Matlab电力电子仿真教程

第5章电力电子电路仿真分析第5章电力电子电路仿真分析5.1电力电子开关模块5.2桥式电路模块5.3驱动电路模块习题第5章电力电子电路仿真分析5.1电力电子开关模块SIMULINK的SimPowerSystems库提供了常用的电力电子开关模块，各种整流、逆变电路模块以及时序逻辑驱动模块。SIMULINK库中的各种信号源可以直接驱动这些开关单元和模块，因此使用这些元件组建电力电子电路并进行计算机数值仿真很方便。为了真实再现实际电路的物理状态，MATLAB对几种常用电力电子开关元件的开关特性分别进行了建模，这些开关模型采用统一结构来表示，如图5-1所示。第5章电力电子电路仿真分析图5-1电力电子开关模块第5章电力电子电路仿真分析图5-1中，开关元件主要由理想开关SW、电阻Ron、电感Lon、直流电压源Vf组成的串联电路和开关逻辑单元来描述。电力电子元件开关特性的区别在于开关逻辑和串联电路参数的不同，其中开关逻辑决定了各种器件的开关特征；模块的串联电阻Ron和直流电压源Vf分别用来反映电力电子器件的导通电阻和导通时的电压降；串联电感Lon限制了器件开关过程中的电流升降速度，同时对器件导通或关断时的变化过程进行模拟。第5章电力电子电路仿真分析由于电力电子器件在使用时一般都并联有缓冲电路，因此MATLAB电力电子开关模块中也并联了简单的RC串联缓冲电路，缓冲电路的阻值和电容值可以在参数对话框中设置，更复杂的缓冲电路则需要另外建立。有的器件(如MOSFET)模块内部还集成了寄生二极管，在使用中需要加以注意。第5章电力电子电路仿真分析由于MATLAB的电力电子开关模块中含有电感，因此有电流源的性质，在没有连接缓冲电路时不能直接与电感或电流源连接，也不能开路工作。含电力电子模块的电路或系统仿真时，仿真算法一般采用刚性积分算法，如ode23tb、ode15s，这样可以得到较快的仿真速度。如果需要离散化电路，必须将电感值设为0。电力电子开关模块一般都带有一个测量输出端m，通过它可以输出器件上的电压和电流值，不仅观测方便，而且可以为选择器件的耐压性能和电流提供依据。第5章电力电子电路仿真分析5.1.1二极管模块1.原理与图标图5-2所示为二极管模块的电路符号和静态伏安特性。当二极管正向电压Vak大于门槛电压Vf时，二极管导通；当二极管两端加以反向电压或流过管子的电流降到0时，二极管关断。图5-2功率二极管模块的电路符号和静态伏安特性(a)电路符号；(b)静态伏安特性第5章电力电子电路仿真分析SimPowerSystems库提供的二极管模块图标如图5-3所示。图5-3二极管模块图标第5章电力电子电路仿真分析2.外部接口二极管模块有2个电气接口和1个输出接口。2个电气接口(a，k)分别对应于二极管的阳极和阴极。输出接口(m)输出二极管的电流和电压测量值[Iak，Vak]，其中电流单位为A，电压单位为V。3.参数设置双击二极管模块，弹出该模块的参数对话框，如图5-4所示。在该对话框中含有如下参数：(1)“导通电阻”(ResistanceRon)文本框：单位为Ω，当电感值为0时，电阻值不能为0。(2)“电感”(InductanceLon)文本框：单位为H，当电阻值为0时，电感值不能为0。第5章电力电子电路仿真分析图5-4二极管模块参数对话框第5章电力电子电路仿真分析(3)“正向电压”(ForwardvoltageVf)文本框：单位为V，当二极管正向电压大于Vf后，二极管导通。(4)“初始电流”(InitialcurrentIc)文本框：单位为A，设置仿真开始时的初始电流值。通常将初始电流值设为0，表示仿真开始时二极管为关断状态。设置初始电流值大于0，表示仿真开始时二极管为导通状态。如果初始电流值非0，则必须设置该线性系统中所有状态变量的初值。对电力电子变换器中的所有状态变量设置初始值是很麻烦的事情，所以该选项只适用于简单电路。