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1、 MATLAB应用技术 清华大学出版社 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 ResistanceRon 电力二极管元件内电阻InductanceLon 电力二极管元件内电感Forwa
2、rdvoltageVf 电力二极管元件正向管压降VfInitialcurrentIc 初始电流SnubberresistanceRs 缓冲电阻SnubbercapacitanceCs 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 ResistanceRo
3、n 晶闸管元件内电阻RonInductanceLon 晶闸管元件内电感LonForwardvoltageVf V 晶闸管元件的正向管压降VfInitialcurrentIc A 初始电流IcSnubberresistanceRs ohms 缓冲电阻RsSnubbercapacitanceCs 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 4e 6F 串联RLC元件模块和接地模块到Thyristor模型R 1 L 0 01H 仿真参数 选择ode23tb算法 将相对误差设置
4、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 ResistanceRon ohms 元件内电阻RonInductanceLon H 元件内电感LonForwardvoltageVf v 元件的正向管压降VfCurrent10 falltime s 电流下降到10
5、 的时间Currenttailtime s 电流拖尾时间TtInitialcurrentIc A 初始电流IcSnubberresistanceRs ohms 缓冲电阻RsSnubbercapacitanceCs 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 C inf仿真算法选择ode23tb算法 将相对误差设置为1e 3仿真开始时间为0 停止时间设置为0 1 30 GTO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
6、伏安特性 3 IGBT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 g 0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 IGBT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
7、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 UniversalBridge 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 Numberofbridgearms 桥臂数量 可以选择1 2 3相桥臂 构成不同形式的整流器 P
8、ortconfiguration 端口形式设 SnubberresistanceRs ohms 缓冲电阻Rs SnubbercapacitanceCs F 缓冲电容Cs ResistanceRon ohms 晶闸管的内电阻Ron 单位为 InductanceLon H 晶闸管的内电感Lon 单位为H 电感不能设置为0 ForwardvoltageVf v 晶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 Devicevoltages 装置电流 Devicecurrents 三相线电压与输出平均电压 UABUBCUCAUDC 或所有电
9、压电流 Allvoltagesandcurrents 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1 6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 andVca 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
10、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 Frequencyofsynchronizationvoltages Hz 同步电压频率 赫兹 Pulsewidth degrees 触发脉冲宽度 角度 Doublepulsing 双脉冲触发选择 三相线电压具体实现是通过VoltageMeasurement 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
11、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R 1欧 L 1mH 反电动势V 5V时进行仿真 3 3基于PWM技术逆变器及其仿真 3 3 1PWM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ControlBlocks子库下的PWM发生器 PWMGenerator 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
12、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 GeneratorMode 分别选择为1 armbridge 2pulses 2 armbridge 4pulses 3 armbridge 6pulses double3 armbridge 6pulses Carrierfrequency Hz 载波频率Internalgenerationofmodulatingsignal s 调制信号内 外产生方式选择信号 Modulationindex 0 m 1 调制索引值m 调制信号内产
13、生方式下可选 其范围在0 1之间 大小决定输出信号的复制 Frequencyofoutputvoltage Hz 调制信号内产生方式下可选 输出电压的频率设定Phaseofoutputvoltage 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R 1欧 L 2mH C inf 以及输入 输出接地模块
14、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 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
15、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 变换器的建模和仿真 主要参数设置 输入直流电压源Vdc 100V 负载并联LRC 设置参数 R 50 C 3e 6F 平波电感串联LRC 参数设置为148e 5H 斩波器选择通用桥臂 功率器件选择IGBT 脉冲发生器模块 周期参数设置为1e 4 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 0194 停止时间设置为20 8e 3 3 升压 降压式 Buck Boost 变换器的仿真 Buck Boost变换器中IGBT电流 电感电流 二极管和负载电压波形
