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电力电子技术实验报告


专业综合实践题目
一、综合实践目的
1.熟悉使用 MATLAB 仿真软件的电力电子模块, 掌握在该软件下原理图的绘 制、调试、参数设置及仿真方法。 2.通过实践巩固掌握各种实验电路的接线方法、工作原理及不同负载条件 下的仿真波形。 3.调试实验装置的参数,分析不同负载条件下的仿真波形,体会课本中理 想条件下的波形与实践中实际参数下所得波形的异同,分析原因,以便

对理论 知识掌握的更加深刻透彻。

二、综合实践理论基础和核心内容
1.电力电子技术的理论知识及观测各种电量波形的方法是本次综合实践的 理论基础。主要包括单相半波相控整流电路、单相桥式全控整流及有源逆变电 路、三相桥式相控整流及有源逆变电路、直流斩波电路、单相交流调压电路等 几种典型电路的接线原理,工作原理及不同负载条件下的波形分析。同时必须 掌握在 MATLAB 软件中仿真电路、观测波形的方法,以便顺利完成实践的任务要 求。 2.本次综合实践的核心内容是在使用 MATLAB 软件准确绘制各种原理图的 基础上,调试、仿真电路,记录各种电量参数值,观测及分析不同负载条件下 的仿真波形,对比电路中源参数变化而导致的波形变化,分析原因,在运用理 论的同时巩固和升华理论。

三、综合实践具体内容和记录
1. 单相半波相控整流电路实验
1).分别绘制如图 1、2 所示的电路图,其中 AC 电压源:幅值 100V,频 率 50Hz;触发脉冲 ug:幅值 5V,周期 0.02s(50Hz) ,脉宽:5%;晶闸管: Ron=0.001Ω,Lon=0H, Vf=0.8V,Rs=500Ω,Cs=250e-6(250×10-6)F;图 1 中为纯阻性负载 R=10Ω,图 2 中为阻感性负载 R=10Ω,L=0.1H。

1

图1

单相半波相控整流电路

图2

带续流二极管的单相半波相控整流电路

2).仿真电路,处理波形及数据 (1)仿真图 1, 记录 α=30°(脉冲延迟 0.00167)、 90°(脉冲延迟 0.005)、 150°(脉冲延迟 0.00833)时,晶闸管电压、电流波形和负载电压、电流波 形,并测定直流输出电压 Ud,记录于下表: α U2 Ud(测定值) Ud(计算值) 仿真波形如下: 30° 100 28.89 29.688 90° 100 15.37 15.91 150° 100 2.275 2.132

2

图 1-1 α=30°阻性负载时的仿真波形

图 1-2

α=90°阻性负载时的仿真波形

3

图 1-3 α=150°阻性负载时的仿真波形

(2)仿真图 2,记录 α=30°、60°时,晶闸管电压、电流波形和负载电 压、电流波形。接入续流二极管后,重复上述实验,记录 α=30°(脉冲延 迟 0.00167)、60°(脉冲延迟 0.00333)、120°(脉冲延迟 0.00667)时晶闸 管电压、电流波形和负载电压、电流波形,观察续流二极管的作用。 α U2 Ud(测定值) Ud(计算值) 仿真波形如下: 30° 100 28.86 29.688 60° 100 23.09 23.864 120° 100 7.116 7.995

图 1-4 α=30°阻感性负载时的仿真波形

4

图 1-5 α=60°阻感性负载时的仿真波形

图 1-6 带续流二极管 α=30°时的仿真波形

图 1-7 带续流二极管 α=60°时的仿真波形
5

图 1-8 带续流二极管 α=120°时的仿真波形

2. 单相桥式全控整流及有源逆变电路实验
1).分别绘制如图 3、4 所示的电路图,注意图 4 中直流电源的极性及大 小。其中 AC 电压源:幅值 120V,频率 50Hz;触发脉冲 ug:幅值 5V,周期 0.02s (50Hz) 脉宽: 晶闸管: , 5%; Ron=0.001Ω, Lon=0H, Vf=0.8V, Rs=500Ω, Cs=250e-6(250×10-6)F;负载:阻感性负载 R=10Ω,L=0.01H,C=inf。

