1、MATLAB應(yīng)用技術(shù),清華大學(xué)出版社,王忠禮 段慧達(dá) 高玉峰編著,3電力電子與MATLAB應(yīng)用技術(shù),3.1 電力電子器件與MATLAB,3.1.1電力二極管,電力二極管是一種具有單向?qū)щ娦缘陌雽?dǎo)體器件，即正向?qū)щ?、反向阻斷?1電力二極管基本特性,2電力二極管在MATLAB中實(shí)現(xiàn),電力二極管仿真模型: 由一個(gè)電阻Ron、一個(gè)電感Lon、一個(gè)直流電壓源Vf和一個(gè)開關(guān)串聯(lián)組成,模塊有兩個(gè)輸出（k、m端子）和一個(gè)輸入（a端子）， 分別電力二極管的陰極和測量信號輸出端子以及二極管的陽極端子,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

2、內(nèi)電感 Forward voltage Vf：電力二極管元件正向管壓降Vf Initial current Ic：初始電流 Snubber resistance Rs：緩沖電阻 Snubber capacitance Cs：緩沖電容,3. 電力二極管元件的仿真舉例,單相半波整流器,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、g,2晶閘管伏安特性,3晶閘管在MATLAB中的實(shí)現(xiàn),由一個(gè)電阻Ron、一個(gè)電感Lon、一個(gè)直流電壓源Vf和一個(gè)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(biāo),晶

3、閘管元件參數(shù)設(shè)置,Resistance Ron：晶閘管元件內(nèi)電阻Ron Inductance Lon ：晶閘管元件內(nèi)電感Lon Forward voltage Vf（V）： 晶閘管元件的正向管壓降Vf Initial current Ic（A）：初始電流Ic Snubber resistance Rs（ohms）：緩沖電阻Rs Snubber capacitance Cs（F）：緩沖電容Cs,4.晶閘管仿真舉例,單相半波整流器模型,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Thy

4、ristor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(shí)間設(shè)置為0，停止仿真時(shí)間設(shè)置為0.1,=0單相半波整流橋仿真結(jié)果,反并聯(lián)續(xù)流二極管,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,3. GTO在MATLAB中的實(shí)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(gè)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,參數(shù)設(shè)置,Resistance Ron（ohms）：元件內(nèi)電阻Ron Inductance Lon（H）：元件內(nèi)電感Lon

5、 Forward voltage Vf（v）:元件的正向管壓降Vf Current 10% fall time（s）： 電流下降到10%的時(shí)間 Current tail time(s):電流拖尾時(shí)間Tt Initial current Ic(A):初始電流Ic Snubber resistance Rs(ohms):緩沖電阻Rs Snubber capacitance Cs(F):緩沖電容Cs，,5.可關(guān)斷晶閘管元件的建模和仿真應(yīng)用實(shí)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

6、對誤差設(shè)置為1e-3 仿真開始時(shí)間為0，停止時(shí)間設(shè)置為0.1。,=30GTO單相半波整流器仿真結(jié)果,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,3IGBT在MATLAB中的實(shí)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(yīng)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,IGBT的參數(shù)設(shè)置,絕緣柵雙極型晶體管: 內(nèi)電阻Ron 電感Lon 正向管壓降Vf 電流下降到10%的時(shí)間Tf 電流拖尾時(shí)間Tt 初始電流Ic 緩沖電阻Rs

7、緩沖電容Cs,4.IGBT構(gòu)成的升壓變換器建模與仿真,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(shí)間為0,停止時(shí)間設(shè)置為0.0015,Boost變換器仿真結(jié)果,3.2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,3.2.2晶閘管三相橋式整流器的仿真模型,（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，

8、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(shí)需要構(gòu)成回路。,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。 Port 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 vol

9、tage 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（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。,（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(gè)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)?yīng)編號的6個(gè)晶閘管.,同步

10、脈沖觸發(fā)器包括同步電源和六脈沖觸發(fā)器兩個(gè)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，輸入為“0”時(shí)開放觸發(fā)器， 輸入大于零時(shí)封鎖觸發(fā)器； Pulses：6脈沖輸出信號。 alpha_deg為30度時(shí)雙6脈沖同步觸發(fā)器的輸入輸出信號,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

11、發(fā)選擇。,三相線電壓具體實(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓值，并提供其他電路或者用于輸出,（3）其他模塊,主回路負(fù)載這里為了模擬直流電動機(jī)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(shí)現(xiàn)。直流反電動勢通過直流電源實(shí)現(xiàn)，因?yàn)殡娏鞣聪虻脑蛐枰獙⑵湓O(shè)為負(fù)值實(shí)現(xiàn)反電動勢功能。三相交流電源通過三個(gè)頻率50、幅值220、相位滯后120交流電壓源實(shí)現(xiàn)。再加入相應(yīng)的測量模塊和輸出模塊，完成電氣連接。,仿真算法選擇ode23s算法,仿真時(shí)間為0 0.05 秒，其他參數(shù)為默認(rèn)值。在負(fù)載選擇R1歐、L1mH，反電動

12、勢V5V時(shí)進(jìn)行仿真。,3.3基于PWM技術(shù)逆變器及其仿真,3.3.1 PWM技術(shù)逆變器原理,3.3.2基于PWM技術(shù)逆變器仿真,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(dāng)選擇為調(diào)制信號內(nèi)部產(chǎn)生模式時(shí)，無需連接此端子；當(dāng)選擇為調(diào)制信號外部產(chǎn)生模式時(shí)，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。,PWM發(fā)生器參數(shù)設(shè)置,Generator Mode： 分別選擇為1-arm bridge（2

13、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(fù)制。 Frequency of output voltage (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 P

14、hase 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。,（2）逆變器模型,逆變器模型采用通用橋臂構(gòu)成,（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(fù)兩相直流電壓源，實(shí)現(xiàn)過程將兩個(gè)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(fù)載選擇LRC串聯(lián)分支，參數(shù)為R1歐，L2mH，Cinf；以及輸入、輸出接地模塊和相關(guān)的測量和輸出模塊。,（5）仿真設(shè)置與結(jié)果輸出 參照模型圖進(jìn)行電氣連線完成模型的建立，仿真算法選擇ode15s算法，仿真時(shí)間為0-0.05秒

15、，其他參數(shù)為默認(rèn)值。,3.4交流調(diào)壓器及應(yīng)用仿真,1.電阻性負(fù)載的交流調(diào)壓器,2.電阻電感性負(fù)載的交流調(diào)壓器,3.晶閘管交流調(diào)壓器的仿真,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(jìn)行設(shè)置：Ron=0.001；Lon=0H；Vf=0；Rs=20；Cs=4e-6F，RC緩沖電路Lon=0.01H； 負(fù)載RLC分支，電阻性負(fù)載時(shí)，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(jìn)行設(shè)置。,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(shí)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(shí)帶電阻負(fù)載和電感負(fù)載時(shí)，負(fù)載上的電流、電壓波形以及觸發(fā)脈沖波形。,控制角為60時(shí)的電阻性負(fù)載電流、電壓和脈沖波形,控制角120時(shí)的電阻性負(fù)載電流、電壓和脈沖波形,3.4直流斬波器及應(yīng)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,2.降壓式（Buck）變換器的建模和仿真,主要參數(shù)設(shè)置： 輸入直流電壓