1、第五章第五章 MATLAB在电力电子技术在电力电子技术中的中的应用应用5.1 电力电子元电力电子元器件器件5.2 单相整流和逆变电路5.3 三相整流和逆变电路5.4 直流斩波电路5.5 交流-交流变换电路5.6 PWM整流逆变电路5.1 电力电子元器件电力电子元器件5.1.1常用电力电子元件常用电力电子元件模型模型1电力二极管模块（电力二极管模块（Diode）以半导体以半导体PN结为基础，具有单向导电性，当结为基础，具有单向导电性，当其承受正向电压时，二极管导通，表现为低阻其承受正向电压时，二极管导通，表现为低阻态，称为正向导通状态；当其承受反向电压时，态，称为正向导通状态；当其承受反向电压时
2、，二极管关断，呈现为高阻态，被称为反向截止二极管关断，呈现为高阻态，被称为反向截止状态。状态。2绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块模块绝缘栅双极型晶体管模块是一种新型复合器件，具有栅极绝缘栅双极型晶体管模块是一种新型复合器件，具有栅极g、集、集电极电极C和发射极和发射极E。IGBT模块如图模块如图5_3所示，其中所示，其中g端为触发端，端为触发端，通过逻辑通过逻辑1触发来导通触发来导通IGBT；C、E分别对应实际中的分别对应实际中的IGBT集电集电极和发射极；极和发射极；m端是观测端，包含两个信号可以用端是观测端，包含两个信号可以用Demux模块将模块将流过流过IGBT的电
3、流和两端电压组成的向量分解成为单个的电流和两端电压组成的向量分解成为单个变量。变量。3晶闸管模块（晶闸管模块（Thyristor）晶闸管是可控整流电路常用整流器件，晶晶闸管是可控整流电路常用整流器件，晶闸管模块如图闸管模块如图5_4所示。所示。g端是触发信号，端是触发信号，m端是输出，包含两个信号需要使端是输出，包含两个信号需要使Demux模块将信号分开。晶闸管模型在模块将信号分开。晶闸管模型在其承受正向电压，而且门极有正的触发脉其承受正向电压，而且门极有正的触发脉冲信号（冲信号（g0）时导通。触发脉冲的宽度）时导通。触发脉冲的宽度必须使得阳极电流必须使得阳极电流Iak大于设定的晶闸管擎大于设
4、定的晶闸管擎住电流，晶闸管才能够正常的导通。住电流，晶闸管才能够正常的导通。4.功率场效应晶体管（功率场效应晶体管（Mosfet）功率场效应晶体管是一种功率集成器件，功率场功率场效应晶体管是一种功率集成器件，功率场效应晶体管模块如图效应晶体管模块如图5_5所示。所示。g端是控制断开端是控制断开还是闭合的，还是闭合的，m是输出，包含两个信号需要使用是输出，包含两个信号需要使用Demux模块将信号分开。模块将信号分开。5.1.2常用电力电子元件特性常用电力电子元件特性测试测试【例【例5_1】将二极管】将二极管Diode模块串联在电路中，测试系统模型图如图模块串联在电路中，测试系统模型图如图5_6所
5、示，从示波器中所示，从示波器中观察观察Iak和和Uak以及电路中的电流以及电路中的电流I1和电压和电压U1。交流电源交流电源Us接二极管接二极管a端，当端，当Uak=0时，二极管导通，电路时，二极管导通，电路I1和和U1都都0；Uak0时二极管时二极管不导通，电流不导通，电流Iak=0。5.2 单相整流和逆变电路单相整流和逆变电路5.2.1 单相半波整流单相半波整流电路电路5.2.2单相桥式全控整流和逆变单相桥式全控整流和逆变电路电路2.有源逆变有源逆变电路电路当控制角当控制角090时，变换器设备工作在整流状态下，直流电压与直流电流时，变换器设备工作在整流状态下，直流电压与直流电流id方向相同
6、，这意味方向相同，这意味着将交流电能变换成直流电能，从而提供给负载；当控制角着将交流电能变换成直流电能，从而提供给负载；当控制角90180时，变换器设备工作在时，变换器设备工作在逆变状态下，由于晶闸管的是单向导电的，电流逆变状态下，由于晶闸管的是单向导电的，电流Id方向不变，而直流电压极性改变，装置将直流电能方向不变，而直流电压极性改变，装置将直流电能转换成交流电能输出到电网或负载。其次是外部条件，必须提供直流能源，而且是转换成交流电能输出到电网或负载。其次是外部条件，必须提供直流能源，而且是EUd。【例【例5_4】在】在Simulink仿真模型中增加直流电源仿真模型中增加直流电源DC Vol
