电力电子与MATLAB应用技术.ppt

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1、MATLAB应用技术天津理工大学自动化学院天津理工大学自动化学院 电气工程及其自动化专业电气工程及其自动化专业MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术 3.1 电力电子器件与MATLAB3.2 晶闸管三相桥式整流器及其仿真3.3基于PWM技术逆变器及其仿真3.4 交流调压器及应用仿真MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术 3.1 电力电子器件与MATLAB3.1 电力电子器件与MATLAB3.1.1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

2、断。1电力二极管基本特性MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.1 电力电子器件与MATLAB2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 MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.1 电力电子器件与MATLAB参数设置界面Resistance Ron：电力二极管元件内电阻Indu

3、ctance Lon：电力二极管元件内电感Forward voltage Vf：电力二极管元件正向管压降VfInitial current Ic：初始电流Snubber resistance Rs：缓冲电阻Snubber capacitance Cs：缓冲电容MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.1 电力电子器件与MATLAB3.电力二极管元件的仿真举例单相半波整流器 MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.1 电力电子器件与MATLAB3.1.2晶闸管1.晶闸

4、管工作原理阳极、阴极、门极分别表示为A、K、g2晶闸管伏安特性MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.1 电力电子器件与MATLAB3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 MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.1 电力电子器件与MATLAB晶闸管元件参数设置 Resistance Ron：

5、晶闸管元件内电阻RonInductance Lon：晶闸管元件内电感LonForward voltage Vf（V）：晶闸管元件的正向管压降VfInitial current Ic（A）：初始电流IcSnubber resistance Rs（ohms）：缓冲电阻RsSnubber capacitance Cs（F）：缓冲电容CsMATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.1 电力电子器件与MATLAB4.晶闸管仿真举例单相半波整流器模型 MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子

6、应用技术3.1 电力电子器件与MATLABPulse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Thyristor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 MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.1 电力电子器件与MATLAB各模块的名称及参数设置表子模块库模块模块名称参数名参数值备注SimulinkSourcesPulse Generato

7、r略略见P75图3-14脉冲发生器Signal RoutingDemuxNumber of outputs2信号分离器SinksScopeNumber of axes(坐标个数）5示波器SimPowerSystemsElectrical SourcesAC Voltage SourcePink amplitude(v)Frequency(Hz)220(交流电源电压峰值)50（电压频率）交流电压源MeasurementsCurrent Measurement电流测量模块Voltage Measurement电压测量模块MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应

8、用技术与电力电子应用技术3.1 电力电子器件与MATLAB各模块的名称及参数设置表子模块库模块模块名称参数名参数值备注SimPowerSystemsElementsGround接地Series RLC BranchResistance(ohms)Inductance(H)Capacitance(F)R=1L=0.01Hinf串联RLC分支Power ElectronicsThyristor晶闸管参数设置略见教材P74图3-12Ron=0.001Lon=0HVf=0.8VIc=0Rs=20Cs=4e-6F晶闸管内电阻内电感正向管压降初始电流缓冲电阻缓冲电容设置仿真参数菜单Simulation p

9、arametersSimulation time(stop time)Solver optionsRelative tolerance0.1ode23tb1e-3停止仿真时间算法（刚性积分）相对误差MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.1 电力电子器件与MATLAB=0单相半波整流桥仿真结果 MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.1 电力电子器件与MATLAB反并联续流二极管 练习题MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应

10、用技术与电力电子应用技术3.1 电力电子器件与MATLAB3.1.3 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MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.1 电力电子器件与MATLAB3.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 MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.1 电力电子器件与MATLAB参数设

11、置 Resistance Ron（ohms）：元件内电阻RonInductance Lon（H）：元件内电感LonForward voltage Vf（v）:元件的正向管压降VfCurrent 10%fall time（s）：电流下降到10%的时间Current tail time(s):电流拖尾时间TtInitial current Ic(A):初始电流IcSnubber resistance Rs(ohms):缓冲电阻RsSnubber capacitance Cs(F):缓冲电容Cs，MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3

12、.1 电力电子器件与MATLAB5.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。MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.1 电力电子器件与MATLAB=30GTO单相半波整流器仿真结果 MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.1 电力电子器件与MATLAB3.1.

13、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MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.1 电力电子器件与MATLAB3IGBT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 MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.1 电力电子器件与MATLABIGB

14、T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CsMATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.1 电力电子器件与MATLAB4.IGBT构成的升压变换器建模与仿真MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.1 电力电子器件与MATLAB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

15、；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,MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.1 电力电子器件与MATLABBoost变换器仿真结果 MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.1 电力电子器件与MATLAB电力电子器件一览表 电子器件名称模块库 SimPowerSystems子模块名 Power Electronics电力二极管晶闸管可关断晶闸管绝缘栅双极型晶体管所在模块名称 DiodeThyris

16、torGtoIGBT模型图标MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.2 晶闸管三相桥式整流器及其仿真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MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.2 晶闸管三相桥式整流器及其仿真3.2.2晶闸管三相桥式整流器的仿真模型MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.2 晶闸管三相桥式整流器及其仿真（1）整流桥模型通用桥臂模块（Universal

17、 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，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。MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.2 晶闸管三相桥式整流器及其仿真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 cap

18、acitance 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 voltage 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（Multime

19、ter）显示。MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.2 晶闸管三相桥式整流器及其仿真（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；Puls

20、es：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 MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.2 晶闸管三相桥式整流器及其仿真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：双脉冲触发选择。MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.2 晶闸管三相桥式整流器及其仿真

21、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 MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.2 晶闸管三相桥式整流器及其仿真（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

22、成电气连接。MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.2 晶闸管三相桥式整流器及其仿真仿真算法选择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，反电动势V5V时进行仿真。MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.3基于PWM技术逆变器及其仿真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MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.3基于PWM

23、技术逆变器及其仿真3.3.2基于PWM技术逆变器仿真MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.3基于PWM技术逆变器及其仿真1.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。MATLABMATLAB应用技术应用技术

24、第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.3基于PWM技术逆变器及其仿真PWM发生器参数设置 Generator Mode：分别选择为1-arm bridge（2 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

25、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Phase 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。MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.3基于PWM技术逆变器及其仿真（2）逆变器模型逆变器模型采用通用桥臂构成 MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.3基于PWM技术逆变器及其仿真

26、（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。MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.3基于PWM技术逆变器及其仿真（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。MATLABMAT

27、LAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.4 交流调压器及应用仿真3.4交流调压器及应用仿真1.电阻性负载的交流调压器MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.4 交流调压器及应用仿真2.电阻电感性负载的交流调压器MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.4 交流调压器及应用仿真3.晶闸管交流调压器的仿真MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.4 交流调压器

28、及应用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。MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.4 交流调压器及应用仿真4.晶闸管单相交流调压电路的仿真结果仿真算法选

29、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MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.4 交流调压器及应用仿真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MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技

30、术3.4 交流调压器及应用仿真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。MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.4 交流调压器及应用仿真选择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 MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.4 交流调压器及应用仿真3.升压-降压式（Buck-Boost）变换器的仿真 MATLABMATLAB应用技术应用技术第三章第三章 MATLAB与电力电子应用技术与电力电子应用技术3.4 交流调压器及应用仿真 Buck-Boost变换器中IGBT电流、电感电流、二极管和负载电压波形