電力電子仿真

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上目 錄引言2第1章 電力電子仿真軟件概述31.1 PSpice仿真軟件31.2 Saber 仿真軟件4 1.3 PLECS仿真軟件 51.4 PSIM仿真軟件7 1.5 CASPOC仿真軟件71.6基于Matlab的Simulink仿真軟件8引言計(jì)算機(jī)仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力電子電路 ( 或系統(tǒng) ) 的分析和設(shè)計(jì)中。計(jì)算機(jī)仿真不僅可以取代系統(tǒng)的許多繁瑣的人工分析，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高分析和設(shè)計(jì)能力，避免因?yàn)榻馕龇ㄔ诮铺幚碇袔淼妮^大誤差，還可以與實(shí)物試制和調(diào)試相互補(bǔ)充，最大限度地降低設(shè)計(jì)成本，縮短系統(tǒng)研制周期?？梢哉f，電路的計(jì)

2、算機(jī)仿真技術(shù)大大加速了電路的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過程。電氣工程電路及其組成的系統(tǒng)主要功能是能源變換、傳遞過程的控制。要變換的是電力形態(tài)，控制方法靠電子線路。電力與電子結(jié)合形成了電力電子學(xué)科，它是一個(gè)較為年輕的學(xué)科。也是多學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科。電力本質(zhì)是能源，有相當(dāng)慣性，控制它的是電子線路，有相當(dāng)快速性，兩者構(gòu)成系統(tǒng)，尤其形成閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)，用自動(dòng)控制術(shù)語來說屬病態(tài)系統(tǒng)，意即有不易解決的穩(wěn)定性方面的問題 。這樣的系統(tǒng)品質(zhì)在 20 世紀(jì) 80 年代中后期有了飛速的提高。究其原因則是借助于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。電力電子學(xué)科近年發(fā)展形成了能源電子學(xué)科。所謂能源電子學(xué)科，除電力電子學(xué)科內(nèi)容外，還應(yīng)考慮材料、環(huán)境、可靠性、管理

3、等方面的問題，才能解決好能源轉(zhuǎn)換問題。由此可見，如此復(fù)雜的系統(tǒng)工程，只有充分利用計(jì)算機(jī)處理綜合信息才能迅速得到成效。仿真的必要性、有效性可見一斑。第1章 電力電子仿真軟件概述1.1 PSpice 仿真軟件PSpice 是由美國 Microsim 公司在 spice 2G 版本的基礎(chǔ)上升級(jí)并用于 PC 機(jī)上的 Spice 版本，其中采用自由格式語言的 5 .0 版本自 20世紀(jì)80年代以來在我國得到廣泛應(yīng)用，并且從 6 .0 版本開始引入圖形界面。1998 年著名的 EDA 商業(yè)軟件開發(fā)商 0RCAD 公司與 Microsim 公司正式合并，自此 Microsim 公司的 PSpice 產(chǎn)品正式

4、并入 0RCAD公司的商業(yè)EDA系統(tǒng)中。 現(xiàn)在使用較多的是 PSpice 8 .0 ,工作于 Windows 環(huán)境,占用硬盤空間60M左右，整個(gè)軟件由原理圖編輯、電路仿真、激勵(lì)編輯、元器件庫編輯、波形圖等幾個(gè)部分組成，使用時(shí)是一個(gè)整體。 但各個(gè)部分都各有各的窗口。與傳統(tǒng)的 spice 軟件相比，PSpice 在三大方面實(shí)現(xiàn)了重大變革：首先，在對(duì)模擬電路進(jìn)行直流、交流和瞬態(tài)等基本電路特性分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了蒙特卡羅分析。最壞情況分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)等較為復(fù)雜的電路特性分析；第二，不但能夠?qū)δM電路進(jìn)行仿真，而且能夠?qū)?shù)字電路、數(shù)?；旌想娐愤M(jìn)行仿真；第三，集成度大大提高，電路圖繪制完成后可直接進(jìn)行電路

5、仿真，并且可以隨時(shí)分析觀察仿真結(jié)果。 PSpice 的應(yīng)用范圍很廣，電力電子電路的動(dòng)態(tài)仿真僅僅是其應(yīng)用之一。 PSpice 的電路元件模型反映實(shí)際型號(hào)元件的特性，通過對(duì)電路方程運(yùn)算求解，能夠仿真電路的細(xì)節(jié)，特別適合于對(duì)電力電子電路中開關(guān)暫態(tài)過程的描述。它的仿真波形與試驗(yàn)電路的測試結(jié)果相近，在模擬實(shí)際電路的波形方面比較準(zhǔn)確，對(duì)電路設(shè)計(jì)有著重要指導(dǎo)意義。 雖然 PSpice 應(yīng)用越來越廣泛，但是也存在著明顯的缺點(diǎn)。由于 Spice 軟件原先主要是針對(duì)信息電子電路設(shè)計(jì)而開發(fā)的，因此器件的模型都是針對(duì)小功率電子器件的，對(duì)于電力電子電路中所用的大功率器件存在的高電壓、大注入現(xiàn)象不盡適用，有時(shí)甚至可能導(dǎo)致

