第三章電力電子與MATLAB應用技術(shù)

1、MATLAB應用技術(shù)清華大學出版社清華大學出版社王忠禮王忠禮 段慧達段慧達 高玉峰編著高玉峰編著MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)3電力電子與MATLAB應用技術(shù) MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)3.1 電力電子器件與MATLAB3.1.1電力二極管電力二極管是一種具有單向?qū)щ娦缘陌雽w器件，即正向?qū)щ?、反向阻斷?1電力二極管基本特性MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)2電力二極管在MATLAB中實現(xiàn)電力二極管仿真模型:由一個電阻Ron、一個電感Lon、一個直流電壓源Vf和一個開關(guān)串聯(lián)組成 模塊有兩個輸出（k、m端子）和一個輸入（a端子），分別電力二極管的陰極和測量信號輸出

2、端子以及二極管的陽極端子 MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)參數(shù)設(shè)置界面Resistance Ron：電力二極管元件內(nèi)電阻Inductance Lon ：電力二極管元件內(nèi)電感Forward voltage Vf：電力二極管元件正向管壓降VfInitial current Ic：初始電流Snubber resistance Rs：緩沖電阻Snubber capacitance Cs：緩沖電容MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)3. 電力二極管元件的仿真舉例單相半波整流器 MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)3.1.2晶閘管1.晶閘管工作原理陽極、陰極、門極分別表示為A、K、g2晶閘

3、管伏安特性MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)3晶閘管在MATLAB中的實現(xiàn)由一個電阻Ron、一個電感Lon、一個直流電壓源Vf和一個開關(guān)串聯(lián)組成。開關(guān)受邏輯信號控制，該邏輯信號由電壓Vak、電流Iak和門極觸發(fā)信號g決定。晶閘管仿真模型原理 晶閘管模塊的圖標 MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)晶閘管元件參數(shù)設(shè)置 Resistance Ron：晶閘管元件內(nèi)電阻RonInductance Lon ：晶閘管元件內(nèi)電感LonForward voltage Vf（V）： 晶閘管元件的正向管壓降VfInitial current Ic（A）：初始電流IcSnubber resistance R

4、s（ohms）：緩沖電阻RsSnubber capacitance Cs（F）：緩沖電容CsMATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)4.晶閘管仿真舉例單相半波整流器模型 MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)Pulse的參數(shù)設(shè)置對話框 晶閘管模塊設(shè)置： Ron=0.001；Lon=0H；Vf=0.8V； Rs=20；Cs=4e6F；串聯(lián)RLC元件模塊和接地模塊到Thyristor模型 R=1；L=0.01H仿真參數(shù)：選擇ode23tb算法，將相對誤差設(shè)置為1e-3開始仿真時間設(shè)置為0，停止仿真時間設(shè)置為0.1 MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)=0單相半波整流橋仿真結(jié)果 MATLABM

5、ATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)反并聯(lián)續(xù)流二極管 MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)3.1.3 可關(guān)斷晶閘管1 .可關(guān)斷晶閘管工作原理2. GTO的靜態(tài)伏安特性MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)3. GTO在MATLAB中的實現(xiàn)GTO模型由電阻Ron電感Lon、直流電壓源Vf和開關(guān)串聯(lián)組成，該開關(guān)受一個邏輯信號控制，該邏輯信號又由GTO的電壓Vak、電流Iak和門極觸發(fā)信號（g）決定 MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)參數(shù)設(shè)置 Resistance Ron（ohms）：元件內(nèi)電阻RonInductance Lon（H）：元件內(nèi)電感LonForward voltage Vf（v）:元

6、件的正向管壓降VfCurrent 10% fall time（s）： 電流下降到10%的時間Current tail time(s):電流拖尾時間TtInitial current Ic(A):初始電流IcSnubber resistance Rs(ohms):緩沖電阻RsSnubber capacitance Cs(F):緩沖電容Cs， MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)5.可關(guān)斷晶閘管元件的建模和仿真應用實例單相半波整流器 仿真模型參數(shù)設(shè)置：交流電壓源幅值5V，頻率為50HZ，LRC分支參數(shù)R=1，L=0.01H，Cinf仿真算法選擇ode23tb算法，將相對誤差設(shè)置為1e-3仿真開

