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1、电力电子技术实训指导书指导人：朱蕾孙霞课程实践的性质和目的性质：是电气信息专业的必修实践性环节。目的： 1、培养学生综合运用知识解决问题的能力与实际动手能力；2、加深理解电力电子技术课程的基本理论；3、掌握基本电力电子电路的设计方法。第一部分：系统设计一、系统设计的题目及要求:1、单相 全控桥式 晶闸管整流电路的设计（纯电阻负载10欧，适当选择阻值即可）设计要求：电源电压：交流100V/50Hz 输出功率： 500W 2、单相 全控桥式 晶闸管整流电路的设计（阻感负载）设计要求：电源电压：交流100V/50Hz 输出功率： 500W 3、单相 全控桥式 晶闸管整流电路的设计（反电势、电阻负载）
2、设计要求：电源电压：交流100V/50Hz 输出功率： 500W 移相范围 30o 150o反电势： E=70V 4、三相桥式可控整流电路设计参数要求：输入交流电源：三相380V10% 、 f=50Hz 、直流输出电流连续的最小值为5A。电动机额定参数：额定功率PN =10kW，磁极对数 P=2，额定转速 nN=1000r/min，额定电压 UMN=220V、额定电流 IMN=54.8A、过载倍数 1.5。设计内容整流电路参数计算和元件选择：整流变压器、晶闸管、平波电抗器的计算与选择。保护电路设计：过电压、过电流。触发电路的选择。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - -
3、 - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 27 页 - - - - - - - - - 绘制电路原理图。5、降压斩波电路设计输入直流电压： Ud=100V，开关频率5kHz，输出电压20V，最大输出电流：20A，L=100mH，输出功率： 400W，占空比2 .0。6、IGBT 单相桥式无源逆变电路设计（纯电阻负载）输入直流电压： Ud=100V 输出功率： 300W 输出电压波形： 1kHz 方波二、 系统设计基本要求及内容1、7 人一个题目，自由组合；2、根据系统设计题目，收集相关资料、设计主电路、控制电路、保护电路；3、制
4、作主电路、控制电路、保护电路，并完成系统调试；4、撰写系统设计报告 画出主电路、控制电路原理图，说明主电路的工作原理、选择元器件参数，说明控制电路的工作原理、绘出主电路典型波形（比较实际波形与理论波形） ，绘出触发信号（驱动信号）波形，说明调试过程中遇到的问题和解决问题的方法，附参考资料。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 27 页 - - - - - - - - - 第二部分：系统仿真一、电力电子器件测试仿真仿真过程：首先点击桌面的 MATLAB 图标， 进
5、入 MATLAB 环境， 点击工具栏中的 Simulink 选项。进入我们所需的仿真环境，如图1.1 所示。点击 File/New/Model 新建一个仿真平台。这时我们可以在上一步 Simulink 环境中拉我们所需的元件到Model 平台中，具体做法是点击左边的器件分类，这里我们一般只用到Simulink 跟 SimPowerSystems两个，分别在他们的下拉选项中找到我们所需的器件，用鼠标左键点击所需的元件不放，然后直接拉到Model 平台中。图 1.1 仿真的具体过程：第一步：我们首先按照之前的方法打开仿真环境新建一个仿真平台，现在我们先仿真新器件 GTO 的工作原理，按照下表，根据
6、表中的路径找到我们所需的器件跟连接器。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 27 页 - - - - - - - - - 元件名称提取路径触发脉冲Simulink/Sources/Pulse Generator 电源Sim Power Systems/Electrical Sources/ DC Voltage Source 示波器Simulink/Sinks/Scope 接地端子Sim Power Systems/Elements/Ground 信号分解器Si
7、mulink/Signal Routing/Demux 电压表Sim Power Systems/Measurements/ Voltage Measurement 电流表Sim Power Systems/Measurements/Current Measurement 负载 RLC Sim Power Systems/Elements/ Series RLC Branch GTO 器件Sim Power Systems/Power Electronics/Gto 提取出来的器件模型如图1.2 所示：图 1.2 第二步，元件的复制跟粘贴。有时候相同的模块在仿真中需要多次用到，这时按照我们常规
8、的方法可以进行复制跟粘贴，可以用一个虚线框复制整个仿真模型。还有一个常用方便的方法是在选中模块的同时按下Ctrl 键拖拉鼠标， 选中的模块上会出现一个小“+”好，继续按名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 27 页 - - - - - - - - - 住鼠标和 Ctrl 键不动， 移动鼠标就可以将模块拖拉到模型的其他地方复制出一个相同的模块，同时该模块名后会自动加“1”，因为在同一仿真模型中，不允许出现两个名字相同的模块。第三步，我们把元件的位置调整好，准备进行
