基于Simulink电力电子课设-正文

电力电子系统计算机仿真

第四组

说

明

书

学院：电信学院

班级：

学号：

姓名：

日期：2010年12月2日

目录

前言-----------------------------------------------------3 摘要-----------------------------------------------------3 第一章电力电子常用的仿真软件介绍----------------------4 1.1 MATLAB----------------------------------------------4 1.2 SPICE-----------------------------------------------4 1.3 PSIM------------------------------------------------4 1.4 Saber-----------------------------------------------4 1.5 Simulink--------------------------------------------4 第二章电力电子器件的概念和特征-------------------------6 2.1概念--------------------------------------------------------------------------------6 2.2电力电子器件基本模型-----------------------------------------------------6 2.3 电力电子器件的一般特征--------------------------------------------------6 第三章常见的几种电力器件-------------------------------8 3.1 电力二极管----------------------------------------------------------------------8 3.2 晶闸管-----------------------------------------------9 3.3 门极可关断晶闸管------------------------------------10 3.4 电力晶体管------------------------------------------11 第四章电力电子元件仿真介绍----------------------------12 4.1电力二极管仿真--------------------------------------------------------------12 4.2晶闸管仿真----------------------------------------------------------------------14

4.3可关断晶闸管仿真----------------------------------------------------------18

第五章电力电子典型电路仿真----------------------------21 5.1设计一---------------------------------------------------------------------------21 5.2 设计二---------------------------------------------------------------------------24 第六章复杂电路的仿真----------------------------------28 6.1 三相电压型桥式逆变电路原理--------------------------------------------28 6.1 三相电压型桥式逆变电路仿真--------------------------------------------29 总结体会------------------------------------------------35 参考文献------------------------------------------------36

前言

摘要：

本文在介绍电力基本元器件时，是在单相半波整流电路的基础上，建立了基于Simulink的单相半波整流电路的仿真模型，并分别对电力二极管、晶体管、可关断晶体管所组成的单相半波整流电路进行了仿真分析与研究。在对典型电路仿真时，是在三相全控桥整流及逆变和降压斩波电路的基础上，建立了基于Simulink的三相全控整流及逆变和降压斩波电路的仿真模型。

通过仿真分析也验证了本文所建模型的正确性。

关键字：

Simulink、仿真、单相半波、整流、三相全控桥、逆变、降压斩波

第一章

电力电子常用的仿真软件介绍

目前在电力电子场合常用的仿真软件主要有MATLAB、Simulink、SPICE、PSIM、Saber等。

1.1 MATLAB

MATLAB是一种适用于工程应用各领域分析设计与复杂计算的科学计算软件。MAT—LAB是矩阵(Matrix)和实验室(Lahoratory)两个英文单词的前三个字母的

组合，它是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言，着重针对科学计算、工程计算和绘图的要求，现已成为大学教学和科研中最常用且必不可少的工具。

1.2 SPICE

SPICE主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。各种以SPICE为核心的商用模拟电路仿真软件，在SPICE的基础上做了大量实用化工作，从而使SPICE成为最为流行的电子电路仿真软件。 PSPICE则是SPICE的基础上升级发展来的，采用自由格式语言和图形界面。PSPICE在三大方面实现了重大变革：首先，在对模拟电路进行直流、交流和瞬态等基本电路特性分析的基础上，实现了蒙特卡罗分析、最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析；第二，不但能够对模拟电路进行，而且能够对数字电路、数/模混合电路进行仿真；第三，集成度大大提高，电路图绘制完成后可直接进行电路仿真，并且可以随时分析观察仿真结果。

1.3 PSIM

PSIM是趋向于电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用包软件。PSIM具有仿真高速、用户界面友好、波形解析等功能，为电力电子电路的解析、控制系统设计、电机驱动研究等有效提供强有力的仿真环境。PSIM仿真解析系统可以和其他公司的仿真器连接，为用户提供高开发效率的仿真环境。

1.4 Saber

Saber仿真器可以在一个界面中完成设计，也可以在不同界面中完成设计，但这些界面之间完全实现无缝连接。可以作多种仿真分析，它可以作时域仿真分析，频域仿真分析，参数分析和参数扫描分析。DC分析、时域瞬态分析；AC分析、傅立叶分析、FFT分析；直流工作点的扫描分析、温度分析、参数扫描分析、蒙特卡诺分析、噪声分析、应力分析、失真分析等。可以从多方面分析对象的特征，可以更全面、更准确地了解设计对象的特征。建立的模拟系统具有物理特性，同时还能够建立控制系统。它支持多种建模语言，但主要采用MAST语言建模。Saber具有功能完备的信号波形察工具和分析工具。

1.5 Simulink

Simulink是一个集建模、仿真和分析动态系统为一体的软件，是一种基于MATLAB的图形设计环境，是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的