7、tage Source，设置其参数，设置其参数Amplitude=100V，则负载支路如，则负载支路如图图。由（由（a）图可以看出，负载电压）图可以看出，负载电压U1负半轴的面积小于正半轴的面积，平均电压为正的直流负半轴的面积小于正半轴的面积，平均电压为正的直流电压，负载电流电压，负载电流I1为正，可见直流侧功率为正，功率由交流侧传输到直流侧，整流成功。为正，可见直流侧功率为正，功率由交流侧传输到直流侧，整流成功。由（由（b）图可以看出，负载电压）图可以看出，负载电压U1负半轴的面积大于正半轴的面积，平均电压为负的直流负半轴的面积大于正半轴的面积，平均电压为负的直流电压，负载电流电压，负载电流
8、I1为正，可见直流侧功率为负，功率向交流侧传输，逆变成功。由上述仿为正，可见直流侧功率为负，功率向交流侧传输，逆变成功。由上述仿真结果分析，验证了控制角小于真结果分析，验证了控制角小于90时为整流电路，大于时为整流电路，大于90时为逆变电路。时为逆变电路。5.3 三相整流和逆变电路5.3.1 三相半波整流三相半波整流电路电路三相半波整流电路的电源必须星型连接，负载分为电阻性和电感三相半波整流电路的电源必须星型连接，负载分为电阻性和电感性性。1.电阻电阻性负载性负载当负载为电阻性时，输出电压和输出电流波形相同当负载为电阻性时，输出电压和输出电流波形相同，只是，只是幅值不同，当触发角幅值不同，当触
9、发角30时，输出电压和输出电流断续。时，输出电压和输出电流断续。【例【例5_5】使用】使用Simulink创建三相半波整流电路，使用示波器观察晶闸管触发角与负载电创建三相半波整流电路，使用示波器观察晶闸管触发角与负载电路中的电流和电压的波形。路中的电流和电压的波形。2.电电感性负载感性负载【例例5_6】将例将例5_5中的负载中的负载R改为电感性负载，触发角改为电感性负载，触发角=60时，分别对电阻性负载和电时，分别对电阻性负载和电感性负载进行波形的感性负载进行波形的比较。比较。负载为电感性而且电感值足够大时，当电压过零时，电感要阻止电流下降，产生感应电势时晶闸管继续导通，因此负载电流I1和负载
10、电压U1保持连续。5.3.2 三相桥式全控整流及有源逆变电路1.同步同步6脉冲触发器脉冲触发器Synchronized 6-Pulse Generator模块模块2.通用变换器桥通用变换器桥Universal Bridge模块模块【例【例5_7】使用】使用Simulink创建三相桥式全控整流电路，使用示波器观察晶闸管触发角与负创建三相桥式全控整流电路，使用示波器观察晶闸管触发角与负载电路中的电流和电压的波形。载电路中的电流和电压的波形。5.4 直流斩波电路5.4.1 升压斩波电路（升压斩波电路（BOOSTCHOPPER）设设V处于通断的时间为处于通断的时间为ton，可控开关处于关断时间为，可控
11、开关处于关断时间为toff，T为为V开关周期，负载侧输出电开关周期，负载侧输出电压的平均值为压的平均值为：其中其中T/toff1，输出电压高于电源电压，因此称该电路为升压斩波电路。升压斩波电路使，输出电压高于电源电压，因此称该电路为升压斩波电路。升压斩波电路使得输出电压比电源电压高的关键原因有两个：一是在得输出电压比电源电压高的关键原因有两个：一是在L储能之后会具有使电压泵升的作用，储能之后会具有使电压泵升的作用，二是电容二是电容C可以将输出电压保持住。可以将输出电压保持住。EtTEtttUo of ff fo of ff fo of ff fo on no o【例【例5_8】使用】使用Sim
12、ulink创建直流升压斩波变换电路，观察示波器中电源的电流、电压和创建直流升压斩波变换电路，观察示波器中电源的电流、电压和输出的电流、电压波形输出的电流、电压波形。脉冲脉冲Pulse的脉冲宽度是的脉冲宽度是50%；电路中电流；电路中电流I1是电源电流，电流是电源电流，电流iG是是IGBT支路的电流，根支路的电流，根据据IGBT的导通和关断出现脉动；电流的导通和关断出现脉动；电流i0是负载电流，在是负载电流，在IGBT的关断和导通过程中由于电的关断和导通过程中由于电感感L的充电和放电，电流的充电和放电，电流i0是连续没有脉动的；根据对图是连续没有脉动的；根据对图5_30最下面的最下面的E和和U0
13、曲线的比较，曲线的比较，由公式由公式U0=(T/toff)*E，得出输出，得出输出U0=2E，可以看出，可以看出E=50V，U0=100V，实现了直流升压。，实现了直流升压。5.4.2 升降压斩波电路（BOOST-BUCKCHOPPER）输出的电压为输出的电压为：若改变导通比若改变导通比，则输出的电压可以比电源电压高，则输出的电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当也可以比电源电压低。当0 1/2时降压，当时降压，当1/21时升压，所以也称该电路为升降压斩波时升压，所以也称该电路为升降压斩波电路。电路。EEEU1ttttoffonoffono【例【例5_9】使用】使用Simulink模型创
