电力电子技术课程设计实验报告.docx

电力电子技术课程设计实验报告院 系：电气与电子工程学院班 级： 电气1309班 学 号： 学生姓名： 指导教师： 成 绩： 日期：2017年 1月2日目 录实验一 晶闸管仿真实验3实验二 单相桥式全控整流电路仿真实验9实验三 三相桥式全控整流电路仿真实验14实验四 Buck-Boost降压-升压斩波电路仿真实验19实验五 相控式三相交流调压电路仿真实验23实验六 电压型单相SPWM半桥逆变器电路仿真实验30实验七 电压型三相SPWM逆变器电路仿真实验35实验一 晶闸管仿真实验实验目的掌握晶闸管仿真模型模块各参数的含义。理解晶闸管的特性。实验设备：MATLAB/Simulink/PSB实验原理 晶闸管测试电路如图1-1所示。u2为电源电压，ud为负载电压，id为负载电流，uVT为晶闸管阳极与阴极间电压。图1-1 晶闸管测试电路实验内容 启动Matlab，建立如图1-2所示的晶闸管测试电路结构模型图。图1-2 带电阻性负载的晶闸管仿真测试模型 双击各模块，在出现的对话框内设置相应的模型参数，如图1-3、1-4、1-5所示。图1-3 交流电压源模块参数图1-4 晶闸管模块参数图1-5 脉冲发生器模块参数 固定时间间隔脉冲发生器的振幅设置为5V，周期与电源电压一致，为0.02s（即频率为50Hz），脉冲宽度为2（即7.2），初始相位（即控制角）设置为0.0025s（即45）。 串联RLC分支模块Series RLC Branch与并联RLC分支模块Parallel RLC Branch的参数设置方法如表1-1所示。表1-1 RLC分支模块的参数设置元件串联RLC分支并联RLC分支类别电阻数值电感数值电容数值电阻数值电感数值电容数值单个电阻R0infRinf0单个电感0LinfinfL0单个电容00CinfinfC 在本系统模型中，双击Series RLC Branch模块，设置参数如图1-6所示。图1-6 负载模块参数 系统仿真参数设置如图1-7所示。图1-7 系统仿真参数 运行仿真模型系统即可得到控制角为45时，电源电压、触发信号、流过晶闸管的电流、晶闸管阳极和阴极两端电压、负载电流、负载电压的仿真波形，如图1-8所示。图1-8 控制角为45时的仿真波形（带电阻性负载） 改变固定时间间隔脉冲发生器模块的初始相位（即控制角）参数，可以得到不同控制角度下的仿真波形。例如将初始相位设置为0s，可以得到控制角为0时的仿真波形，如图1-9和1-10所示。图1-9 脉冲发生器模块参数图1-10 控制角为0时的仿真波形（带电阻性负载） 改变串联RLC分支模块的参数即可改变负载类型。例如，设置该模块的参数R=1，L=0.01H，电容为inf，即为阻感性负载，如图1-11所示。当控制角设置为45时的仿真波形如图1-12所示。图1-11 负载模块参数图1-12 控制角为45时的仿真波形（带阻感性负载） 同理，在带阻感性负载的情况下，改变固定时间间隔脉冲发生器模块的初始相位（即控制角）参数，可以得到不同控制角度下的仿真波形。例如将初始相位设置为0.0075s，可以得到控制角为135时的仿真波形，如图1-13所示。图1-13 控制角为135时的仿真波形（带阻感性负载）实验二 单相桥式全控整流电路仿真实验实验目的掌握单相桥式全控整流电路仿真模型的建立及模块参数和仿真参数的设置。理解单相桥式全控整流电路的工作原理及仿真波形。实验设备：MATLAB/Simulink/PSB实验原理 单相桥式全控整流电路如图2-1所示。u2为电源电压，ud为负载电压，id为负载电流，uVT为晶闸管阳极与阴极间电压。图2-1 单相桥式全控整流电路实验内容 启动Matlab，建立如图2-2所示的单相桥式全控整流电路结构模型图。图2-2 单相桥式全控整流电路模型 双击各模块，在出现的对话框内设置相应的模型参数，如图2-3、2-4、2-5、2-6所示。图2-3 交流电压源模块参数图2-4 脉冲发生器1模块参数 脉冲的幅值为2V，周期为0.02s（即50Hz），脉冲宽度为7.2，初始相位（即控制角）为60。图2-5 脉冲发生器2模块参数 脉冲发生器2的幅值也设置为2V，周期也为0.02s，脉冲宽度也为7.2，初始相位设置为240。脉冲发生器1和脉冲发生器2的初始相位相差180，但两者的控制角都是60。图2-6 负载模块参数 系统仿真参数设置如图2-7所示。图2-7 系统仿真参数 运行仿真模型系统即可得到控制角为60时，电源电压、触发信号、负载电流、负载电压、流过晶闸管VT3的电流、晶闸管VT3阳极与阴极间电压的仿真波形，如图2-8所示。