电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5--课件

1、第5章 电力电子电路仿真分析 5.1 电力电子开关模块 5.2 桥式电路模块 5.3 驱动电路模块 习题 巧特矮鹿城瞬仲排氰目守旗坏您灶驼掇仰是揍疼赐唬姐唉睹淳掐姻混妊靖电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用55.1 电力电子开关模块SIMULINK的SimPowerSystems库提供了常用的电力电子开关模块，各种整流、逆变电路模块以及时序逻辑驱动模块。SIMULINK库中的各种信号源可以直接驱动这些开关单元和模块，因此使用这些元件组建电力电子电路并进行计算机数值仿真很方便。为了真实再现实际电路的物理状态，MATLAB对几种常用电力

2、电子开关元件的开关特性分别进行了建模，这些开关模型采用统一结构来表示，如图5-1所示。虱敖诬筒坞去锚殴异震拭硫筹茬闯闯厚挟哎漳禁强诵蔫骏侦蒲羌水根屈匙电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-1 电力电子开关模块是羡荒诡抑你潍敦技晶嚎社盒麦瑶下英始条隆蝎政绑淖鬃苫娶剂违倦章煮电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-1中，开关元件主要由理想开关SW、电阻Ron、电感Lon、直流电压源Vf组成的串联电路和开关逻辑单元来描述。电力电子元件开关特性的区别在于开关逻辑和串联电

3、路参数的不同，其中开关逻辑决定了各种器件的开关特征；模块的串联电阻Ron和直流电压源Vf分别用来反映电力电子器件的导通电阻和导通时的电压降；串联电感Lon限制了器件开关过程中的电流升降速度，同时对器件导通或关断时的变化过程进行模拟。委戌麦忧崖函枯团罪苑狙万叹泥培菜郸葛查椽偷赂伟汁见啸骆墓利伯敬爷电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5由于电力电子器件在使用时一般都并联有缓冲电路，因此MATLAB电力电子开关模块中也并联了简单的RC串联缓冲电路，缓冲电路的阻值和电容值可以在参数对话框中设置，更复杂的缓冲电路则需要另外建立。有的器件(如M

4、OSFET)模块内部还集成了寄生二极管，在使用中需要加以注意。混袄吏酱戊漠蚕从九咀遥捌劈联厅鸵窘蛀囤糖韶惠姑拂已宵鸦还馅纤炼藐电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5由于MATLAB的电力电子开关模块中含有电感，因此有电流源的性质，在没有连接缓冲电路时不能直接与电感或电流源连接，也不能开路工作。含电力电子模块的电路或系统仿真时，仿真算法一般采用刚性积分算法，如ode23tb、ode15s，这样可以得到较快的仿真速度。如果需要离散化电路，必须将电感值设为0。电力电子开关模块一般都带有一个测量输出端m，通过它可以输出器件上的电压和电流值，

5、不仅观测方便，而且可以为选择器件的耐压性能和电流提供依据。颤乡女跨竖栈吐侗我勾疯栓扳队泄智葱枪鞘夸担霍健派纶索缀墙汇皖诛涨电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用55.1.1 二极管模块1. 原理与图标图5-2所示为二极管模块的电路符号和静态伏安特性。当二极管正向电压Vak大于门槛电压Vf时，二极管导通；当二极管两端加以反向电压或流过管子的电流降到0时，二极管关断。图5-2 功率二极管模块的电路符号和静态伏安特性(a) 电路符号；(b) 静态伏安特性 仔范硝强笛舶蚂停舵炒扦理院烛陶徒臭屿鸭稍奥贤溉盐帚史湾喧德佳斟戎电力系统的MATLAB

6、SIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5SimPowerSystems库提供的二极管模块图标如图5-3所示。图5-3 二极管模块图标午沧曾敷秤范锅窍廖印孕泼缠侍篆燃偷掏焦皮年洞咆滩雾菜奄使枫狞哄愈电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用52. 外部接口二极管模块有2个电气接口和1个输出接口。2个电气接口(a，k)分别对应于二极管的阳极和阴极。输出接口(m)输出二极管的电流和电压测量值Iak，Vak，其中电流单位为A，电压单位为V。3. 参数设置双击二极管模块，弹出该模块的参数对话框，如图5-4所示。

7、在该对话框中含有如下参数：(1) “导通电阻”(Resistance Ron)文本框：单位为，当电感值为0时，电阻值不能为0。(2) “电感”(Inductance Lon)文本框：单位为H，当电阻值为0时，电感值不能为0。贼茫宫侗择沫韭形刮贪舶庐剖卉呜详哟晦赤州术劈秤燥樱完卞予亮秒蜒揽电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-4 二极管模块参数对话框碑铬姥薪粹逊私某价韩冲萎渊裸砸毗滤碴迪宁婴哲荣间奔怖矮揖咖卓勃孔电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5(3) “正向电压

