Power Electronics - элементы силовой электроники

Diode

Силовой диод

Пиктограмма (рисунок 2.118).

Назначение: моделирует полупроводниковый силовой диод.

Модель силового 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 блока параметров (рисунок 2.121).

Рисунок 2.117 - Модель питания трехфазной активной нагрузки от двухобмоточного трехфазного трансформатора

Рисунок 2.117 - Модель питания трехфазной активной нагрузки от двухобмоточного трехфазного трансформатора

Рисунок 2.118 - Пиктограмма

Рисунок 2.119 - Модель силового диода

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)].

Рисунок 2.120 - Статическая вольтамперная характеристика модели диода

Примечание - Падение напряжения на диоде в прямом направлении составляет 0,7-1,5 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)].

- Snubber capacitance Cs (F):

Рисунок 2.121 - Окно блока параметров силового диода

[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, а показана модель однополупериодного выпрямителя, работающего на активно-индуктивную нагрузку. На рисунке 2.122, б показаны осциллограммы напряжения и тока в нагрузке.

Пример (Diode_1.zip).

Thyristor, Detailed Thyristor

Тиристор

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

Пиктограмма (рисунок 2.123).

Рисунок 2.122, а - Модель однополупериодного выпрямителя, работающего на активно-индуктивную нагрузку

Рисунок 2.122, б - Осциллограммы напряжения и тока в нагрузке

выпрямителя, работающего на активно-индуктивную нагрузку

Рисунок 2.123 – Пиктограмма

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.

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

Рисунок 2.124 - Упрощенная модель тиристора

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

Окно блока параметров (рисунок 2.126).

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

Рисунок 2.125 - Статические вольтамперные характеристики модели тиристора

Рисунок 2.126 - Окно блока параметров 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, а показана модель 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. На рисунке 2.127, б показаны осциллограммы напряжения и тока в нагрузке.

Пример (Thyristor_1.zip).

GTO Thyristor

Полностью управляемый тиристор

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. 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.

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. На рисунке 2.131 показаны графики процесса выключения полностью управляемого тиристора. Процесс выключения разбит на два участка 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.

Окно блока 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.

Рисунок 2.127, а - Модель управляемого однополупериодного выпрямителя, работающего на активно-индуктивную нагрузку

Рисунок 2.127, б - Осциллограммы напряжения и тока в нагрузке

Рисунок 2.128 – Пиктограмма

- 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.

Рисунок 2.129- Модель полностью управляемого тиристора

Рисунок 2.130 - Статические вольтамперные характеристики модели полностью управляемого тиристора

Пример

На рисунке 2.133, а показана модель импульсного регулятора напряжения. Величина среднего значения напряжения на нагрузке такого регулятора зависит от скважности управляющих импульсов. На рисунке 2.133, б представлены осциллограммы напряжения и тока в нагрузке.

Пример (GTO_1.zip).

Рисунок 2.131 - Графики процесса выключения полностью управляемого тиристора

Рисунок 2.132 - Окно блока параметров полностью управляемого тиристора

IGBT	Биполярный IGBT транзистор

Примечание - В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки (от слова «би» — «два»).

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.

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

В модели учитывается также конечное время выключения транзистора. На рисунке 2.137 показаны графики процесса выключения.

Процесс выключения разбит на два участка 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.

Рисунок 2.133, а - Модель импульсного регулятора напряжения

Рисунок 2.133, б - Осциллограммы напряжения и тока в нагрузке

Пиктограмма (рисунок 2.134).

Рисунок 2.134 - Пиктограмма

Окно блока 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)].

- 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.

Рисунок 2.135- Модель IGBT транзистора

Рисунок 2.136 - Статические вольтамперные характеристики модели IGBT транзистора

- 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.

Рисунок 2.137 - Графики процесса выключения IGBT транзистора

Рисунок 2.138 - Окно блока параметров биполярного