第3章MATLAB與電力電子應(yīng)用技術(shù)11ji

1、 電力系統(tǒng)模型庫（SimPowerSystems）中的模塊電源元件（Electrical Sources）;電器元件（Elements）;附加元件（Extra Library）;電機(jī)元件（Machines）;電路測(cè)量?jī)x器（Measurements）;電力電子元件（Power Electronics）;在電力系統(tǒng)元件庫包含了7類庫元件，第第3章章 電力電子與電力電子與MATLAB應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù) 2）電器元件（Elements）電器元件庫包括各種常用的電器和電路元件的模型斷路器連接端口有分布電容、電感的傳輸線接地端點(diǎn)單相變壓器，二次側(cè)有一個(gè)或兩組繞組互感線圈飽和變壓器：考慮飽和效應(yīng)的單相變壓器分

2、布電容、電感為型的傳輸導(dǎo)線壓敏電阻三相三繞組變壓器三相二繞組變壓器3.1 電力電子器件與電力電子器件與MATLAB3.1.1電力二極管電力二極管電力二極管是一種具有單向?qū)щ娦缘陌雽?dǎo)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。體器件，即正向?qū)щ?、反向阻斷?1電力二極管基本特性電力二極管基本特性2電力二極管在電力二極管在MATLAB中實(shí)現(xiàn)中實(shí)現(xiàn)電力二極管仿真模型電力二極管仿真模型:(SimpowersystemsPower Electronics)由一個(gè)電阻由一個(gè)電阻Ron、一個(gè)電感、一個(gè)電感Lon、一個(gè)直流電、一個(gè)直流電壓源壓源Vf和一個(gè)開關(guān)串聯(lián)組成和一個(gè)開關(guān)串聯(lián)組成 模

3、塊的圖標(biāo)模塊的圖標(biāo)電力二極管仿真模型原理電力二極管仿真模型原理參數(shù)設(shè)置界面參數(shù)設(shè)置界面Resistance Ron：電力二極管元件內(nèi)電阻電力二極管元件內(nèi)電阻Inductance Lon ：電力二極管元件內(nèi)電感電力二極管元件內(nèi)電感Forward voltage Vf：電力二極管元件正向管壓降電力二極管元件正向管壓降VfInitial current Ic：初始電流初始電流Snubber resistance Rs：緩沖電阻緩沖電阻Snubber capacitance Cs：緩沖電容緩沖電容3. 電力二極管元件的仿真舉例電力二極管元件的仿真舉例單相半波整流器單相半波整流器 模塊設(shè)置：模塊設(shè)置：A

4、C:峰值峰值220V ，頻率，頻率50Hz；其他電氣；其他電氣元件為默認(rèn)值元件為默認(rèn)值仿真算法：可選用仿真算法：可選用ode23tb或或ode15sCurrent Measurement;Voltage Measurement系統(tǒng)中使用的模塊如下系統(tǒng)中使用的模塊如下:回路模塊回路模塊:AC Voltage Source( SimpowersystemsElectrical Source);Diode;Series RLC Branch( SimpowersystemsElements);Ground ( Simpowersystems Elements)測(cè)量模塊測(cè)量模塊( Simpowersy

5、stemsMeasurements):3.1.2晶閘管晶閘管1.晶閘管工作原理晶閘管工作原理2晶閘管伏安特性晶閘管伏安特性陽極、陰極、門極分別陽極、陰極、門極分別表示為表示為A、K、g3晶閘管在晶閘管在MATLAB中的實(shí)現(xiàn)中的實(shí)現(xiàn)由由一個(gè)電阻一個(gè)電阻Ron、一個(gè)電感、一個(gè)電感Lon、一個(gè)直流電壓源、一個(gè)直流電壓源Vf和一個(gè)開關(guān)串聯(lián)和一個(gè)開關(guān)串聯(lián)組成。組成。開關(guān)受邏輯信號(hào)控制，該邏輯信號(hào)由電壓開關(guān)受邏輯信號(hào)控制，該邏輯信號(hào)由電壓Vak、電、電流流Iak和門極觸發(fā)信號(hào)和門極觸發(fā)信號(hào)g決定。決定。晶閘管仿真模型原理晶閘管仿真模型原理 晶閘管模塊的圖標(biāo)晶閘管模塊的圖標(biāo) 測(cè)量端子測(cè)量端子m可測(cè)量出可測(cè)量

