Power Electronics – элементы силовой электроники

Пиктограмма (рисунок 2.118).

Назначение: моделирует полупроводниковый силовой диод.

Модель диода состоит из последовательно включенных резистора R_on, индуктивности L_on, источника постоянного напряжения V_f и ключа SW (рисунок 2.119). Блок логики управляет работой ключа. При положительном напряжении на диоде (V_ak - V_f) происходит замыкание ключа и через прибор начинает протекать ток. Размыкание ключа (выключение диода) выполняется при снижении тока I_ak, протекающего через диод, до нуля.

Статическая вольтамперная характеристика модели диода показана на рисунке 2.120.

В модели параллельно самому диоду включена последовательная RC-цепь, выполняющая демпфирующие функции.

Окно задания параметров (рисунок 2.121).

Рисунок 2.117

Рисунок 2.118

Рисунок 2.119

Рисунок 2.120

Параметры блока:

- Resistance Ron (Ohm):

[Сопротивление во включенном состоянии (Ом)],

- Inductance Lon (H):

[Индуктивность во включенном состоянии (Гн)].

- Forward voltage Uf (V):

[Падение напряжения в прямом направлении (В)].

- Initial current Ic (A):

[Начальное значение тока (А)]. При значении параметра равном нулю моделирование начинается при закрытом состоянии диода. Если параметр задан положительным значением, то моделирование будет начато при открытом состоянии диода.

- Snubber resistance Rs (Ohm):

[Сопротивление демпфирующей цепи (Ом)].

Рисунок 2.121

- Snubber capacitance Cs (F):

[Емкость демпфирующей цепи (Ф)].

На выходном порту блока, обозначенном m, формируется векторный Simulink-сигнал из двух элементов. Первый элемент – анодный ток тиристора, второй – напряжение анод-катод тиристора.

Пример: на рисунке 2.122 показана схема модели, однополупериодного выпрямителя, работающего на активно-индуктивную нагрузку.

Рисунок 2.122, а

Рисунок 2.122, б

Пример (Diode_1.zip).

Пиктограмма (рисунок 2.123).

Рисунок 2.123

Назначение: моделирует тиристор. В библиотеке SimPowerSystem имеется две модели тиристора: Thyristor (упрощенная модель) и Detailed Thyristor (уточненная модель).

Упрощенная модель тиристора состоит из последовательно включенных резистора R_on, индуктивности L_on, источника постоянного напряжения V_f и ключа SW (рисунок 2.124). Блок логики управляет работой ключа. При положительном напряжении на тиристоре (V_ak - V_f) и наличии положительного сигнала на управляющем электроде (g) происходит замыкание ключа и через прибор начинает протекать ток. Размыкание ключа (выключение тиристора) выполняется при снижении тока I_ak, протекающего через тиристор, до нуля.

В уточненной модели тиристора длительность управляющего импульса должна быть такой, чтобы при включении анодный ток тиристора превысил ток удержания (Il). В противном случае включение не произойдет. При выключении тиристора длительность приложения отрицательного напряжения анод-катод должна превышать время выключения тиристора (Tq). В противном случае произойдет автоматическое включение тиристора даже, если управляющий сигнал равен нулю.

Рисунок 2.124

Статические вольтамперные характеристики модели тиристора для включенного и выключенного состояний показаны на рисунке 2.125.

В модели параллельно самому тиристору включена последовательная RC-цепь, выполняющая демпфирующие функции.

Окно задания параметров (рисунок 2.126).

Рисунок 2.125

Параметры блока:

- Resistance Ron (Ohm):

[Сопротивление во включенном состоянии (Ом)],

- Inductance Lon (H):

[Индуктивность во включенном состоянии (Гн)].

- Forward voltage Uf (V):

[Падение напряжения в прямом направлении (В)].

- Initial current Ic (A):

Рисунок 2.126

[Начальное значение тока (А)]. При значении параметра равном нулю моделирование начинается при закрытом состоянии тиристора. Если параметр задан положительным значением, то моделирование будет начато при открытом состоянии тиристора.

- Snubber resistance Rs (Ohm):

[Сопротивление демпфирующей цепи (Ом)].

- Snubber capacitance Cs (F):

[Емкость демпфирующей цепи (Ф)].

- Latching current Ii (A):

[Величина тока удержания (А)]. Параметр задается в уточненной модели тиристора.

- Turn of time Tq (s):

[Время выключения (с)]. Параметр задается в уточненной модели тиристора.

На выходном порту блока, обозначенном m, формируется векторный Simulink-сигнал из двух элементов. Первый элемент – анодный ток тиристора, второй – напряжение анод-катод тиристора.