6、錯(cuò)誤的結(jié)果。 PSpice 采用變步長算法，對(duì)于周期性開關(guān)狀態(tài)變化的電力電子電路而言，將造成把大量的時(shí)間耗費(fèi)在尋求合適的步長上面，從而導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間的延長，輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的格式兼容性也不甚理想。 PSpice 的另一問題是仿真的收斂性問題。對(duì)復(fù)雜電路進(jìn)行仿真時(shí)，有時(shí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性較低。另外，在磁性元件的模型方面 PSpice 也有待加強(qiáng)。1.2 saber仿真軟件  Saber是美國Analogy公司開發(fā)并于1987年推出的模擬及混合信號(hào)仿真軟件，被譽(yù)為全球最先進(jìn)的系統(tǒng)仿真軟件，也是唯一的多技術(shù)、多領(lǐng)域的系統(tǒng)仿真產(chǎn)品。Analogy公司在機(jī)電一體化和電力電子設(shè)計(jì)、分析方面居世界領(lǐng)先地位，其

7、產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于電力、電子、航空、運(yùn)輸、家用電器及軍事等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)仿真軟件不同，Saber在結(jié)構(gòu)上采用硬件描述語言（MAST）和單內(nèi)核混合仿真方案，并對(duì)仿真算法進(jìn)行了改進(jìn)，使Saber仿真速度更快、更加有效、應(yīng)用也越來越廣泛。應(yīng)用工程師在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，建立最精確、最完善的系統(tǒng)仿真模型是至關(guān)重要的。   Saber可同時(shí)對(duì)模擬信號(hào)、事件驅(qū)動(dòng)模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)以及模數(shù)混合信號(hào)設(shè)備進(jìn)行仿真。利用Analogy公司開發(fā)的Calaversas算法，Saber可以確保同時(shí)進(jìn)行的兩個(gè)仿真進(jìn)程都能獲得最大效率，而且可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)進(jìn)程之間的信息交換，并在模擬和數(shù)字仿真分析之間實(shí)現(xiàn)了無縫聯(lián)接。Saber

8、適用領(lǐng)域廣泛，包括電子學(xué)、電力電子學(xué)、電機(jī)工程、機(jī)械工程、電光學(xué)、光學(xué)、水利、控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)等等。只要仿真對(duì)象能夠用數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行描述，Saber就能對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真。在Saber中，仿真模型可以直接用數(shù)學(xué)公式和控制關(guān)系表達(dá)式來描述，而無需采用電子宏模型表達(dá)式。因此，Saber可以對(duì)復(fù)雜的混合系統(tǒng)進(jìn)行精確的仿真，仿真對(duì)象不同系統(tǒng)的仿真結(jié)果可以同時(shí)獲得。為了解決仿真過程中的收斂問題，Saber內(nèi)部采用5種不同的算法依次對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，一旦其中某一種算法失敗，Saber將自動(dòng)采用下一種算法。通常，仿真精度越高，仿真過程使用的時(shí)間也越長。普通的仿真軟件都不得不在仿真精度和仿真時(shí)間上進(jìn)行平

9、衡。Saber采用其獨(dú)特的設(shè)計(jì)，能夠保證在最少的時(shí)間內(nèi)獲得最高的仿真精度。Saber工作在SaberDesigner圖形界面環(huán)境下，能夠方便的實(shí)現(xiàn)與Cadence Design System、Mentor Graphics和Viewlogic的集成。通過上述軟件可以直接調(diào)用Saber進(jìn)行仿真。1.3 PLECS仿真軟件PLECS仿真軟件能為系統(tǒng)級(jí)電路仿真提供一個(gè)與Simulink模型完全無縫的整合。在動(dòng)力電子系統(tǒng)和電力驅(qū)動(dòng)器的模擬上可以進(jìn)行簡化。另外PLECS工具箱的另外兩大特色是：（1）仿真速度比同類仿真軟件都要快得多；（2）功率半導(dǎo)體元器件理想化。這樣，在根本上加快了專業(yè)人員的設(shè)計(jì)時(shí)間，降

10、低了成本。 PLECS提供了涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動(dòng)等電氣系統(tǒng)中常見的基本元件和仿真模型，主要由兩大部分組成:內(nèi)建元件和庫元件。內(nèi)建元件包括:電阻、電感、電容、電流源、電壓源、變壓器、安培表、伏特表，開關(guān)等元件; 而庫元件則主要有:IGBT、GTO、晶閘管、二極管、雙路開關(guān)、三路開關(guān)、異步電機(jī)等的仿真模型。用戶也可以根據(jù)自己的需求用內(nèi)建元件來構(gòu)建所需的電路元件。實(shí)際上，PLECS的庫元件正是采用內(nèi)建元件來構(gòu)成的。 PLECS區(qū)別于以往傳統(tǒng)的模擬仿真應(yīng)用軟件,主要有以下一些顯著特點(diǎn): (1) 兼容性好：與Simulink達(dá)到無縫結(jié)合； (2) 高效的編輯原理； (3) 開關(guān)轉(zhuǎn)換的理想化:

11、A 便于操作: 一個(gè)理想的開關(guān)轉(zhuǎn)化，不會(huì)讓我們擔(dān)心諸如導(dǎo)通電阻或吸收電容這樣的參數(shù)問題.通常,我們可能不知道這些數(shù)值,特別是系統(tǒng)模擬所可能產(chǎn)生的寄生效應(yīng),也是很少被關(guān)注的,這樣,PLECS元件理想化優(yōu)勢就體現(xiàn)在這里. B 穩(wěn)定性好: 在模擬電路的搭建時(shí)，使用吸收電路往往使模擬系統(tǒng)復(fù)雜性增加,彈性系數(shù)也會(huì)上升.有些模塊通常會(huì)要求固定時(shí)步模擬或使用彈性系數(shù)解算器.而PLECS在沒有緩沖器的條件下,就可以讓您在Simulink的所有固定時(shí)步和可變時(shí)步解算器中進(jìn)行自由選擇. C 速度快: 傳統(tǒng)的一些電路模擬程序,轉(zhuǎn)化瞬間的計(jì)算十分繁瑣.有限斜率強(qiáng)制縮短了程序運(yùn)行步驟的時(shí)間.在PLECS中,這個(gè)問題就容

12、易解決.只需要通過理想開關(guān)的 即時(shí)運(yùn)行就可以實(shí)現(xiàn).每個(gè)轉(zhuǎn)化過程只需要兩步.在某種程度上大大加快了模擬速度. (4) 特殊的程序庫 除了標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)如電流電壓,有源器件外,PLECS還提供了一些特別的元件.在程序庫里,你可以找到很多半導(dǎo)體元器件,如開關(guān),斷路器.變流器和三相變壓器等等. 為了模擬電子驅(qū)動(dòng),我們在PLECS里還可以找到交流或直流發(fā)電機(jī),如感應(yīng)發(fā)電機(jī)或永磁同步發(fā)電機(jī)1.4 PSIM仿真軟件PSIM是趨向于電力電子領(lǐng)域以及電機(jī)控制領(lǐng)域的仿真應(yīng)用包軟件。PSIM具有仿真高速、用戶界面友好、波形解析等功能，為電力電子電路的解析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)研究等有效提供強(qiáng)有力的仿真環(huán)境。PSIM仿

13、真解析系統(tǒng)，不只是回路仿真單體，還可以和其他公司的仿真器連接，為用戶提供高開發(fā)效率的仿真環(huán)境。例如，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)開發(fā)領(lǐng)域，控制部分用MATLAB/Simulink實(shí)現(xiàn)，主回路部分以及其周邊回路用PSIM實(shí)現(xiàn)，電機(jī)部分用電磁界解析軟件JMAG實(shí)現(xiàn)，由此進(jìn)行連成解析，實(shí)現(xiàn)更高精度的全面仿真系統(tǒng)。1.5 CASPOC仿真軟件CASPOC 工作窗口CASPOC仿真軟件是一個(gè)面向電力電子和電氣驅(qū)動(dòng)的功能強(qiáng)大的系統(tǒng)級(jí)模擬軟件。使用CASPOC可以簡單快速地建立電力電子、電機(jī)、負(fù)載和控制量的多級(jí)模型。這個(gè)多級(jí)模型包括交互式電力供應(yīng)的電路級(jí)模型、電機(jī)/負(fù)載的部件級(jí)模型以及控制算法的系統(tǒng)級(jí)模型，最后使用CASPO

14、C穩(wěn)定的求解器快速和精確地仿真，將該模型的時(shí)域波形、向量和諧波直觀動(dòng)態(tài)地顯示出來，從而讓用戶進(jìn)行電力電子領(lǐng)域內(nèi)系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)和分析。 CASPOC仿真軟件擁有無可爭議的仿真速度和穩(wěn)定性。1.6基于Matlab的Simulink仿真軟件Simulink是基于Matlab的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，可以用來對(duì)各種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、分析和仿真，它的建模范圍廣泛，可以針對(duì)任何能用數(shù)學(xué)來描述的系統(tǒng)進(jìn)行建模，例如航空航天動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)、衛(wèi)星控制制導(dǎo)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、船舶及汽車等，其中包括了連續(xù)、離散，條件執(zhí)行，事件驅(qū)動(dòng)，單速率、多速率和混雜系統(tǒng)等。Simulink提供了利用鼠標(biāo)拖放的方法來建立系統(tǒng)框圖模型的圖形界面，而且還提

15、供了豐富的功能塊以及不同的專業(yè)模塊集合，利用Simulink幾乎可以做到不書寫一行代碼即完成整個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模工作。除此之外，Simulink還支持Stateflow，用來仿真事件驅(qū)動(dòng)過程Simulink是從底層開發(fā)的一個(gè)完整的仿真環(huán)境和圖形界面，是模塊化了的編程工具，它把Matlab的許多功能都設(shè)計(jì)成一個(gè)個(gè)直觀的功能模塊，把需要的功能模塊用連線連起來就可以實(shí)現(xiàn)需要的仿真功能了。也可以根據(jù)自己的需要設(shè)計(jì)自己的功能模塊，Simulink功能強(qiáng)大，界面友好，是一種很不錯(cuò)的仿真工具。Simulink仿真具有以下的特點(diǎn)：（1）交互建模Simulink提供了大量的功能塊，方便用戶快速地建立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，

