3_电力电子与MATLAB应用技术.pptx

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1、MATLAB应用技术清华大学出版社清华大学出版社王忠礼王忠礼 段慧达段慧达 高玉峰编著高玉峰编著MATLABMATLAB应用技术应用技术3电力电子与MATLAB应用技术 MATLABMATLAB应用技术应用技术3.1 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、反向阻断。1电力二极管基本特性MATLABMATLAB应用技术应用技术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

2、子以及二极管的阳极端子 MATLABMATLAB应用技术应用技术参数设置界面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3.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、g2晶闸管伏安

3、特性MATLABMATLAB应用技术应用技术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 MATLABMATLAB应用技术应用技术晶闸管元件参数设置 Resistance Ron：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（ohm

4、s）：缓冲电阻RsSnubber capacitance Cs（F）：缓冲电容CsMATLABMATLAB应用技术应用技术4.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=0单相半波整流桥仿真结果 MATLABMATLAB应用

5、技术应用技术反并联续流二极管 MATLABMATLAB应用技术应用技术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MATLABMATLAB应用技术应用技术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 MATLABMATLAB应用技术应用技术参数设置 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VfC

6、urrent 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，将相对误差设置为1e-3仿真开始时间为0，停止时间设置为

7、0.1。MATLABMATLAB应用技术应用技术=30GTO单相半波整流器仿真结果 MATLABMATLAB应用技术应用技术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MATLABMATLAB应用技术应用技术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 MATLABMATLAB应用技术应用技术IGBT的参数设置 绝缘栅双极型晶体管:内电阻Ron 电感Lon

8、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4.IGBT构成的升压变换器建模与仿真MATLABMATLAB应用技术应用技术主要参数设置：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,MATLABMATLAB应用技术应用技术Boost变换器仿真结果 MATLABMATLAB应用技术应用技术3.2晶闸管三相桥式整流器及其仿真3.2

9、.1 晶闸管三相桥式整流器构成MATLABMATLAB应用技术应用技术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（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，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

10、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 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

11、电流（All voltages and currents）选择之后需要通过万用表模块（Multimeter）显示。MATLABMATLAB应用技术应用技术（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；Pul

12、ses：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（3

13、）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。MATLABMATLAB应用技术应用技术仿真算法选择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MA

14、TLABMATLAB应用技术应用技术3.3.2基于PWM技术逆变器仿真MATLABMATLAB应用技术应用技术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PWM发生器参数设置 Generator Mode：分别选择为1-arm br

15、idge（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Pha

16、se 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（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（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（5）仿真设置与

17、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。MATLABMATLAB应用技术应用技术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2.电阻电感性负载的交流调压器MATLABMATLAB应用技术应用技术3.晶闸管交流调压器的仿真MATLABMATLAB应用技术应用技术主要模块参数设置：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，

18、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MATLABMATLAB应用技术应用技术3.4直流斩波器

19、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3.升压-降压式（Buck-Boost）变换器的仿真 MATLABMATLAB应用技术应用技术 Buck-Boost变换器中IGBT电流、电感电流、二极管和负载电压波形