vf和开关串联组成， 该开关受一个逻辑信号控制，该逻辑信号又由GTO的电压Vak、电流Iak和门极触发信号（g）决定,参数设置,Resistance Ron（ohms）：元件内电阻Ron Inductance Lon（H）：元件内电感Lon Forward vol

5、tage Vf（v）:元件的正向管压降Vf Current 10% fall time（s）： 电流下降到10%的时间 Current tail time(s):电流拖尾时间Tt Initial current Ic(A):初始电流Ic Snubber resistance Rs(ohms):缓冲电阻Rs Snubber capacitance Cs(F):缓冲电容Cs，,5.可关断晶闸管元件的建模和仿真应用实例,单相半波整流器,仿真模型参数设置： 交流电压源幅值5V，频率为50HZ， LRC分支参数R=1，L=0.01H，Cinf 仿真算法选择ode23tb算法，将相对误差设置为1e-3 仿

6、真开始时间为0，停止时间设置为0.1。,=30GTO单相半波整流器仿真结果,3.1.4 绝缘栅双极型晶体管,1绝缘栅双极型晶体管工作原理,2.IGBT的伏安特性,3IGBT在MATLAB中的实现,由电阻Ron、电感Lon和直流电压源Vf与逻辑信号（g0或g=0）控制的开关串联电路组成,输入C和输出E对应于绝缘栅双极型晶体管的集电极C和发射极E 输入g为加在门极上的逻辑控制信g 输出m用于测量输出向量Iak,Vak,IGBT的参数设置,绝缘栅双极型晶体管: 内电阻Ron 电感Lon 正向管压降Vf 电流下降到10%的时间Tf 电流拖尾时间Tt 初始电流Ic 缓冲电阻Rs 缓冲电容Cs,4.IGB

7、T构成的升压变换器建模与仿真,主要参数设置：,电压源模块Vdc 100v； 并联RLC分支元件参数R=50,C=3e-6F; 脉冲发生器模块周期参数设置为1e-4s； 仿真算法选择ode23tb算法,将相对误差设置为1e-3, 开始仿真时间为0,停止时间设置为0.0015,Boost变换器仿真结果,3.2晶闸管三相桥式整流器及其仿真,3.2.1 晶闸管三相桥式整流器构成,3.2.2晶闸管三相桥式整流器的仿真模型,（1）整流桥模型,通用桥臂模块（Universal Bridge）,A、B、C端子：分别为三相交流电源的相电压输入端子； Pulses端子：为触发脉冲输入端子，如果选择为电力二极管，无

8、此端子； 、端子：分别为整流器的输出和输入端子，在建模时需要构成回路。,通用桥臂模块参数设置,Number of bridge arms： 桥臂数量，可以选择1、2、3相桥臂，构成不同形式的整流器。 Port configuration：端口形式设。 Snubber resistance Rs(ohms):缓冲电阻Rs。 Snubber capacitance Cs(F):缓冲电容Cs。 Resistance Ron（ohms）：晶闸管的内电阻Ron，单位为。 Inductance Lon（H）：晶闸管的内电感Lon，单位为H，电感不能设置为0。 Forward voltage Vf（v）:晶

9、闸管元件的正向管压降Vf，单位为V。 Measurements：测量可以选择5中形式， 即无（None） 装置电压（Device voltages） 装置电流（Device currents） 三相线电压与输出平均电压（UAB UBC UCA UDC）或所有电压电流（All voltages and currents） 选择之后需要通过万用表模块（Multimeter）显示。,（2）同步脉冲触发器,同步脉冲触发器用于触发三相全控整流桥的6个晶闸管，同步6脉冲触发器可以给出双脉冲, 双脉冲间隔为60,触发器输出的16号脉冲依次送给三相全控整流桥对应编号的6个晶闸管.,同步脉冲触发器包括同步电源和

10、六脉冲触发器两个部分,alpha_deg：此端子为脉冲触发角控制信号输入； AB, BC, CA：三相电源的三相线电压输入即Vab, Vbc, and Vca； Block：触发器控制端，输入为“0”时开放触发器， 输入大于零时封锁触发器； Pulses：6脉冲输出信号。 alpha_deg为30度时双6脉冲同步触发器的输入输出信号,6脉冲同步触发器参数设置,Frequency of synchronization voltages(Hz)：同步电压频率（赫兹）； Pulse width(degrees) ：触发脉冲宽度（角度）； Double pulsing：双脉冲触发选择。,三相线电压具体