图 3 单相桥式全控整流电路

6

图4

单相全控桥式有源逆变电路

2).仿真电路,处理波形及数据 (1) 对图 3 仿真时注意两组晶闸管的触发脉冲相差 180°, 触发角 α<90°。 记录 α=30°(VT1、VT3 脉冲延迟 0.00167,VT2、VT4 脉冲延迟 0.01167)、 60°(VT1、VT3 脉冲延迟 0.00333,VT2、VT4 脉冲延迟 0.01333)、90°(VT1、 VT3 脉冲延迟 0.005,VT2、VT4 脉冲延迟 0.015)时,晶闸管电压、电流波 形和负载电压、电流波形,并测定直流输出电压 Ud,记录于下表: α U2 Ud(测定值) Ud(计算值) 仿真波形如下: 30° 120 74.66 78.53 60° 120 54.6 56.24 90° 120 35.44 37.21

图 2-1

整流电路 α=30°时的仿真波形

7

图 2-2

整流电路 α=60°时的仿真波形

图 2-3

整流电路 α=90°时的仿真波形

(2) 对图 4 仿真时注意两组晶闸管的触发脉冲相差 180°,触发角 α﹥ 90°。记录 α=90°(VT1、VT3 脉冲延迟 0.005,VT2、VT4 脉冲延迟 0.015)、 120°(VT1、 脉冲延迟 0.00667, VT3 VT2、 脉冲延迟 0.01667)、 VT4 150°(VT1、 VT3 脉冲延迟 0.00833,VT2、VT4 脉冲延迟 0.01833)时,晶闸管电压、电 流波形和负载电压、电流波形,并测定直流输出电压 Ud,记录于下表: Α U2 Ud(测定值) Ud(计算值) 仿真波形如下: 90° 120 -2.208 0 120° 120 -26.11 -32.34 150° 120 -35.98 -43.27

8

图 2-4

逆变电路 α=90°时的仿真波形

图 2-5 逆变电路 α=120°时的仿真波形

图 2-6 逆变电路 α=150°时的仿真波形
9

3. 三相桥式相控整流及有源逆变电路实验
1).分别绘制如图 5、 所示的电路图, 6 其中三相 AC 电压源: 幅值 120V, 相位互差 120°(a 相相位为-120°, 相相位为 0°, 相相位为 120°); b c 频率 50Hz, 触发脉冲 ug:幅值 5V,周期 0.02s(50Hz) ,脉宽:5%;负载:阻感性负 载 R=45 ,L=2H,C=inf。

图 5 三相全控桥式整流电路

图 6 三相全控桥式有源逆变电路

2).仿真电路,处理波形及数据 (1) 仿真图 5,记录 α=30°、60°、90°时,晶闸管电压、电流波形和负 载电压、电流波形,并测定直流输出电压 Ud,记录于下表: Α U2 Ud(测定值) Ud(计算值) 仿真波形如下: 30° 120 171.6 183.4
10

60° 120 98.78 102.5

90° 120 0.8457 0

图 3-1 整流电路 α=30°时的仿真波形

图 3-2 整流电路 α=60°时的仿真波形

图 3-3 整流电路 α=90°时的仿真波形

11

(2) 对图 6 仿真时注意触发角 α﹥90°。记录 α=90°、120°、150°时,晶 闸管电压、电流波形和负载电压、电流波形,并测定直流输出电压 Ud,记 录于下表: Α U2 Ud(测定值) Ud(计算值) 仿真波形如下: 90° 120 -0.262 0 120° 120 -49.85 -52.17 150° 120 -86.07 -97.23

