實驗一三相橋式全控整流電路的建模與分析

1、實驗一 三相橋式全控整流電路的建模與分析一、實驗?zāi)康?、熟悉Matlab/Power System仿真模塊資源庫和仿真環(huán)境；2、深入理解三相橋式全控整流電路結(jié)構(gòu)、原理；3、研究多模態(tài)負(fù)載及觸發(fā)角度工況下的電路特性。二、實驗原理1、MATLAB仿真工具M(jìn)ATLAB是一種廣泛應(yīng)用于科學(xué)計算、工程設(shè)計和仿真用的通用數(shù)學(xué)工具軟件。1998年， MATLAB增加了電力系統(tǒng)模塊庫，該模塊庫以Simulink為運行環(huán)境，是建立在Sinulink標(biāo)準(zhǔn)模塊和M語言基礎(chǔ)上的一個附加模型庫，它提供為電力系統(tǒng)仿真分析專用的各種線性與非線性元件和模塊。尤其是在MATLAB6.X之后的版本中，SimPowerSystem

2、s 的元件庫進(jìn)行了擴(kuò)充，現(xiàn)主要包含以下幾類：電源庫、元件庫、電力電子元件庫、機組模型、連接元件、測量元件、其它元件、電力圖形用戶界面、演示系統(tǒng)等，基本涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動和電力系統(tǒng)等電工學(xué)科中常用的基本元件和系統(tǒng)的仿真模型，其元件和模塊是由電力工業(yè)領(lǐng)域的專家提出并得到實際證實的，符合電力專業(yè)分析軟件的要求。這些模塊庫包含了大多數(shù)常用電力系統(tǒng)元件的模塊。用戶可以在庫中找到例如IGBT、MOSFET、GTO等幾乎所有常用的新型電力電子器件模型，給使用帶來極大的方便。利用這些庫模塊及其它庫模塊，用戶可方便、直觀地建立各種系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真。2、三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路的整流

3、控制可看作一組共陰極接法(VT1、VT3、VT5)和一組共陽極接法(VT2、VT4、VT6)串聯(lián)而成，電路如圖1.1所示。三相橋式全控整流電路通過觸發(fā)脈沖觸發(fā)SCR輪流導(dǎo)通。晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通順序為VT1VT2VT3VT4VT5VT6。圖1.1 三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路的工作特點為：(1) 任何時候共陰、共陽極組各有一只元件同時導(dǎo)通才能形成電流通路。(2) 共陰極組晶閘管VT1、VT3、VT5，按相序依次觸發(fā)導(dǎo)通，相位相差120，共陽極組晶閘管VT2、VT4、VT6，相位相差120，同一相的晶閘管相位相差180。每個晶閘管導(dǎo)通角120；(3) 輸出電壓ud由六段線電壓組成，每周期

4、脈動六次，每周期脈動頻率為300HZ。(4) 晶閘管承受的電壓波形與三相半波時相同，它只與晶閘管導(dǎo)通情況有關(guān)，其波形由3段組成：一段為零(忽略導(dǎo)通時的壓降)，兩段為線電壓。晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也相同。(5) 變壓器二次繞組流過正負(fù)兩個方向的電流，消除了變壓器的直流磁化，提高了變壓器的利用率。(6) 對觸發(fā)脈沖寬度的要求：整流橋開始工作時以及電流中斷后，要使電路正常工作，需保證應(yīng)同時導(dǎo)通的2個晶閘管均有脈沖，常用的方法有兩種：一種是寬脈沖觸發(fā)，它要求觸發(fā)脈沖的寬度大于60(一般為80100)，另一種是雙窄脈沖觸發(fā)，即觸發(fā)一個晶閘管時，向小一個序號的晶閘管補發(fā)脈沖。寬脈沖觸發(fā)要求觸發(fā)功