Пример: на рисунке 2.127 показана схема модели, управляемого однополупериодного выпрямителя, работающего на активно-индуктивную нагрузку. Импульсы управления тиристором формируются блоком Pulse Generator, при этом величина угла управления тиристором определяется длительностью фазовой задержки (Phase Delay) генератора.

Пример (Thyristor_1.zip).

Пиктограмма (рисунок 2.128).

Назначение: моделирует полностью управляемый тиристор.

Модель полностью управляемого тиристора состоит из последовательно включенных резистора R_on, индуктивности L_on, источника постоянного напряжения V_f и ключа SW (рисунок 2.129). Блок логики управляет работой ключа.

Рисунок 2.127

Рисунок 2.128

При положительном напряжении на тиристоре (V_ak - V_f) и наличии положительного сигнала на управляющем электроде (g) происходит замыкание ключа и через прибор начинает протекать ток. Для выключения прибора достаточно управляющий сигнал снизить до величины равной нулю. Выключение GTO- тиристора произойдет также при спадании анодного тока до нуля, не смотря на наличие управляющего сигнала.

Рисунок 2.129

Статические вольтамперные характеристики модели полностью управляемого тиристора для включенного и выключенного состояний показаны на рисунке 2.130. В модели параллельно самому тиристору включена последовательная RC-цепь, выполняющая демпфирующие функции. В модели учитывается также конечное время выключения тиристора. Процесс выключения разбит на два участка (рисунок 2.131) и характеризуется, соответственно, временем спада (Tf), при котором анодный ток уменьшается до 0, 1 от тока в момент выключения (I_max) и временем затягивания (Tt), при котором анодный ток уменьшается до нуля.

Рисунок 2.130

Рисунок 2.131

Окно задания параметров (рисунок 2.132).

Параметры блока:

- Resistance Ron (Ohm):

[Сопротивление во включенном состоянии (Ом)],

- Inductance Lon (H):

[Индуктивность во включенном состоянии (Гн)].

- Forward voltage Uf (V):

[Падение напряжения в прямом направлении (В)].

- Current 10% fall time Tf (s):

[Время спада тока до уровня 0.1 от тока в момент выключения (с)].

- Current tail time Tt (s):

[Время затягивания (с)]. Время, за которое ток уменьшится до нуля от уровня 0.1 тока в момент выключения.

- Initial current Ic (A):

[Начальное значение тока (А)]. При значении параметра равном нулю моделирование начинается при закрытом состоянии прибора. Если параметр задан положительным значением, то моделирование будет начато при открытом состоянии прибора.

- Snubber resistance Rs (Ohm):

[Сопротивление демпфирующей цепи (Ом)].

- Snubber capacitance Cs (F):

[Емкость демпфирующей цепи (Ф)].

На выходном порту блока, обозначенном m, формируется векторный Simulink-сигнал из двух элементов. Первый элемент – анодный ток тиристора, второй – напряжение анод-катод тиристора.

Пример: на рисунке 2.133 показана схема модели, импульсного регулятора напряжения.

Рисунок 2.132

Рисунок 2.133, а

Рисунок 2.133, б

Величина среднего значения напряжения на нагрузке такого регулятора зависит от скважности управляющих импульсов. На рисунке представлены также графики напряжения и тока в нагрузке.

Пример (GTO_1.zip).

Пиктограмма (рисунок 2.134).

Рисунок 2.134

Назначение: моделирует биполярный транзистор с изолированным затвором.

Модель IGBT транзистора состоит из последовательно включенных резистора R_on, индуктивности L_on, источника постоянного напряжения V_f и ключа SW (рисунок 2.135).

Блок логики управляет работой ключа.

Включение прибора происходит в случае, если напряжение коллектор-эмиттер положительно и больше, чем V_f и на затвор транзистора подан положительный сигнал (g > 0).

Выключение прибора происходит при уменьшении сигнала на затворе до нуля (g = 0).

При отрицательном напряжении коллектор-эмиттер транзистор находится в выключенном состоянии.

Статические вольтамперные характеристики модели IGBT транзистора для включенного и выключенного состояний показаны на рисунке 2.136.

Рисунок 2.135

Рисунок 2.136

В модели параллельно самому прибору включена последовательная RC-цепь, выполняющая демпфирующие функции.

В модели учитывается также конечное время выключения транзистора. Процесс выключения разбит на два участка (рисунок 2.137) и характеризуется, соответственно, временем спада (Tf), при котором ток коллектор-эмиттер уменьшается до 0, 1 от тока в момент выключения (I_max) и временем затягивания (Tt), при котором ток уменьшается до нуля.

