电力电子技术及应用 课件 第11-13章 电压型逆变电路虚拟仿真、直流-直流变流电路虚拟仿真、单相交流调压电路虚拟仿真

10.1三相半波整流电路虚拟仿真

10.2三相桥式整流电路虚拟仿真11.1电压型单相半桥逆变电路虚拟仿真电压型单相半桥逆变电路仿真过程如下：(1)启动Simulink仿真界面，单击仿真界面菜单栏中的“SimulinkLibraryBrowser”按键，打开“SimulinkLibraryBrowser”仿真模型库。(2)在“SimulinkLibraryBrowser”仿真模型库中搜寻直流电压源(2个)、绝缘栅双极型晶体管(2个)、脉冲触发器(2个)、电阻电感负载、电压测量仪、电流测量仪、示波器、电力系统仿真等几个模块，在仿真模型库左上角的搜索栏输入与之对应的英文名称进行搜索，元件对应的英文名称分别为DCVoltageSource、IGBT、PulseGenerator、SeriesRLCBranch、VoltageMeasurement、CurrentMeasurement、Scope、Powergui。将这些元件从“SimulinkLibraryBrowser”仿真模型库界面拖动至Simulink仿真界面，并且根据电路图进行布局。(3)上述元件放置完成后，双击Simulink仿真界面中的SeriesRLCBranch模块，将负载调整为电阻电感负载RL。将示波器的输入端口调整为2个，便于观测RL负载两端电压uo及流过负载的电流io波形。修改完成后连线搭建仿真模型，最终连线搭建完成的电路模型如图11.1所示。由于IGBT模块中已有反并联的二极管，因此电路中无需再放置二极管。(4)电压型单相半桥逆变电路仿真模块结构搭建完成后，调整相关元器件参数。将电阻电感负载RL的电阻取值调整为1 Ω，电感取值调整为0.2 H。输入侧2个直流电压源(DCVoltageSource)的电压取值均调整为100 V。脉冲触发器(PulseGenerator1、2)中的幅值参数(Amplitude)调整为1 V，周期参数(Period)调整为0.02 s，脉冲宽度参数(PulseWidth)调整为50%，PulseGenerator1的Phasedelay参数调整为0，PulseGenerator2的Phasedelay参数调整为0.01。Simulink仿真界面菜单栏中的运行时间调整为1 s。(5)点击Simulink仿真界面菜单栏中的运行按键后，双击示波器，可得电阻电感负载RL两端电压uo的波形和电流io的波形，如图11.2所示。图11.2中第一行表示负载两端电压uo的波形，第二行表示流过负载的电流io波形，验证了理论分析部分所得的波形。11.2电压型单相全桥逆变电路虚拟仿真电压型单相全桥逆变电路仿真过程如下：(1)启动Simulink仿真界面，单击仿真界面菜单栏中的“SimulinkLibraryBrowser”按键，打开“SimulinkLibraryBrowser”仿真模型库。(2)在“SimulinkLibraryBrowser”仿真模型库中搜寻直流电压源、绝缘栅双极型晶体管、脉冲触发器、电阻电感负载、电压测量仪、电流测量仪、示波器、电力系统仿真模块，在仿真模型库左上角的搜索栏输入与之对应的英文名称进行搜索，元件对应的英文名称分别为DCVoltageSource、IGBT、PulseGenerator、SeriesRLCBranch、VoltageMeasurement、CurrentMeasurement、Scope、Powergui。将这些元件从“SimulinkLibraryBrowser”仿真模型库界面拖动至Simulink仿真界面。(3)元件放置完成后，双击Simulink仿真界面中的SeriesRLCBranch模块，将负载调整为电阻电感负载RL，示波器输入端口调整为2个，修改完成后连线搭建仿真模型，最终连线搭建完成的电路模型如图11.3所示。(4)电压型单相全桥逆变电路仿真模块结构搭建完成后，调整相关元器件参数。将电阻电感负载RL的电阻取值调整为1 Ω，电感取值调整为0.01 H。输入侧直流电压源(DCVoltageSource)的电压取值调整为100 V。脉冲触发器(PulseGenerator1、2、3、4)中的幅值参数(Amplitude)调整为1 V，周期参数(Period)调整为0.02 s，脉冲宽度参数(PulseWidth)调整为50%，PulseGenerator1、PulseGenerator4的Phasedelay参数调整为0 s，PulseGenerator2、PulseGenerator3的Phasedelay参数调整为0.01 s。Simulink仿真界面菜单栏中的运行时间调整为1 s。(5)点击Simulink仿真界面菜单栏中的运行按键后，双击示波器，同时使用示波器菜单栏中的zoomx按键，观察电路稳定工作后的波形图，可得稳定工作后，电阻电感负载RL两端电压uo、电流io的波形，如图11.4所示，验证了理论分析部分所得的波形。11.3电压型单相全桥逆变电路移相调压虚拟仿真电压型单相全桥逆变电路移相调压仿真过程如下：(1)启动Simulink仿真界面，单击仿真界面菜单栏中的“SimulinkLibraryBrowser”按键，打开“SimulinkLibraryBrowser”仿真模型库。(2)在“SimulinkLibraryBrowser”仿真模型库中搜寻直流电压源、绝缘栅双极型晶体管、脉冲触发器、电阻电感负载、电压测量仪、电流测量仪、示波器、电力系统仿真模块，在仿真模型库左上角的搜索栏输入与之对应的英文名称进行搜索，。将这些元件从“SimulinkLibraryBrowser”仿真模型库界面拖动至Simulink仿真界面。(3)元件放置完成后，连线搭建仿真模型，最终连线搭建完成的电路模型如图11.5所示。(4)电压型单相全桥逆变电路移相调压仿真模块结构搭建完成后，调整相关元器件参数。将电阻电感负载RL的电阻取值调整为1 Ω，电感取值调整为0.01 H。输入侧直流电压源(DCVoltageSource)的电压取值调整为100 V。脉冲触发器(PulseGenerator1、2、3、4)中的幅值参数(Amplitude)调整为1 V，周期参数(Period)调整为0.02 s，脉冲宽度参数(PulseWidth)调整为50%，由于要让V1、V4组的触发脉冲产生相位差，因此PulseGenerator1的Phasedelay参数调整为0 s，PulseGenerator4的Phasedelay参数调整为 -0.005 s，PulseGenerator2的Phasedelay参数调整为0.01 s，PulseGenerator3的Phasedelay参数调整为0.005 s。Simulink仿真界面菜单栏中的运行时间调整为1 s。(5)点击Simulink仿真界面菜单栏中的运行按键后，双击示波器，同时使用示波器菜单栏中的zoomx按键，观察电路稳定工作后的波形图，可得电阻电感负载RL两端电压uo、电流io的波形，如图11.6所示，验证了理论分析部分所得的波形。12.1降压斩波电路虚拟仿真

