现代电力电子技术实验指导书1Word文档下载推荐.docx

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三相桥式全控整流电路的整流控制可看作一组共阴极接法（VT1、VT3、VT5）和一组共阳极接法（VT2、VT4、VT6）串联而成，电路如图1.1所示。

三相桥式全控整流电路通过触发脉冲触发SCR轮流导通。

晶闸管的触发导通顺序为VT1VT2VT3VT4VT5VT6。

图1.1三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路的工作特点为：

（1）任何时候共阴、共阳极组各有一只元件同时导通才能形成电流通路。

（2）共阴极组晶闸管VT1、VT3、VT5，按相序依次触发导通，相位相差120º

，共阳极组晶闸管VT2、VT4、VT6，相位相差120º

，同一相的晶闸管相位相差180º

。

每个晶闸管导通角120º

；

（3）输出电压ud由六段线电压组成，每周期脉动六次，每周期脉动频率为300HZ。

（4）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，它只与晶闸管导通情况有关，其波形由

3段组成：

一段为零（忽略导通时的压降），两段为线电压。

晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。

（5）变压器二次绕组流过正负两个方向的电流，消除了变压器的直流磁化，提高了变压器的利用率。

（6）对触发脉冲宽度的要求：

整流桥开始工作时以及电流中断后，要使电路正常工作，需保证应同时导通的2个晶闸管均有脉冲，常用的方法有两种：

一种是宽脉冲触发，它要求触发脉冲的宽度大于60º

（一般为80º

～100º

），另一种是双窄脉冲触发，即触发一个晶闸管时，向小一个序号的晶闸管补发脉冲。

宽脉冲触发要求触发功率大，易使脉冲变压器饱和，所以多采用双窄脉冲触发。

三相桥式全控整流电路的输出电压（电阻性负载）：

当控制角α≤60°

时，输出电压Ud=2.34U2cosα，且波形是连续的；

当控制角α>

60°

时，

输出电压Ud=2.34U2[1+cos（π/3+α）]，且波形是间断的；

α=120º

时，输出电压为零Ud=0。

因此三相全控桥式整流电路电阻性负载移相范围为0º

～120º

图1.2分别为电阻性负载下α＝

0º

、60º

、90º

时的ud电压波形。

（a）α＝0º

（b）α＝60º

（c）α＝90º

图1.2三相桥式全控整流电路带电阻负载时的波形三相桥式全控整流电路的输出电压（阻感性负载）：

时，Ud波形连续，工作情况与带电阻性负载时十分相似。

区别在于：

得到的负载电流id波形不同，当电感足够大的时候，id的波形可近似为一条水平线。

时，Ud波形会出现负的部分；

当α=90º

时，输出电压平均值为零Ud=0。

因此三相全控桥式整流电路电感性负载移相范围为0º

～90º

图1.3为阻感性负载下α＝90º

图1.3三相桥式全控整流电路带阻感性负载α＝90º

时的波形三、实验步骤

1、三相桥式全控整流电路的建模。

建模步骤如下：

（1）打开Matlab/Simulink环境，建立新的Simulink模型窗口，命名为SXQQ；

（2）打开电源模块组，复制三个交流电压源模块Ua、Ub、Uc到SXQQ模型窗口中（Simpowersystems->

ElectricalSource->

ACVoltageSource），打开参数设置对话框，进行三相对称交流电压源参数设置：

三相对称交流电压源的幅值设为220V，频率为50Hz，相位分别为0º

、240º

、120º

（3）三相桥式全控整流器的建模可直接调用通用变换器桥仿真模块（Simpowersystems->

PowerElectronics->

UniversityBridge）。

将其复制到SXQQ模型窗口中，参数设置中，选择晶闸管器件。

（4）整流器的六脉冲触发器模块需要与三相线电压同步，因此建模时需要3个电压检测模块（Simpowersystems->

Measurements->

VoltageMeasurement）和1个同步六脉冲触发器模块（Simpowersystems->

ExtraLibrary->

ControlBlocks->

Synchronized6-PulseGenerator）。

将这些元件模块复制到SXQQ模型窗口中，并进行如图1.4所示的连接，其中三相交流电压的地线模块查找步骤为Simpowersystems->

Elements->

Ground。

同步六脉冲触发器设置：

频率为50Hz，脉冲宽度为1º

，选择双脉冲触发方式（DoublePulsing）。

图1.4同步六脉冲触发器及其子系统

（5）打开控制元件模型组，复制两个常数元件模块（Simulink->

Source->

Constant）到

SXQQ模型窗口中，一个作为同步六脉冲触发器的控制移相角，另一个作为同步六脉冲触发器的使能控制端输入。

（6）打开元件模块组，复制一个串联RLC元件模块（Simpowersystems->

Elements->

SeriesRLCBranch）到SXQQ模型窗口中作为负载。

（7）打开测量模块组，添加一个电压测量装置（Simpowersystems->

Measurements->

VoltageMeasurement）和电流测量装置（Simpowersystems->

Current

Measurement）以测量负载电压和电流；

（8）打开控制元件模型组，复制两个示波器模块（Simulink->

Sinks->

Scope）到SXQQ模型窗口中。

打开示波器属性菜单，将“Datahistory”选项栏中复选框“Limitdatapointstolast”前的“√”勾除。

（9）通过适当连接，可以得到系统仿真电路如图1.5所示。

图1.5三相桥式全控整流电路仿真电路

2、三相桥式全控整流电路的仿真。

打开仿真->

参数窗口，选择ode23tb算法，将相对误差设置为1e-3，仿真开始时间为0.0s，停止时间设置为0.5s。

（1）电阻性负载的仿真

打开RLC元件模块的参数设置对话框，设置参数：

R＝2，L＝0H，C＝inf。

分别在α＝0º

时进行仿真，记录下示波器中的Ud和Id波形。

（2）阻感性负载的仿真

R＝2，L＝80e-3H，C＝inf。

分别在α＝0º

四、实验报告要求

1、简要说明三相桥式全控整流电路的结构与工作原理。

2、画出实验中记录下的Ud波形和Id波形，并将它们与理论计算值进行比较，验证其合理性。

3、依据Matlab软件中“Help->

Simpowersystems->

UniversityBridge”的相关内容（也可见参考文献二中红框部分），说明通用变换器桥仿真模块（UniversityBridge）模型的功能及其各参数设置的含义。