图2-8 控制角为60时的仿真波形（带电阻性负载） 改变固定时间间隔脉冲发生器模块的初始相位角，即可得到不同工作情况下的仿真波形。例如将晶闸管控制角取为120，即将脉冲发生器1的初始相位设置为120（0.02/3s），将脉冲发生器2的初始相位设置为300（0.05/3s），此时的仿真波形如图2-9所示。图2-9 控制角为120时的仿真波形（带电阻性负载） 改变串联RLC分支模块的参数即可改变负载类型。例如，设置负载模块的参数R=10，L=0.04H，电容为inf，即为阻感性负载，当晶闸管控制角取为90时的仿真波形如图2-10所示。此时脉冲发生器1的初始相位设置为90（0.005s），将脉冲发生器2的初始相位设置为270（0.015s）。图2-10 控制角为90时的仿真波形（带阻感性负载） 同理，在带阻感性负载的情况下，改变固定时间间隔脉冲发生器模块的初始相位角即可得到不同工作情况下的仿真波形。例如将晶闸管控制角取为120，即将脉冲发生器1的初始相位设置为120（0.02/3s），将脉冲发生器2的初始相位设置为300（0.05/3s），此时的仿真波形如图2-11所示。图2-11 控制角为120时的仿真波形（带阻感性负载）实验总结1、总结单相桥式全控整流电路的控制规律。图2-1 单相桥式全控整流电路在单相桥式全控整流电路中，每一个导电回路中有2个晶闸管，即用2个晶闸管同时导通以控制导电的回路。和组成一对桥臂，在正半周（即a点电位高于b点电位）承受电压，若在触发角处给晶闸管和施加触发脉冲使其开通，电流从电源a端经、负载、流回电源b端，。在过零时关断。假设电路已工作于稳态，的平均值不变。负载中有电感时电流不能突变，电感对负载电流起平波作用，负载电感很大时，负载电流连续且近似为一水平直线，过零变负时，由于电感的作用晶闸管和仍流过电流，并不关断。和组成另一对桥臂，在正半周承受反向电压，至时刻，给和施加触发脉冲，因为和本已经承受正向电压，故两管导通，在过零时关断。和导通后，和上施加反向电压使其关断。流过和的电流迅速转移到和上，此过程称为换相，亦称换流。在下一周期重复相同过程，如此循环。若4个晶闸管均不导通，则负载电流为零，负载电压也为零。实验三 三相桥式全控整流电路仿真实验实验目的掌握三相桥式全控整流电路仿真模型的建立及模块参数和仿真参数的设置。理解三相桥式全控整流电路的工作原理及仿真波形。实验设备：MATLAB/Simulink/PSB实验原理 三相桥式全控整流电路如图3-1所示。u2为电源电压，ud为负载电压，id为负载电流，uVT为晶闸管阳极与阴极间电压。图3-1 三相桥式全控整流电路实验内容 启动Matlab，建立如图3-2所示的三相桥式全控整流电路结构模型图。图3-2 三相桥式全控整流电路模型 双击各模块，在出现的对话框内设置相应的模型参数，如图3-3、3-4、3-5、3-6、3-7、3-8、3-9所示。图3-3 交流电压源Va模块参数图3-4 交流电压源Vb模块参数图3-5 交流电压源Vc模块参数图3-6 同步脉冲发生器模块参数图3-7 触发脉冲控制角常数设置图3-8 触发脉冲封锁常数设置图3-9 负载模块参数 系统仿真参数设置如图3-10所示。图3-10 系统仿真参数 运行仿真模型系统即可得到控制角为30时，电源电压、触发信号、负载电流、负载电压的仿真波形，如图3-11所示。图3-11 控制角为30时的仿真波形（带电阻性负载） 改变同步脉冲发生器模块的控制角，即可得到不同工作情况下的仿真波形。例如将晶闸管控制角取为60，即将触发脉冲控制角常数设置为60，此时的仿真波形如图3-12所示。图3-12 控制角为60时的仿真波形（带电阻性负载） 改变串联RLC分支模块的参数即可改变负载类型。例如，设置负载模块的参数R=10，L=0.04H，电容为inf，即为阻感性负载，当晶闸管控制角取为45（将触发脉冲控制角常数设置为45）时的仿真波形如图3-13所示。图3-13 控制角为45时的仿真波形（带阻感性负载） 同理，在带阻感性负载的情况下，改变固定时间间隔脉冲发生器模块的初始相位角即可得到不同工作情况下的仿真波形。例如将晶闸管控制角取为0，即将触发脉冲控制角常数设置为0，此时的仿真波形如图3-14所示。图3-14 控制角为0时的仿真波形（带阻感性负载）实验总结1、 总结三相桥式全控整流电路的控制规律。1） 每个时刻均需两个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中一个晶闸管是共阴极组（将阴极连接在一起的三个晶闸管、称为共阴极组）的，一个是共阳极组的（阳极连接在一起的三个晶闸管、），且不能为同一相的晶闸管。