一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows 的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。它有友好的图形用户界面，用户可以轻松地完成对应用问题的仿真，并实时地观察可能出现的结果。Simulink 支持线性，非线性系统，连续系统，离散系统，或者混合系统的建模与仿真。

用户可以在MATLAB的命令窗口直接键入Simulink或者单击MATLAB命令窗口工具栏上的Simulink模块库浏览器命令按钮或者在MATLAB命令窗口File菜单中选择New菜单项下的Model命令启动Simulink。

本次电力电子技术课程设计所采用的仿真软件是Simulink。

通过本次的课程设计仿真，可以对Simulink基本操作有所掌握。

第二章

电力电子器件的概念和特征

2.1 概念:

电力电子器件（Power Electronic Device）

功率半导体开关器件，在主电路中通过控制其开关状态，能实现电能变换和控制的电子器件。

2.2 电力电子器件基本模型

图2.1 电力电子器件基本模型

2.3 电力电子器件的一般特征

同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：

（1）处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数。其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级,大多都远大于处理信息的电子器件。

（2）电力电子器件一般都工作在开关状态导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定。阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定。电力电子器件的动态特性（也就是开关特性）和参数，也是电力电子器件特性很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替

（3）实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是电力电子器件的驱动电路。

（4）为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗。阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断态损耗。在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗。对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一。通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器

件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。

它有三个电极：其中A和B代表开关的两个主电极，K是控制开关通断的控制极；

它只工作在“通态”和“断态”两种情况：通态时其电阻为零，断态时其电阻无穷大。

第三章

常见的几种电力器件

3.1 不可控器件—电力二极管（Power Diode）

Power Diode结构和原理简单，工作可靠，基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。

图3.1 电力二极管电气图形符号

1)PN结

N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷。空间电荷建立的电场被称为内电场或自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动。扩散运动和漂移运动既相互联系又是一对矛盾，最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。

2)PN结特性

1.正向导通状态

即PN结外加正向电压时，处于导通状态，表现为低阻态。但维持1V左右的压降。

2.反向截止状态

即PN结外加反向电压时，处于截止状态，表现为高阻态。但维持有微弱的漏电流流通，也称反向饱和电流，一般为微安级，几乎为零。

PN结的单向导电性二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。3．PN结的电容效应：

分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD。

3)电力二极管特性

1.静态特性（电力二极管伏安特性图）

主要指其伏安特性当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。

2. 动态特性

因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压—电流特性是随时间变化的。

3. 开关特性

反映通态和断态之间的转换过程。

4. 关断过程

须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。

3.2 晶闸管（Thyristor）

图3.2晶闸管电气图形符号

晶闸管(Thyristor)俗称硅晶体闸流管。晶闸管通常有普通晶闸管、双向晶闸管、可关断晶闸管、逆导晶闸管和快速晶闸管等。普通晶闸管也叫可控硅，用SCR表示，国际通用名称为Thyristor简称T。

1）晶闸管的结构

晶闸管内部是一种四层（P、N、P、N）结构，对外呈三端（A、G、K）大功率半导体器件，它有三个PN结：J1、J2、J3。其外形有平板形和螺栓形。三个引出端分别叫做阳极A、阴极K和门极G，门极也叫控制级。由晶闸管的结构可知，晶闸管是一种四层三端器件，有J1、J2、J3三个PN结.当把中间的N1和P2分为两部分，则可构成一个NPN型晶体管和一个PNP型晶体管的复合管，晶闸管的三个PN结可等效看成由两个晶体管V1(P1-N1-P2)与V2(N1-P2-N2)组成。

2）晶体管的特性

在低发射极电流下α是很小的，而当发射极电流建立起来之后，α迅速增大。

1.阻断状态

IG=0，α1+α2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和2.开通（门极触发）

注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致α1+α2趋近1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。

3.晶闸管的导电特性

单向导电特性和正向导通的可控性。

4.晶闸管的导通条件

（1）晶闸管的阳极－阴极之间加正向电压。

（2）晶闸管的门极－阴极之间有正向触发电压,且有足够的触发电流。

5.维持电流：

保持晶闸管导通的最小阳极电流。

每个晶体管的集电极电流是另一个晶体管的基极电流。两个晶体管相互复合,当有足够的门极电流Ig时，就会形成强烈的正反馈，即此时两个晶体管迅速饱和导通，即晶闸管饱和导通。承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。

要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值（IH）以下，即应设法使晶闸管的阳极电流减小到维持电流以下。

3.3 门极可关断晶闸管

图3.3 门极可关断晶闸管电气图形符号

门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor—GTO）是在普通晶闸管的基础上发展而来，是晶闸管的一种派生器件。从结构上看通常它有三个极：阳极（A）、阴极（K）和门极（G）。