第5章电力电子电路仿真分析(5)“缓冲电路阻值”(SnubberresistanceRs)文本框：并联缓冲电路中的电阻值，单位为Ω。缓冲电阻值设为inf时将取消缓冲电阻。(6)“缓冲电路电容值”(SnubbercapacitanceCs)文本框：并联缓冲电路中的电容值，单位为F。缓冲电容值设为0时，将取消缓冲电容；缓冲电容值设为inf时，缓冲电路为纯电阻性电路。(7)“测量输出端”(Showmeasurementport)复选框：选中该复选框，出现测量输出接口m，可以观测二极管的电流和电压值。第5章电力电子电路仿真分析【例5.1】如图5-5所示，构建简单的二极管整流电路，观测整流效果。其中电压源频率为50Hz，幅值为100V，电阻R为1Ω，二极管模块采用默认参数。解：(1)按图5-5搭建仿真电路模型，选用的各模块的名称及提取路径见表5-1。第5章电力电子电路仿真分析图5-5例5.1的仿真电路图第5章电力电子电路仿真分析表5-1例5.1仿真电路模块的名称及提取路径模块名提取路径功率二极管模块D1、D2、D3、D4SimPowerSystems/PowerElectronics交流电压源VsSimPowerSystems/ElectricalSources串联RLC支路RSimPowerSystems/Elements电压表模块VRSimPowerSystems/Measurements电流表模块IRSimPowerSystems/Measurements信号分离模块DemuxSimulink/SignalRouting示波器ScopeSimulink/Sinks第5章电力电子电路仿真分析(2)设置参数和仿真参数。二极管模块采用图5-4所示的默认参数。交流电压源Vs的频率等于50Hz、幅值等于100V。串联RLC支路为纯电阻电路，其中R = 1Ω。打开菜单[SimulationConfigurationParameters]，选择ode23tb算法，同时设置仿真结束时间为0.2s。(3)仿真及结果。开始仿真。在仿真结束后双击示波器模块，得到二极管D1和电阻R上的电流电压如图5-6所示。图中波形从上向下依次为二极管电流、二极管电压、电阻电流、电阻电压。第5章电力电子电路仿真分析图5-6例5.1的仿真波形图第5章电力电子电路仿真分析5.1.2晶闸管模块1.原理与图标晶闸管是一种由门极信号触发导通的半导体器件，图5-7所示为晶闸管模块的电路符号和静态伏安特性。当晶闸管承受正向电压(Vak0)且门极有正的触发脉冲(g0)时，晶闸管导通。触发脉冲必须足够宽，才能使阳极电流Iak大于设定的晶闸管擎住电流I1，否则晶闸管仍要转向关断。导通的晶闸管在阳极电流下降到0(Iak=0)或者承受反向电压时关断，同样晶闸管承受反向电压的时间应大于设置的关断时间，否则，尽管门极信号为0，晶闸管也可能导通。这是因为关断时间是表示晶闸管内载流子复合的时间，是晶闸管阳极电流降到0到晶闸管能重新施加正向电压而不会误导通的时间。第5章电力电子电路仿真分析图5-7晶闸管模块的电路符号和静态伏安特性(a)电路符号；(b)静态伏安特性(a)(b)第5章电力电子电路仿真分析SimPowerSystems库提供的晶闸管模块一共有两种：一种是详细的模块(DetailedThyristor)，需要设置的参数较多；另一种是简化的模块(Thyristor)，参数设置较简单。晶闸管模块的图标如图5-8。图5-8晶闸管模块图标(a)详细模块；(b)简化模块第5章电力电子电路仿真分析2.外部接口晶闸管模块有2个电气接口、1个输入接口和1个输出接口。2个电气接口(a，k)分别对应于晶闸管的阳极和阴极。输入接口(g)为门极逻辑信号。输出接口(m)输出晶闸管的电流和电压测量值[Iak，Vak]，其中电流单位为A，电压单位为V。3.参数设置双击晶闸管模块，弹出该模块的参数对话框，如图5-9所示。在该对话框中含有如下参数(以详细模块为例)：(1)“导通电阻”(ResistanceRon)文本框：单位为Ω，当电感值为0时，电阻值不能为0。