（标号同图3-1）。2） 对触发脉冲的要求是六个晶闸管的脉冲按的顺序，相位依次差60，共阴极组和共阳极组的脉冲依次差120，同一相的上下两个桥臂，脉冲相差180。3） 在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的两个晶闸管均有脉冲。为此，可采用两种方法：一种是使脉冲宽度大于60（一般取80100），称为宽脉冲触发；另一种方法是，在触发某个晶闸管的同时，给前一个晶闸管补发脉冲，即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60，脉宽一般为2030，称为双脉冲触发。4） 整流输出的电压即负载两端的电压应该是两相电压相减后的波形，波头、均为线电压的一部分，整流输出的电压是上述线电压的包络线。相电压的交点与线电压的交点在同一角度位置上，故线电压的交点也为自然换相点。同时可看出，三相桥式全控整流电压在一个周期内脉动6次，脉动频率为，比三相半波时大一倍。5） 三相桥式整流电路在任何瞬间仅有2个桥臂导通，其余4个桥臂的元件均承受着变化的反向电压，晶闸管承受的反向最大电压即为线电压的峰值。实验四 Buck-Boost降压-升压斩波电路仿真实验实验目的掌握Buck-Boost降压-升压斩波电路仿真模型的建立及模块参数和仿真参数的设置。理解Buck-Boost降压-升压斩波电路的工作原理及仿真波形。实验设备：MATLAB/Simulink/PSB实验原理 Buck-Boost降压-升压斩波电路如图4-1所示。ug为IGBT门极触发信号，iT为流过IGBT集电极的电流，iL为流过储能电感的电流，iD为流过二极管的电流，iC为流过储能电容的电流，id为负载电流，ud为负载电压。图4-1 Buck-Boost降压-升压斩波电路实验内容 启动Matlab，建立如图4-2所示的Buck-Boost降压-升压斩波电路结构模型图。图4-2 Buck-Boost降压-升压斩波电路模型 双击各模块，在出现的对话框内设置相应的模型参数，如图4-3、4-4、4-5、4-6、4-7所示。图4-3 直流电压源模块参数图4-4 脉冲发生器模块参数图4-5 电感模块参数图4-6 电容模块参数图4-7 负载模块参数 系统仿真参数设置如图4-8所示。图4-8 系统仿真参数 运行仿真模型系统即可得到IGBT门极触发信号、流过IGBT集电极的电流、流过储能电感的电流、流过二极管的电流、流过储能电容的电流、负载电流、负载电压的仿真波形，如图4-9所示。图4-9 Buck-Boost降压-升压斩波电路仿真波形 改变IGBT触发脉冲发生器模块的周期或脉冲宽度，改变储能电感或电容的大小，改变负载模块的参数（或改变负载类型），即可得到不同工作情况下的仿真波形。例如将IGBT触发脉冲的周期仍然设置为0.001s，但触发脉冲宽度设置为20%，此时的仿真波形如图4-10所示。图4-10 触发脉冲宽度为20%时的仿真波形实验总结1、 总结Buck-Boost降压-升压斩波电路的工作原理。当可控开关处于通态时，电源经可控开关向电感供电使其储存能量。同时电容维持输出电压基本恒定并向负载供电。此后，使关断，电感中储存的能量向负载释放。可见，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反。根据稳态时一个周期内电感的能量变化为0，可得出，可解出。改变占空比，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当时为降压，当时为升压。实验五 相控式三相交流调压电路仿真实验实验目的掌握相控式三相交流调压电路仿真模型的建立及模块参数和仿真参数的设置。理解相控式三相交流调压电路的工作原理及仿真波形。实验设备：MATLAB/Simulink/PSB实验原理 相控式三相交流调压电路如图5-1所示。图5-1 相控式三相交流调压电路实验内容 启动Matlab，建立如图5-2所示的相控式三相交流调压电路结构模型图。(a) 三相反并联晶闸管子系统(b) 三相交流调压电路模型图5-2 相控式三相交流调压电路模型 双击各模块，在出现的对话框内设置相应的模型参数，如图5-3、5-4、5-5、5-6、5-7、5-8、5-9、5-10所示。