5、率大，易使脈沖變壓器飽和，所以多采用雙窄脈沖觸發(fā)。三相橋式全控整流電路的輸出電壓(電阻性負(fù)載)：當(dāng)控制角60時，輸出電壓Ud=2.34U2cos，且波形是連續(xù)的；當(dāng)控制角60時，輸出電壓Ud=2.34U21+cos(/3+)，且波形是間斷的；=120時，輸出電壓為零Ud=0。因此三相全控橋式整流電路電阻性負(fù)載移相范圍為0120。圖1.2分別為電阻性負(fù)載下0、60、90時的ud電壓波形。（a）0（b）60（c）90圖1.2 三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載時的波形三、實驗步驟1、三相橋式全控整流電路的建模。建模步驟如下：（1）打開Matlab/Simulink環(huán)境，建立新的Simulink模型窗口

6、，命名為SXQQ；（2）打開電源模塊組，復(fù)制三個交流電壓源模塊Ua、Ub、Uc到SXQQ模型窗口中，打開參數(shù)設(shè)置對話框，進(jìn)行三相對稱交流電壓源參數(shù)設(shè)置：三相對稱交流電壓源的幅值設(shè)為220V，頻率為50Hz，相位分別為0 、240、120。（3）三相橋式全控整流器的建模可直接調(diào)用通用變換器橋仿真模塊。將其復(fù)制到SXQQ模型窗口中，參數(shù)設(shè)置中，選擇晶閘管器件。（4）整流器的六脈沖觸發(fā)器模塊需要與三相線電壓同步，因此建模時需要3個電壓檢測模塊和1個同步六脈沖觸發(fā)器模塊。將這些元件模塊復(fù)制到SXQQ模型窗口中，并進(jìn)行如圖1.3所示的連接。同步六脈沖觸發(fā)器設(shè)置：頻率為50Hz，脈沖寬度為1，選擇雙脈沖觸

7、發(fā)方式。圖1.3 同步六脈沖觸發(fā)器及其子系統(tǒng)（5）打開控制元件模型組，復(fù)制一個常數(shù)元件模塊到SXQQ模型窗口中作為同步六脈沖觸發(fā)器的控制移相角。（6）打開元件模塊組，復(fù)制一個并聯(lián)RLC元件模塊到SXQQ模型窗口中作為負(fù)載。（7）打開測量模塊組，添加一個電壓測量裝置以測量負(fù)載電壓；（8）通過適當(dāng)連接，可以得到系統(tǒng)仿真電路如圖1.4所示。圖1.4 三相橋式全控整流電路仿真電路2、三相橋式全控整流電路的仿真。現(xiàn)打開仿真/參數(shù)窗口，選擇ode23tb算法，將相對誤差設(shè)置為1e-3，仿真開始時間為0.0s，停止時間設(shè)置為0.06s。（1）電阻性負(fù)載的仿真打開RLC元件模塊的參數(shù)設(shè)置對話框，設(shè)置參數(shù)：R2

8、W，L0H，Cinf。分別在0、60、90時進(jìn)行仿真，記錄下Ud波形。（2）阻感性負(fù)載的仿真打開RLC元件模塊的參數(shù)設(shè)置對話框，設(shè)置參數(shù)：R2W，L80e-3H，Cinf。分別在0、60、90時進(jìn)行仿真，記錄下Ud波形。四、實驗報告要求1、簡要說明三相橋式全控整流電路的結(jié)構(gòu)與工作原理。2、將實驗中記錄下的Ud波形與理論計算值進(jìn)行比較，驗證其合理性。3、說明通用變換器橋仿真模塊模型中，各參數(shù)設(shè)置的含義。實驗二 BUCK變換器的建模與仿真一、實驗?zāi)康?、熟練使用Matlab/Power System仿真模塊搭建典型變流器；2、深入理解BUCK電路的結(jié)構(gòu)原理、工作特性以及輸出濾波參數(shù)的選擇方法。二、