11、实现是通过Voltage Measurement（电压测量）模块， 电压测量模块可以将电路中两个节点的电压值，并提供其他电路或者用于输出,（3）其他模块,主回路负载这里为了模拟直流电动机模型，选择电阻、电感与直流反电动势构成，电阻、电感模型选择RLC串联分支实现。直流反电动势通过直流电源实现，因为电流反向的原因需要将其设为负值实现反电动势功能。三相交流电源通过三个频率50、幅值220、相位滞后120交流电压源实现。再加入相应的测量模块和输出模块，完成电气连接。,仿真算法选择ode23s算法,仿真时间为0 0.05 秒，其他参数为默认值。在负载选择R1欧、L1mH，反电动势V5V时进行仿真。,3

12、.3基于PWM技术逆变器及其仿真,3.3.1 PWM技术逆变器原理,3.3.2基于PWM技术逆变器仿真,PWM发生器,MATLAB在SimPowerSystems工具箱的Extras库中Control Blocks子库下的PWM发生器（PWM Generator ）,Signal（s）：当选择为调制信号内部产生模式时，无需连接此端子；当选择为调制信号外部产生模式时，此端子需要连接用户定义的调制信号。 Pulses：根据选择主电路桥臂形式，定制产生2，4，6，12路PWM脉冲。,PWM发生器参数设置,Generator Mode： 分别选择为1-arm bridge（2 pulses）、2-ar

13、m bridge（4 pulses）、3-arm bridge（6 pulses）、double 3-arm bridge（6 pulses）。 Carrier frequency (Hz)：载波频率 Internal generation of modulating signal (s)：调制信号内、外产生方式选择信号。 Modulation index (0 m 1) ：调制索引值m，调制信号内产生方式下可选，其范围在01之间。大小决定输出信号的复制。 Frequency of output voltage (Hz)：调制信号内产生方式下可选，输出电压的频率设定 Phase of outp

14、ut voltage (degrees)：调制信号内产生方式下可选，输出电压初始相位值设定。,（2）逆变器模型,逆变器模型采用通用桥臂构成,（3）电源模型,由于逆变器模型为双极性方式，输入典型选择正负两相直流电压源，实现过程将两个直流电压源串联连接，中间接地。二者都设定为20伏。,（4）其他模型 在模型窗口中增加输入与输出型中性接地模块各一只；逆变器负载选择LRC串联分支，参数为R1欧，L2mH，Cinf；以及输入、输出接地模块和相关的测量和输出模块。,（5）仿真设置与结果输出 参照模型图进行电气连线完成模型的建立，仿真算法选择ode15s算法，仿真时间为0-0.05秒，其他参数为默认值。,3

15、.4交流调压器及应用仿真,1.电阻性负载的交流调压器,2.电阻电感性负载的交流调压器,3.晶闸管交流调压器的仿真,主要模块参数设置： 交流峰值电压为100V、初相位为0、频率为50HZ； 晶闸管参数进行设置：Ron=0.001；Lon=0H；Vf=0；Rs=20；Cs=4e-6F，RC缓冲电路Lon=0.01H； 负载RLC分支，电阻性负载时，R=2，L=0H，C =inf； 脉冲发生器：Pulse 和Pulse1模块中的脉冲周期为0.02s,脉冲宽度设置为脉宽的确10%，脉冲高度为12，脉冲移相角通过“相位角延迟”对话框进行设置。,4.晶闸管单相交流调压电路的仿真结果 仿真算法选择为ode23tb算法，仿真时间设置为0-0.03s，开始仿真。给出了移相控制角等于60和120时带电阻负载和电感负载时，负载上的电流、电压波形以及触发脉冲波形。,控制角为60时的电阻性负载电流、电压和脉冲波形,控制角120时的电阻性负载电流、电压和脉冲波形,3.4直流斩波器及应用仿真,直流斩波包括降压斩波电路、升压斩波电路，升降压斩波电路。,1.降压斩波电路的模型及工作原理,2.降压式（Buck）变