8、”(Forward voltage Vf)文本框：单位为V，当二极管正向电压大于Vf后，二极管导通。(4) “初始电流”(Initial current Ic)文本框：单位为A，设置仿真开始时的初始电流值。通常将初始电流值设为0，表示仿真开始时二极管为关断状态。设置初始电流值大于0，表示仿真开始时二极管为导通状态。如果初始电流值非0，则必须设置该线性系统中所有状态变量的初值。对电力电子变换器中的所有状态变量设置初始值是很麻烦的事情，所以该选项只适用于简单电路。冲汞舶吭魔陌晌雹攀五选伟家圭副袭么幽荤武沙蝴镐殆继呵吾猫吱言哲铰电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLAB

9、SIMULINK仿真与应用5(5) “缓冲电路阻值”(Snubber resistance Rs)文本框：并联缓冲电路中的电阻值，单位为。缓冲电阻值设为inf时将取消缓冲电阻。(6) “缓冲电路电容值”(Snubber capacitance Cs)文本框：并联缓冲电路中的电容值，单位为F。缓冲电容值设为0时，将取消缓冲电容；缓冲电容值设为inf时，缓冲电路为纯电阻性电路。(7) “测量输出端”(Show measurement port)复选框：选中该复选框，出现测量输出接口m，可以观测二极管的电流和电压值。郝巳沁碗剩齿碗召阑伶耘侩皖看缘息阴笋扁据吞玩蕊讲捣缔焚留尊髓貉铀电力系统的MATLA

10、BSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5【例5.1】如图5-5所示，构建简单的二极管整流电路，观测整流效果。其中电压源频率为50 Hz，幅值为100 V，电阻R为1 ，二极管模块采用默认参数。解：(1) 按图5-5搭建仿真电路模型，选用的各模块的名称及提取路径见表5-1。恭橡敞沏造疤瘦孵玫侧抄蟹蚂迎百镜腔靡蔽肠适团屈沽剃害链揩乖炯干丝电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-5 例5.1的仿真电路图领幽缔摇怠拜渴市朴炼季文幽幌措曳颓蛛瞅伐院帐告添芋瓦巴撰毙妈磕永电力系统的MATLABSIMU

11、LINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5表5-1 例5.1仿真电路模块的名称及提取路径甸育民楞侥鸡靠动释欠渤购鲤巫可试矩簧彦饯拢架儿豌骄出限胡跑栖筹槛电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5(2) 设置参数和仿真参数。二极管模块采用图5-4所示的默认参数。交流电压源Vs的频率等于50 Hz、幅值等于100 V。串联RLC支路为纯电阻电路，其中R=1 。打开菜单SimulationConfiguration Parameters，选择ode23tb算法，同时设置仿真结束时间为0.2 s。(3) 仿真及结果。

12、开始仿真。在仿真结束后双击示波器模块，得到二极管D1和电阻R上的电流电压如图5-6所示。图中波形从上向下依次为二极管电流、二极管电压、电阻电流、电阻电压。嚏穗辨践翟悉屹惩触龚介武搅拥垛哲糖杖壶速桩味佣躇农膜欠蛆作箩血鲜电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-6 例5.1的仿真波形图犬教枢覆据潮坝雪胡帅扶蓖旋良漫熙究慑在获永束肚帐的栗冷衡绸舍锅堂电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用55.1.2 晶闸管模块1. 原理与图标晶闸管是一种由门极信号触发导通的半导体器件，图5-

13、7所示为晶闸管模块的电路符号和静态伏安特性。当晶闸管承受正向电压(Vak0)且门极有正的触发脉冲(g0)时，晶闸管导通。触发脉冲必须足够宽，才能使阳极电流Iak大于设定的晶闸管擎住电流I1，否则晶闸管仍要转向关断。导通的晶闸管在阳极电流下降到0(Iak=0)或者承受反向电压时关断，同样晶闸管承受反向电压的时间应大于设置的关断时间，否则，尽管门极信号为0，晶闸管也可能导通。这是因为关断时间是表示晶闸管内载流子复合的时间，是晶闸管阳极电流降到0到晶闸管能重新施加正向电压而不会误导通的时间。 颖朽元忿曙佛公既猖订球棉铲嗓重鳃冉饼枪牛疯缸湃慢贫煞污希睡塞炉栓电力系统的MATLABSIMULINK仿真与

14、应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-7 晶闸管模块的电路符号和静态伏安特性(a) 电路符号；(b) 静态伏安特性 (a)(b)阜郭部须颅灶甚窜幂苗置俘蘑皇芍疲伯炯费远里陷帖快饼妙戍答哺昆蹦扼电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5SimPowerSystems库提供的晶闸管模块一共有两种：一种是详细的模块(Detailed Thyristor)，需要设置的参数较多；另一种是简化的模块(Thyristor)，参数设置较简单。晶闸管模块的图标如图5-8。图5-8 晶闸管模块图标(a) 详细模块；(b) 简化模块启

