基于MATLAB的电力电子仿真_张耘川

续流作用。
（１）建模仿真
图 ３ 中，电源为直流电源，幅值为 １０ Ｖ。占空
比为 ５０％，ｓｅｒｉｅｓ ＲＬＣ Ｂｒａｎｃｈ２ 是电感量为 ９０ μＨ
的电感，ｓｅｒｉｅｓ ＲＬＣ Ｂｒａｎｃｈ是电容量为８３．３ μＦ的
电容，负载电阻为 １ Ω，打开仿真参数窗，选择
ｏｄｅ２３ｔｄ 算法，起始时间分别为０ ｓ、０．００２ ｓ，设置
＋ｖ － 示波器 １
子系统 图 ６ 双极性 ＳＰＷＭ 的单相全桥逆变仿真电路图
Ｄｉｓｃｒｅｔｅ， Ｔｓ＝１ｅ－００５ ｓ．
ｐｏｗｅｒｇｕｉ
Ｉｄ Ｉｏ Ｕｏ
示波器
通信号，给 Ｖ ２ 、Ｖ ３ 关断信号，输出电压 Ｕ ｏ ＝ Ｕ ｄ，
当信号波（Ｕ ）＜载波（Ｕ ）时，给 Ｖ２、Ｖ３ 导通信
ｒ
ｃ
号，给 Ｖ １ 、Ｖ ４ 关断信号，输出电压 Ｕ ＝－ Ｕ 。
触发脉冲
ＩＧＢＴ
＋－ｉ
ｇ Ｃ
ｍ Ｅ
电阻
电流测量
电流测量
ｉ－ ＋
＋
直 流
电
源
Ｄｉｏｄｅ
＋－ｉ 电流测量 ２
负载阻抗
２．８６３ 电流值显示
＋ｖ － 负载电压 测量
＋ｖ － 电压测量
图３ 直流降压斩波电路仿真模型
示波器
图２ 单相桥式整流电路仿真波形
（２ ）分析仿真结果
在电源电压正半周，ＶＴ２ 和 ＶＴ３ 均承受反向电压
极性 Ｓ Ｐ Ｗ Ｍ 电路的建模仿真为例介绍 Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ 在 电力电子技术中的应用。
典型电力电子电路的仿真实例
下面以单相桥式整流电路和直流降压斩波电路 为例在 ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 中进行仿真。
１． 单相桥式整流电路的仿真 （１）建模仿真
首先打开 Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ 中的动态仿真工具箱 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 环境，新建扩展名为．ｍｄｌ 的模型，双击 Ｓｉｍｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ图标，在弹出的电路仿真元件库窗口 中选择相应的元件，设计如图１所示的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型。
（收稿日期：２０１２．０１．０６）
９ ０ | 电气时代·２ ０ １ ２ 年第 ６ 期
提供通道，由于占空比为 ５０％，输入电压为 １０ Ｖ，
故经降压斩波后输出电压在 ５ Ｖ 上下波动。
３． 双极性 ＳＰＷＭ 电路的仿真
直流—交流（ＤＣ／ＡＣ）变换器，也称逆变器，其
功能是将直流电转变为交流电供负载使用。脉宽调
制（ＰＷＭ）逆变器是现在使用和研究最多的逆变器，
这以正弦脉宽调制（Ｓ Ｐ Ｗ Ｍ ）为例进行仿真。
而处于截止状态。ＶＴ１、ＶＴ４ 承受正向电压， 同时给
ＶＴ 、ＶＴ 加触发脉冲使其导通，电流经 ＶＴ 、Ｒ、ＶＴ
１
４
１
４
形成回路。电源电压进入负半周时，２ 个晶闸管ＶＴ 、 ２
ＶＴ３ 同时承受正向电压，同时给 ＶＴ２ 和 ＶＴ３ 加触发脉
冲使其导通，电流经过 ＶＴ 、Ｒ 、ＶＴ 形成回路。
３
２
２． 直流降压斩波电路的仿真
图１ 单相桥式整流电路仿真模型
供配用电 产品与技术
PRODUCT & TECHNOLOGY
图 １ 中，电源为单相交流电，幅值为 ５ Ｖ，频率 为 ５０ Ｈｚ。两个触发脉冲相差 １８０ °，打开仿真参 数窗，选择 ｏｄｅ２３ｔｄ 算法，起始时间分别为 ０ ｓ、 ０．０４ ｓ，设置好各模块参数后，单击工具栏上的仿真 按钮，得到如图 ２ 所示仿真结果。
电力电子技术是应用电力电子器件对电能进行 变换和控制，通过分析各类电力电子元件的通断情况 来实现整流、逆变、斩波和变频等的技术。随着科学 技术的发展，电力电子技术在电气工程、自动化及通 信等诸多工程领域得到了广泛应用，从数瓦数十瓦的 日光灯镇流器、电视机电源等家用电器，到数千兆瓦 的直流输电系统，电力电子装置的应用已经渗透到了 生产生活的各个领域。仿真是现代电子电路研究分析 和设计的重要手段，仿真不需要物质的仪器设备。 采用 ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 对电力电子建模仿真， 能够变抽象为具体，形象直观地反映出电路特性。 本文以单相桥式整流电路、直流降压斩波电路和双
（１）建模仿真
双极性 ＳＰＷＭ 信号的 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 产生图如图 ５ 所
示。在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的“Ｓｏｕｒｃｅ”库中选择“Ｃｌｏｃｋ”模块，
以提供仿真时间 ｔ，乘以后再通过一个“ｓｉｎ”模块即
为 ｓｉｎ，乘以调制比 ｍ 后可得到所需的正弦波调制信
号。三角载波信号由“Ｓｏｕｒｃｅ”库中的“Ｒｅｐｅａｔｉｎｇ