图 3-4

逆变电路 α=90°时的仿真波形

图 3-5

逆变电路 α=120°时的仿真波形

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图 3-6

逆变电路 α=150°时的仿真波形

4. 直流斩波电路实验
1).绘制如图 7、8 所示的电路图。其中 DC 电压源:幅值 120V;平滑 电感 L= 0.002H;功率器件选用 MOSFET 或者 IGBT;脉冲发生模块周期为 1e-4;图 7 为阻性负载 R=45 ,图 8 为反电势负载,E=20V,电阻 R=45 。

图 7 直流斩波电路带阻性负载

图 8 直流斩波电路带反电势负载
13

2).仿真电路,处理波形及数据 (1) 仿真图 7,仿真选择 ode23tb 算法,相对误差设置为 1e-3,开始仿 真时间设置为 0.0194s, 停止时间设置为 0.0208s。 记录占空比 D=0.3、 0.6、 0.9 时,开关管电压、电流波形和负载电压、电流波形,并测定直流输出 电压 Uo,记录于下表: D 0.3 0.6 0.9 Uin 120 120 120 Uo(测定值) 34.59 72.64 109.6 Uo(计算值) 40 72 108 仿真波形如下:

图 4-1

D=0.3 时的仿真波形

图 4-2

D=0.6 时的仿真波形
14

图 4-3

D=0.9 时的仿真波形

(2) 仿真图 8,仿真选择 ode23tb 算法,相对误差设置为 1e-3,开始仿 真时间设置为 0.0194s, 停止时间设置为 0.0208s。 记录占空比 D=0.3、 0.6、 0.9 时,开关管电压、电流波形和负载电压、电流波形,并测定直流输出 电压 Uo,记录于下表: D Uin Uo(测定值) Uo(计算值) 仿真波形如下: 0.3 120 39.13 40 0.6 120 72.78 72 0.9 120 109.6 108

图 4-4 带反电势负载 D=0.3 时的仿真波形

15

图 4-5 带反电势负载 D=0.6 时的仿真波形

图 4-6 带反电势负载 D=0.9 时的仿真波形

5. 单相交流调压电路实验
1).绘制如图 9 所示的电路图。其中 AC 电压源:幅值 50V,频率 50Hz, 初相位为 0;触发脉冲 ug:幅值 10V,周期 0.02s(50Hz) ,脉宽:10%;晶 闸管:Ron=0.001 ,Lon=0H,Vf=0.8V,Rs=10 ,Cs=4.7e-6(4.7×10-6)F; 负载: 阻性负载 R=10 , L=0H, C=inf, 阻感性负载 R=10 , L=0.01H, C=inf。

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图 9 单相交流调压电路

2).仿真电路,处理波形及数据 (1) 仿真图 9(阻性负载 R=10 ,L=0H,C=inf),仿真选择 ode23tb 算法,相对误差设置为 1e-3,开始仿真时间设置为 0s,停止时间设置为 0.04s。记录 α=45°、90°、135°时,负载电压、电流波形。 仿真波形如下:

图 5-1 阻性负载 α=45°时的仿真波形

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图 5-2 阻性负载 α=90°时的仿真波形

图 5-3 阻性负载 α=135°时的仿真波形

(2) 仿真图 9(阻感性负载 R=10 ,L=0.01H,C=inf), 记录 α=60°、 90°、120°时,负载电压、电流波形。 仿真波形如下:

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图 5-4 阻感性负载 α=60°时的仿真波形

图 5-5 阻感性负载 α=90°时的仿真波形

图 5-6 阻感性负载 α=120°时的仿真波形

四、综合实践所需仪器设备
电力电子技术实验台、微机、MATLAB 仿真软件。

五、参考资料
[1] 王兆安、黄俊.《电力电子技术》.机械工业出版社.2009 年 6 月第 4 版 [2] 齐建玲. 《电力电子技术实践指导》

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