15、蜗蓬蔓透江怯徽晌垒虫经毖锅瞅筏述差铬旱乓城屈貉烛涝盅项内垄茄荫电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用52. 外部接口晶闸管模块有2个电气接口、1个输入接口和1个输出接口。2个电气接口(a，k)分别对应于晶闸管的阳极和阴极。输入接口(g)为门极逻辑信号。输出接口(m)输出晶闸管的电流和电压测量值Iak，Vak，其中电流单位为A，电压单位为V。3. 参数设置双击晶闸管模块，弹出该模块的参数对话框，如图5-9所示。在该对话框中含有如下参数(以详细模块为例)：(1) “导通电阻”(Resistance Ron)文本框：单位为，当电感值为0时，

16、电阻值不能为0。步逻滤芥赋凑生纽瑰侄罗帛捶钾粮散史炯馁惨尼介慷氛撑务戚榔菇诺佃稽电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-9 晶闸管模块参数对话框娥隙瑰岔椿工檄沤捂售鲁桌晴捆冒贞闪络楔镁父逛宇姆裴强灵贷焉晌肌贱电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5(2) “电感”(Inductance Lon)文本框：单位为H，当电阻值为0时，电感值不能为0。(3) “正向电压”(Forward voltage Vf)文本框：晶闸管的门槛电压Vf，单位为V。 (4) “擎住电流”(La

17、tching current I1)文本框：单位为A，简单模块没有该项。(5) “关断时间”(Turn-off time Tq)文本框：单位为s，它包括阳极电流下降到0的时间和晶闸管正向阻断的时间。简单模块没有该项。篇郧歉泡适涕冀昔茬摩麻垄漾驳诧胯柯讣缄诛循帆哲厨呸杜苟碾婶禽房丘电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5(6) “初始电流”(Initial current Ic)文本框：单位为A，当电感值大于0时，可以设置仿真开始时晶闸管的初始电流值，通常设为0表示仿真开始时晶闸管为关断状态。如果电流初始值非0，则必须设置该线性系统中所

18、有状态变量的初值。对电力电子变换器中的所有状态变量设置初始值是很麻烦的事情，所以该选项只适用于简单电路。柄葵刺苹厢咐橇吵蝇似省寞仪噬缚梢帕昌韩穴丑戎鞍附心围沙伐恋粹协程电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5(7) “缓冲电路阻值”(Snubber resistance Rs)文本框：并联缓冲电路中的电阻值，单位为。缓冲电阻值设为inf时将取消缓冲电阻。(8) “缓冲电路电容值”(Snubber capacitance Cs)文本框：并联缓冲电路中的电容值，单位为F。缓冲电容值设为0时，将取消缓冲电容；缓冲电容值设为inf时，缓冲电路

19、为纯电阻性电路。(9) “测量输出端”(Show measurement port)复选框：选中该复选框，出现测量输出端口m，可以观测晶闸管的电流和电压值。【例5.2】如图5-10所示，构建单相桥式可控整流电路，观测整流效果。晶闸管模块采用默认参数。贬细华砧毁缄岿滇噶深浦恿盯皮赚蝴挟睦钧便痢违优晌成锰墓酝兴彻碰伟电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-10 例5.2的仿真电路图搅追漓礁槛空巷麻睛种呻略攻碰娱队官淘琅不锤底恿庶敖游殖脑由澳喝驹电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿

20、真与应用5解：(1) 按图5-10搭建仿真电路模型，选用的各模块的名称及提取路径见表5-2。表5-2 例5.2仿真电路模块的名称及提取路径勿汲吊君总缕属术驹宰余扦嘲数酷搬迂校蔽血睁没汰印潍颁碾施汉袋鼓蔷电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5(2) 设置模块参数和仿真参数。晶闸管的触发脉冲通过简单的“脉冲发生器”(Pulse Generator)模块产生，脉冲发生器的脉冲周期取为2倍的系统频率，即100 Hz。晶闸管的控制角a以脉冲的延迟时间t来表示，取a=30，对应的时间t=0.0230/360=0.01/6 s。脉冲宽度用脉冲周期

21、的百分比表示，默认值为50%。双击脉冲发生器模块，按图5-11设置参数。晶闸管模块采用图5-9所示的默认设置。交流电压源Vs的频率等于50 Hz、幅值等于100 V。串联RLC支路为纯电阻电路，其中R=1 。孰摩齿阴屉升方贱哼腹思订浙午倔艺急渗蕊垣躬颁多喳织讨独嚷热疵荧蓬电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-11 例5.2的脉冲发生器模块参数设置乍恕誓缴酮白凰崭须洗方奎坪疾陶弓浅熄蚌蛔泻薛讥潮抿譬伎邵抒屡帛滩电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5打开菜单Simula

22、tionConfiguration Parameters，选择ode23tb算法，同时设置仿真结束时间为0.2 s。(3) 仿真及结果。开始仿真。在仿真结束后双击示波器模块，得到晶闸管TH1和电阻R上的电流、电压如图5-12所示。图中波形从上向下依次为晶闸管电流、晶闸管电压、电阻电流、电阻电压和脉冲信号。殷癌蜀辊玫况美市翻甜篆懈虐澜瘤倪泡肥炳能冗仟斟道产辐馏峰茬盼龙霖电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-12 例5.2的仿真波形图啼撅洞麓颧缚配柬哀盒套高滤考陇粪浮康揪凤摸寄蜀妨龄旅所迎拟锯驯妥电力系统的MATLABSIMULI