实验二BUCK变换器的建模与仿真一、实验目的

1、熟练使用Matlab/PowerSystem仿真模块搭建典型变流器；

2、深入理解BUCK电路的结构原理、工作特性以及输出滤波参数的选择方法。

2.1BUCK变换器电路结构

BUCK变换器电路图如图2.1所示。

图中，Ud为输入电源，S为全控开关器件，VD为续流二极管，LC构成低通滤波电路，RL为负载。

图2.1BUCK电路结构

2.2降压原理

当作用于开关管T上的脉冲为正时，T管导通，Ud加在VD两端，VD反偏截止，此时加在负载RL两端的电压Uo等于Ud，并持续t1时间，如图2.2所示。

在开关管T导通的t1时间内，流过负载的电流io是电感电流，呈直线上升，按直线规律从iomin上升到iomax。

当脉冲为“零”时，T关断，由于电感原有电流流过，存储了能量，要通过负载RL释放，此时VD导通，并持续t2时间，如图2.2所示。

在开关管T关断的t2时间内，电感两端电压uL反相，io呈直线下降，按定常斜率从iomax下降到iomin。

若令D＝t1/（t1+t2），则变换器输出电压uo的平均值Uo等于DUd，即与D值成正比，D从0变到1，输出平均电压Uo从0变到Ud。

K由于总是一个不大于1的值，输出电压最大值不会超过输入电压，即变换器电路是降压电路。

图2.2BUCK电路降压原理

2.3输出电压的LC滤波

采用由电感和电容组成的LC低通滤波器的特性如图2.3所示。

图2.3LC滤波器特性

低通滤波器的角频率fc应大大低于开关频率fs，经过滤波器后的输出电压基本上消除了开关频率造成的纹波。

假设输出端的滤波电容足够大，则输出电压的瞬时值不变，即uo=Uo。

在稳态情况下，因为电容电流平均值为0，所以电感电流平均值等于输出电流平均值Io。

三、实验步骤

1、基于IGBT元件的Buck变换器的建模。

（1）打开Matlab/Simulink环境，建立新的Simulink模型窗口，命名为IGBTBuck；

（2）打开电力电子模块组（SimPowerSystems）），分别复制IGBT模块，二极管VD模块到

IGBTBuck模型窗口中，并合理设置IGBT参数；

（3）打开电源模块组，复制直流电压源模块Ud到IGBTBuck模型窗口中，打开参数设置对话框，设置电压为220V；

（4）打开元件模块组，复制两个并联RLC元件模块到IGBTBuck模型窗口中，分别打开它们的参数设置对话框，设置为R和C元件，参数为：

R=10（L=inf，C=0），C=12e-6F（R=inf，

L=inf）；

将R和C元件并联作为负载；

再复制一个并联RLC元件模块到IGBTBuck模型窗口中，将其设置为L元件串接在IGBT模块和负载RC之间，参数设置为L=15e-4H（R=inf，

C=0）。

（5）打开测量模块组，添加两个电流测量装置以测量电源电流和电感电流；

添加一个电压测量装置以测量负载电压；

（6）从Simulink的输入源模块组中复制一个脉冲发生器模块到仿真窗口中，命名为Pulse，设置周期为0.00005s，占空比为50%。

将其输出连接到IGBT的门极上。

（7）从Simulink的接收器模块组中复制一个终端模块到仿真窗口中，将其输入出连接到

IGBT的测量输出端口上。

（8）从Simulink的接收器模块组中复制6个示波器模块到仿真窗口中，打开参数设置窗口，将“LimitdatapointstoLast”复选框勾除后，将其输入连接到相应的电流电压测量输出端口上。

参数设置如图3.4所示。

图2.4示波器模块参数设置

（9）通过适当连接，可以得到系统仿真电路如图2.5所示。

图2.5基于IGBT元件的Buck变换器仿真电路

2、基于IGBT元件的Buck变换器仿真。