16、建模時(shí)只需要使用鼠標(biāo)拖放庫中的功能塊，并將它們連接起來。用戶可以通過將塊組成子系統(tǒng)建立多級(jí)模型。對(duì)塊和連接的數(shù)目沒有限制。（2）交互仿真Simulink框圖提供了交互性很強(qiáng)的非線性仿真環(huán)境。用戶可以通過下拉菜單執(zhí)行仿真，或者用命令行進(jìn)行批處理。仿真結(jié)果可以在運(yùn)行的同時(shí)通過或者圖形窗口顯示。（3）能夠擴(kuò)充和定制Simulink的開放式結(jié)構(gòu)允許用戶擴(kuò)充仿真環(huán)境的功能。（4）與Matlab和工具箱集成由于Simulink可以直接利用Matlab的數(shù)學(xué)、圖形和編程功能，用戶可以直接在Simulink下完成諸如數(shù)據(jù)分析、過程自動(dòng)化、優(yōu)化參數(shù)等工作。工具箱提供的高級(jí)設(shè)計(jì)和分析能力可以通過Simulink的

17、屏蔽手段在仿真過程中執(zhí)行。（5）專用模型庫Simulink的模型庫可以通過專用元件集進(jìn)一步擴(kuò)展。由于在自動(dòng)控制原理課程仿真中已經(jīng)對(duì)simulink有了一定的熟悉，故在本次的電力電子仿真中仍然采用的是基于Matlab的Simulink仿真軟件。1.7 本章小結(jié)在本章中簡單地介紹了目前比較常用的電力電子仿真的常用仿真軟件，并簡要地介紹了各個(gè)電力電子仿真軟件的優(yōu)缺點(diǎn)以及其各自應(yīng)用的領(lǐng)域。仿真軟件能夠幫助我們更好地掌握電力電子的基本理論知識(shí)，它是我們在沒有世間經(jīng)驗(yàn)的情況下與實(shí)際溝通的橋梁，它是一種強(qiáng)有力的工具第2章 基本元器件特性的測試仿真2.1 不可控器件電力二極管電力二極管的仿真模型位于Simul

18、ink的SimPowerSystems工具箱的Power Electronic庫中，名稱為Diode，其模塊如圖所示：電力二極管的工作特性類似于模擬電路中的二極管，當(dāng)加在其兩端的正向電壓大于其門檻電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通工作，否則二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)。由于電力二極管無控制極，故屬于不控型器件。分兩種情況分別討論電力二極管的工作特性：帶純阻性負(fù)載；帶阻感性負(fù)載；說明：為了分析的方便，在以下所有的分析中除了給出其仿真的連接電路圖外，也加入了電路的原理圖，繪制原理圖的軟件有很多種，在此我采用的是比較熟悉的Protel 99 SE軟件，此處不再贅述。帶純阻性負(fù)載：電路原理圖如圖2-2所示： 其所對(duì)應(yīng)的仿真

19、電路圖如圖2-3所示：仿真連接圖說明：該仿真圖為在原理圖的基礎(chǔ)上加了電流測量模塊與電壓測量模塊，并通過示波器進(jìn)行觀察。仿真波形圖如圖2-4所示：該仿真中所用示波器為三蹤示波器，第一蹤波形為電路中的電流，第二蹤波形為負(fù)載端電壓，第三蹤波形為二極管端電壓。參數(shù)說明： 所用電源為交流220V其頻率為50HZ；所用電阻R為1；仿真結(jié)果分析：從仿真的波形圖可以很明顯的看出，在純阻性負(fù)載的情況下，其電流的波形與負(fù)載端電壓的波形基本相同，而且二極管兩端加上正向電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通，并隨著交流電源電壓幅值的上升，負(fù)載端電壓與電路電流也相應(yīng)的上升，二極管端電壓為0值。而在交流電源電壓的極性變反時(shí)，即加在二極管兩端

20、的電壓變?yōu)樨?fù)值時(shí)，二極管立即關(guān)斷，并沒有出現(xiàn)續(xù)流的情況。此時(shí)，負(fù)載端電壓與電路電流均為0值，而二極管兩端承受反向電壓，并隨著交流電源電壓幅值的變大，其反向電壓也變大。帶阻感性負(fù)載：電路原理圖如圖2-5所示：其所對(duì)應(yīng)的仿真電路圖如圖2-6所示：仿真連接圖說明：該仿真連接圖基本與帶純阻性負(fù)載時(shí)的相同，唯一區(qū)別在于其負(fù)載的變化。參數(shù)說明：由于在帶阻感性負(fù)載的電路中，其電路的波形將會(huì)隨著電感值的不同而不同，故為了說明電感所起的作用，在此設(shè)四組電感值并對(duì)其相應(yīng)的波形進(jìn)行對(duì)比分析。電路中的交流電源電壓仍然為220V,頻率為50HZ。其電阻R任為1；電感值的分類如下： L=1e-3 H; L=10e-3 H

21、; L=50e-3 H; L=150e-3 H;當(dāng) L=1e-3 H 時(shí)的仿真波形圖如圖2-7所示：當(dāng) L=10e-3 H 時(shí)的仿真波形圖如圖2-8所示：當(dāng) L=50e-3 H 時(shí)的仿真波形圖如圖2-9所示：當(dāng) L=150e-3 H 時(shí)的仿真波形圖如圖2-10所示：仿真結(jié)果分析：由四個(gè)波形圖對(duì)比可以看出，當(dāng)負(fù)載中的電感值發(fā)生變化時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的波形也將相應(yīng)的發(fā)生變化。當(dāng)L有值時(shí)，可以與帶純阻性負(fù)載時(shí)的波形進(jìn)行比較，在純阻性負(fù)載電源電壓的極性為正時(shí)，電力二極管導(dǎo)通工作，而當(dāng)電源電壓的極性變反時(shí)，二極管立即處于反向截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)負(fù)載有電感值時(shí)，雖然電源電壓在極性為正時(shí)電力二極管導(dǎo)通工作，情況與純阻性負(fù)