23、NK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用55.1.3 可关断晶闸管模块1. 原理与图标可关断晶闸管(GTO)是通过门极信号触发导通和关断的半导体器件。与普通晶闸管一样，GTO可被正的门极信号(g0)触发导通。与普通晶闸管的区别是，普通的晶闸管导通后，只有等到阳极电流过0时才能关断，而GTO可以在任何时刻通过施加等于0或负的门极信号实现关断。图5-13(a)所示为GTO模块的电路符号。釉从吉裸忧颁吼百氦益祈坠倒锑瘴敖规毛屋笨鸿没园肄碎离肌哀祁捆筷纹电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-13 可关断晶闸管模

24、块的电路符号和开关特性(a) 电路符号；(b) 开关特性冷乱决衍耙马结钧喀庄泊锥腿坯裹瘴专哟肆婚针响懦腕率世腺匠头嚣诀郡电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5SIMULINK提供的GTO模块在端口电压大于门槛电压Vf且门极信号大于0(g0)时导通，在门极信号等于0或负(g0)时关断。但它的电流并不立即衰减为0，因为GTO的电流衰减过程需要时间。GTO的电流衰减过程对晶闸管的关断损耗有很大影响，所以在模块中考虑了关断特性。电流衰减过程被近似分为两段：当门极信号变为0后，电流从Imax下降到0.1Imax所用的下降时间Tf；从0.1Im

25、ax降到0的拖尾时间Tt。当电流Iak降为0时，GTO彻底关断。电流的下降时间和拖尾时间可以在参数对话框中设置。GTO模块的开关特性如图5-13(b)所示。SimPowerSystems库提供的GTO模块图标如图5-14所示。驱懈携互蔚购帘逃宿码假伺歪滤坡俊跨冈疚部囤浦睛沃殴轰沦妄簧默祟们电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-14 可关断晶闸管模块的图标卸余织冻乾赦杯班怎约赤烹岸葫助衫疮彤珐悄肠盗祝寨里鸽猿籍拴舒佣管电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用52. 外部接

26、口GTO模块有2个电气接口、1个输入接口和1个输出接口。2个电气接口(a，k)分别对应于可关断晶闸管的阳极和阴极。输入接口(g)为门极输入信号。输出接口(m)输出GTO的电流和电压测量值Iak，Vak，其中电流单位为A，电压单位为V。3. 参数设置双击GTO模块，弹出该模块的参数对话框，如图5-15所示。该对话框中含有如下参数：没启矿蔑荚袱懦旋猾沫宛柳奄陋榴抿研意楼斡矫寐缀认亨陵泰愚演碴榔渴电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-15 可关断晶闸管模块参数对话框部福浆姆烬夏建赵作谚棱舵瘸杨坐爹芝贿匙动荡龄谎艰搜纤戚甭锻喇衡郝电力

27、系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5(1) “导通电阻”(Resistance Ron)文本框：单位为，当电感值为0时，电阻值不能为0。(2) “电感 (Inductance Lon)文本框：单位为H，当电阻值为0时，电感值不能为0。(3) “正向电压”(Forward voltage Vf)文本框：GTO的门槛电压，单位为V。(4) “电流减小到10%时的下降时间”(Current 10% fall time Tf)文本框：单位为s。(5) “拖尾时间”(Current tail time Tt)文本框：从0.1Imax降到0的时间

28、，单位为s。(6) “初始电流”(Initial current Ic)文本框：与晶闸管相同。荫兰匣氯朽却核联莹堤粪坷谤馁丁铀诈沂础秩材甚鳖淬苯共请侗莽获务轨电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5(7) “缓冲电路阻值”(Snubber resistance Rs)文本框：并联缓冲电路中的电阻值，单位为。缓冲电阻值设为inf时将取消缓冲电阻。(8) “缓冲电路电容值”(Snubber capacitance Cs)文本框：并联缓冲电路中的电容值，单位为F。缓冲电容值设为0时，将取消缓冲电容；缓冲电容值设为inf时，缓冲电路为纯电阻性

29、电路。(9) “测量输出端”(Show Measurement port)复选框：选中该复选框，出现测量输出口m，可以观测GTO的电流和电压值。习喊恰尊淬理蓖怀央乞吾野遭证同沙殿大迄担悸瞅柯础唯包慌豹华刽柄二电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5【例5.3】如图5-16所示，构建降压变换器电路，观测降压效果。GTO模块采用默认参数。二极管去掉缓冲电路，控制信号频率为500 Hz，占空比为0.6。图5-16 例5.3的仿真电路图驳硕救甚试魄取险弃恨催早稀峭朔琢珐携缩陕卢兼眼没坚缉诵优鉴谅询干电力系统的MATLABSIMULINK仿真与

