高等电力电子技术第六章课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,高等电力电子技术,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,高等电力电子技术,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,2,3,电力电子典型器件的,Matlab,仿真,电力电子典型电路的,Matlab,仿真,基本内容,第六章 电力电子技术,Matlab,仿真,电力电子典型系统的仿真,123电力电子典型器件的Matlab仿真 电力电子典型电路的,1.,电力电子典型器件的,Matlab,仿真,每一个具体的电力电子电路均是由元器件组成的，这些元器件既包括各种线性器件如电容、电感、电阻等，也包括各种非线性器件如二极管、晶体管、,SCR,、,MOSFET,、,IGBT,、,MCT,等。,Matlab,使用的电力电子器件模型是简化的宏模型，它只要求器件的外特性与实际器件特性基本相符，而没有考虑器件内部的细微结构。,本节主要讨论功率电力二极管在,Matlab,中的仿真实现过程。,1.电力电子典型器件的Matlab仿真 每一个,1.,电力电子典型器件的,Matlab,仿真,电力二极管的仿真,1,电力二极管元件的基本特性,电力二极管是一种具有单向导电性的半导体器件，即正向导通、反向阻断，它属于不可控器件。,电力二极管的伏安特性主要是指其静特性,电力二极管的伏安特性曲线,1.电力电子典型器件的Matlab仿真电力二极管的仿真 1,2,电力二极管元件的,Matlab,仿真模型,电力二极管的仿真原理模型如图,其模型由一个电阻,R,on,、一个电感,L,on,、一个直流电压源,V,f,和一个开关串联组成。开关受电压,Vak,与电流,Iak,逻辑信号控制。,电力二极管仿真模型,在,SimPower Systems,工具箱的,Power Electronic,库中，名称为,Diode,电力二极管的仿真原理模型,电力二极管仿真模型,它有一个输入,(a),和两个输出（,k,、,m,），分别对应电力二极管的阳极端子、阴极端子和测量信号端子,1.,电力电子典型器件的,Matlab,仿真,2电力二极管元件的Matlab仿真模型电力二极管的仿真原理,3,电力二极管元件仿真模型的参数设置,打开电力二极管模型的参数设置对话框,Resistance Ron,（,Ohms,）：电力二极管元件内电阻，单位为,。当电感参数设置为,0,时，内电阻不能为,0,；,Inductance Lon,（,H,）：电力二极管元件内电感，单位为,H,。当电阻参数设置为,0,时，内电感,Lon,不能为,0,；,Forward voltage Vf,（,V,）：电力二极管元件正向压降，单位为,V,；,Initial current Ic,（,A,）：初始电流，单位为,A,。初始值的设置是一个复杂的工作，通常将,Ic,设为,0,；,Snubber resistance Rs,（,Ohms,）：缓冲电阻，单位为,。为了在模型中消除缓冲，可将,Rs,参数设置为,inf,；,Snubber capacitance Cs,（,F,）：缓冲电容，单位为,F,。为了在模型中消除缓冲，可将,Cs,参数设置为,0,；为了得到纯电阻,Rs,，可将电容,Cs,参数,设置为,inf,。,1.,电力电子典型器件的,Matlab,仿真,另外，在仿真含有电力二极管的电路时，必须使用刚性积分算法。通常可使用,ode23tb,或者,ode15s,算法，以获得较快的仿真速度。,3电力二极管元件仿真模型的参数设置打开电力二极管模型的参数,4,电力二极管元件的仿真实例,下面以单相半波整流器为例，说明电力二极管元件应用系统的建模与仿真方法。,1,）电力二极管单相半波整流器的建模步骤如下：,建立一个新的模型窗口，命名为,Diode,（文件名在符合语法的情况下可任意命名）；,打开,Power Electronics,模块组，复制一个电力二极管模块（,Diode,）到,Diode,模型中，并打开二极管参数对话框，进行参数设置；,打开,Electrical Sources,模块组，复制一个交流电压源模块（,AC Voltage Source,）到,Diode,模型中，并打开参数设置对话框，进行参数设置：交流电压源模块峰值设为,220V,，频率设为,50Hz,；,打开,Elements,模块组，复制一个串联,RLC,分支模块（,Series RLC Branch,）和接地模块（,Ground,）到,Diode,模型中，打开,RLC,分支模块参数设置对话框，进行参数设置。其中，,R=1,；,L=10mH,，,C=inf,；,1.,电力电子典型器件的,Matlab,仿真,打开,measurements,模块组，分别复制一个电流测量模块（,Current Measurement,）和电压测量模块（,Voltage Measurement,）到,Diode,模型中，用于测量二极管的电流和负载的电压；,打开,Sinks,模块组，复制一个示波器模块（,Scope,）到,Diode,模型中，按要求设置参数；,打开,Commonly Used Blocks,模块组，复制一个信号分解模块（,Demux,）到,Diode,模型中；,正确连接后得到电力二极管单相半波整流器仿真模型如图所示。,4电力二极管元件的仿真实例1.电力电子典型器件的Matla,电力二极管单相半波整流器仿真模型,1.,电力电子典型器件的,Matlab,仿真,电力二极管单相半波整流器仿真模型 1.电力电子典型器件的Ma,2,）电力二极管单相半波整流器的仿真,1.,电力电子典型器件的,Matlab,仿真,打开仿真窗口，选择,ode23tb,或者,ode15s,算法，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,0.06s,。