9、连接线，具体做法是移动鼠标到一个器件的连接点上，会出现一个“ 十字” 形的光标，按住鼠标左键不放，一直到你所要连接另一个器件的连接点上，放开左键，这样线就连好了，如果想要连接分支线，可以要在需要分支的地方按住 Ctrl 键，然后按住鼠标左键就可以拉出一根分支线了。在连接示波器时会发现示波器只有一个接线端子，这时可以参照下面示波器的参数调整的方法进行增加端子。在调整元件位置的时候，有时你会遇到有些元件需要改变方向才更方便于连接线，这时可以选中要改变方向的模块，使用Format菜单下的 Flip block 和 Rotate block两条命令，前者改变水平方向，后者做90 度旋转，也可以用Ctr
10、l+R 来做 90度旋转。同时双击模块旁的文字可以改变模块名。 然后单击菜单栏中的Edit/Signal Properties命令来刷新模型。模块的颜色也可以在激活模块后，点击右键，在background color中选择自己喜欢的颜色。连接好的电路图如图1.3 所示。图 1.3 第四步，模块的参数设置。设者模型参数是保证仿真准确和顺利的重要一步，有些参数是由仿真任务规定的，如本例仿真中的电源电压与电阻值等，有些参数是需要通过仿真来确定的。设置模型参数可以双击模块图标弹出参数设置对话框，然后按框中提示输入，若有不清楚的地方可以借助帮助来看相关功能。参数设置如下：1. 脉冲发生器的参数设置。双击
11、脉冲发生器，会弹出一个对话框，改变需要的参数后如图 1.4所示。其中参数行中从第一个开始分别为振幅、 周期 、脉宽、 控制角（延迟时间）控制角 a的设置按照t=aT/360 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 27 页 - - - - - - - - - 图 1.4 2. 打开电源设置对话框，我们这里设置电源为220V，直接在参数行输入数字即可。3. 新器件 GTO 的参数设置，这里我们采用默认设计，当需要改变的时候也可以另外设置。4. 负载参数的设置，我们这
12、里只是用到电阻负载，所以可以这样设置，电阻R100，H0， C=inf 设置完如图 1.5 所示：图 1.5 5. 示波器的参数设置：当我们开始连接的时候，示波器只有一个连接端子，这时我们需要增加示波器的接线端子，具体做法是双击示波器，弹出的对话框如图1.6 示：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 27 页 - - - - - - - - - 图 1.6 单击工具栏中第二个小图标，即打印机图标的旁边的图标。弹出第二个对话框2 图 1.7。图 1.7 只要在 N
13、umber of axes 项中把 1改成所需要增加的端子数字就可以，这里我们用到两个端子，我们把它改成2 就可以了。在 Time range中设置一个数值，也即显示时间，所设置的时横坐标。就是我们的的仿真时间6、仿真参数设置 :在仿真开始前还必须首先设置仿真参数。在菜单中选择Simulation，在下拉菜单中选择Simulation parameters ，在弹出的对话款中可设置的项目很多，主要有开始时间、终止时间、仿真类型（包括步长和解电路的树枝方法），积极相对误差、绝对误差等。步长、解法和误差的选择对仿真运行的速度影响很大，步长太长计算容易发散，步长太小运算时间太长，本题使用ode23t
14、b算法。仿真参数设计如图1.8 所示：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 27 页 - - - - - - - - - 图 1.8 在参数设置完毕后既可以开始仿真。点击运行按钮“ ” 开始仿真。在屏幕下方的状态栏上可以看到仿真的进程。 若要中途停止仿真可以点击“”按钮。在仿真完毕之后既可以通过双击示波器来观察仿真的结果。本例的仿真图形（电阻）如图1.9 跟图 1.10 所示：图 1.9 晶闸管的波形图 1.10负载的波形如果在一开始观察不到示波器的波形，可以点
15、击工具栏上的望远镜，会自动的给定一个合适的坐标，观察到我们需要的波形。如果我们想改变纵坐标，可以单击邮件，选择弹出快捷菜单中的 “Axes properties”命令，出现如图 1.11 所示示波器的纵坐标参数设置对话框。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 27 页 - - - - - - - - - 图 1.11 本题如果要设置电阻电感负载，只需要在RLC 参数中给电感量一个数值就可以了。到这里，我们就把新器件GTO 的仿真完成了。按照同样的方法，再从Sim
16、 Power Systems/Power Electronics中调用其他需要仿真的新器件， 就可以观察到我们所需要的波形了。上面做的全控型器件，现在我们做一个半控型器件，也就是我们平时所说的普通晶闸管。我们在电力电子器件里面提取出一个晶闸来，这里注意晶闸管有两种类型，Detailed Thyristor的是详细的晶闸管模型， 而 Thyristor 是普通晶闸管，具体选择看你对晶闸管参数的要求多高，详细的晶闸管有很多参数可以设置。仿真的电路图如图示模块的参数的设置跟之前的一样，为了得到更好的波形效果， 我们把仿真的开始时间设置为 4，结束时间设置为10。同若运行仿真电路，我们可以得到仿真之后
17、的各种波形。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 27 页 - - - - - - - - - 负载波形晶闸管波形二、单相桥式全控整流电路仿真电阻负载：一、仿真步骤1启动 MATLAB ， 进入 SIMULINK后新建一个仿真模型的新文件。在这里可以任意添加电路元器件模块。然后对照电路系统模型，依次往文档中添加相应的模块。在此实验中，我们按下表添加模块：序号元器件名称提取元器件位置1 交流电源Simpowersystems / Electrical Sourse