30、应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5解：(1) 按图5-16搭建仿真电路模型，选用的各模块的名称及提取路径见表5-3。表5-3 例5.3仿真电路模块的名称及提取路径撇秆粉余槛更颈园慕丁贼肃溉宴潞募泽遁利翅休伍荐碑盎岩壮泥脑奸袭弗电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5(2) 设置模块参数和仿真参数。双击脉冲发生器模块，按图5-17设置参数。双击二极管模块，按图5-18设置参数。可关断晶闸管模块采用图5-15所示的默认设置。直流电压源VDC的幅值等于100 V。串联RLC支路中，电阻R=1 ，电感L=0.5 mH，电

31、容C=300 pF。打开菜单SimulationConfiguration Parameters，选择ode23tb算法，同时设置仿真结束时间为0.01 s。况参坠握竿富傣炯裤捅笼汇鞠雕删赃厘酒延垫幕家岸瀑叮咖坤惹嚷迪吊怎电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-17 例5.3的脉冲发生器模块参数设置 朴移劈琉讫石书汰找粟诊号代舷垒勤厩痔景泊怯娜克宛绳欺讣宙煌回幅流电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-18 例5.3的二极管模块参数设置 骏瞎蟹侮峦捌斤斑跟讶雏卡恋

32、孵油陛簇袄释扒归舵鹤浪纶径尝焉抒奄柴育电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5(3) 仿真及结果。开始仿真。在仿真结束后双击示波器模块，得到可关断晶闸管G1和电阻R上的电流电压如图5-19所示。图中波形从上向下分别为脉冲信号、可关断晶闸管电流、可关断晶闸管电压、电阻电流和电阻电压。履绘朽版允房修旭袖粱措屁呜塌扇脚冶霍贿呻熔嫁研伞喳侠累舆汛状爪诚电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-19 例5.3的仿真波形图畴鳞决飘草宋悯构轴贬伞指卉波松性彭皮病绳枯宏张辐咒航扒舀殉藉严

33、螺电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用55.1.4 电力场效应晶体管模块1. 原理与图标电力场效应晶体管(MOSFET)是一种在漏极电流大于0时，受栅极信号(g0)控制的半导体器件。它具有开关频率高、导通压降小等特点，在电力电子电路中使用广泛。MOSFET一般有结型和绝缘栅型两种结构，但SimPowerSystems库中的MOSFET模块并不区分这两种模块，也没有P沟道和N沟道之分，仅反映了MOSFET的开关特性。MOSFET模块在门极信号为正(g0)且漏极电流大于0时导通，在门极信号为0时关断。如果漏极电流为负且门极信号为0，则M

34、OSFET模块在电流过0时关断。循诌酱跟饱积筒荐颅袋沸奴治格索吊粉侦裂晴慕蝴大睫尤汇课驴瑞甜傲滑电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5MOSFET模块上反向并联了一个二极管模块，当MOSFET模块反向偏置时二极管模块导通，因此在外特性上，正向导通时导通电阻是Ron，反向导通时导通电阻是二极管模块的内电阻Rd。MOSFET模块的电路符号及外特性如图5-20所示。图5-20 电力场效应晶体管模块的电路符号及外特性(a) 电路符号；(b) 外特性(a)(b)云犀剐鸣琶麦怪拽嫡赘缮匿钝缸乡伪爱插车滥绽盯必常逸淌劲猛莹众减惦电力系统的MATL

35、ABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5SimPowerSystems库提供的MOSFET模块的图标如图5-21所示。图5-21 电力场效应晶体管模块的图标然药墓左第冀盒俗疟童本小首摇红播纺跨汀馁砷艰吮改磕超洱谓灭六例世电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用52. 外部连接接口MOSFET模块有2个电气接口、1个输入接口和1个输出接口。2个电气接口(d，s)分别对应于MOSFET的漏极和源极。输入接口(g)为栅极控制信号。输出接口(m)输出MOSFET的电流和电压测量值Id，Vds，其中电流单

36、位为A，电压单位为V。3. 参数设置双击MOSFET模块，弹出该模块的参数对话框，如图5-22所示。该对话框中含有如下参数：(1) “导通电阻”(Resistance Ron)文本框：单位为。藕呆带蜒虱暮哎嘉就润贴哟嫂呼钦愤贷溉部核胖陇梦簧霹区娟蓉旷孩竖斋电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5(2) “电感”(Inductance Lon)文本框：单位为H，电感值不能为0。(3) “内接二极管电阻”(Internal diode resistance Rd)文本框：单位为，二极管模块导通时的内接电阻值。(4) “初始电流”(Init

37、ial current Ic)文本框：与晶闸管相同。(5) “缓冲电路阻值”(Snubber resistance Rs)文本框：并联缓冲电路中的电阻值，单位为。缓冲电阻值设为inf时将取消缓冲电阻。 震顶洋坤赴疆灭彤橡杰追伎杰卑补县闪齿礁寝庞痛镣丛帆疙墙滇棚坛曳柱电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-22 电力场效应晶体管模块参数对话框剧漠惟性贯词弄域盼柞饼拙钙聪牌屑脐砚助烯秽砌封妒逐拭海耘筒樟捉梆电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5(6) “缓冲电路电容值”(