,仿真结果如图所示：,图中,Iak,和,Vak,分别为电力二极管的电流和电压，,Iload,和,Vload,分别为负载的电流和电压。,2）电力二极管单相半波整流器的仿真1.电力电子典型器件的Ma,2.,电力电子典型电路的,Matlab,仿真,所谓电力电子电路，就是以满足用电要求为目标，以电力半导体器件为核心，通过合理的电路拓扑和控制方式，采用相关技术对电能实现变换和控制的装置。电力电子电路的种类很多，一般可以分为四类：,DC/DC,电路、,DC/AC,电路、,AC/DC,电路和,AC/AC,电路。,对电路进行仿真的目的是研究其基本组成部分之间的相互关系及其自身的开环动、静态特性。仿真的重点在于作为一个整体的装置的响应过程，对作为其组成部分的器件在开关瞬间的动态过程的分析则置于次要地位。,2.电力电子典型电路的Matlab仿真 所谓电力电子电路，就,2.,电力电子典型电路的,Matlab,仿真,Buck,变换器的仿真,1,Buck,变换电路的工作原理,电流连续时的波形,电流断续时的波形,2.电力电子典型电路的Matlab仿真 Buck变换器的仿真,2.,电力电子典型电路的,Matlab,仿真,2,Buck,变换电路的建模步骤如下：,1,）仿真模型的命名，建立一个新的模型窗口，命名为“,Buck”,。,2,）打开,Power Electronics,模块组，分别复制,IGBT,模块和,Diode,模块到“,Buck”,模型中，按要求进行参数设置。可保持默认值。,3,）打开,Electrical Sources,模块组，复制一个,DC Voltage Source,模块到“,Buck”,模型中，打开参数设置对话框，电压设为,100V,，并重新命名为“,U”,。,4,）打开,Elements,模块组，复制,2,个,Series RLC Branch,到“,Buck”,模型中，一个作为负载，参数设为,R=5,，,L=0,，,C=inf,；滤波电容值为,C=0.5e-6F,，另一个串联在,IGBT,模块和负载之间，作为滤波电感，参数设置为,R=0,，,L=0.15mH,，,C=inf,。,5,）打开,Measurements,模块组，分别复制,2,个电流测量模块和,1,个电压测量模块到“,Buck”,模型中，,2,个电流测量模块分别用于测量,IGBT,电流和,Diode,电流；,2,个电压测量模块分别用于测量二极管电压和负载电压。,6,）打开,Sources,模块组，复制一个,Pulse Generator,模块到“,Buck”,模型中，打开参数设置对话框，参数设置为：脉冲发生周期,T=0.1ms,，脉冲宽度为,50%,，其余参数取默认值。,7,）打开,Sinks,模块组，复制一个,Scope,模块到“,Buck”,模型中，参数设置参见上节。进行电气连接，可得,Buck,变换电路仿真模型，如图所示。,2.电力电子典型电路的Matlab仿真 2Buck变换电路,3,Buck,变换电路的仿真,打开仿真窗口，选择,ode23tb,算法，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,0.002s,IGBT,的开关频率为,10Kz,，占空比为,0.5,。,仿真结果所示,:,其中，,iIGBT,和,iDiode,分别为通过,IGBT,和,Diode,的电流，,iLoad,和,VLoad,分别为负载两端电流和电压。,从图中可以看出，在,IGBT,关断时，电感电流经负载电阻、二极管形成环路，使电阻两端电压波形连续，但电压的波动很大。此外，原来直流电压为,100V,，经过降压变换器直流变换后，电压降低到约,50V,，实现了降压变换。,2.,电力电子典型电路的,Matlab,仿真,3Buck变换电路的仿真打开仿真窗口，选择ode23tb算,3,电力电子典型系统的仿真,所谓电力电子系统，即由电力电子装置和负载组成的闭环控制系统。,一个典型的电力电子系统按照系统各部分间输入输出耦合关系，可以分为三个功能模块单元，即,：,由电力电子器件构成的主电力电子电路单元,；,由电动机或其他机电设备构成的负载单元,；,以及由模拟电路或数字电路构成的控制电路单元,。,其基本组成如图,6-78,所示。,图,6-78,电力电子装置及其控制系统,3 电力电子典型系统的仿真所谓电力电子系统，即由电力电子装置,3,电力电子典型系统的仿真,对这样一个复杂的非线性数模混合系统，其各个部分往往又遵循不同的物理法则，从而给设计和分析带来巨大的困难，使得事先建立一个实际模型来了解其运行特性是很困难的。,利用计算机仿真技术建立适当而精确的电路模型，通过仿真实验对所生成的各类信息进行识别、分析、传递、变换等一系列信息处理，以获得对系统动静态特性认识的新信息，从而可以分析、研究利用该系统，或进一步改善该系统，获得满足性能指标要求的最优控制系统。,3 电力电子典型系统的仿真 对这样一个复杂的非线,3,电力电子典型系统的仿真,这里以,Buck,变换电路为例，介绍直流斩波电路控制系统的仿真方法。,1,Buck,变换电路控制系统的基本原理,具有电压控制的,Buck,变换器的开关调节系统如图,6-79,所示。,图,6-79 Buck,变换器的单环开关调节系统,框内是,Buck,开关变换器，控制电路采用电压负反馈,。,当输入电压或负载发生变化，或系统受到其他因素干扰使输出电压发生波动时，通,过,负反馈回路可调节开关变换器的功率器件在一个开关周期内的导通时间，达到稳定输出电压的目的。,3 电力电子典型系统的仿真这里以Buck变换电路为例，介绍直,3,电力电子典型系统的仿真,为克服单环系统在控制和调节作用上的延迟，在电压反馈的基础上引入电流反馈实现双环控制，可获得较好的动态性能。,电流控制环是由开关变换器、电流采样器,I/V,、电流控制器和开关控制器等组成，图,6-80,所示为双环开关调节系统框图。,图,6-80 Buck,变换器的双环开