试验一三相桥式全控整流电路的建模与分析试验目的1熟悉.docx

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试验一三相桥式全控整流电路的建模与分析试验目的1熟悉

实验一三相桥式全控整流电路的建模与分析

一、实验目的

1、熟悉Matlab/PowerSystem仿真模块资源库和仿真环境；

2、深入理解三相桥式全控整流电路结构、原理；

3、研究多模态负载及触发角度工况下的电路特性。

二、实验原理

1、MATLAB仿真工具

MATLAB是一种广泛应用于科学计算、工程设计和仿真用的通用数学工具软件。

1998年，MATLAB增加了电力系统模块库，该模块库以Simulink为运行环境，是建立在Sinulink标准模块和M语言基础上的一个附加模型库，它提供为电力系统仿真分析专用的各种线性与非线性元件和模块。

尤其是在MATLAB6.X之后的版本中，SimPowerSystems的元件库进行了扩充，现主要包含以下几类：

电源库、元件库、电力电子元件库、机组模型、连接元件、测量元件、其它元件、电力图形用户界面、演示系统等，基本涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统的仿真模型，其元件和模块是由电力工业领域的专家提出并得到实际证实的，符合电力专业分析软件的要求。

这些模块库包含了大多数常用电力系统元件的模块。

用户可以在库中找到例如IGBT、MOSFET、GTO等几乎所有常用的新型电力电子器件模型，给使用带来极大的方便。

利用这些库模块及其它库模块，用户可方便、直观地建立各种系统模型并进行仿真。

2、三相桥式全控整流电路

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、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，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。

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个电压检测模块和1个同步六脉冲触发器模块。

将这些元件模块复制到SXQQ模型窗口中，并进行如图1.3所示的连接。

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。

图1.3同步六脉冲触发器及其子系统

（5）打开控制元件模型组，复制一个常数元件模块到SXQQ模型窗口中作为同步六脉冲触发器的控制移相角。

（6）打开元件模块组，复制一个并联RLC元件模块到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以测量负载电压；

（8）通过适当连接，可以得到系统仿真电路如图1.4所示。

图1.4三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。

现打开仿真/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0.06s。

（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、60º、90º时进行仿真，记录下Ud波形。

（2）阻感性负载的仿真

打开RLC元件模块的参数设置对话框，设置参数：

R＝2，L＝80e-3H，C＝inf。

分别在α＝0º、60º、90º时进行仿真，记录下Ud波形。

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、将实验中记录下的Ud波形与理论计算值进行比较，验证其合理性。

3、说明通用变换器桥仿真模块模型中，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。

二、实验原理

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为门极可关断晶体管，D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

当作用于可关断晶体管S上的脉冲为正时，S管导通，Ud加在D两端，D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1.2所示。

在管导通的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，S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D导通，并持续t2时间，如图2.2所示。

在S管关断的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K＝t1/（t1+t2），则变换器输出电压uo的平均值Uo等于KUd，即与K值成正比，K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。

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IGBTBuck；

（2）打开电力电子模块组，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100V；

（4）打开元件模块组，复制一个并联RC元件模块到IGBTBuck模型窗口中作为负载，打开参数设置对话框，设置参数：

R＝50，C＝3e-6F；再复制一个L元件模块到IGBTBuck模型窗口中，串接在IGBT模块和负载RC之间，参数设置为14e-5H。

（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）通过适当连接，可以得到系统仿真电路如图2.4所示。

（7）从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0.001s，占空比为0.4。

将其输出连接到IGBT的门极上。

图2.4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。

现打开仿真/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0.02s，开始仿真，并记录IGBT电流Ic、电感电流IL、二极管电流Id和负载电压uo的仿真响应曲线。

更改脉冲发生器的占空比为0.6，再次进行仿真，观察实验结果的变化，记录下负载电压uo的响应曲线。

更改脉冲发生器的周期为0.01s；仿真/参数窗口，停止时间设置为0.2s。

再次进行仿真，观察实验结果的变化，记录下负载电压uo的响应曲线。

四、实验报告要求

1、简要说明BUCK电路的结构与工作原理。

2、说明试验中脉冲发生器占空比的变化与负载电压uo响应间的关系，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。

实验三单相交流可控调压电路设计

一、实验目的

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。

二、实验原理

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3.1所示。

图3.1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

电流有效值

电路功率因数

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3.2所示。

图3.2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

当α>φ时，电压、电流波形如图3.2所示。

随着电源电流下降过零进入负半周，电路中的电感储藏的能量释放完毕，电流到零，VT1管才关断。

当取不同的φ角时，θ=f（α）的曲线如图3.3所示。

图3.3当取不同的φ角时，θ=f（α）的曲线

综上所述，单相交流调压可归纳为以下三点：

①带电阻性负载时，负载电流波形与单相桥式可控整流交流侧电流波形一致，改变控制角α可以改变负载电压有效值。

②带电感性负载时，不能用窄脉冲触发，否则当α<φ时会发生有一个晶闸管无法导通的现象，电流出现很大的直流分量。

③带电感性负载时，α的移相范围为φ~π，带电阻性负载时移相范围为0~π。

三、实验内容

1、根据前面两个实验建模步骤，对单相交流调压电路建模；

2、在单相交流调压电路电阻负载条件下进行仿真，记录相关数据，画出U与控制角α的关系曲线。

3、假设单相交流电压U2存在一定范围的波动，而电阻负载RL恒定。

请根据所学的自动控制原理知识设计单相交流调压电路电阻负载恒功率工作的控制电路，并进行建模和仿真。

四、实验报告要求

1、简要说明单相交流调压电路的结构与工作原理。

2、将实验中记录下的U（α）关系曲线与理论计算值进行比较，验证其合理性。

3、画出单相交流调压电路电阻负载恒功率工作的控制电路原理图，说明控制原理。