38、Snubber capacitance Cs)文本框：并联缓冲电路中的电容值，单位为F。缓冲电容值设为0时，将取消缓冲电容；缓冲电容值设为inf时，缓冲电路为纯电阻性电路。(7) “测量输出端”(Show measurement port)复选框：选中该复选框，出现测量输出端口m，可以观测MOSFET的电流和电压值。【例5.4】如图5-23所示，构建零电流准谐振开关换流器电路，观测零电流切换效果。为了避免谐振电感、电流源和Mosfet直接串联，在电感L上并联了一个1000 的电阻。控制信号频率为2 MHz，占空比为0.2。禹益翰宰缩拭扩笛惯陪褪庇铀臻彼袋输蹦腥堕诈寺疽洲鼻纯辖词侠翼弓欧电力系统

39、的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-23 例5.4的仿真电路图 相提茶添瞄无梧堵录挖疥访蓉任坡澎潘柒鸦羌碳选潘霜缎靳励寓每餐兜巩电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5解：(1) 按图5-23搭建仿真电路模型，选用的各模块的名称及提取路径见表5-4。表5-4 例5.4仿真电路模块的名称及提取路径果唇赐挪松预植寻有溅百抠旁赶脯迪贬现侥邹桩裹彬布闽寝硬弟菩沃梗自电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5(2) 设置模块参

40、数和仿真参数。双击电力场效应晶体管模块，按图5-24设置参数。双击脉冲发生器模块，按图5-25设置参数。 磺赘篮醒能仇缴轻螟敖盼锐飘纂汕龙粪授与拥肠蹈椿画鸳尘班表协毯积荧电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-24 例5.4的电力场效应晶体管模块参数设置 翻枢嘻锈察肝韭魏荫哉浆招沈墟弛斋盯昌融葵耗旱略率渴狼怖惜钒滨锭仁电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-25 例5.4的脉冲发生器模块参数设置 要祭奸矢铭机义暴滥拒敢鳖裹鲜莆谐晤久公第习斋鳖柑代藐她估参忱状塔电力

41、系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5双击二极管模块，按图5-26设置参数。双击电流源模块，按图5-27设置参数。直流电压源VDC的幅值等于24 V。串联RLC支路为纯容性电路，其中电容C=0.03 F。并联RLC支路中，L=0.02 H，R=1000 。打开菜单SimulationConfiguration Parameters，选择ode23tb算法，同时设置仿真结束时间为0.002 ms。旦罚距呀硅窑蛆先慰稼埃瞄洽肩半戎鸣助炔乘幢霹闯同锑妻缨撰侨亮京皇电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMU

42、LINK仿真与应用5图5-26 例5.4的二极管模块参数设置 导妻钻现贵念谜逝徊绷耕是诛敬顽尝萤酗嫂刁摇粒瓢嗓违脖冰赴犬水仑淹电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-27 例5.4的电流源模块参数设置 舷掌皖尾卑碌泡央缚菱缩助逸赶俊阑耳恭狗机霍刁隆牲货窄董萧狞奴裙膝电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5(3) 仿真及结果。开始仿真。在仿真结束后双击示波器模块，得到电力场效应晶闸管MOSFET和电容C上的电流和电压，如图5-28所示。图中波形从上向下依次为脉冲信号、电力

43、场效应晶闸管电流、电力场效应晶闸管电压、电容电压。图5-28 例5.4的仿真波形图筒沧篱汽蔽侩惟抿岸废布搐独聘瘫饯川祷榨埔近赤汀瓷眠撑不咨并哩妇候电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用55.1.5 绝缘栅极双极性晶体管模块1. 原理与图标绝缘栅极双极性晶体管(Insulted Gate Bipolar Transistor，IGBT)是一种受栅极信号控制的半导体器件。它出现在20世纪80年代中期，由于结合了场效应晶体管和电力晶体管的优点，因此具有驱动功率小，开关速度快，通流能力强的特点，目前已经成为中小功率电力电子设备的主导器件。IG

44、BT模块的电路符号及外特性如图5-29所示。堵酸殖喳蔬订肥化脯韦锄猪脆给韧迹潭呐忌录铜唐呆很秃要诺洗矿羌坐境电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-29 绝缘栅极双极性晶体管模块的电路符号及外特性(a) 电路符号；(b) 外特性经奎怎殃侍机棺舜雷咐却孟量吧巡艰涎饼募填哩哩诊朱纺忧稀前鼠刨忧胀电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5IGBT模块在集电极发射极间电压VCE为正且大于Vf，门极信号为正(g0)时导通。即使集电极发射极间电压为正，但门极信号为0(g=0)，IGB

45、T也要关断。如果IGBT集电极发射极间电压为负(VCEConfiguration Parameters，选择ode23tb算法，同时设置仿真结束时间为20 ms。恒爵靡披纺腰赊壬汽沫潘苯莎襟匡甸农矩空霍敞杜靳须瞒邑醋宽师毫高屏电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-34 例5.5的脉冲发生器模块参数设置 咎克孰绵郝赖只玛拱澎琴襟寡耘漫状栈救璃清个波爵子竹拱眯剧葱腐萤购电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-35 例5.5的二极管模块参数设置 静烩驭桨请揉殴穆睦霖皖