12.2升压斩波电路虚拟仿真

12.3升降压斩波电路虚拟仿真

12.4Cuk斩波电路虚拟仿真

12.5Zeta斩波电路虚拟仿真

12.6Sepic斩波电路虚拟仿真

12.7多相多重斩波电路虚拟仿真12.1降压斩波电路虚拟仿真降压斩波电路仿真过程如下：(1)启动Simulink仿真界面，单击仿真界面菜单栏中的“SimulinkLibraryBrowser”按键，打开“SimulinkLibraryBrowser”仿真模型库。(2)在“SimulinkLibraryBrowser”仿真模型库中搜寻直流电压源、绝缘栅双极型晶体管、脉冲触发器、二极管、电阻电感负载、电压测量仪、示波器、电力系统仿真等几个模块，在仿真模型库左上角的搜索栏输入与之对应的英文名称进行搜索，元件对应的英文名称分别为DCVoltageSource、IGBT、PulseGenerator、Diode、SeriesRLCBranch、VoltageMeasurement、Scope、Powergui。将这些元件从“SimulinkLibraryBrowser”仿真模型库界面拖动至Simulink仿真界面。(3)上述元件放置完成后，双击Simulink仿真界面中的SeriesRLCBranch模块，将负载调整为电阻电感负载RL。连线搭建仿真模型，最终连线搭建完成的电路模型如图12.1所示。(4)降压斩波电路仿真模块结构搭建完成后，调整相关元器件参数。将电阻电感负载RL的电阻取值调整为10 Ω，电感取值调整为2 H。输入侧直流电压源(DCVoltageSource)的电压取值调整为200 V。脉冲触发器(PulseGenerator)中的幅值参数(Amplitude)调整为1 V，周期参数(Period)调整为0.01 s，脉冲宽度参数(PulseWidth)调整为50%，Phasedelay参数调整为0 s。本次实验观测10个周期的波形，因此Simulink仿真界面菜单栏中的运行时间调整为0.1 s。(5)点击Simulink仿真界面菜单栏中的运行按键后，双击示波器，可得电阻电感负载两端电压uo波形，如图12.2所示，验证了理论分析部分所得的波形。12.2升压斩波电路虚拟仿真升压斩波电路仿真过程如下：(1)启动Simulink仿真界面，打开仿真界面菜单栏中的“SimulinkLibraryBrowser”仿真模型库。(2)在“SimulinkLibraryBrowser”仿真模型库中搜寻直流电压源、电感、绝缘栅双极型晶体管、脉冲触发器、二极管、电阻电容负载、电压测量仪、示波器、电力系统仿真等几个模块，在仿真模型库左上角的搜索栏输入与之对应的英文名称进行搜索。将这些元件拖动至Simulink仿真界面。上述元件放置完成后，双击Simulink仿真界面中的SeriesRLCBranch模块，调整成为电感L；双击ParallelRLCBranch模块，调整为电阻电容RC；示波器调整为2个输入端口，方便观测输出电压uo的波形和脉冲触发器(PulseGenerator)施加触发脉冲的波形。连线搭建仿真模型，最终连线搭建完成的电路模型如图12.3所示。(3)升压斩波电路仿真模块结构搭建完成后，调整相关元器件参数。将电感的取值调整为1e-4 H。电阻电容负载的R取值调整为5 Ω，C取值调整为1e-4 F。输入侧直流电压源(DCVoltageSource)的电压取值调整为50 V。脉冲触发器(PulseGenerator)中的幅值参数(Amplitude)调整为1 V，周期参数(Period)调整为2e-4 s，脉冲宽度参数(PulseWidth)调整为50%，Phasedelay参数调整为0 s。Simulink仿真界面菜单栏中的运行时间调整为0.01 s，用于多观察几个周期的波形。(4)点击Simulink仿真界面菜单栏中的运行按键后，双击示波器，同时可使用示波器菜单栏中的zoomx按键，来更加完整地观察电路稳定工作后的波形。由以上操作可得电路稳定工作后施加触发脉冲的波形和电压uo的波形，如图12.4所示，如果示波器显示的Y轴电压值范围过大，可通过第8章中介绍的元件操作方式，对示波器显示范围进行调整。由图12.4中可以观测到输出电压取值在100 V左右，而输入电压E在上文中给定为50 V，因此实现升压作用，由于电容C不断地充电放电，因此输出电压波形不会为一条平直的直线，平直的直线只有在理想状态下才可能实现。电路稳定工作前输出波形会有波动，图12.4中截取的仅为电路已经稳定工作的波形。12.3升降压斩波电路虚拟仿真升降压斩波电路仿真过程如下：(1)启动Simulink仿真界面，点击仿真界面菜单栏中的“SimulinkLibraryBrowser”按键，打开“SimulinkLibraryBrowser”仿真模型库。