直流—直流变换（ＤＣ／ＤＣ）的功能是改变和调
节直流电的电压电流，也称直流调压器。在这里以
直流降压斩波电路为例进行 ＭＡＴＬＡＢ 仿真，直流降
压斩波电路（ｂｕｃｋ ｃｈｏｐｐｉｎｇ）由一个开关管 Ｔ，二
极管 Ｖ Ｄ 和电感 Ｌ 及负载组成，开关管 Ｔ 是斩波控
制的主要元件，电感起储能和滤波作用，二极管起
时刻
ｍ 常数 ２ ＊ ｐｉ ＊ ｆ 增益
× ｓｉｎ 乘运算 三角运算
≥
ｂｏｏｌｅａｎ
关系运算数据类型转换
ＮＯＴ
逻辑运算
重复序列
ｄｏｕｂｌｅ
１
数据类型转换 １ 输出
＋－ｉ 电流测量 １
＋ 直流电压源
图 ５ 双极性 ＳＰＷＭ 信号的 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 产生图
＋
ｇ
Ａ
－
Ｂ
逆变桥
＋ｉ －
电流测量
阻抗
Ｏｕｔ１
产品与技术 供配用电
PRODUCT & TECHNOLOGY
「电力系统」
基于 Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ 的电力电子仿真
文 ／兰州交通大学自动化与电气工程学院 张耘川 庆阳市供电公司 王昕怡

根据电力电子技术的发展现状，基于 ＭＡＴＬＡＢ 软件 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 和 ＳｉｍＰｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ 工具箱仿真电力电子电路，并以单相桥式整流电路、直流降压斩波电路和 双极性 ＳＰＷＭ 电路为例进行建模、仿真和分析，得出仿真结果。由此证明，利用 ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 作仿真，对于电力电子技术的研究分析和设计提供了一种十分 有效的途径。
主电路采用“Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｂｒｉｄｇｅ”模块，在对话 框中选择臂数为 ２，即可构成全桥电路，开关器件 选带反并联二极管的 ＩＧＢＴ，直流电压模块设置为 ３００ Ｖ，阻感负载分别设置为 １ Ω和 １２ ｍＨ。为了
使仿真界面简洁，参数便于修改，将双极性 Ｓ Ｐ Ｗ Ｍ 模块的输出连接到单相全桥模块的门极输入，最终 得到主电路仿真模型如图 ６ 所示。设置深度 ｍ 为 ０．５，输出基波频率设为 ５０ Ｈｚ，载波频率设置为基 频的 １５ 倍，即 ７５０ Ｈｚ。将仿真时间设置为 ０．０６ ｓ， 在 ｐｏｗｅｒｇｕｉ 中设置为离散仿真模式，采样时间为 １０ －５ ｓ，运行后可得仿真结果，输出交流电流、交 流电压和直流波形如图 ７ 所示。
ｏ
ｄ
图 ７ 双极性 ＳＰＷＭ 单相逆变器 ｍ ＝ ０．５ 时的仿真波形图
（２ ）分析仿真结果 当信号波（Ｕｒ）＞载波（Ｕｃ）时，给 Ｖ１、Ｖ４ 导
结束语
将 Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ 应用于电力电子技术，进行 ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 建模仿真，不仅能够直观地观察 到各元件的动态电压、电流波形，而且可以方便地 修改元件参数，得到不同工作环境下的仿真结果， 克服了硬件试验面临的许多困难。实践证明， ＭＡＴＬＡＢ 为电力电子技术的研究分析和设计提供了 一种十分有效的途径。EA
好各模块参数后，单击工具栏上的仿真按钮，得到
如图 ４ 所示仿真结果。
（２ ）分析仿真结果
当有脉冲信号时，ＩＧＢＴ 导通，电源向负载供电，
图４ 直流降压斩波电路仿真波形
负载电流呈指数曲线上升。当无脉冲信号时，ＩＧＢＴ
关断，负载电流经Ｄｉｏｄｅ续流， 负载电流呈指数曲线
下降。续流二极管 Ｄｉｏｄｅ 在 ＩＧＢＴ 关断时给负载电流
Ｓｅｑｕｅｎｃｅ”模块产生，参数设置为【０ １／ｆ ／４ ３／ｆ ／４ １／ｆ 】
ｃ
ｃ
ｃ
ｗｗｗ．ｅａｇｅ．ｃｏｍ．ｃｎ
２ ０ １ ２ 年第 ６ 期·电气时代 | ８ ９
产品与技术 供配用电
PRODUCT & TECHNOLOGY
和【０ １ —１ ０】，便可生成频率为ｆ 的三角载波。调 ｃ
制波和载波通过Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的“Ｌｏｇｉｃ ａｎｄ Ｂｉｔ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ” 库中的“Ｒｅｌａｔｉｏｎａｌ Ｏｐｅｒａｔｏｒ”模块进行比较后所得信 号，再通过适当处理便可得四路开关信号。
触发脉冲 ５０ Ｈｚ
ｍｋ
晶闸管 ＶＴ１ ｇ ａ
ｍｋ
晶闸管
ＶＴ ３
ｇ
ａ
交流电源 ５ Ｖ
５０ Ｈｚ
＋ －
ｖ
电源电压测量
ｍｋ
晶闸管 ＶＴ２ ｇ ａ
晶闸管 ＶＴ４
ｍｋ ｇａ
电阻
电源电压 １ ４触发脉冲
２ ３触发脉冲 负载电压
＋ｖ － 负载电压测量
示波器
８ ８ | 电气时代·２ ０ １ ２ 年第 ６ 期
触发脉冲 ５０ Ｈｚ