第三章电力电子与MATLAB应用技术

MATLAB应用技术清华大学出版社王忠礼段慧达高玉峰编著MATLAB应用技术3电力电子与MATLAB应用技术MATLAB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MATLAB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子以及二极管的阳极端子MATLAB应用技术参数设置界面ResistanceRon：电力二极管元件内电阻InductanceLon：电力二极管元件内电感ForwardvoltageVf：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MATLAB应用技术3.电力二极管元件的仿真举例单相半波整流器MATLAB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．晶闸管伏安特性MATLAB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MATLAB应用技术晶闸管元件参数设置ResistanceRon：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CsMATLAB应用技术4.晶闸管仿真举例单相半波整流器模型MATLAB应用技术Pulse的参数设置对话框晶闸管模块设置：Ron=0.001Ω；Lon=0H；Vf=0.8V；Rs=20Ω；Cs=4e—6F；串联RLC元件模块和接地模块到Thyristor模型R=1Ω；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0.1MATLAB应用技术α=0°单相半波整流桥仿真结果MATLAB应用技术反并联续流二极管MATLAB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MATLAB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MATLAB应用技术参数设置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%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，MATLAB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=1Ω，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。MATLAB应用技术α=30°GTO单相半波整流器仿真结果MATLAB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MATLAB应用技术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（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]MATLAB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CsMATLAB应用技术4.IGBT构成的升压变换器建模与仿真MATLAB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=50Ω,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,MATLAB应用技术Boost变换器仿真结果MATLAB应用技术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MATLAB应用技术3.2.2晶闸管三相桥式整流器的仿真模型MATLAB应用技术（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。MATLAB应用技术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。Portconfiguration：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Ω。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）或所有电压电流（Allvoltagesandcurrents）选择之后需要通过万用表模块（Multimeter）显示。MATLAB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30度时双6脉冲同步触发器的输入输出信号MATLAB应用技术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。MATLAB应用技术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MATLAB应用技术（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。MATLAB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R＝1欧、L＝1mH，反电动势V＝－5V时进行仿真。MATLAB应用技术3.3基于PWM技术逆变器及其仿真3.3.1PWM技术逆变器原理+Ed-EdV1V4V3V222+Ed-Ed-Ed(a)(b)MATLAB应用技术3.3.2基于PWM技术逆变器仿真MATLAB应用技术1.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。MATLAB应用技术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(0m1)：调制索引值m，调制信号内产生方式下可选，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。MATLAB应用技术（2）逆变器模型逆变器模型采用通用桥臂构成MATLAB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R＝1欧，L＝2mH，C＝inf；以及输入、输出接地模块和相关的测量和输出模块。MATLAB应用技术（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。MATLAB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MATLAB应用技术2.电阻电感性负载的交流调压器MATLAB应用技术3.晶闸管交流调压器的仿真MATLAB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=0.001Ω；Lon=0H；Vf=0；Rs=20Ω；Cs=4e-6F，RC缓冲电路Lon=0.01H；负载RLC分支，电阻性负载时，R=2Ω，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。MATLAB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MATLAB应用技术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MATLAB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Vdc＝100V。负载并联LRC，设置参数：R=50Ω，C=