22、載時(shí)的類似，但是在電源電壓的極性變?yōu)樨?fù)值時(shí)，電力二極管并不立即關(guān)斷，而是有一定的延時(shí)續(xù)流，其延時(shí)續(xù)流的時(shí)間與其負(fù)載中電感的值有關(guān)，當(dāng)電感值越大時(shí)，其延時(shí)續(xù)流的時(shí)間也越長。從四份仿真波形圖的對(duì)比中可以分析得到，當(dāng)電感的值越來越大時(shí)，電流波形的幅值也越來越小，而且也變得越來越平滑，其負(fù)載端的電壓波形在負(fù)軸也變得越來越越多，二極管的反向端電壓也隨著電感值趨向于無窮大，其值也會(huì)趨向于0值。波形不同于帶純阻性負(fù)載時(shí)的原因是由于電感是儲(chǔ)能原件，在電源電壓的極性變反時(shí)，由于電感相當(dāng)于電動(dòng)勢，所以它與電源電壓綜合加在二極管兩端的電壓并沒有變?yōu)樨?fù)值，而任保持其導(dǎo)通。當(dāng)電感的值越大時(shí)，其作用也將越加的明顯。2.2

23、 半控器件晶閘管晶閘管全稱晶體閘流管，曾稱可控硅，簡稱SCR。晶閘管在六七十年代獲得迅速的發(fā)展，除器件的性能與電壓、電流容量不斷提高外，還派生出快速晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、光控晶閘管、雙向晶閘管，形成晶閘管系列。晶閘管在Simulik中的模型圖如圖2-11所示：晶閘管的工作特性可簡單總結(jié)如下： 門極斷開時(shí)，晶閘管的正向漏電流比一般硅二極管的反向電流稍大，且隨著管子正向陽極電壓的升高而增大。當(dāng)陽極電壓升到足夠大時(shí)，會(huì)使晶閘管導(dǎo)通，稱為正向轉(zhuǎn)折或硬開通。 晶閘管加上正向陽極電壓后，還必須加上觸發(fā)觸發(fā)電壓產(chǎn)生足夠的觸發(fā)電流，才能使晶閘管從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)，稱為觸發(fā)導(dǎo)通。 晶閘管一旦被觸

24、發(fā)導(dǎo)通后，門極完全失去控制作用。要關(guān)斷已經(jīng)導(dǎo)通的晶閘管，必須使陽極電流小于維持電流，對(duì)于電阻負(fù)載，只要使管子陽極電壓將為零即可。為了保證晶閘管可靠與迅速地關(guān)斷，通常在管子陽極電壓將為零之后，加一段時(shí)間的反向電壓。為了說明晶閘管的特性用簡單的單向半波整流電路的仿真波形作為簡要的分析。同樣，晶閘管特性的討論也將分為帶純阻性負(fù)載與帶阻感性負(fù)載的兩種情況。帶純阻性負(fù)載：電路原理圖如圖2-12所示：其所對(duì)應(yīng)的仿真電路圖如圖2-13所示：仿真圖說明：在該仿真圖中，加入了電流測量單元與電壓測量單元來觀察負(fù)載端電壓與電路中的電流的波形，還測量了晶閘管的端電壓及其電流的波形。在純阻性負(fù)載的情況下分四種情況觀察波

25、形： 觸發(fā)角為0度的情況； 觸發(fā)角為30度的情況； 觸發(fā)角為60度的情況； 觸發(fā)角為90度的情況。首先在觸發(fā)角為0度時(shí)仿真的波形圖如圖2-14所示：當(dāng)觸發(fā)角為30度時(shí)的仿真波形圖如圖2-15所示：當(dāng)觸發(fā)角為60度時(shí)的仿真波形圖如圖2-16所示：當(dāng)觸發(fā)角為90度時(shí)的仿真波形圖如圖2-17所示：參數(shù)說明：在該仿真中所用交流電源為220V且其頻率為50HZ;因?yàn)樵诖酥皇呛唵纹骷匦缘尿?yàn)證性仿真，故為了簡單起見，選取其負(fù)載電阻為1；脈沖發(fā)生器的的周期值設(shè)置為0.02s，脈沖寬度為5，相應(yīng)的觸發(fā)角分別設(shè)置為0°，30°，60°90°所對(duì)應(yīng)的值。仿真結(jié)果分析：從圖2