(2)在“SimulinkLibraryBrowser”仿真模型库中搜寻直流电压源E、绝缘栅双极型晶体管、电感L、脉冲触发器、二极管VD、电阻电容负载RC、电流测量仪、示波器、电力系统仿真等几个模块，元件放置完成后，修改仿真界面中的SeriesRLCBranch模块，调整成电感L；修改ParallelRLCBranch模块，调整成电阻电容负载RC；将示波器调整为具有3个输入端口，以便于观测理论分析中电流i1、电流i2的波形，以及脉冲触发器施加的触发脉冲的波形。连线搭建仿真模型，最终连线搭建完成的电路模型如图12.5所示。(3)升降压斩波电路仿真模块结构搭建完成后，调整相关元器件参数。将直流电压源E的电压取值调整为20 V；电感L的取值调整为3e-3 H；电阻电容负载RC的电阻取值调整为1 Ω，电容取值调整为2e-3 F；脉冲触发器中的幅值参数(Amplitude)调整为1 V，周期参数(Period)调整为20e-6 s，脉冲宽度(PulseWidth)调整为50%，Phasedelay调整为0 s；Simulink仿真界面菜单栏中的模拟运行时间调整为0.1 s。(4)点击Simulink仿真界面菜单栏中的运行按键后，打开示波器，可得脉冲触发器(PulseGenerator)施加触发脉冲(第一行)、电流i1 (第二行)、电流i2 (第三行)的波形，如图12.6所示，使用者可根据需要调整示波器的Y轴大小。仿真所得的波形和理想情况下得到的波形有些许出入，原因是理想情况下，电感L、电容C已经存储有一定的能量，但实际电路刚开始工作时L与C并未储能。12.4Cuk斩波电路虚拟仿真Cuk斩波电路仿真过程如下：(1)启动Simulink仿真界面，点击仿真界面菜单栏中的“SimulinkLibraryBrowser”按键，打开“SimulinkLibraryBrowser”仿真模型库。(2)在“SimulinkLibraryBrowser”仿真模型库中搜寻直流电压源E、绝缘栅双极型晶体管、电感L(2个)、电容C(1个)、电阻负载R(1个)、脉冲触发器、二极管VD、电压测量仪、示波器、电力系统仿真等几个模块，元件对应的英文名称为：DCVoltageSource、IGBT、4个SeriesRLCBranch(分别调整为L负载模块、C负载模块、R负载模块)、PulseGenerator、Diode、VoltageMeasurement、Scope、Powergui。搜寻上述元件模块，拖动至Simulink仿真界面并进行导线连接，连线结果如图12.7所示。注意图12.7中所示，由于负载R两端电压与直流电压源E极性相反，因此在仿真时相应调整了电压测量仪的方向，将默认的电压测量仪方向做了上下对称，调整方式为：选中电压测量仪，右击后在弹出的选项栏中选择“Rotate&Flip”，再选择上下镜像(Up-Down)即可。(3)导线连接完成后，调整模拟仿真电路中各个模块的参数。将直流电压源(DCVoltageSource)的电压参数设置为100 V；脉冲触发器(PulseGenerator)的振幅参数(Amplitude)设为2 V，周期参数(Period)设为30e-7 s，一个周期内脉冲的占空比(PulseWidth)设为20%；电感L1设置为0.01 H，电容C设置为100e-6 F，电感L2设置为0.08 H，电阻R取为3 Ω。Simulink仿真界面菜单栏中的运行时间参数调整为0.8 s。根据Cuk斩波电路输出电压Uo的计算公式可得，当占空比参数α设置为20%时，电路实现降压功能，输出电压Uo的理论取值为25 V，如图12.8中波形所示，电路工作稳定后，仿真得出的波形近似等于25 V，理论分析部分得到验证。电路稳定工作前输出波形会有波动，图12.8中截取的仅为电路已经稳定工作的波形。12.5Zeta斩波电路虚拟仿真Zeta斩波电路仿真过程如下：(1)启动Simulink仿真界面，点击仿真界面菜单栏中的“SimulinkLibraryBrowser”按键，打开“SimulinkLibraryBrowser”仿真模型库。(2)在“SimulinkLibraryBrowser”仿真模型库中搜寻直流电压源E(DCVoltageSource)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、二极管VD(Diode)、电感L(2个)、电容C(2个)、电阻负载R(SeriesRLCBranch)、脉冲触发器(PulseGenerator)、电压测量仪(VoltageMeasurement)、示波器(Scope)、电力系统仿真(Powergui)等。搜寻上述元件模块并拖动至Simulink仿真界面。元件放置完成后并连线，搭建完成的仿真电路模块如图12.9所示。(3)Zeta斩波电路仿真模块结构搭建完成后，调整各个模块的参数。将直流电压源(DCVoltageSource)的电压参数设置为100 V；脉冲触发器(PulseGenerator)的振幅参数(Amplitude)设为1 V，周期参数(Period)设为30e-7 s，一个周期内脉冲的占空比(PulseWidth)设为30%；电感L1设为2e-4 H，电感L2设为1e-4 H，电容C1设为1e-4 F，电容C2设为1e-3 F，电阻R取为0.1 Ω。