6、出輸出向量輸出向量:導(dǎo)通電流和正向壓導(dǎo)通電流和正向壓降降，即，即Iak，Vak4.晶閘管仿真舉例晶閘管仿真舉例單相半波整流器單相半波整流器模型模型 晶閘管模塊設(shè)置：晶閘管模塊設(shè)置： Ron=0.001；Lon=0H；Vf=0.8V；Rs=20；Cs=4e-6F；串聯(lián)串聯(lián)RLC元件模塊元件模塊: R=1；L=0.01H；C=infSimulinkSourcePulse的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框 仿真參數(shù)：仿真參數(shù)：選擇選擇ode23tb算法，將相對(duì)誤差設(shè)置為算法，將相對(duì)誤差設(shè)置為1e-3開始仿真時(shí)間設(shè)置為開始仿真時(shí)間設(shè)置為0，停止仿真時(shí)間設(shè)置為，停止仿真時(shí)間設(shè)置為0.1 =0單相半波整流橋

7、仿真結(jié)果 3.1.3 可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管1 .可關(guān)斷晶閘管工作原理可關(guān)斷晶閘管工作原理2. GTO的靜態(tài)伏安特性的靜態(tài)伏安特性3. GTO在在MATLAB中的實(shí)現(xiàn)中的實(shí)現(xiàn)GTO模型由電阻模型由電阻Ron電感電感Lon、直流電壓源、直流電壓源Vf和開關(guān)串聯(lián)組成，和開關(guān)串聯(lián)組成，該開關(guān)受一個(gè)邏輯信號(hào)控制，該邏輯信號(hào)又由該開關(guān)受一個(gè)邏輯信號(hào)控制，該邏輯信號(hào)又由GTO的電壓的電壓Vak、電流電流Iak和門極觸發(fā)信號(hào)（和門極觸發(fā)信號(hào)（g）決定）決定 輸入輸入g為加在門極上的邏輯控制信為加在門極上的邏輯控制信g輸出輸出m用于測(cè)量輸出向量用于測(cè)量輸出向量Iak,Vak 參數(shù)設(shè)置 Resistance

8、Ron（ohms）：）：元件內(nèi)電阻元件內(nèi)電阻RonInductance Lon（H）：）：元件內(nèi)電感元件內(nèi)電感LonForward voltage Vf（v）:元件的正向管壓降元件的正向管壓降VfCurrent 10% fall time（s）：）：電流下降到電流下降到10%的時(shí)間的時(shí)間Current tail time(s):電流拖尾時(shí)間電流拖尾時(shí)間TtInitial current Ic(A):初始電流初始電流IcSnubber resistance Rs(ohms):緩沖電阻緩沖電阻RsSnubber capacitance Cs(F):緩沖電容緩沖電容Cs， 5.可關(guān)斷晶閘管元件的建模

9、和仿真應(yīng)用實(shí)例可關(guān)斷晶閘管元件的建模和仿真應(yīng)用實(shí)例單相半波整流器單相半波整流器 仿真模型參數(shù)設(shè)置：仿真模型參數(shù)設(shè)置：交流電壓源幅值交流電壓源幅值5V，頻率為，頻率為50HZ，LRC分支參數(shù)分支參數(shù)R=1，L=0.01H，Cinf仿真算法選擇仿真算法選擇ode23tb算法，將相對(duì)誤差設(shè)置為算法，將相對(duì)誤差設(shè)置為1e-3仿真開始時(shí)間為仿真開始時(shí)間為0，停止時(shí)間設(shè)置為，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絕緣柵雙極型晶體管1絕緣柵雙極型晶體管工作原理絕緣柵雙極型晶體管工作原理2.IGBT的伏安特性的伏安特性3IGBT在在MATLAB中的實(shí)現(xiàn)中的實(shí)

10、現(xiàn)由電阻由電阻Ron、電感、電感Lon和直流電壓源和直流電壓源Vf與邏輯信號(hào)與邏輯信號(hào)（g0或或g=0）控制的開關(guān)串聯(lián)電路組成）控制的開關(guān)串聯(lián)電路組成 輸入輸入C和輸出和輸出E對(duì)應(yīng)于絕緣柵雙極型晶體管的集電極對(duì)應(yīng)于絕緣柵雙極型晶體管的集電極C和發(fā)射極和發(fā)射極E輸入輸入g為加在門極上的邏輯控制信為加在門極上的邏輯控制信g輸出輸出m用于測(cè)量輸出向量用于測(cè)量輸出向量Iak,Vak IGBT的參數(shù)設(shè)置的參數(shù)設(shè)置 Resistance Ron（ohms）：）：元件內(nèi)電阻元件內(nèi)電阻RonInductance Lon（H）：）：元件內(nèi)電感元件內(nèi)電感LonForward voltage Vf（v）:元件的正向