26、-14的仿真波形圖可以看出，當(dāng)觸發(fā)角為0°時(shí)，當(dāng)加在晶閘管兩端的電壓為正向電壓時(shí)，晶閘管立即導(dǎo)通，負(fù)載端的電壓及其電路中的電流均會(huì)隨著電源電壓的變化而發(fā)生相應(yīng)的變化。在交流電源電壓為正的半個(gè)周期中，晶閘管兩端的電壓始終處于0值，這也充分的說明了晶閘管正處于導(dǎo)通狀態(tài)。而當(dāng)交流電源電壓的極性變反時(shí)，晶閘管立即關(guān)斷，其負(fù)載端的電壓及其電流值均變?yōu)?值，但是在此時(shí)晶閘管兩端的電壓將會(huì)隨著交流電源電壓的變化而相應(yīng)的升高和降低。在對(duì)比觸發(fā)角為0°仿真波形圖的情況下，分析觸發(fā)角分別為30°，60°，以及90°的波形圖，不難會(huì)得出以下的結(jié)論： 負(fù)載端的電壓及其

27、電流值均且只能出現(xiàn)在前半個(gè)周期，其幅值都為正值。而且晶閘管的工作必須是在交流電壓為正且其觸發(fā)角到來時(shí)。由于是純阻性負(fù)載故在電源壓變反時(shí)，加在晶閘管兩端的電壓也將變?yōu)樨?fù)值，從而使晶閘管立刻關(guān)斷，退出工作狀態(tài)。從波形圖中可以清楚的觀察到無論在哪個(gè)觸發(fā)角的情況下，當(dāng)電源電壓極性變反時(shí)，其后半個(gè)周期的波形圖均完全相同，其主要原因就是純阻性負(fù)載是非儲(chǔ)能元件，在電源電壓變反時(shí)，而沒有其他可以提供電動(dòng)勢的元件從而使得晶閘管兩端的電壓立即變?yōu)樨?fù)值，迫使晶閘管關(guān)斷，也就使得在后半周期的波形均完全相同。帶阻感性負(fù)載：其電路原理圖如圖2-18所示： 其所對(duì)應(yīng)的仿真圖如圖2-19所示：仍然將觸發(fā)角分為0°、

28、30°、60°、以及90°的情況進(jìn)行仿真，并對(duì)其相應(yīng)的波形進(jìn)行分析。首先單相半波帶阻感負(fù)載且觸發(fā)角為0°時(shí)的仿真波形如圖如圖2-20所示：當(dāng)觸發(fā)角為30°時(shí)的仿真波形圖如圖2-21所示：當(dāng)觸發(fā)角為60°時(shí)的仿真波形圖如圖2-22所示：當(dāng)觸發(fā)角為90°時(shí)的仿真波形圖如圖2-23所示：參數(shù)說明：交流電源仍然為220V頻率為50HZ;為了分析方便任然將負(fù)載電阻值設(shè)置為1，負(fù)載電感值為2mH;脈沖發(fā)生器的周期設(shè)置為0.02s，脈沖寬度為10。觸發(fā)角設(shè)置為0°、30°、60°、90°相對(duì)應(yīng)的參數(shù)

29、值。仿真結(jié)果分析：對(duì)比前面帶純阻負(fù)載的波形圖不難看出在帶阻感負(fù)載時(shí)電流的波形比前種情況平滑。其原因就是因?yàn)樵谪?fù)載中加入了電感，而電感是儲(chǔ)能元件具有能夠平滑波形的作用。再對(duì)比觀察負(fù)載端的電壓，可以分析得到在兩種情況下各個(gè)相對(duì)應(yīng)觸發(fā)角時(shí)負(fù)載端的開始段波形即負(fù)載端開始存在電壓時(shí)的波形完全相同，其原因已在上面分析過，此處不再贅述。但是再觀察負(fù)載端電壓的負(fù)半軸，可以看出帶純阻負(fù)載時(shí)負(fù)載電壓在負(fù)半軸并沒有值，即當(dāng)交流電源電壓的極性變反時(shí)，負(fù)載端的電壓將不再變化，一直保持為零值。而帶阻感性負(fù)載時(shí)可以看到負(fù)載端電壓的波形在負(fù)半軸也有值，也就是說在交流電源電壓的極性變反時(shí)，由于電感的存在，而電感又是儲(chǔ)能原件，在

30、這里就相當(dāng)于一個(gè)電動(dòng)勢，它與交流電源相抵消后加在晶閘管兩端的電壓并不是復(fù)制，從而使得此時(shí)晶閘管不立即關(guān)斷，其負(fù)載端仍存在電壓。而當(dāng)綜合后加在晶閘管兩端的電壓變?yōu)樨?fù)值時(shí)，晶閘管才退出工作狀態(tài)，負(fù)載端的電壓也立刻變?yōu)榱阒?。?duì)于晶閘管兩端的反向電壓，其分析過程相似，即在晶閘管處于工作狀態(tài)時(shí)一直保持為零值，但是當(dāng)晶閘管退出工作狀態(tài)，晶閘管兩端的電壓有相應(yīng)的值。此處不再詳細(xì)分析。當(dāng)然，在此處還可以進(jìn)行深入的討論分析，即變化負(fù)載中電感的值，并觀察電感值的變化對(duì)各個(gè)波形圖的影響。由于在此只是簡單的單個(gè)元器件特性的測試，故不再具體地分析討論?，F(xiàn)將其原理說明如下。眾所周知，電感是儲(chǔ)能元件，但是電感儲(chǔ)能的能力與其