9、實驗原理2.1 BUCK變換器電路結(jié)構(gòu)BUCK變換器電路圖如圖2.1所示。圖中，Ud為輸入電源，S為門極可關(guān)斷晶體管，D為續(xù)流二極管，LC構(gòu)成低通濾波電路，RL為負(fù)載。圖2.1 BUCK電路結(jié)構(gòu)2.2 降壓原理當(dāng)作用于可關(guān)斷晶體管S上的脈沖為正時，S管導(dǎo)通，Ud加在D兩端，D反偏截止，此時加在負(fù)載RL兩端的電壓Uo等于Ud，并持續(xù)t1時間，如圖1.2所示。在管導(dǎo)通的t1時間內(nèi)，流過負(fù)載的電流io是電感電流，呈直線上升，按直線規(guī)律從iomin上升到iomax。當(dāng)脈沖為“零”時，S關(guān)斷，由于電感原有電流流過，存儲了能量，要通過負(fù)載RL釋放，此時D導(dǎo)通，并持續(xù)t2時間，如圖2.2所示。在S管關(guān)斷的t

10、2時間內(nèi)，電感兩端電壓uL反相，io呈直線下降，按定常斜率從iomax下降到iomin。若令Kt1/(t1+t2)，則變換器輸出電壓uo的平均值Uo等于KUd，即與K值成正比，K從0變到1，輸出平均電壓Uo從0變到Ud。K由于總是一個不大于1的值，輸出電壓最大值不會超過輸入電壓，即變換器電路是降壓電路。圖2.2 BUCK電路降壓原理2.3 輸出電壓的LC濾波采用由電感和電容組成的LC低通濾波器的特性如圖2.3所示。圖2.3 LC濾波器特性低通濾波器的角頻率fc應(yīng)大大低于開關(guān)頻率fs，經(jīng)過濾波器后的輸出電壓基本上消除了開關(guān)頻率造成的紋波。假設(shè)輸出端的濾波電容足夠大，則輸出電壓的瞬時值不變，即uo

11、=Uo。在穩(wěn)態(tài)情況下，因為電容電流平均值為0，所以電感電流平均值等于輸出電流平均值Io。三、實驗步驟1、基于IGBT元件的Buck變換器的建模。建模步驟如下：（1）打開Matlab/Simulink環(huán)境，建立新的Simulink模型窗口，命名為IGBTBuck；（2）打開電力電子模塊組，分別復(fù)制IGBT模塊，二極管VD模塊到IGBTBuck模型窗口中，并合理設(shè)置IGBT參數(shù)；（3）打開電源模塊組，復(fù)制電壓源模塊Ud到IGBTBuck模型窗口中，打開參數(shù)設(shè)置對話框，設(shè)置電壓為100V；（4）打開元件模塊組，復(fù)制一個并聯(lián)RC元件模塊到IGBTBuck模型窗口中作為負(fù)載，打開參數(shù)設(shè)置對話框，設(shè)置參數(shù)

12、：R50W，C3e-6F；再復(fù)制一個L元件模塊到IGBTBuck模型窗口中，串接在IGBT模塊和負(fù)載RC之間，參數(shù)設(shè)置為14e-5H。（5）打開測量模塊組，添加兩個電流測量裝置以測量電源電流和電感電流；添加一個電壓測量裝置以測量負(fù)載電壓；（6）通過適當(dāng)連接，可以得到系統(tǒng)仿真電路如圖2.4所示。（7）從輸入源模塊組中復(fù)制一個脈沖發(fā)生器模塊到仿真窗口中，命名為Pulse，設(shè)置周期為0.001s，占空比為0.4。將其輸出連接到IGBT的門極上。圖2.4 基于IGBT元件的Buck變換器仿真電路2、基于IGBT元件的Buck變換器仿真?，F(xiàn)打開仿真/參數(shù)窗口，選擇ode23tb算法，將相對誤差設(shè)置為1e