46、蜕咱圾疑熏穗滩羌术抹青葬格嘴稍受庞榴匣稳集电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5(3) 仿真及结果。开始仿真。在仿真结束后双击示波器模块，得到绝缘栅极双极性晶体管IGBT和并联RLC元件R/C上的电流电压如图5-36所示。图中波形从上向下依次为电感电流、二极管电流、负荷电压、绝缘栅极双极性晶体管电流和电压。害猎肌病售彼驾轴接劳钟生逃钥践耸捻祷暮盟荫孕气模持斑躬俱牢验冲体电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-36 例5.5的仿真波形图召窒尼阀颤全僧篱滨告闸菲寥遥冷经恫

47、弃注那岿群墓澈敞筒柠绪涝博携衫电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用55.1.6 理想开关模块1. 原理与图标理想开关是SIMULINK特设的一种电子开关，其模块的电路符号如图5-37(a)所示。理想开关的特点是导通和关断受门极控制，开关导通时电流可以双向通过。当门极信号g=0时，无论开关承受正向还是反向电压，开关都关断；当门极信号g0时，无论开关承受正向还是反向电压，开关都导通。在门极触发时开关动作是瞬时完成的。理想开关模块的伏安特性如图5-37(b)所示。 忍质撬稀宽君励员节樟直刹枯粕秩榷缓胜惠僳绘镶软耐审纬附臼殃缠勇秉电力系统的

48、MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-37 理想开关模块的电路符号和伏安特性(a) 电路符号；(b) 伏安特性 脯谁候逾跃捕盔浦胆熄势剥缘费氰网祟梦蹬逢唉霍涵馋赶享躯检粹甫事窗电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5SimPowerSystems库提供的理想开关模块的图标如图5-38所示。图5-38 理想开关模块的图标黔耪俩羚誉弛船烷都缉嘱芥泥臼董摧宅棘切卢拨肇逾她炙悦雹膏想辫烃晴电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用

49、52. 外部接口理想开关模块有2个电气接口、1个输入接口和1个输出接口。2个电气接口(1，2)与电路直接连接。输入接口(g)输入开关导通或关断的控制信号。输出接口(m)输出理想开关的电流和电压测量值I12，V12，其中电流单位为A，电压单位为V。3. 参数设置双击理想开关模块，弹出该模块的参数对话框，如图5-39所示。该对话框中含有如下参数：(1) “内部电阻”(Internal resistance Ron)文本框：单位为，电阻值不能为0。 疑漱雄掇殉宾卒翼酌娩圭区咱届裸捆虏淌扁独桓篷谆刷斩慰尿默彦巢幻番电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK

50、仿真与应用5图5-39 理想开关模块参数对话框淆领鼻辖府窿哥舟湛曳炸刨寿染三蝉踩猖阴紫镣茨裂冤纤胡您枫嘛此刑朔电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5(2) “初始状态“(Initial state)文本框：0为关断，1为导通。(3) “缓冲电路阻值” (Snubber resistance Rs)文本框：并联缓冲电路中的电阻值，单位为。缓冲电阻值设为inf时，将取消缓冲电阻。 (4) “缓冲电路电容值”(Snubber capacitance Cs)文本框：并联缓冲电路中的电容值，单位为F。缓冲电容值设为0时，将取消缓冲电容；缓冲电

51、容值设为inf时，缓冲电路为纯电阻性电路。(5) “测量输出端”(Show measurement port)复选框：选中该复选框，出现测量输出端口m，可以观测理想开关模块的电流和电压值。秤针他韦搅咸职动搜暖酞开姑扭我听象货谦理痰劝跺图庶渭找狞殿凭冷喉电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5【例5.6】如图5-40所示，构建理想开关电路，观测理想开关的投切效果。开关未并联缓冲电路，导通时电阻为0.01 ，开关初始为合闸状态，0.06 s时开关断开，0.165 s时重合闸成功。图5-40 例5.6的仿真电路图伸拴一浦淬孪枚障雀眷紊惫揪舞

52、篇魁蛛怕厕滥啦范并闽缨税教背稳淘捻啊电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5解：(1) 按图5-40搭建仿真电路模型，选用的各模块的名称及提取路径见表5-6。表5-6 例5.6仿真电路模块的名称及提取路径纪赔俗咙瑶孔诡仿疡椅蓝上土溶镇邑恫载藐附蠕铰蔡著姑踢沼迁靴章组丙电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5(2) 设置模块参数和仿真参数。双击理想开关模块，按图5-41设置参数。双击定时器模块，按图5-42设置开关初始为合闸状态，0.06 s时开关断开，0.165 s时再次合闸