（1）打开仿真/参数窗口，选择ode23t算法，将相对误差设置为1e-3，仿真开始时间为0.0s，停止时间设置为0.01s，开始仿真，并记录电路达到稳态时两个开关周期（Ts）内的IGBT电流Id（IT）、电感电流IL、二极管电流ID和负载电压uo仿真波形。

（2）更改脉冲发生器的占空比为60%。

再次进行仿真，观察实验结果的变化，记录下稳态时负载电压uo两个开关周期（Ts）内的波形。

（3）更改脉冲发生器的周期为0.0001s，占空比为50%。

1、简要说明BUCK电路的结构与工作原理，画出仿真实验步骤

（1）中的电压电流波形。

2、说明试验中脉冲发生器占空比的变化与负载电压uo（平均值）间的关系，并解释这个现象。

3、说明试验中脉冲发生器周期的变化对负载电压uo（纹波）的影响，并从器件模型角度解释原因。

4、说明仿真元件IGBT模型及二极管VD模型中，各参数设置的含义。

实验三BOOST变换器的建模与仿真

2、深入理解BOOST电路的结构原理、工作特性以及电路参数的选择方法。

2.1BOOST变换器电路结构

BOOST变换器电路图如图3.1所示。

图中，Ud为输入电源，T为全控开关器件，VD为续流二极管，RL为负载。

图3.1BOOST电路结构

2.2升压原理

假设L值很大，C值也很大。

当作用于开关管T上的脉冲为正时，T管导通，Ud向L充电，充电电流恒为IL，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压uo为恒值，记为Uo。

设T通的时间为Ton，此阶段L上积蓄的能量为UdILTon。

如图3.1（a）所示，在开关管T导通的Ton时间内，流过负载的电流io是电容放电电流，电感电流iL呈直线上升，按直线规律从iLmin上升到iLmax。

当脉冲为“零”时，T关断，由于电感原有电流流过，存储了能量，要通过负载RL释放，此时VD导通，并持续Toff时间，Ud和L共同向C充电并向负载RL供电。

则此期间电感L释放能量为（Uo-Ud）ILToff。

如图3.2（b）所示。

在开关管T关断的Toff时间内，电感电流iL呈直线下降，按定常斜率从iomax下降到iomin。

一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即

UdILTon=（Uo-Ud）ILToff若令D＝Ton/（Ton+Toff），则将上式化简得

UoTonToffUd1Ud

Toff1D

（a）Ton期间等效电路

（b）Toff期间等效电路

（c）一个周期的电感电压和电流波形图3.2BOOST电路升降压原理

1、基于IGBT元件的Boost变换器的建模。

（1）打开Matlab/Simulink环境，建立新的Simulink模型窗口，命名为IGBTBoost；

IGBTBoost模型窗口中，并合理设置IGBT参数；

（3）打开电源模块组，复制直流电压源模块Ud到IGBTBoost模型窗口中，打开参数设置对话框，设置电压为30V；

R=23（L=inf，C=0），C=100e-6F（R=inf，

再复制一个并联RLC元件模块到IGBTBoost模型窗口中，将其设置为L元件串接在IGBT模块和Ud之间，参数设置为L=5e-4H（R=inf，C=0）。

（5）打开测量模块组，添加三个电流测量装置以测量电源（电感）电流、二极管和开关管电流；

添加两个电压测量装置以测量电感和负载电压；

（6）从Simulink的输入源模块组中复制一个脉冲发生器模块到仿真窗口中，命名为Pulse，设置周期为0.025e-3s，占空比为37.5%。

（8）从Simulink的接收器模块组中复制7个示波器模块到仿真窗口中，打开参数设置窗口，将“LimitdatapointstoLast”复选框勾除后，将其输入连接到相应的电流电压测量输出端口上。