18、 / AC V oltage sourse 2 单相变压器Simpowersystems /Elements /Linear Transformer 3 晶闸管模型Simpowersystems /Power Electronics /Detailed Thyristor 4 RLC 串联电路Simpowersystems /Elements /Series RLC Branch 5 脉冲发生器Simpowersystems / Extra Library/Control Blocks/ Synchronized 6-Pulse Generator 6 电流测量Simpowersystems
19、/Measurements /Current Measurement 7 电压测量Simpowersystems /Measurements / Voltage Measurement 8 平均值计算模块Simpowersystems / Extra Library/ Measurement/Mean Value 9 常数模块Simulink/Source/Constent 10 信号分解模型Simulink /Signal Routing /Demux 11 信号综合模型Simulink /Signal Routing /Mux 12 示波器模型Simulink /Sinks /Scope
20、2添加好模块后，要对各元器件进行布局。一个良好的布局面板，更有利于阅读系统模型及方便调试。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 27 页 - - - - - - - - - 添加示波器连接图：图 21 3设置模块参数。依次双击各模块，在出现的对话框内设置相应的参数。1） ，交流电源参数设置：电压设置为220V，频率设为50Hz，其它默认。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整
21、理 - - - - - - - 第 11 页，共 27 页 - - - - - - - - - 图 2.2 2）变压器参数：一次电压220V（有效值），二次电压110V（有效值）。3）脉冲触发器设置：振幅（amplitude）设为 5。周期（ Period）设为 0.02 秒。脉冲宽度（pulse width ）设为 10。相位延迟角（phase delay） ，即触发角。它的设置在调试时需要修改，以实现在不同角度触发时，观测电路各变量的波形的变化。因为它是以秒为单位，故需把角度换算成秒。其计算可按以下公式：t= T/360 。例如触发角 45 度，周期 T0.02，则 t=0.0025，则此
22、空中应填入0.0025。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 27 页 - - - - - - - - - 图 2.3 第二个触发器的设置只需触发角比第一个大180 度，即加上0.01，其它不变。4）负载 RLC 参数设置，本例选择R 或 RL，参数设置如下图：4设置仿真参数仿真参数的设置与实验一相同。电力电子系统仿真一般选可变步长variable-step，仿真数值计算方法可选 ode15、ode23、ode45 等，误差选择0.001 的仿真精度就够了。本
23、例的仿真参数设置如下图：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 27 页 - - - - - - - - - 5、启动仿真设置好后，即可开始仿真。点击开始控件。仿真完成后就可以通过示波器来观察仿真的结果。以下是分别在0 度， 30 度， 45 度， 60 度时的仿真结果。0 度：30 度：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 2
24、7 页 - - - - - - - - - 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 27 页 - - - - - - - - - 60 度：90 度：阻感负载：带电阻电感性负载的仿真与带电阻性负载的仿真方法基本相同，但须将RLC 的串联分支设置为电阻电感负载。本例中设置的电阻R 0.5，L0.001H。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1
25、6 页，共 27 页 - - - - - - - - - 0 度：30 度：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 27 页 - - - - - - - - - 60 度90 度三、 三相桥式全控整流电路仿真电阻负载：一、仿真步骤1启动 MATLAB ，进入 SIMULINK后新建一个仿真模型的新文件。并布置好各元器件。主要元器件提取路径：元器件名称提取路径 Simpowersystems/ 交流电源Electrical sources/AC voltage s
