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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,Resistance Ron:电力二极管元件内电阻 Inductance Lon :电力二极管元件
2、内电感 Forward 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
3、闸管元件参数设置,Resistance 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Thy
4、ristor模型 R=1;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
5、 Forward voltage 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
6、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。,=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
7、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,
8、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,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 vol
9、tage Vf(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(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
10、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, 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
11、发选择。,三相线电压具体实现是通过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
12、势V5V时进行仿真。,3.3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
13、pulses)、2-arm 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 P
14、hase of output 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
15、,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
16、 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Vdc100V。 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.