31、電感值的大小有關(guān)，當(dāng)電感值越大時(shí)，其儲(chǔ)能的能力也越強(qiáng)。故當(dāng)交流電源電壓極性變反時(shí)，經(jīng)過多長時(shí)間使得晶閘管兩端的電壓變?yōu)樨?fù)值決定于電感值的大小。電感值越大，儲(chǔ)存的電能就越多，與交流電源作用的時(shí)間就越長，從而使得晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間加長，也將導(dǎo)致負(fù)載電壓在負(fù)半軸的有效值變大。2.3 全控器件IGBT將GTO或RTO雙極型電流驅(qū)動(dòng)器件與MOSFET單極型電壓驅(qū)動(dòng)器件兩類器件相互取長補(bǔ)短適當(dāng)結(jié)合而成的復(fù)合器件，通常稱為Bi-MOS器件。IGBT綜合了前兩者的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。其仿真模型在Simulink中的圖形如圖2-24所示?，F(xiàn)將IGBT的特性總結(jié)如下： IGBT的開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。有關(guān)資

32、料表明，在電壓1000V以上是，IGBT的開關(guān)損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當(dāng)。 在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。 IGBT的通態(tài)壓降比MOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。 IGBT的輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似。 與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)可保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn)。同樣，為了驗(yàn)證IGBT的特性，選取簡單的升壓斬波電路進(jìn)行分析。該電壓斬波電路的原理圖如圖2-25所示：其所對(duì)應(yīng)的仿真原理圖如圖2-26所示：當(dāng)脈沖發(fā)生器所對(duì)應(yīng)脈沖的占空比為40時(shí)所對(duì)應(yīng)的

33、波形圖如圖2-27所示：參數(shù)說明：選擇直流電源電壓為100V，網(wǎng)側(cè)的電感值為8mH; 負(fù)載的電阻值為50；電容值為80uF；脈沖發(fā)生器的脈沖寬度為40，且其脈沖的周期設(shè)置為0.002s。仿真結(jié)果分析：該電路是一個(gè)簡單的IGBT應(yīng)用電路，從波形圖可以直觀地分析得出在負(fù)載端的電壓的負(fù)值時(shí)直流電源電壓的兩倍，即將直流電源電壓幅值100V升到了200V，這也是該電路的宗旨?，F(xiàn)在來分析前幾個(gè)周期中的工作過程及其原理。首先，在波形圖中可以直觀看到，在第一個(gè)周期中的脈沖作用時(shí)間，IGBT導(dǎo)通并有電流流過。在負(fù)載端，由于電容沒有累積的電荷，且此時(shí)電阻也被IGBT短路，故在波形圖上表現(xiàn)為負(fù)載兩端的電壓為零值。而

34、當(dāng)脈沖變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，即IGBT被關(guān)斷時(shí)，可以看到此時(shí)流過IGBT的電流立刻變?yōu)榱阒?。但是，主關(guān)鍵的是負(fù)載兩端的電壓會(huì)隨著電容的充電而迅速上升，由于充電時(shí)間常數(shù)的關(guān)系，在第一個(gè)周期中負(fù)載端的電壓并沒有上升到最終的穩(wěn)態(tài)值200V。在以后的幾個(gè)周期中，其工作過程與第一個(gè)周期的工作過程完全相似，但是要經(jīng)過幾個(gè)周期的穩(wěn)定過程，直到負(fù)載端的電壓穩(wěn)定在200V時(shí)，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，其后每個(gè)周期的波形完全相同。24 本章小結(jié)在本章中主要分析了電力電子中的常用的典型元器件，旨在了解和驗(yàn)證各種器件的工作特性，并首先對(duì)Simulink有個(gè)入門的認(rèn)識(shí)和初步的應(yīng)用，為后面解決習(xí)題以及設(shè)計(jì)分析復(fù)雜的電力電子仿真電路打下堅(jiān)

35、實(shí)的基礎(chǔ)。由于電力電子中的基本元器件比較多，故只能選取典型的代表進(jìn)行分析。在不可控器件中選擇了正常用的電力二極管。而在半控器件中選擇了晶閘管進(jìn)行分析。在全控器件中選擇了最具典型代表的IGBT。這些器件都是在電力電子中必須掌握的器件，故在此選擇了這些器件以加深對(duì)它們的理解與掌握。第3章 仿真軟件在實(shí)際中的應(yīng)用在上一章中主要介紹了簡單的電力電子器件的基本特性。主要為不可控器件中的電力二極管，半控器件中的晶閘管，以及全控器件中的最為典型的IGBT。由于上一章的宗旨是熟悉仿真軟件的應(yīng)用環(huán)境以及驗(yàn)證器件的特性，故在上一章中所涉及的電路都是非常簡單易分析的電路。在前一章的基礎(chǔ)上，這一章將重點(diǎn)放在稍微復(fù)雜的

36、電路中，為了分析切近實(shí)際，選取幾道習(xí)題作為本章的內(nèi)容加以分析。3.1 整流電路的分析在本節(jié)中所選取的一道習(xí)題題目為：有一單相全控整流電路，電阻性負(fù)載，請(qǐng)畫出負(fù)載端的電壓以及電流的波形和整流二極管所承受電壓的波形。首先，做出該題目所對(duì)應(yīng)的電路原理圖，如圖3-1所示：其所對(duì)應(yīng)的仿真電路圖如圖3-2所示：眾所周知，在整流電路中最關(guān)鍵的參數(shù)就是觸發(fā)角的大小，它的值直接影響著仿真波形的形狀。故在該題目中主要圍繞觸發(fā)角的不同來進(jìn)行仿真得出相對(duì)應(yīng)的波形圖。不失一般性，將觸發(fā)角分為以下四種情況進(jìn)行討論： 當(dāng)觸發(fā)角為0°時(shí)的波形圖； 當(dāng)觸發(fā)角為30°時(shí)的波形圖； 當(dāng)觸發(fā)角為60°時(shí)