Simulink仿真界面菜单栏中的运行时间参数调整为0.2 s。根据Zeta斩波电路输出电压Uo的计算公式可得，当占空比α设置为30%时，电路实现降压功能，输出电压Uo的理论取值为42 V，如图12.10中波形所示，电路工作稳定后，仿真得出的波形近似等于42 V，理论分析部分得到验证。电路稳定工作前输出波形会有波动，图12.10中截取的仅为电路已经稳定工作的波形。12.6Sepic斩波电路虚拟仿真Sepic斩波电路仿真过程如下：(1)启动Simulink仿真界面，点击仿真界面菜单栏中的“SimulinkLibraryBrowser”按键，打开“SimulinkLibraryBrowser”仿真模型库。(2)在“SimulinkLibraryBrowser”仿真模型库中搜寻直流电压源(DCVoltageSource)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、二极管VD(Diode)、电感L1和L2、电容C1和C2、电阻负载R(SeriesRLCBranch)、脉冲触发器(PulseGenerator)、电压测量仪(VoltageMeasurement)、示波器(Scope)、电力系统仿真(Powergui)。搜寻上述元件模块，拖动至Simulink仿真界面并连线搭建电路，最终连线搭建完成的电路模型如图12.11所示。(3)仿真电路搭建完成后，调整各个模块的参数。将直流电压源(DCVoltageSource)的电压参数设置为50 V；脉冲触发器(PulseGenerator)的振幅参数(Amplitude)设为1 V，周期参数(Period)设为30e-7 s，一个周期内脉冲的占空比(PulseWidth)设为30%；电感L1设为2e-4 H，电感L2设为1e-4 H，电容C1设为1e-4 F，电容C2设为1 e-3 F，电阻R取为0.1 Ω。Simulink仿真界面菜单栏中的运行时间参数调整为0.2 s。根据Sepic斩波电路输出电压Uo的计算公式可得，当占空比α设置为30%时，电路实现降压功能，输出电压Uo的理论取值为42 V，如图12.12中波形所示，电路工作稳定后，仿真得出的波形近似等于42 V，理论分析部分得到验证。电路稳定工作前输出波形会有波动，图12.12中截取的仅为电路已经稳定工作的波形。12.7多相多重斩波电路虚拟仿真多相多重斩波电路仿真过程如下：(1)启动Simulink仿真界面，点击仿真界面菜单栏中的“SimulinkLibraryBrowser”按键，打开“SimulinkLibraryBrowser”仿真模型库。(2)在“SimulinkLibraryBrowser”仿真模型库中搜寻直流电压源(DCVoltageSource)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT，3个)、二极管VD(Diode，3个)、电感(3个)、电阻负载R(SeriesRLCBranch)、脉冲触发器(PulseGenerator，3个)、电流测量仪(CurrentMeasurement，4个)、示波器(Scope)、电力系统仿真(Powergui)等。搜寻上述元件模块，拖动至Simulink仿真界面并连线搭建电路，最终连线搭建完成的电路模型如图12.13所示。(3)仿真电路搭建完成后，调整各个模块的参数。将直流电压源(DCVoltageSource)的电压参数设置为50 V；脉冲触发器(PulseGenerator)的振幅参数(Amplitude)设为1 V，周期参数(Period)设为0.02 s，一个周期内脉冲的占空比(PulseWidth)设为50%；电感L1、L2、L3均设置为0.1 H，电阻R取为1 Ω。Simulink仿真界面菜单栏中的运行时间参数调整为1 s。已知V1在0°时开始给导通信号，V2在120°时开始给导通信号，V3在240°时开始给导通信号，脉冲触发器(PulseGenerator)中的Phasedelay参数需要进行换算，一个周期360°对应0.02 s，因此换算可得V1在0 s时开始给导通信号，V2在1/150 s时开始给导通信号，V3在1/75 s时开始给导通信号，将这些参数依次填入PulseGenerator1、PulseGenerator2、PulseGenerator3中的Phasedelay栏即可。(4)点击Simulink仿真界面菜单栏中的运行按键后，双击示波器，可得5.7节理论分析输出的4种电流i1、i2、i3、io波形，如图12.14所示，示波器前三行分别为i1、i2、i3的波形，最后一行为io的波形，可以观测得出，电流io脉动幅值平缓很多，而频率则有所上升。电路稳定工作前输出波形会有波动，图12.14中截取的仅为电路已经稳定工作的波形。13.1单相交流调压电路(带电阻负载)虚拟仿真