14、建升降压斩波电路，其中电源电压模型创建升降压斩波电路，其中电源电压E为为100V，L=5mH，R=50，C=0.5PF，IGBT和二极管为默认参数，占空比设置为和二极管为默认参数，占空比设置为25%、50%和和80%，在，在示波器中显示支路电流示波器中显示支路电流i1、iL和输出电压和输出电压U0不同的波形。不同的波形。5.5 交流-交流变换电路5.5.1 调压电调压电路路【例例5_10】使用使用Simulink创建单相交流调压电路，在示波器中观察当触发角分别为创建单相交流调压电路，在示波器中观察当触发角分别为0和和60时输出电压时输出电压U0波形的变化。波形的变化。2.三相三相交流调压电交流
15、调压电路路当触发角当触发角30时，负载电流连续，负载电压时，负载电流连续，负载电压U0表达式为：表达式为：U_0=1.17Ucos当触发角当触发角30时，负载电流断续，负载电压时，负载电流断续，负载电压U0表达式为：表达式为：U_0=0.675U1+cos(/6+)当触发角当触发角=0时，六个时，六个Pulse Generator的的Phase分别为分别为Pulse1为为0s，Pulse2为为0.01Ss，Pulse3为为0.0067s，Pulse4为为0.0167s，Pulse5为为0.0132s，Pulse6为为0.0232s。则。则示波器显示波形如图示波器显示波形如图5_39（a）所示，
16、当触发角）所示，当触发角=0时，时，U0=U，输入输出波形相同。，输入输出波形相同。当触发角当触发角=60时，六个时，六个Pulse Generator的的Phase分别分别Pulse1为为0.033s，Pulse2为为0.0133s，Pulse3为为0.0099s，Pulse4为为0.0199s，Pulse5为为0.0165s，Pulse6为为0.0265s。则示波器显示波形如图。则示波器显示波形如图5_39（b）所示，可以看到波形是由三个单相的调压波）所示，可以看到波形是由三个单相的调压波形叠加，每相与图形叠加，每相与图5_36（b）图中的单相相同。）图中的单相相同。5.5.2 调功电路【
17、例【例5_12】使用】使用Simulink创建单相交流调功电路，通过改变触发信号的频率，设置接通创建单相交流调功电路，通过改变触发信号的频率，设置接通和断开周波数的比值，在示波器中观察输出电压波形和断开周波数的比值，在示波器中观察输出电压波形。电源频率为电源频率为100HZ，触发脉冲为，触发脉冲为25HZ，触发脉冲的脉宽为，触发脉冲的脉宽为50%，从图，从图5_41可以看出，可以看出，在触发信号在触发信号Pulse一个周期中一个周期中U0导通周波占导通周波占50%，因此输出功率为，因此输出功率为P=Pn/2，调功电路完成，调功电路完成功率的调节。功率的调节。5.6 PWM整流逆变电路5.6.1
18、 调制法生成调制法生成SPWM波形波形1.单极性单极性SPWM 2.双双极性极性SPWM在示波器中显示正弦波、双极性三角波和SPWM调制波形，如图5_45所示。图中上面两个脉冲波形极性正好相反，是由下面三角波与正弦波的交叉点产生的。5.6.2 电压型单相全桥电压型单相全桥SPWM逆变逆变【例【例5_13】使用】使用Simulink创建电压型单相全桥创建电压型单相全桥SPWM电路，仿真模型图如图电路，仿真模型图如图5_46所示，所示，在示波器中观察在示波器中观察SPWM调制脉冲波形，负载电压调制脉冲波形，负载电压Ud和整流输出电压和整流输出电压U1。仿真后示波器的波形显示如图仿真后示波器的波形显示如图5_48所示。在图所示。在图5_48中，经过中，经过SPWM逆变电路的负载电压逆变电路的负载电压U0是交流电压，整流侧的电压是交流电压，整流侧的电压Ud是直流的。是直流的。5.6.3 三相三相SPWM逆变逆变电路电路【例【例5_14】使用】使用Simulink创建三相桥式创建三相桥式SPWM仿真模型，仿真模型图如图仿真模型，仿真模型图如图5_51所示，在所示，在示波器中观察示波器中观察SPWM调制波形调制波形UAN，线电压，线电压UAB和相电压和相电压UAN。