图3.4示波器模块参数设置

（9）通过适当连接，可以得到系统仿真电路如图3.5所示。

图3.5基于IGBT元件的Boost变换器仿真电路

2、基于IGBT元件的Boost变换器仿真。

（1）打开仿真/参数窗口，选择ode23t算法，将相对误差设置为1e-3，仿真开始时间为

0.0s，停止时间设置为0.04s，开始仿真，并记录电路稳态期间（0.03s时刻以后）电感电流

Id（IL）、IGBT电流IT、二极管电流ID和负载电压uo两个开关周期（Ts）的仿真波形，以及电感电流Id（IL）和负载电压uo在仿真周期内（0.0s至0.04s）期间的仿真响应曲线。

（2）更改电容参数C=200e-6F（R=inf，L=inf）。

再次进行仿真，观察实验结果的变化，记录下负载电压uo在0.03s时刻以后任一周期的仿真响应曲线。

（3）在实验步骤

（1）基础上，更改L参数（10倍变大/变小），并将停止时间设置为0.1s，再次进行仿真，观察电感电流Id（IL）和负载电压uo在仿真周期内（0.0s至0.1s）期间的仿真响应曲线的变化及uo的纹波幅度。

1、简要说明BOOST电路的结构与工作原理。

2、画出仿真实验步骤

（1）中电感电流Id（IL）、IGBT电流IT、二极管电流ID和负载电压uo在两个开关周期内的电压电流波形。

3、说明实验中电容的变化与负载电压uo纹波间的关系，并解释这个现象。

4、画出仿真实验步骤

（1）中电感电流Id（IL）和负载电压uo在仿真周期内（0.0s至0.04s）的电压电流波形，并且：

①分别计算电感电流Id（IL）和负载电压uo的超调量和调节时间；

②从电路器件模型参数选择角度说明电路启动时电感电流Id（IL）超调量形成的原因，及降低超调量的方法。

③应用自动控制原理知识，说明提高系统动态跟踪性能指标的方法。

实验四单相交流可控调压电路设计

1、掌握Matlab/PowerSystem和ControlSystem等相关仿真工具箱内的模块的使用；

2、深入理解单相交流调压电路结构、原理，与多模态负载及触发角度工况下的电路特性；

3、了解自动控制理论在电力电子技术中的应用。

交流调压电路通常由晶闸管组成，用于调节输出电压的有效值。

与常规的调压变压器相

比，晶闸管交流调压器有体积小、重量轻的特点。

其输出是交流电压，但它不是正弦波形，其谐波分量较大，功率因数也较低。

控制方法：

（1）通断控制。

即把晶闸管作为开关，通过改变通断时间比值达到调压的目的。

这种控制方式电路简单，功率因数高，适用于有较大时间常数的负载；

缺点是输出电压或功率调节不平滑。

（2）相位控制。

它是使晶闸管在电源电压每一周期中、在选定的时刻将负载与电源接通，

改变选定的时刻可达到调压的目的。

1、电阻性负载的工作情况

正半周时刻触发管，负半周时刻触发管，输出电压波形为正负半周缺角相同的正弦波。

如图4.1所示。

图4.1单相交流调压器电阻性负载时的主电路和输出波形负载上交流电压有效值U与控制角α的关系为

121

U2U2sintdtU22sin2

电流有效值

U

I

RL电路功率因数

PUI1cossin2

SUI22

电路的移相范围为0~π。

2、电感性负载的工作情况

当电源电压反向过零时，由于负载电感产生感应电动势阻止电流变化，故电流不能立即为零，此时晶闸管导通角θ的大小，不但与控制角α有关，而且与负载阻抗角φ有关。

两只晶闸管门极的起始控制点分别定在电源电压每个半周的起始点，α的最大范围是φ≤α<

π。

单相交流调压器电感性负载时的主电路和输出波形如图4.2所示。

图4.2单相交流调压器电感性负载时的主电路和输出波形

当控制角为α时，Ug1触发VT1导通，流过VT1管的电流i2有两个分量，即强制分量iB与自由分量iS。

流过晶闸管的电流即负载电流为