26、ource 整流变压器Element/Three-phase transformer(two windings)/Transformer 同步变压器Element/Three-phase transformer(two windings)/ T-Transformer 三相晶闸管整流器Extra libray/three-phase libray/6-pulse thyristor bridge RL 负载Elements/series RLC branch 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - -
27、- - - - - 第 18 页，共 27 页 - - - - - - - - - 6 脉冲触发器Extra libray/control blocks/synchronized 6-pulse generator 控制角设定Simulink/sources/constant 平均值计算Extra libray/Measurements/Mean Value 有效值计算Extra libray/Measurements/RMS 多路测量器Measurements/Multineter 模型分析仪powergui 如下图所示：图 3.1 2参数设置1）三相电源参数设置：电压峰值为220*sqrt
28、 （2）V，频率设为50Hz。要注意初相角的设置，a 相的电压源设为 0，b 相的电压源设为-120，c 相的电压源设为-240。2）整流变压器： 一次绕组联结选择Delta(D11) ，线电压 U1=380V ；二次绕组联结选择Y， 线电压 U2=173V ，其他不变。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 27 页 - - - - - - - - - 3）同步变压器：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - -
29、 - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 27 页 - - - - - - - - - 4）负载参数设置：电阻负载时：R=5，电感为0，电容无穷大inf 。5）6 脉冲触发器：频率50Hz，脉冲宽度10 ，选择双脉冲触发方式。6）控制角给定（alph） ：0、30、60 等。7）仿真参数：仿真时间0.06s，仿真算法： ode23tb。二、模型仿真以下是分别在0 度， 30 度， 45 度， 60 度时的仿真结果。0 度：30 度：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整
30、理 - - - - - - - 第 21 页，共 27 页 - - - - - - - - - 60 度：90 度：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 22 页，共 27 页 - - - - - - - - - 阻感负载：带电阻电感性负载的仿真与带电阻性负载的仿真方法基本相同，但须将RLC 的串联分支设置为电阻电感负载。本例中设置的电阻R0.5，L0.01H。0 度：60 度：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - -
31、 - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 23 页，共 27 页 - - - - - - - - - 90 度：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 24 页，共 27 页 - - - - - - - - - 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 25 页，共 27 页 - - - - - - - - - 第三部分：实践报告要求及参
32、考文献一、设计文档的要求1.课程实践报告 1 份，约为 700010000字，要求手写。2.编写实践报告要求（1） 封皮（2） 摘要（3） 设计题目及设计要求第一部分：系统设计（4） 正文 方案选择 整流变压器的参数计算 主电路参数计算 保护环节参数计算 平波电抗器的参数计算 触发电路的选择与校验 电路电气原理总图第二部分：系统仿真（5） 设计小结（6） 参考文献二、进度安排天次设计内容1 检索资料、拿出初步设计方案，并确定方案1 整流变压器或主电路的参数计算及设计1 主电路的设计，触发电路的选择与校验1 系统电气原理总图1 查找系统仿真资料4 仿真软件的学习及系统仿真1 编写设计说明书三、参
33、考文献名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 26 页，共 27 页 - - - - - - - - - 1莫正康 .电力电子应用技术（第3 版）.机械工业出版社， 2003年2李序葆，赵永健 .电力电子器件及其应用 .机械工业出版社， 1996年3（美） Muhammad H.Rashid . 电力电子技术手册 .陈建业等译 .机械工业出版社， 2003年4吕家元 .半导体变流 .天津大学出版社， 2002年5刘惠鹏 .电机学 .中国矿业出版社， 1993年6 杨威.电力电子技术 .重庆大学出版社， 2005年7MATLAB通信仿真及应用实例详解 .人民邮电出版社， 2003年8MATLAB仿真技术与应用 .清华大学出版社， 2003年9电机与拖动 MATLAB 仿真与学习指导，机械工业出版社，2008年名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 27 页，共 27 页 - - - - - - - - -