11、管壓降元件的正向管壓降VfCurrent 10% fall time（s）：）：電流下降到電流下降到10%的時(shí)間的時(shí)間Current tail time(s):電流拖尾時(shí)間電流拖尾時(shí)間TtInitial current Ic(A):初始電流初始電流IcSnubber resistance Rs(ohms):緩沖電阻緩沖電阻RsSnubber capacitance Cs(F):緩沖電容緩沖電容Cs， 4.IGBT構(gòu)成的升壓變換器建模與仿真當(dāng)S導(dǎo)通時(shí)，電源Ud向電感L充電，充電電流為i1，同時(shí)電容C向負(fù)載供電；當(dāng)S關(guān)斷時(shí)，Ud和電感共同向電容C充電，并向負(fù)載R提供能量。仿真模型仿真模型主要參數(shù)設(shè)

12、置：主要參數(shù)設(shè)置：電壓源模塊電壓源模塊Vdc 100v；并聯(lián)并聯(lián)RLC分支元件參數(shù)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；仿真算法選擇仿真算法選擇ode23tb算法算法,將相對(duì)誤差設(shè)置為將相對(duì)誤差設(shè)置為1e-3,開始仿真時(shí)間為開始仿真時(shí)間為0,停止時(shí)間設(shè)置為停止時(shí)間設(shè)置為0.0015Boost變換器仿真結(jié)果變換器仿真結(jié)果 3.2晶閘管三相橋式整流器及其仿真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晶閘管三相橋式整流器的仿真模型使用子模塊的仿真

13、模型（1）整流橋模型）整流橋模型通用橋臂模塊通用橋臂模塊（SimpowersystemsPower Electronics Universal Bridge） A、B、C端子：端子：分別為三相交流電源的分別為三相交流電源的相電壓相電壓輸入端子；輸入端子；g端子：端子：為觸發(fā)脈沖輸入端子，如果選擇為電力二極管，為觸發(fā)脈沖輸入端子，如果選擇為電力二極管， 無此端子；無此端子；、端子：、端子：分別為整流器的輸出和輸入端子，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。在建模時(shí)需要構(gòu)成回路。通用橋臂模塊參數(shù)設(shè)置通用橋臂模塊參數(shù)設(shè)置Number of bridge arms：橋臂數(shù)量，可以選擇橋

14、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。相橋臂，構(gòu)成不同形式的整流器。Port configuration： 端口形式設(shè)置。端口形式設(shè)置。Snubber resistance Rs(ohms):緩沖電阻緩沖電阻Rs。Snubber capacitance Cs(F):緩沖電容緩沖電容Cs。Resistance Ron（ohms）：）：晶閘管的內(nèi)電阻晶閘管的內(nèi)電阻Ron，單位為，單位為。Inductance Lon（H）：）：晶閘管的內(nèi)電感晶閘管的內(nèi)電感Lon，單位為，單位為H，電感不能設(shè)置為，電感不能設(shè)置為0。Forward voltage Vf（v）:晶閘管元件的正向管壓降晶

15、閘管元件的正向管壓降Vf，單位為，單位為V。Measurements：測(cè)量可以選擇測(cè)量可以選擇5種形式，種形式， 即即: 無（無（None） 裝置電壓（裝置電壓（Device voltages） 裝置電流（裝置電流（Device currents） 三相線電壓與輸出平均電壓（三相線電壓與輸出平均電壓（UAB UBC UCA UDC）或所有電壓電流（）或所有電壓電流（All voltages and currents） 選擇之后需要通過萬用表模塊（選擇之后需要通過萬用表模塊（Multimeter）顯示。）顯示。（2）同步脈沖觸發(fā)器）同步脈沖觸發(fā)器(Synchronized 6-Pulse Gen

16、etrator) (SimPowerSystemExtra LibraryControl Blocks) )同步脈沖觸發(fā)器用于觸發(fā)三相全控整流橋的同步脈沖觸發(fā)器用于觸發(fā)三相全控整流橋的6個(gè)晶閘管，個(gè)晶閘管，觸發(fā)器輸出的觸發(fā)器輸出的16號(hào)脈沖依次送給三相全控整流橋?qū)?yīng)編號(hào)的號(hào)脈沖依次送給三相全控整流橋?qū)?yīng)編號(hào)的6個(gè)晶閘管個(gè)晶閘管. alpha_deg：此端子為脈沖觸發(fā)角控制：此端子為脈沖觸發(fā)角控制 信號(hào)輸入；信號(hào)輸入； AB, BC, CA：三相電源的三相線電壓輸入：三相電源的三相線電壓輸入 即即Vab, Vbc和和 Vca；Block： 觸發(fā)器控制端，輸入為觸發(fā)器控制端，輸入為“0”時(shí)開放時(shí)開

