电力电子系统的计算机仿真

《电力电子系统的计算机仿真》

题目：方波逆变电路的计算机仿真

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电力电子技术综合了电子电路、电机拖动、计算机控制等多学科知识，是一

门实践性和应用性很强的课程。由于电力电子器件自身的开关非线性，给电力电

子电路的分析带来了一定的复杂性和困难，一般常用波形分析的方法来研究。仿

真技术为电力电子电路的分析提供了崭新的方法。

我们在电力电子技术课程的教学中引入了仿真，对于加深学生对这门课程的

理解起到了良好的作用。掌握了仿真的方法，学生的想法可以通过仿真来验证，

对培养学生的创新能力很有意义，并且可以调动学生的积极性。实验实训是本课

程的重要组成部分，学校的实验实训条件毕竟是有限的，也受到学时的限制。而

仿真实训不受时间、空间和物质条件的限制，学生可以在课外自行上机。仿真在

促进教学改革、加强学生能力培养方面起到了积极的推动作用。

【关键字】电力电子，MATLAB,仿真。

目录

第一章电力电子与MATLAB软件的介绍

一、电力电子概况

二、MATLAB软件介绍

第二章电力电子器件介绍

一、电力二极管特性介绍

二、晶闸管恃性介绍

二、ICBT特性介绍

第三章主电路工作原理

一、单相桥式逆变电路

二、三相桥式逆变电路

三、PWM控制基本原理

第四章仿真模型的建立

一、单极性SPWM触发脉冲波形的产生

二、双极性SPWM触发脉冲波形的产生

三、单极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路

四、双极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路

第五章仿真结果分析

第六章心得体会

第七章参考文献

求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保

护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，

根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些

装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自动控制、

信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。

二、MATLAB软件介绍

MATLAB是一个功能强大的常用数学软件，它不但可以解决数学中的数值计

算问题，还可以解决符号演算问题，并且能够方便地绘出各种函数图形。。由于

MATLAB带有一些强大的具有特殊功能的工具箱，而且随着近年来它的版木K断

升级，所含的工具箱功能越来越丰富，工具越来越多，应用范围也越来越广，涵

盖了当今几乎所有的工业、电子、医疗、建筑等各领域，MATLAB自1984年由美

国的MathWorks公司推向市场以来，历经十几年的发展和竞争，现已成为国际最

优秀的科技应用软件之一。

MATLAB中的仿真集成环境Simulink工具箱，是进行系统分析与射击队有力

工具。Simulink是一人图形化的建模工具，具有两个显著功能：SIMU(仿真)

和LINK(连接)。用大进行动态系统仿真、建模和分析的软件包，不但支持线

性系统仿真，也支持非线性系统；既可以进行连续系统，也可以进行离散系统仿

真。

八Simulink提供了各种仿真工具，尤其是它不断扩展的、内容丰富的模块库，

为系统的仿真提供了极大便利。在Simulink平台上，拖拉和连接典型模块就可

以绘制仿真对象的模型框图，并对模型进行仿真。在Simulink平台上仿真模型的

可读性很强，这就避免了在MATLAB窗口使用MATLAB命令和函数仿真时，

需要熟悉记忆大量M函数的麻烦，对广大工程技术人员来说，这无疑是最好的

福音。现在的MATLAB都同时捆绑了Simulink,Sgulink的版本也在不断地升级，

从1993年的MATLAB4.0/Simulink1的版到2001年的MATLAB6.1/Simulink4.1

版2002年即推出了MATLAB6.5/Simulink5.0版。MATLAB已经不再是单纯的

“矩阵实验室”了，它已经成为一个高级计算和仿真平台。

Simulink原本是为控制系统的仿真而建立的工具箱，在使用中易编程、易拓

展，并且可以解决MATLAB不易解决的非线性、变系数等问题。它能支持连续

系统和离散系统的仿真，支持连续离散混合系统的仿真，也支持线性和非线性系

统的仿真，并且支持多种采样频率(Multirate)系统的仿真，也就是不同的系统能

以不同的采样频率组合，这样就可以仿真较大、较复杂的系统。因此，各科学领

域根据自己的仿真需要，以MATLAB为基础，开发了大量的专用仿真程序，并

把这些程序以模块的形式都放人Simulink中，形成了模块库。Simulink的模块库

实际上就是用MATLAB基本语句编写的子程序集。现在Simulink模块库有三级

树状的子目录，在一级目录下就包含了Simulink最早开发的数学计算工具箱、控

制系统工具箱的内容，之后开发的信号处理工具箱(DSPBlocks)、通信系统工具

箱(Comm)等也并行列入模块库的一级子目录，逐级打开模块库浏览器(Simulink

LibraryBrowser)的目录，就可以看到这些模块。

Simulink创建模型、仿真的过程方法介绍如下：

1、Simulink建模

一个典型的Simulink模型由信号源模块、被模拟的系统模块和输出显示

模块三个类型模块构成。其基本特点有：

DSimulink提供许多的Scope（示波器）接收器模块，使得Simulink进行

仿真具有图形化显示效果；

2）Simulink模型具有层次性，通过底层子系统可以构建上层母系统；

3）Simulink提供对子系统进行封装功能，用户可以自定义子系统的图标和

设置参数对话框。

2、Simulink仿真基本过程

1）打开一个空白的Simulink模块窗口；

2）进入Simulink模块库浏览界面，将相应模块库中所需的模块拖拉到编相

窗口里；

3）修改编辑窗口中模块参数；

4）将各模块按给定框图连接，搭建所需系统模型；仿真观察结果，修正参数;