7、始時間為0，停止時間設(shè)置為0.1。 MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù) =30GTO單相半波整流器仿真結(jié)果 MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)3.1.4 絕緣柵雙極型晶體管1絕緣柵雙極型晶體管工作原理2.IGBT的伏安特性MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)3IGBT在MATLAB中的實現(xiàn)由電阻Ron、電感Lon和直流電壓源Vf與邏輯信號（g0或g=0）控制的開關(guān)串聯(lián)電路組成 輸入C和輸出E對應于絕緣柵雙極型晶體管的集電極C和發(fā)射極E輸入g為加在門極上的邏輯控制信g輸出m用于測量輸出向量Iak,Vak MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)IGBT的參數(shù)設(shè)置 絕緣柵雙極型晶體

8、管: 內(nèi)電阻Ron 電感Lon 正向管壓降Vf 電流下降到10%的時間Tf 電流拖尾時間Tt 初始電流Ic 緩沖電阻Rs 緩沖電容CsMATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)4.IGBT構(gòu)成的升壓變換器建模與仿真MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)主要參數(shù)設(shè)置：電壓源模塊Vdc 100v；并聯(lián)RLC分支元件參數(shù)R=50,C=3e-6F; 脈沖發(fā)生器模塊周期參數(shù)設(shè)置為1e-4s；仿真算法選擇ode23tb算法,將相對誤差設(shè)置為1e-3,開始仿真時間為0,停止時間設(shè)置為0.0015, MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)Boost變換器仿真結(jié)果 MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)3.

9、2晶閘管三相橋式整流器及其仿真3.2.1 晶閘管三相橋式整流器構(gòu)成MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)3.2.2晶閘管三相橋式整流器的仿真模型MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)（1）整流橋模型通用橋臂模塊（Universal Bridge） A、B、C端子：分別為三相交流電源的相電壓輸入端子；Pulses端子：為觸發(fā)脈沖輸入端子，如果選擇為電力二極管，無此端子；、端子：分別為整流器的輸出和輸入端子，在建模時需要構(gòu)成回路。MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)通用橋臂模塊參數(shù)設(shè)置Number of bridge arms： 橋臂數(shù)量，可以選擇1、2、3相橋臂，構(gòu)成不同形式的整流器。P

10、ort configuration：端口形式設(shè)。Snubber resistance Rs(ohms):緩沖電阻Rs。Snubber capacitance Cs(F):緩沖電容Cs。Resistance Ron（ohms）：晶閘管的內(nèi)電阻Ron，單位為。Inductance Lon（H）：晶閘管的內(nèi)電感Lon，單位為H，電感不能設(shè)置為0。Forward voltage Vf（v）:晶閘管元件的正向管壓降Vf，單位為V。Measurements：測量可以選擇5中形式， 即無（None）裝置電壓（Device voltages）裝置電流（Device currents）三相線電壓與輸出平均電壓（

11、UAB UBC UCA UDC）或所有電壓電流（All voltages and currents）選擇之后需要通過萬用表模塊（Multimeter）顯示。MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)（2）同步脈沖觸發(fā)器同步脈沖觸發(fā)器用于觸發(fā)三相全控整流橋的6個晶閘管，同步6脈沖觸發(fā)器可以給出雙脈沖,雙脈沖間隔為60,觸發(fā)器輸出的16號脈沖依次送給三相全控整流橋?qū)幪柕?個晶閘管. 同步脈沖觸發(fā)器包括同步電源和六脈沖觸發(fā)器兩個部分 alpha_deg：此端子為脈沖觸發(fā)角控制信號輸入；AB, BC, CA：三相電源的三相線電壓輸入即Vab, Vbc, and Vca；Block：觸發(fā)器控制端，輸入

12、為“0”時開放觸發(fā)器， 輸入大于零時封鎖觸發(fā)器；Pulses：6脈沖輸出信號。alpha_deg為30度時雙6脈沖同步觸發(fā)器的輸入輸出信號 MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)6脈沖同步觸發(fā)器參數(shù)設(shè)置Frequency of synchronization voltages(Hz)：同步電壓頻率（赫茲）；Pulse width(degrees) ：觸發(fā)脈沖寬度（角度）；Double pulsing：雙脈沖觸發(fā)選擇。 MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)三相線電壓具體實現(xiàn)是通過Voltage Measurement（電壓測量）模塊，電壓測量模塊可以將電路中兩個節(jié)點的電壓值，并提供其他電路