13.2单相交流调压电路(带电阻电感负载)虚拟仿真13.1单相交流调压电路(带电阻负载)虚拟仿真单相交流调压电路(带电阻负载)仿真过程如下：(1)启动Simulink仿真界面，打开“SimulinkLibraryBrowser”仿真模型库。(2)在“SimulinkLibraryBrowser”仿真模型库中搜寻单相交流电压源、电阻负载、晶闸管(VT1和VT2)、脉冲触发器(2个)、电压测量仪(2个)、电流测量仪、示波器、电力系统仿真等几个模块，用对应的英文名称进行搜索，元件对应的英文名称分别为ACVoltageSource、SeriesRLCBranch、Thyristor、PulseGenerator、VoltageMeasurement、CurrentMeasurement、Scope、Powergui。将这些元件从“SimulinkLibraryBrowser”仿真模型库界面拖动至Simulink仿真界面，放置于合适的位置后并连线，最终连线搭建完成的电路模型如图13.1所示。(3)单相交流调压电路(带电阻负载)仿真模块结构搭建完成后，调整相关元器件参数。本次仿真需要调整单相交流电压源(ACVoltageSource)、电阻负载(SeriesRLCBranch)、脉冲触发器(PulseGenerator)三个元件模块的参数。将单相交流电压源(ACVoltageSource)中的峰值电压参