5）保存模型。

第二章电力电子器件介绍

电力电子器件是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制

的电子器件。同我们在学习电子技术基础时广泛接触的处理信息的电子器件一

样，广义上电力电子器件也可以分为电真空器件和半导体器件两类。

由于电力电子器件直接用于处理电能的主电路，因而同处理信息的电子器件

相比，它一般具有如下的特征：

1）电力电子器件所能处理电功率的大小，也就是其承受电压和电流的能力，

是其最重要的参数。

2）因为处理的电功率较大，所以为了减少本身的损耗，提高效率，电力电

子器件一般都工作在开关状态。

3）在实际应用当中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。

4）尽管工作在开关状态，但是电力电子器件自身的功率损耗通常仍远大于

信息电子器件，因而为了保证不致于损耗散热的热量导致器件温度过高而损坏，

不仅在器件封装上比较讲窕散热设计，而且在其工作时一般都还需要安装散热

器。

此外，电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和电力电

子器件为核心的组成一个系统。

一.电力二极管特性介绍

不可控器件一一电力二极管（PowerDiode）自20世纪50年代初期就获得应

用，当时也被称为半导体整流器（SemiconductorRectifier------SR）。虽然是不

可控器件，但结构和原理简单，工作可靠。

电力二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样，以半导

体PN结为基础，由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。由于PN

结具有单向导电性，所以二极管是一个正方向单向导电、反方向阻断的电力电子

器件。

从外形上看，主要有螺栓型平板型两种封装。

Z

a）结构图b）电器图形符号

1、电力二极管特性

1）静态特性

电力二极管的基本特性一一电力二极管的伏安特性:

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II；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

动态特性一一因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，

此过程中的电压一电流特性是随时间变化的。

开关特性一一反映通态和断态之间的转换过程。

关断过程：

a）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；

b）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。

a）正向偏置转换为反向偏置b）零偏置转换为正向偏置

开通过程：

电力二极管的正向压降先出现一个过冲晶，，经过一段时间才趋于接近稳态

压降的某个值（如2V：）o这一动态过程时间被称为正向恢复时间加。

电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降

较大。

正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，圻P

越高。

2、电力二极管测试单元电路

电力二极管测试单元电路就是通过基本电路脸证电路二极管的工作特性。当

二极管导通时，二极管上有电流流过，但没有电压；当二极管截止时，二极管上

没有电流流过，但二极管两端有电压。

仿真电路图如下:

Continuous

pov/ergui

%)ACVoltageSource

仿真所得的电力二极管的电流(lak)和电压(Vak)的波形如下:

参数说明：

1、ACVoltageSource:Peakamplitude(V)is100;Phase(deg)isO;Frequency(Hz)

is5();Sampletimeis0.

2、Thyristor:ResistanceRon(ohms)is0.001InductanceLon(H)is0;Forward

voltageVf(V)is0.8;InitialcurrentIc(A)is0;SnubberresistanceRs(ohms)is500;

SnubbercapacitanceCs(F)is250e-9.

仿真结果分析：

由于电力二极管的内阻很小，所以管压降可以忽略不计。在此条件下，仿

真波形是满足条件的。由仿真波形可以看出，当电力二极管上的电压大于零时，

电力二极管上流过的电流是大于零的；当电力二极管上的电压变负值时，电力二

极管上流过的电流为零。

二、晶闸管特性介绍

晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅SCR,普通

晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件。目前，晶闸管的容量水平已达

8kV/6kAo

晶闸管是具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的潜件。常见晶闸管的

外形有两种：螺栓型和平板型。

晶闸管的基本特点有三个：

(1)欲使晶闸管导通需具备两个条件有：

①应在晶耐管的阳极与阴极之间加上正向电压。

②应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。

(2)晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。

(3)为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有用使

阳极电压减小到零或反向的方法来实现。

1、晶闸管的工作特性

单向晶闸管的伏安特性曲线如图所示。从特性曲线上可以看出它分五个区，

即反向击穿区、反向阻断区、正向阻断区、负阻区和正向导通区。大多数情况下，

晶闸管的应用电路均工作在正向阻断和正向导通两个区域。晶闸管A、K极司所

加的反向电压不能大于反向峰值电压，否则有可能便其烧毁。

单向晶闸管的上述特性，可以用以下儿个主要参数来表征：

①额定平均电流IT：在规定的条件下，晶闸管允许通过的50Hz正弦波电流

的平均值。

②正向转折电压VB0：是指在额定结温及控制极开路的条件下，在阳极和阴

极间加以正弦波半波正向电压，使其由关断状态发生正向转折变为导通状态时所

对应的电压峰值。

单向晶闸管伏安特性曲线：

③正向阻断峰值电压VDRM：定义为正向转折电压减去100V后的电压值。

④反向击穿电压VBR:是指在额定结温下，阳极和阴极间加以正弦波反向电

压，当其反向漏电流急剧上升时所对应的电压峰值。

反反

区

导通

向向I,正向

击峰

穿值

电电

电流

压压维持负困区

喉/

I

I

0

/—

正

正

向正

阻向

管压降断阻*

区断

峰折

值电

电压

压」

公

。

压值

的电

0V后

去10

压减

穿电

向击

为反

定乂

RM：

压VR

值电

向峰

⑤反

时,

定电流

为其额

的电流

当通过

下，

条件

定的

在规

:是指

降VT

均压

向平

⑥正

。

均值

的平

压降

间电

阴极

极、

管阳

晶闸

。

电流

最小

通的

管导

晶闸

维持

:是指

流IH

持电

⑦维

上的

控制极

，加在

件下

的条

规定

T：在

流IG

触发电

CT和

电压V

触发

制极

⑧控

。

电流

压和

小电

的最

必需

的所

导通

闸管

使品

可以