Окно задания параметров (рисунок 2.138).

Параметры блока:

- Resistance Ron (Ohm):

[Сопротивление во включенном состоянии (Ом)],

- Inductance Lon (H):

[Индуктивность во включенном состоянии (Гн)].

- Forward voltage Vf (V):

[Падение напряжения в прямом направлении (В)].

Рисунок 2.137

Рисунок 2.138

- Current 10% fall time Tf (s):

[Время спада тока до уровня 0, 1 от тока в момент выключения (с)].

- Current tail time Tt (s):

[Время затягивания (с)]. Время, за которое ток уменьшится до нуля от уровня 0, 1 тока в момент выключения.

- Initial current Ic (A):

[Начальное значение тока (А)]. При значении параметра равном нулю моделирование начинается при закрытом состоянии прибора.

Если параметр задан положительным значением, то моделирование будет начато при открытом состоянии прибора.

- Snubber resistance Rs (Ohm):

[Сопротивление демпфирующей цепи (Ом)].

- Snubber capacitance Cs (F):

[Емкость демпфирующей цепи (Ф)].

На выходном порту блока, обозначенном m, формируется векторный Simulink-сигнал из двух элементов.

Первый элемент – ток коллектор-эмиттер транзистора, второй – напряжение коллектор-эмиттер транзистора.

Пример: на рисунке 2.139 показана схема модели нереверсивного широтно-импульсного преобразователя постоянного напряжения с параллельным включением транзистора по отношению к нагрузке.

На рисунке представлены также графики напряжения и тока в активно-емкостной нагрузке.

Пример (IGBT_1.zip).

Пиктограмма (рисунок 2.140).

Назначение: моделирует силовой полевой транзистор с параллельно включенным обратным диодом.

Модель Mosfet транзистора состоит из последовательно включенных резистора R_on, индуктивности L_on и ключа SW (рисунок 2.141).

Блок логики управляет работой ключа.

Включение прибора происходит в случае, если напряжение сток-исток положительно и на затвор транзистора подан положительный сигнал (g > 0).

Выключение прибора происходит при уменьшении сигнала на затворе до нуля (g = 0).

При отрицательном напряжении коллектор-эмиттер транзистор находится в выключенном состоянии, и ток проводит обратный диод.

Статические вольтамперные характеристики модели Mosfet транзистора для включенного и выключенного состояний показаны на рисунке 2.142.

Рисунок 2.139

Рисунок 2.140

Рисунок 2.141

Рисунок 2.142

В модели параллельно самому прибору включена последовательная RC-цепь, выполняющая демпфирующие функции.

Окно задания параметров (рисунок 2.143).

Параметры блока:

- FET resistance Ron (Ohms):

[Сопротивление во включенном состоянии (Ом)].

- Internal diode inductance Lon (H):

[Индуктивность во включенном состоянии (Гн)].

- Internal diode resistance Rd (Ohms):

[Внутреннее сопротивление диода (Ом)]

Рисунок 2.143

- Internal diode forvard voltage Vf (V):

[Внутреннее падение напряжения на диоде в проводящем состоянии (В)]

- Initial current Ic (A):

[Начальное значение тока (А)]. При значении параметра равном нулю моделирование начинается при закрытом состоянии прибора. Если параметр задан положительным значением, то моделирование будет начато при открытом состоянии прибора.

- Snubber resistance Rs (Ohm):

[Сопротивление демпфирующей цепи (Ом)].

- Snubber capacitance Cs (F):

[Емкость демпфирующей цепи (Ф)].

На выходном порту блока, обозначенном m, формируется векторный Simulink-сигнал из двух элементов. Первый элемент – ток сток-исток транзистора, второй – напряжение сток-исток транзистора.

Пример: на рисунке 2.144 показана схема модели полумостового однофазного инвертора, работающего на активно-индуктивную нагрузку. На рисунке представлены также графики напряжения и тока в нагрузке.

Пример (Mosfet_1.zip).

Пиктограмма (рисунок 2.145).

Назначение: м оделирует идеальный ключ.

Модель ключа состоит из последовательно соединенных резистора R_on и ключа SW (рисунок 2.146).

Блок логики управляет работой ключа. Включение прибора происходит в случае, если на управляющий вход подан единичный положительный сигнал (g≥ 1). Выключение прибора происходит при уменьшении сигнала на затворе до нуля (g = 0).

Рисунок 2.144, а

Рисунок 2.144, б

Рисунок 2.145

Рисунок 2.146

Статические вольтамперные характеристики модели ключа для включенного и выключенного состояний показаны на рисунке 2.147.