13、-3，仿真開始時間為0.0s，停止時間設(shè)置為0.02s，開始仿真，并記錄IGBT電流Ic、電感電流IL、二極管電流Id和負(fù)載電壓uo的仿真響應(yīng)曲線。更改脈沖發(fā)生器的占空比為0.6，再次進(jìn)行仿真，觀察實驗結(jié)果的變化，記錄下負(fù)載電壓uo的響應(yīng)曲線。更改脈沖發(fā)生器的周期為0.01s；仿真/參數(shù)窗口，停止時間設(shè)置為0.2s。再次進(jìn)行仿真，觀察實驗結(jié)果的變化，記錄下負(fù)載電壓uo的響應(yīng)曲線。四、實驗報告要求1、簡要說明BUCK電路的結(jié)構(gòu)與工作原理。2、說明試驗中脈沖發(fā)生器占空比的變化與負(fù)載電壓uo響應(yīng)間的關(guān)系，并解釋這個現(xiàn)象。3、說明試驗中脈沖發(fā)生器周期的變化對負(fù)載電壓uo的影響，并從器件模型角度解釋原因

14、。4、說明仿真元件IGBT模型及二極管VD模型中，各參數(shù)設(shè)置的含義。實驗三 單相交流可控調(diào)壓電路設(shè)計一、實驗?zāi)康?、掌握Matlab/ Power System和Control System等相關(guān)仿真工具箱內(nèi)的模塊的使用；2、深入理解單相交流調(diào)壓電路結(jié)構(gòu)、原理，與多模態(tài)負(fù)載及觸發(fā)角度工況下的電路特性；3、了解自動控制理論在電力電子技術(shù)中的應(yīng)用。二、實驗原理交流調(diào)壓電路通常由晶閘管組成，用于調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值。與常規(guī)的調(diào)壓變壓器相比，晶閘管交流調(diào)壓器有體積小、重量輕的特點。其輸出是交流電壓，但它不是正弦波形，其諧波分量較大，功率因數(shù)也較低?？刂品椒ǎ?1) 通斷控制。即把晶閘管作為開關(guān)，通過改

15、變通斷時間比值達(dá)到調(diào)壓的目的。這種控制方式電路簡單，功率因數(shù)高，適用于有較大時間常數(shù)的負(fù)載；缺點是輸出電壓或功率調(diào)節(jié)不平滑。(2) 相位控制。它是使晶閘管在電源電壓每一周期中、在選定的時刻將負(fù)載與電源接通，改變選定的時刻可達(dá)到調(diào)壓的目的。1、電阻性負(fù)載的工作情況正半周時刻觸發(fā)管，負(fù)半周時刻觸發(fā)管，輸出電壓波形為正負(fù)半周缺角相同的正弦波。如圖3.1所示。圖3.1 單相交流調(diào)壓器電阻性負(fù)載時的主電路和輸出波形負(fù)載上交流電壓有效值U與控制角的關(guān)系為電流有效值電路功率因數(shù)電路的移相范圍為0 。2、電感性負(fù)載的工作情況當(dāng)電源電壓反向過零時，由于負(fù)載電感產(chǎn)生感應(yīng)電動勢阻止電流變化，故電流不能立即為零，此時

16、晶閘管導(dǎo)通角的大小，不但與控制角有關(guān)，而且與負(fù)載阻抗角有關(guān)。兩只晶閘管門極的起始控制點分別定在電源電壓每個半周的起始點，的最大范圍是時，電壓、電流波形如圖3.2所示。隨著電源電流下降過零進(jìn)入負(fù)半周，電路中的電感儲藏的能量釋放完畢，電流到零，VT1管才關(guān)斷。當(dāng)取不同的角時，=f()的曲線如圖3.3所示。圖3.3 當(dāng)取不同的角時，=f()的曲線綜上所述，單相交流調(diào)壓可歸納為以下三點：帶電阻性負(fù)載時，負(fù)載電流波形與單相橋式可控整流交流側(cè)電流波形一致，改變控制角可以改變負(fù)載電壓有效值。帶電感性負(fù)載時，不能用窄脈沖觸發(fā)，否則當(dāng)時會發(fā)生有一個晶閘管無法導(dǎo)通的現(xiàn)象，電流出現(xiàn)很大的直流分量。帶電感性負(fù)載時，的移相范圍為，帶電阻性負(fù)載時移相范圍為0 。三、實驗內(nèi)