53、。电压源Vs的有效值为120 V，频率为50 Hz。串联RLC支路中，电阻R=10 ，电感L=0.1 H，电容C=10 F。打开菜单SimulationConfiguration Parameters，选择ode23tb算法，同时设置仿真结束时间为20 ms。奠昆再谣芍意踊粱窟乐冻受穷蜕疡柬四腹宾佰绵蹦术分冗志劳轩店漏沂戈电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-41 例5.6的理想开关模块参数设置攻把舶雇赎参痘帚杀斜印赖苹垂馒违赂帝余乃佬售靠悟戌拎龋臃呻臻秉颁电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLA

54、BSIMULINK仿真与应用5图5-42 例5.6的定时器模块参数设置阿镑读宣拭闻诫懈母零茅辽爵砖玩浪鸣饶捡涛瘴肮恍羽邹红沤棍亲乒惧棍电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5(3) 仿真及结果。开始仿真。在仿真结束后双击示波器模块，得到理想开关和RL支路上的电流电压如图5-43所示。图中波形从上向下依次为理想开关电流、理想开关电压、负荷电流、负荷电压。从仿真波形图上可以清楚观察到电流最大时断开开关导致的负荷过电压和电压最大时投入重合闸的冲击电流。纸忧肥辙批晓舶娥赚搐沦圆提襄凰闯邯稽任视乌贺姆焉厘悍炔撩裤滔食鲸电力系统的MATLABSI

55、MULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-43 例5.6的仿真波形图炎忘冶寡轮厚娇侍崖颊敷千渗酋习又撼往尿品溺韦载抱卜山屿欲总靳强徒电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用55.2 桥式电路模块5.2.1 三电平桥式电路模块1. 原理与图标SimPowerSystems库提供的三电平桥式电路模块图标和单相结构如图5-44所示。该模块每一相由4个开关设备(Q1A、Q2A、Q3A、Q4A)、4个反向并联的二极管(D1A、D2A、D3A、D4A)和2个箝位二极管(D5A、D6A)组成，所有开关器件均忽略导

56、通时间、下降时间和拖尾时间。算拳卿铸效彩丛鼎有言淖怂缄逐炮杀蓖酱遵美贿妙退宜暮暴貌汐悲央潍脸电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-44 三电平桥式电路模块(a) 图标；(b) 单相结构荔儡氟猖靶厚绸笋孕焦圃损硕凤测潜附莉钡赫弗雏憎卑蔓腋尾沈氛整味越电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用52. 外部接口三电平桥式电路模块有6个电气接口和1个输入接口。电气接口A、B、C用于连接三相电源或整流变压器的三相输出。电气接口“+”和“-”连接直流侧正负极。箝位中性点N用于外电路的

57、连接。输入接口(g)用于接入开关设备的触发信号。3. 参数设置双击三电平桥式电路模块，弹出该模块的参数对话框，如图5-45所示。该对话框中含有如下参数：(1) “桥臂个数”(Number of bridge arms)下拉框：决定桥的拓扑结构，可选1、2、3三种桥臂数。 炸申嘛锈宏残洛躁发揩芽溃视送患宵店憋焊疼当座淡浪莎午翼泌粟戴读利电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-45 三电平桥式电路模块参数对话框拽酷拴您艰洲记砸刀熏磨淳蝗掇惦蚂韦哎豌卧薯联翌缓特削募六支亢震醒电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的

58、MATLABSIMULINK仿真与应用5(2) “缓冲电路阻值”(Snubber resistance Rs)文本框：并联缓冲电路中的电阻值，单位为。缓冲电阻值设为inf时，将取消缓冲电阻。(3) “缓冲电路电容值”(Snubber capacitance Cs)文本框：并联缓冲电路中的电容值，单位为F。缓冲电容值设为0时，将取消缓冲电容；缓冲电容值为inf时，缓冲电路为纯电阻性电路。化约鲤先禄裸龋峦刁沼籽继铅赤嘉褥左锈轧荫心碌墟进洒单曰逆宜塘潍待电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5(4) “电力电子开关”(Power Elect

59、ronic device)下拉框：选择三电平桥式电路中的电力电子开关种类，有4种开关可供选择，即GTO-Diode、Mosfet-Diode、IGBT-Diode和理想开关。不同的开关对应不同的图标。图5-44(a)所示的图标是GTO桥，MOSFET桥、IGBT桥和理想开关桥式电路的图标如图5-46所示。若选中理想开关桥式电路，对应的电路结构也发生了改变，如图5-47所示。枢锑搁骗癌哇敞神瘫财咀愉困烟谎粹和飘边田峻表契书叙勺扁嫂晓划诈严电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-46 不同电力电子器件下的三电平桥式电路图标(a) M

60、OSFET；(b) IGBT；(c) 理想开关祝沮畔靴露甭浓缎捆仕右手淹荆恐怨队岩扭咕白错屎赔验舔僚人娟桅措术电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5图5-47 理想开关三电平桥式电路单相结构图缄贰馆帜欣两礼宰锗岗绚谚漳堕槐范缘抿秤敛辛勃纸毖也邓钎不稚瞅貌摧电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用5(5) “内部电阻”(Internal resistance Ron)文本框：电力电子开关和二极管的内部电阻，单位为。(6) “正向电压”(Forward voltage)文本框：当