17、放, 觸發(fā)器輸入大于零時(shí)封鎖觸發(fā)器；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(hào)。脈沖輸出信號(hào)。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。 三相線電壓具體實(shí)現(xiàn)是通過Measurements庫中 Voltage Measurement（電壓測(cè)量）模塊，電壓測(cè)量模塊可以將電路中兩相電壓作為輸入,則其輸出為一線電壓，6脈沖同步觸發(fā)器模型6脈沖同步觸發(fā)器模型外框圖（3）其他模塊）其他模塊

18、主回路負(fù)載這里為了模擬直流電動(dòng)機(jī)模型，選擇主回路負(fù)載這里為了模擬直流電動(dòng)機(jī)模型，選擇電阻、電感與直流反電動(dòng)勢(shì)電阻、電感與直流反電動(dòng)勢(shì)構(gòu)成，構(gòu)成，電阻、電感模型電阻、電感模型選擇選擇RLC串聯(lián)分支串聯(lián)分支實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)。直流反電動(dòng)勢(shì)通過直流電源實(shí)現(xiàn)直流反電動(dòng)勢(shì)通過直流電源實(shí)現(xiàn)，因?yàn)殡娏鞣聪?，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(dòng)勢(shì)功能。的原因需要將其設(shè)為負(fù)值實(shí)現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)功能。三相交流電源三相交流電源通過三個(gè)頻率通過三個(gè)頻率50、幅值、幅值220、相位、相位滯后滯后120交流電壓源實(shí)現(xiàn)。交流電壓源實(shí)現(xiàn)。再加入相應(yīng)的測(cè)量模塊和輸出模塊，完成電氣連再加入相應(yīng)的測(cè)量模塊和輸出模塊，完成電氣連接。接。

19、仿真算法選擇仿真算法選擇ode23s算法算法,仿真時(shí)間為仿真時(shí)間為0- 0.05 秒，其他參數(shù)為默認(rèn)值。在負(fù)載選擇秒，其他參數(shù)為默認(rèn)值。在負(fù)載選擇R1歐、歐、L1mH，反電動(dòng)勢(shì)，反電動(dòng)勢(shì)V-5V時(shí)進(jìn)行仿真。時(shí)進(jìn)行仿真。 3.3 基于基于PWM技術(shù)逆變器及其仿真技術(shù)逆變器及其仿真逆變器是實(shí)現(xiàn)直流到交流的電流變換過程PWM逆變器即是采用高頻載波信號(hào)與調(diào)制信號(hào)（即期望目標(biāo)）比較形成觸發(fā)控制脈沖，逆變器上每個(gè)開關(guān)元件在一個(gè)控制周期內(nèi)多次通斷。通過PWM調(diào)制技術(shù),將直流電壓變換成到交流電源的裝置3.3.1 PWM技術(shù)逆變器原理一橋臂仿真模型3.3.2基于PWM技術(shù)逆變器仿真PWM發(fā)生器MATLAB在Si

20、mPowerSystems工具箱的Extra Library庫中的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(hào)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(hào) 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(hào)。 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 pulses）、 2-arm bridge（4 pulses）、 3-arm bridge（6 pulses）、 double 3-arm

21、bridge（6 pulses）。Carrier frequency (Hz)：載波頻率 Internal generation of modulating signal (s)：調(diào)制信號(hào)內(nèi)、 外產(chǎn)生方式選擇信號(hào)。Modulation index (0 m 1) ：調(diào)制索引值m，調(diào)制信號(hào)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(hào)的復(fù)制。Frequency of output voltage (Hz)：調(diào)制信號(hào)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(hào)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

22、器模型采用通用橋臂(Universal Bridge)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200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RLC串聯(lián)分支，參數(shù)為R1歐，L2mH；以及接地模塊和相關(guān)的測(cè)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ode23s，仿真時(shí)間為0-0.05秒，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：交流峰值電壓交流峰值電壓為100V、初相位為0、頻率為50HZ；晶閘管參數(shù)晶閘管參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：Ron=0.001；Lon=0H；Vf=0；Rs=20； Cs=4e-6F；負(fù)載負(fù)載RLC分支分支，電阻性負(fù)載時(shí)，R=2，L=0H， C =inf；脈沖發(fā)生器：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