第5章电力电子电路仿真分析图5-9晶闸管模块参数对话框第5章电力电子电路仿真分析(2)“电感”(InductanceLon)文本框：单位为H，当电阻值为0时，电感值不能为0。(3)“正向电压”(ForwardvoltageVf)文本框：晶闸管的门槛电压Vf，单位为V。(4)“擎住电流”(LatchingcurrentI1)文本框：单位为A，简单模块没有该项。(5)“关断时间”(Turn-offtimeTq)文本框：单位为s，它包括阳极电流下降到0的时间和晶闸管正向阻断的时间。简单模块没有该项。第5章电力电子电路仿真分析(6)“初始电流”(InitialcurrentIc)文本框：单位为A，当电感值大于0时，可以设置仿真开始时晶闸管的初始电流值，通常设为0表示仿真开始时晶闸管为关断状态。如果电流初始值非0，则必须设置该线性系统中所有状态变量的初值。对电力电子变换器中的所有状态变量设置初始值是很麻烦的事情，所以该选项只适用于简单电路。第5章电力电子电路仿真分析(7)“缓冲电路阻值”(SnubberresistanceRs)文本框：并联缓冲电路中的电阻值，单位为Ω。缓冲电阻值设为inf时将取消缓冲电阻。(8)“缓冲电路电容值”(SnubbercapacitanceCs)文本框：并联缓冲电路中的电容值，单位为F。缓冲电容值设为0时，将取消缓冲电容；缓冲电容值设为inf时，缓冲电路为纯电阻性电路。(9)“测量输出端”(Showmeasurementport)复选框：选中该复选框，出现测量输出端口m，可以观测晶闸管的电流和电压值。【例5.2】如图5-10所示，构建单相桥式可控整流电路，观测整流效果。晶闸管模块采用默认参数。第5章电力电子电路仿真分析图5-10例5.2的仿真电路图第5章电力电子电路仿真分析解：(1)按图5-10搭建仿真电路模型，选用的各模块的名称及提取路径见表5-2。表5-2例5.2仿真电路模块的名称及提取路径模块名提取路径晶闸管模块TH1、TH2、TH3、TH4SimPowerSystems/PowerElectronics交流电压源VsSimPowerSystems/ElectricalSources串联RLC支路RSimPowerSystems/Elements脉冲发生器模块PSimulink/Sources电压表模块VRSimPowerSystems/Measurements电流表模块IRSimPowerSystems/Measurements信号分离模块DemuxSimulink/SignalRouting示波器ScopeSimulink/Sinks第5章电力电子电路仿真分析(2)设置模块参数和仿真参数。晶闸管的触发脉冲通过简单的“脉冲发生器”(PulseGenerator)模块产生，脉冲发生器的脉冲周期取为2倍的系统频率，即100Hz。晶闸管的控制角a 以脉冲的延迟时间t来表示，取a = 30°，对应的时间t = 0.02 × 30/360 = 0.01/6s。脉冲宽度用脉冲周期的百分比表示，默认值为50%。双击脉冲发生器模块，按图5-11设置参数。晶闸管模块采用图5-9所示的默认设置。交流电压源Vs的频率等于50Hz、幅值等于100V。串联RLC支路为纯电阻电路，其中R = 1Ω。第5章电力电子电路仿真分析图5-11例5.2的脉冲发生器模块参数设置第5章电力电子电路仿真分析打开菜单[SimulationConfigurationParameters]，选择ode23tb算法，同时设置仿真结束时间为0.2s。(3)仿真及结果。开始仿真。在仿真结束后双击示波器模块，得到晶闸管TH1和电阻R上的电流、电压如图5-12所示。图中波形从上向下依次为晶闸管电流、晶闸管电压、电阻电流、电阻电压和脉冲信号。第5章电力电子电路仿真分析图5-12例5.2的仿真波形图第5章电力电子电路仿真分析5.1.3可关断晶闸管模块1.原理与图标可关断晶闸管(GTO)是通过