13、或者用于輸出 MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)（3）其他模塊主回路負載這里為了模擬直流電動機模型，選擇電阻、電感與直流反電動勢構(gòu)成，電阻、電感模型選擇RLC串聯(lián)分支實現(xiàn)。直流反電動勢通過直流電源實現(xiàn)，因為電流反向的原因需要將其設(shè)為負值實現(xiàn)反電動勢功能。三相交流電源通過三個頻率50、幅值220、相位滯后120交流電壓源實現(xiàn)。再加入相應的測量模塊和輸出模塊，完成電氣連接。 MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)仿真算法選擇ode23s算法,仿真時間為0 0.05 秒，其他參數(shù)為默認值。在負載選擇R1歐、L1mH，反電動勢V5V時進行仿真。 MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)3.3基

14、于PWM技術(shù)逆變器及其仿真3.3.1 PWM技術(shù)逆變器原理MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)3.3.2基于PWM技術(shù)逆變器仿真MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)PWM發(fā)生器MATLAB在SimPowerSystems工具箱的Extras庫中Control Blocks子庫下的PWM發(fā)生器（PWM Generator ）Signal（s）：當選擇為調(diào)制信號內(nèi)部產(chǎn)生模式時，無需連接此端子；當選擇為調(diào)制信號外部產(chǎn)生模式時，此端子需要連接用戶定義的調(diào)制信號。Pulses：根據(jù)選擇主電路橋臂形式，定制產(chǎn)生2，4，6，12路PWM脈沖。 MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)PWM發(fā)生器參數(shù)

15、設(shè)置 Generator Mode： 分別選擇為1-arm bridge（2 pulses）、2-arm bridge（4 pulses）、3-arm bridge（6 pulses）、double 3-arm bridge（6 pulses）。Carrier frequency (Hz)：載波頻率 Internal generation of modulating signal (s)：調(diào)制信號內(nèi)、外產(chǎn)生方式選擇信號。Modulation index (0 m 1) ：調(diào)制索引值m，調(diào)制信號內(nèi)產(chǎn)生方式下可選，其范圍在01之間。大小決定輸出信號的復制。Frequency of output v

16、oltage (Hz)：調(diào)制信號內(nèi)產(chǎn)生方式下可選，輸出電壓的頻率設(shè)定Phase of output voltage (degrees)：調(diào)制信號內(nèi)產(chǎn)生方式下可選，輸出電壓初始相位值設(shè)定。MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)（2）逆變器模型逆變器模型采用通用橋臂構(gòu)成 MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)（3）電源模型由于逆變器模型為雙極性方式，輸入典型選擇正負兩相直流電壓源，實現(xiàn)過程將兩個直流電壓源串聯(lián)連接，中間接地。二者都設(shè)定為20伏。（4）其他模型在模型窗口中增加輸入與輸出型中性接地模塊各一只；逆變器負載選擇LRC串聯(lián)分支，參數(shù)為R1歐，L2mH，Cinf；以及輸入、輸出接地模塊和相

17、關(guān)的測量和輸出模塊。MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)（5）仿真設(shè)置與結(jié)果輸出參照模型圖進行電氣連線完成模型的建立，仿真算法選擇ode15s算法，仿真時間為0-0.05秒，其他參數(shù)為默認值。 MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)3.4交流調(diào)壓器及應用仿真1.電阻性負載的交流調(diào)壓器MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)2.電阻電感性負載的交流調(diào)壓器MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)3.晶閘管交流調(diào)壓器的仿真MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)主要模塊參數(shù)設(shè)置：交流峰值電壓為100V、初相位為0、頻率為50HZ；晶閘管參數(shù)進行設(shè)置：Ron=0.001；Lon=0H；Vf=0；

18、Rs=20；Cs=4e-6F，RC緩沖電路Lon=0.01H；負載RLC分支，電阻性負載時，R=2，L=0H，C =inf；脈沖發(fā)生器：Pulse 和Pulse1模塊中的脈沖周期為0.02s,脈沖寬度設(shè)置為脈寬的確10%，脈沖高度為12，脈沖移相角通過“相位角延遲”對話框進行設(shè)置。MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)4.晶閘管單相交流調(diào)壓電路的仿真結(jié)果仿真算法選擇為ode23tb算法，仿真時間設(shè)置為0-0.03s，開始仿真。給出了移相控制角等于60和120時帶電阻負載和電感負載時，負載上的電流、電壓波形以及觸發(fā)脈沖波形。 控制角為60時的電阻性負載電流、電壓和脈沖波形 控制角120時的電阻性負載電流、電壓和脈沖波形MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)3.4直流斬波器及應用仿真直流斬波包括降壓斬波電路、升壓斬波電路，升降壓斬波電路。 1.降壓斬波電路的模型及工作原理MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)2.降壓式（Buck）變換器的建模和仿真主