门极可关断晶闸管通断方便，是一种大功率无触点开关，它是逆变电路中的主要开关元件，广泛用在中小容量变频器中。但由于受到反向关断及工作频率的限制，门极可关断晶闸管正被新型的大功率晶体管GTR所取代，但是在大容量变频器，GTO以其工作电流大，耐压高的特性，仍得到普遍应用。GTO的电压、电

流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。

1）其工作原理：

通过控制门极信号进行接通和关断晶闸管。

2）工作特点：

1.导通条件

在门极和阴极之间加一正向电压，即：G（＋）、K（－），GTO导通。

2.关断条件

可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，在门极和阴极之间加一反向电压， G（－）、K（＋），GTO关断。

3.4 电力晶体管

图3.4 电气图形符号电力晶体管

电力晶体管（Giant Transistor——GTR，直译为巨型晶体管）是一种大功率晶体管，又叫双极型晶体管（BJT），GTR在结构上常用达林顿结构形式，是由多个晶体管复合组成的大功率晶体管，通过与反相续流二极管并联组成一个模块，

GTR也具有三个极，分别是基极（B）、发射极（E）、集电极（C）。

GTR如同普通的晶体管一样，也有三种工作状态，即放大、饱和及截止状态，在大功率可控电路中，GTR主要工作在饱和状态和截止状态。

由于GTR工作在大功率电路中，因此管子的功耗是一个不容忽视的问题，GTR 在截止和饱和状态时其功耗是很小的，但是在放大状态其功耗将增大百倍，因此，逆变电路的GTR在交替切换的过程中是不允许在放大区稍做停留的。GTR具有自关断能力及开关时间短、饱和压降低、安全工作区宽等特点，广泛用于交流调速、变频电源中。在中小容量的变频器中，曾一度占据了主导地位。

第四章

电力电子元器件仿真介绍

4.1 电力二极管仿真

图4.1 电力二极管仿真模型

下面以一个电力二极管单相半波整流器为例，说明电力二极管的建模与仿真方法

图4.2 单相半波整流器原理接线图

按照单相半波整流器原理接线图，所接电力二极管半波整流器模型图4.3

图4.3 电力二极管单相半波整流器模型

此模型由交流电压源、电力二极管、串联RLC分支、接地构成回路模块，由电流测量模块、电压测量模块、以及示波器模块组成测量与输出模块。

双击电力二极管模块，打开Blok Parameters：Diode对话框的参数设置如参数4.1。

参数4.1 电力二极管模块参数

其中Resistance Ron（Ohms）为电力二极管原籍的内阻，Inductance Lon（H）为电力二极管内电感，Forward Voltage Vf（V）为电力二极管元件正向管压降，Initial current Ic（A）为初始电流，Sunbber Resistance Rs（Ohms）为缓冲电阻，

Sunbbercapacitance Cs(F)为缓冲电容。

运行系统得到电路的负载电流、负载电压波形图如下图4.4所示，第一个波形为负载电流，第二个波形为负载电压

图4.4负载电流、负载电压波形

4.2 晶闸管仿真

图4.5 晶闸管仿真模型

下面以一个晶闸管单相半波整流器为例，说明晶闸管的建模与仿真法。

按照单相半波整流器原理图接线，所接晶闸管半波整流器模型图4.6

图4.6 晶闸管单相半波整流器模型

此模型由交流电压源、晶闸管、串联RLC分支、接地构成回路模块，由电流测量模块、电压测量模块、以及示波器模块组成测量与输出模块，用脉冲触发器来控制脉冲触发角。

双击脉冲发生器模型，打开Blok Parameters：Pulse Generator模块进行参数设置，设置Pulse delay（相位延迟）来改变控制角a的角度。

参数4.2 控制角零度的参数设置

参数4.3 控制角30度的参数设置30度

参数4.4 控制角60度的参数设置

运行系统得到晶闸管电压，晶闸管电流，负载电流，负载电压，波形图如下：（1）单相半波整流器晶闸管的控制角为0°的参数设置及波形

图4.7 晶闸管控制角0°单相半波整流器波形

（2）单相半波整流器晶闸管的控制角为30°的参数设置及波形

图4.8 晶闸管控制角30°单相半波整流器波形

（3）单相半波整流器晶闸管的控制角为60°的参数设置及波形

4.3 可关断晶闸管

图4.10 可关断晶闸管（GT O）仿真模型

下面以一个可关断晶闸管单相半波整流器为例，说明可关断晶闸管的建模与仿真方法。

按照单相半波整流器原理图接线，所接可关断晶闸管半波整流器模型如下

图：

图4.11可关断晶闸管单相半波整流器模型

此模型由交流电压源、可关断晶闸管、串联RLC分支、接地构成回路模块；由电流测量模块、电压测量模块、以及示波器模块组成测量与输出模块，用脉冲

触发器来控制脉冲触发角。

参数4.5 控制角30°的脉冲触发器参数