37、的波形圖； 當(dāng)觸發(fā)角為90°時(shí)的波形圖；首先，在觸發(fā)角為0°情況下時(shí)：調(diào)節(jié)第一路脈沖發(fā)生器的延遲角0°，由于在電路中兩個(gè)橋臂是對(duì)稱的，則兩個(gè)橋臂分別對(duì)應(yīng)半個(gè)周期，故而調(diào)節(jié)第二路脈沖發(fā)生器的延遲角為180°。則在觸發(fā)角為0°時(shí)的波形圖如圖3-3所示：觸發(fā)較為30°時(shí)的波形圖如圖3-4所示：觸發(fā)角為60°時(shí)的波形圖如圖3-5所示：觸發(fā)角為90°時(shí)的波形圖如圖3-6所示：參數(shù)說明：由于在該題目中并沒有給出確切的參數(shù)，所以為了分析方便，選取參數(shù)如下：交流電源為100V頻率為50HZ；負(fù)載的電阻值為150；所用晶閘管的一些參

38、數(shù)為其默認(rèn)值。仿真結(jié)果分析：在單相橋式全控整流電路中，晶閘管VT1與VT4組成一對(duì)橋臂，VT2與VT3組成另一對(duì)橋臂。在交流電源電壓的正半周，若4個(gè)晶閘管均不導(dǎo)通，則負(fù)載電流為零，VT1、VT4串聯(lián)承受交流電源電壓，若兩個(gè)管子的漏電阻相等，則各承受一半。若在相應(yīng)的觸發(fā)角處給VT1與VT4加觸發(fā)脈沖，VT1與VT4即會(huì)導(dǎo)通，電流會(huì)從電源a端流經(jīng)VT1、R與VT4流回電源的b端。當(dāng)交流電源電壓過零時(shí)，流經(jīng)晶閘管的電流也降到零，VT1與VT4將關(guān)斷。在交流電源電壓的負(fù)半周，仍然在給定相應(yīng)觸發(fā)角處觸發(fā)VT2與VT3，使VT2與VT3導(dǎo)通，電流從b端流出，流經(jīng)VT2、R與VT3流回電源的a端。到電源電壓

39、過零時(shí)，電流又降為零，VT2與VT3關(guān)斷。此后又是VT1與VT4導(dǎo)通，如此循環(huán)地工作下去，將會(huì)得到所對(duì)應(yīng)的波形圖。由于在交流電源的正負(fù)半周都有整流輸出電流流過負(fù)載，故而該電路為全波整流。在負(fù)載端電壓的一個(gè)周期內(nèi)，整流電壓脈動(dòng)兩次，脈動(dòng)的次數(shù)多于半波整流電路，故該電路屬于雙波整流電路。3.2 交流調(diào)壓電路的分析交流調(diào)壓電路廣泛用于燈光控制（如調(diào)光臺(tái)燈和舞臺(tái)燈光的控制）及一步電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)，也用于異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。在供電系統(tǒng)中，這種電路還常用于對(duì)無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。此外，在高電壓小電流或低電壓大電流直流電源中，也常采用交流調(diào)壓電路調(diào)節(jié)變壓器的一次電壓。在本節(jié)中將選取一道有關(guān)交流調(diào)壓的系統(tǒng)進(jìn)行分析，

40、旨在掌握交流脈寬調(diào)制的理論與思想。所選習(xí)題的題目為:有一交流調(diào)壓電路，其所帶負(fù)載為純阻性負(fù)載，試畫出負(fù)載端的的電壓與流經(jīng)負(fù)載電流的波形。交流調(diào)壓電路的種類非常的多，但為了分析的方便，選取最常用的晶閘管反向并聯(lián)的一種做一分析。其電路原理圖如圖3-7所示： 其所對(duì)應(yīng)的仿真電路連接圖如圖3-8所示：為了進(jìn)行對(duì)比，便于分析，在交流調(diào)壓電路中仍然采取以觸發(fā)角為核心，即觀察不同觸發(fā)角情況下所對(duì)應(yīng)的仿真波形圖。在此，為了與前面分析的思路保持一致，故仍將所要觀察的波形圖分為四種情況： 當(dāng)觸發(fā)角為0°時(shí)的波形圖； 當(dāng)觸發(fā)角為30°時(shí)的波形圖； 當(dāng)觸發(fā)角為60°時(shí)的波形圖； 當(dāng)觸發(fā)角為90°時(shí)的波形圖；對(duì)脈沖發(fā)生器的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，可以得到在不同觸發(fā)角情況下的仿真波形圖。當(dāng)觸發(fā)角為0°時(shí)的波形圖如圖3-9所示：當(dāng)觸發(fā)角為30°時(shí)的波形圖如圖3-10所示：當(dāng)觸發(fā)角為60°時(shí)的波形圖如圖3-11所示：當(dāng)觸發(fā)角為90°