第三章 电力电子与MATLAB应用技术.ppt

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,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,,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Ron0.001Ω；Lon0H；Vf0.8V；Rs20Ω；Cs4e6F；串联RLC元件模块和接地模块到Thyristor模型R1Ω；L0.01H,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,,α0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,ResistanceRon（ohms）元件内电阻RonInductanceLon（H）元件内电感LonForwardvoltageVf（v）元件的正向管压降VfCurrent10falltime（s）电流下降到10的时间Currenttailtimes电流拖尾时间TtInitialcurrentIcA初始电流IcSnubberresistanceRsohms缓冲电阻RsSnubbercapacitanceCsF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R1Ω，L0.01H，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。,,α30GTO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,,,,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g0）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R50Ω,C3e-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（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。,,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。SnubberresistanceRsohms缓冲电阻Rs。SnubbercapacitanceCsF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。,,（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；Pulses6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,FrequencyofsynchronizationvoltagesHz同步电压频率（赫兹）；Pulsewidthdegrees触发脉冲宽度（角度）；Doublepulsing双脉冲触发选择。,,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,,（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R＝1欧、L＝1mH，反电动势V＝－5V时进行仿真。,,3.3基于PWM技术逆变器及其仿真,3.3.1PWM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。,,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）。CarrierfrequencyHz载波频率Internalgenerationofmodulatingsignals调制信号内、外产生方式选择信号。Modulationindex0m1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。FrequencyofoutputvoltageHz调制信号内产生方式下可选，输出电压的频率设定Phaseofoutputvoltagedegrees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。,,（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。,,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Ron0.001Ω；Lon0H；Vf0；Rs20Ω；Cs4e-6F，RC缓冲电路Lon0.01H；负载RLC分支，电阻性负载时，R2Ω，L0H，Cinf；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Vdc＝100V。负载并联LRC，设置参数R50Ω，C3e-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20.8e-3,,,3.升压-降压式（Buck-Boost）变换器的仿真,,,,Buck-Boost变换器中IGBT电流、电感电流、二极管和负载电压波形,