图5-3 交流电压源ua的模块参数图5-4 交流电压源ub的模块参数图5-5 交流电压源uc的模块参数图5-6 控制角a常数模块参数图5-7 触发脉冲封锁常数模块参数图5-8 三相V-I测量模块参数图5-9 三相负载模块参数图5-10 同步6脉冲发生器模块参数 系统仿真参数设置如图5-11所示。图5-11 系统仿真参数运行仿真模型系统即可得到三相电源电压、三相电源电流、负载电压uab、负载电压ubc、负载电压uca的仿真波形，如图5-12所示。图5-12 相控式三相交流调压电路仿真波形（控制角为30，阻感性负载）改变晶闸管的控制角，改变负载模块的参数（或改变负载类型），即可得到不同工作情况下的仿真波形。例如将晶闸管控制角设置为30，设置负载模块的R=1，L=0H，C=inf，此时的仿真波形如图5-13所示。图5-13 相控式三相交流调压电路仿真波形（控制角为30，电阻性负载）实验总结1、 总结相控式三相交流调压电路的工作原理。1）当为电阻负载时，任一相在导通时必须和另一相构成回路，同三相桥式全控整流电路，电流流通路径中有两个晶闸管，所以应采用双脉冲或宽脉冲触发。三相的触发脉冲应依次相差120，同一相的两个反并联晶闸管触发脉冲应相差180。因此同三相桥式全控整流电路，触发脉冲顺序也是，依次相差60。把相电压过零点定为触发延迟角的起点，三相三线电路中，两相间导通是靠线电压导通的，而线电压超前相电压30，因此角的移相范围是0150。在任一时刻，电路可以根据晶闸管导通状态分为三种情况：一种是三相中各有一个晶闸管导通，这时负载相电压就是电源相电压；另一种是两相中各有一个晶闸管导通，另一相不导通，这时导通相的负载相电压是电源线电压的一半；第三种是三相晶闸管均不导通，这时负载电压为零。电流波形中不含3的整数倍次谐波，因为在三相对称时，它们不能流过三相三线电路。2）当为阻感负载、时，负载电流最大且为正弦波，相当于晶闸管全部被短接时的情况。一般来说，电感大时，谐波电流的含量要小一些。实验六 电压型单相SPWM半桥逆变器电路仿真实验实验目的掌握电压型单相SPWM半桥逆变器仿真模型的建立及模块参数和仿真参数的设置。理解电压型单相SPWM半桥逆变器的工作原理及仿真波形。实验设备：MATLAB/Simulink/PSB实验原理 电压型单相SPWM半桥逆变器如图6-1所示。图6-1 电压型单相SPWM半桥逆变器电路实验内容 启动Matlab，建立如图6-2所示的电压型单相SPWM半桥逆变器结构模型图。图6-2 电压型单相SPWM半桥逆变器模型 双击各模块，在出现的对话框内设置相应的模型参数，如图6-3、6-4、6-5、6-6、6-7所示。图6-3 直流电压源Ed/1-1模块参数图6-4 直流电压源Ed/1-2模块参数图6-5 通用桥模块参数图6-6 PWM发生器模块参数图6-7 负载模块参数 系统仿真参数设置如图6-8所示。图6-8 系统仿真参数 运行仿真模型系统即可得到输出端负载电流和输出端负载电压的仿真波形，如图6-9所示。图6-9 电压型单相SPWM半桥逆变器仿真波形（输出频率为50Hz） 在PWM发生器模块中，将半桥逆变器输出电压频率设置为200Hz，此时的仿真波形如图6-10所示。图6-10 电压型单相SPWM半桥逆变器仿真波形（输出频率为200Hz） 改变PWM发生器模块的输出电压频率参数，或改变负载模块的参数，即可得到不同工作情况下的仿真波形。例如将半桥逆变器输出电压频率设置为25Hz，此时的仿真波形如图6-11所示。图6-11 电压型单相SPWM半桥逆变器仿真波形（输出频率为25Hz）实验总结1、 总结电压型单相SPWM半桥逆变器的工作原理。如上图。采用双极性方式时，在的半个周期内，三角波载波是有正有负，所得的PWM波也是有正有负。仍然在调制信号和载波信号的交点时刻控制各开关器件的通断。在的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。即当时，给以导通信号，给以关断信号，这时如，则通，如，则通，不管哪种情况都是输出电压。当时，给以导通信号，给以关断信号，这时如，则通，如，则通。不管哪种情况都是。实验七 电压型三相SPWM逆变器电路仿真实验实验目的掌握电压型三相SPWM逆变器电路仿真模型的建立及模块参数和仿真参数的设置。理解电压型三相SPWM逆变器电路的工作原理及仿真波形。实验设备：MATLAB/Simulink/PSB实验原理 电压型三相SPWM逆变器电路如图7-1所示。图7-1 电压型三相SPWM逆变器电路实验内容 启动Matlab，建立如图7-2所示的电压型三相SPWM逆变器电路结构模型图