В модели параллельно контактам ключа подсоединена последовательная RC-цепь, выполняющая демпфирующие функции.

Окно задания параметров (рисунок 2.148).

Рисунок 2.147

Рисунок 2.148

Параметры блока:

- Internal resistance Ron (Ohm):

[Сопротивление во включенном состоянии (Ом)],

- Initial state:

[Начальное состояние]. Параметр задается равным 0 для открытого состояния ключа и 1 для закрытого состояния.

- Snubber resistance Rs (Ohm):

[Сопротивление демпфирующей цепи (Ом)].

- Snubber capacitance Cs (F):

[Емкость демпфирующей цепи (Ф)].

На выходном порту блока, обозначенном m, формируется векторный Simulink-сигнал из двух элементов. Первый элемент – ток ключа, второй – напряжение ключа.

Пример: н а рисунке 2.149 показана схема модели, в которой подключение питания асинхронного электродвигателя производится при замыкании трех ключей Ideal Switch. Управляющий сигнал для каждого ключа формируется блоком Step.

Рисунок 2.149

Пример (Ideal_Switch_1.zip).

Пиктограмма (рисунок 2.150).

Назначение: м оделирует универсальный мост.

Модель позволяет выбирать количество плеч моста (от 1 до 3), вид полупроводниковых приборов (диоды, тиристоры, идеальные ключи, а также полностью управляемые тиристоры, IGBT и MOSFET транзисторы, шунтированные обратными диодами). В модели можно также выбрать вид

Рисунок 2.150

зажимов A, B и C (входные или выходные). На рисунке 2.151, в качестве примера, представлены схемы тиристорного трехфазного моста для обоих вариантов вида входных зажимов.

Рисунок 2.151

Окно задания параметров (рисунок 2.152).

Параметры блока:

- Number of bridge arms:

[Число плеч моста]. Выбирается из списка: 1, 2 или 3.

- Port configuration:

[Конфигурация портов]. Параметр определяет, какие зажимы порта будут входными, а какие – выходными. Значение параметра выбирается из списка:

- ABC as input terminals – зажимы A, B и C являются входными,

- ABC as output terminals – зажимы A, B и C являются выходными.

- Snubber resistance Rs (Ohm):

[Сопротивление демпфирующей цепи (Ом)].

- Snubber capacitance Cs (F):

[Емкость демпфирующей цепи (Ф)].

- Power Electronic device:

[Вид полупроводниковых устройств моста]. Значение параметра выбирается из списка:

- Diodes – диоды,

- Thyristors – тиристоры,

- GTO / Diodes – полностью управляемые тиристоры, шунтированные обратными диодами,

- MOSFET / Diodes – MOSFET- транзисторы, шунтированные обратными диодами,

- IGBT / Diodes – IGBT-транзисторы, шунтированные обратными диодами,

- Ideal Switches – идеальные ключи.

- Measurements:

[Измеряемые переменные]. Параметр позволяет выбрать, передаваемые в блок Multimeter, переменные, которые затем можно увидеть с помощью блока Scope. Значения параметра выбираются из списка:

- None – нет переменных для отображения,

- Device voltages – напряжения на полупроводниковых устройствах,

- Device currents – токи полупроводниковых устройств,

- UAB UBC UCA UDC voltages – напряжения на зажимах моста.

- All voltages and currents – все напряжения и токи моста.

Отображаемым сигналам в блоке Multimeter присваиваются метки:

- Usw1, Usw2, Usw3, Usw4, Usw5, Usw6 – напряжения ключей,

- Isw1, Isw2, Isw3, Isw4, Isw5, Isw6 – токи ключей,

- Uab, Ubc, Uca, Udc – напряжения на зажимах моста.

Рисунок 2.152

Кроме приведенных выше параметров, в окне диалога задаются параметры и для выбранных полупроводниковых приборов.

Пример: на рисунке 2.153 показана схема трехфазного тиристорного выпрямителя, работающего на активно-индуктивную нагрузку. В момент времени равный 0, 06 с выполняется перевод выпрямителя в инверторный режим. На графиках хорошо видно, что выходное напряжение выпрямителя при этом меняет знак.

Пример (Universal_Brige_1.zip).

Пример: На рисунке 2.154 показана схема однофазного инвертора на IGBT-транзисторах, шунтированных обратными диодами. Нагрузка инвертора носит резонансный характер, что объясняет синусоидальный характер тока в ней.

Рисунок 2.153

Рисунок 2.154

Пример (Universal_Brige_2.zip).