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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 5 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 图5 1电力电子开关模块 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
2、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 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MOSFET 模块内部还集成了寄生二极管 在使用中需要加以注意 由于MATLA
3、B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 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 5 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
4、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 SimPowerSystems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 2 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 在该对话框中含有如下参数 1 导通电阻 ResistanceRon 文本框 单位为 当电感值为0时 电阻值不能为0 2 电感 Inductance
5、Lon 文本框 单位为H 当电阻值为0时 电感值不能为0 图5 4二极管模块参数对话框 3 正向电压 ForwardvoltageVf 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 InitialcurrentIc 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 5 缓冲电路阻值 SnubberresistanceR
6、s 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 SnubbercapacitanceCs 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 Showmeasurementport 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 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50Hz 幅值为100V 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
7、取路径见表5 1 图5 5例5 1的仿真电路图 表5 1例5 1仿真电路模块的名称及提取路径 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50Hz 幅值等于100V 串联RLC支路为纯电阻电路 其中R 1 打开菜单 Simulation ConfigurationParameters 选择ode23tb算法 同时设置仿真结束时间为0 2s 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 图5 6例5 1的仿真波形图 5 1 2晶闸管
8、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 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 Vak 0 且门极有正的触发脉冲 g 0 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 图5 7晶闸管模块的电路符号和静态伏安
9、特性 a 电路符号 b 静态伏安特性 a b SimPowerSystems库提供的晶闸管模块一共有两种 一种是详细的模块 DetailedThyristor 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 2 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
10、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 ResistanceRon 文本框 单位为 当电感值为0时 电阻值不能为0 图5 9晶闸管模块参数对话框 2 电感 InductanceLon 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 ForwardvoltageVf 文本框 晶闸管的门槛电压Vf 单位为V 4 擎住电流 LatchingcurrentI1 文本框 单位为A 简单模块没有该项 5 关断时间 Turn offtimeTq 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 6 初始电流 Ini
11、tialcurrentIc 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 7 缓冲电路阻值 SnubberresistanceRs 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 SnubbercapacitanceCs 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
12、为纯电阻性电路 9 测量输出端 Showmeasurementport 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 图5 10例5 2的仿真电路图 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 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 PulseGenerator 模块产生 脉冲发生器的脉冲周期取为2倍的系统频率 即100Hz 晶闸管的控制角a以脉冲的延迟时间t来表示 取a
13、 30 对应的时间t 0 02 30 360 0 01 6s 脉冲宽度用脉冲周期的百分比表示 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50Hz 幅值等于100V 串联RLC支路为纯电阻电路 其中R 1 图5 11例5 2的脉冲发生器模块参数设置 打开菜单 Simulation ConfigurationParameters 选择ode23tb算法 同时设置仿真结束时间为0 2s 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
14、流 晶闸管电压 电阻电流 电阻电压和脉冲信号 图5 12例5 2的仿真波形图 5 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 g 0 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 图5 13可关断晶闸管模块的电路符号和开关特性 a 电路符号 b 开关特性 SIMULINK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 g 0 时导通 在门极信号等
15、于0或负 g 0 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 1Imax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 图5 14可关断晶闸管模块的图标 2 外部接口GTO模块有2个电气接口 1个输入接口和1个输出
16、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 图5 15可关断晶闸管模块参数对话框 1 导通电阻 ResistanceRon 文本框 单位为 当电感值为0时 电阻值不能为0 2 电感 InductanceLon 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 ForwardvoltageVf 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 Current10 falltimeTf 文本框 单位为s 5 拖尾时间 CurrenttailtimeTt 文本框 从0 1Imax降到0的时间 单位为s 6 初始电流 InitialcurrentIc 文本框 与晶闸管相同 7 缓冲电路阻值 SnubberresistanceRs 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 S
