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电力电子实验讲义

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实验一 熟悉Matlab仿真集成工具（2学时）
一. 实验目的
1. 熟悉Matlab的仿真集成工具Simulink和电力仿真系统simpowersystem的功能和使用方法,锻炼该软件的使用能力，总结使用技巧和方法，提高使用水平；
2.熟悉Simpowersystem的功能模块，灵活运用。
二. 实验要求
1. 熟悉Matlab的仿真集成工具Simulink的使用方法；
2. 熟悉电力仿真系统（simpowersystem）的各个模块模型库；
3. 熟悉电力电子器件模型；
4. 熟悉变压器和电动机模型。
三. 实验内容及步骤
1.熟悉新建空白设计区的方法；
① 在MATLAB指令窗口输入“c”后按回车键；
② 在MATLAB指令窗口选择菜单命令File/New/Modle；
③ 按工具栏中的“Simulink”按钮。
以上三种方法均可进入Simulink Browser，然后再按工具栏中的“空白”按钮即可。
2.熟悉Simulink Browser中的子目录和simpowersystem Blockset；
3. 熟悉Electrical Sources、Elements、Machines、Power Electronics、
Connectors、Measurements、Extra Library中的功能模块；
4. 熟悉Simulink窗口的主菜单File、Edit、View、Simulation、Format、Tools；
5. 熟悉Simulink窗口的工具栏；
6. 电力电子波形图的绘制。

单相半波不控整流电路，已知交流电源电压220V，负载电阻为2欧姆。画出交流电源电压、整流输出电压和电流的波形。

R
id
Ud
Vs
图1-1 单相半波不控整流电路

MATLAB命令窗口键入命令如下：
1 >> V=220; ％交流电压有效值
2 >> R=2; ％电阻值
3 >> dth=pi/360; ％导通角增量
4 >> th=0:dth:2*pi; ％一周期中导通角
5 >> vs=V*sqrt(2)*sin(th); ％交流电压
6 >> ud=vs.*(vs>=0); ％整流输出电压
7 >> id=ud/R; ％整流输出电流
8 >> plot(th,vs),hold ％画交流电压波形
Current plot held
9 >> plot(th,ud,th,id) ％画整流电压电流波形
7. 模型文件命名并存盘。
四. 分析实验结果

实验二 单相桥式全控整流电路仿真（2学时）
一. 实验目的
1. 熟悉Matlab的仿真集成工具Simulink和电力系统SimPowerSystems的功能和使用方法,锻炼该软件的使用能力，总结使用技巧和方法，提高使用水平；
2. 熟悉单相桥式全控整流原理电路；
2. 熟悉SimPowerSystems的功能模块，灵活运用，举一反三练习。
二. 实验要求
1. 熟悉Matlab的电力系统仿真集成工具SimPowerSystems的使用方法；
2. 独立建立仿真模型；
3. 进行参数设置；
4. 独立完成仿真实验内容。
三. 实验内容及步骤
1. 电阻性负载时的仿真波形；
,，
仿真时间设0.06s,仿真算法选ode15s，启动仿真。
观察负载电阻两端的电压波形和电流波形；
观察晶闸管的电流波形和电压波形。
本例中晶闸管的触发采用简单的脉冲触发器
2. 感性负载时的仿真波形；
,,，
仿真时间设0.06s,仿真算法选ode15s，启动仿真。
观察负载电阻两端的电压波形和电流波形；
观察晶闸管的电流波形和电压波形。
3. 电源电压220V，工频50Hz。模型文件命名并存盘。
4. 所需模型元件的提取路径：
SimPowerSystems / Electrical sources/AC voltage source
SimPowerSystems /power electronics/thyristor
SimPowerSystems /elements/series RLC branch
SimPowerSystems /connectors/T connector
SimPowerSystems /connectors/neutral(output)
SimPowerSystems/ Measurements/ Multimeter
Simulink/sources/pulse generator
Simulink/sinks/scope
Simulink/signal routing/demux

参数修改：
触发角时的参数修改

触发脉冲一
触发脉冲二

Phase delay（相位延迟）换算公式：
其中表示相位延迟时间，T代表电源电压时间周期。
时的仿真只需修改两个触发脉冲的Phase delay(secs)相。其中触发脉冲一超前触发脉冲二
RLC串联回路参数修改
交流电压源参数修改

其他参数修改较为容易不再叙述
仿真参数修改：

四. 分析实验结果
画出单相桥式整流电路的电路原理图，并分析其工作原理。

实验三 三相桥式全控整流的电路仿真（2学时）
一. 实验目的
1. 熟悉Matlab的仿真集成工具Simulink和电力系统SimPowerSystems的功能和使用方法,锻炼该软件的使用能力，总结使用技巧和方法，提高使用水平；
2. 熟悉三相桥式全控整流电路的工作原理。
4. 熟悉matlab中的三相桥仿真模块的参数修改。
3. 熟悉SimPowerSystems的功能模块，灵活运用，举一反三练习。
二. 实验要求
1. 熟悉Matlab的电力系统仿真集成工具SimPowerSystems的使用方法；
2. 根据实际电路建立仿真模型；
3. 进行参数设置；
4. 独立完成仿真实验内容。
三. 实验内容及步骤
（一）新用到的元件提取路径：
SimPowerSystems/Elements/Three-phase Transformer (Two Windings)
SimPowerSystems/Extra Library/Measurements /Three-Phase V-I Measurement
SimPowerSystemss / Extra Library/Three-Phase Library /6 – pulse thyristor bridge
SimPowerSystemss / Extra Library/ Measurements/ RMS
SimPowerSystems/Extra Library/Control Blocks /Synchronized 6-Pulse Generator
Simulink/ Sources/ Constant
SimPowerSystems/ Measurements/ Voltage Measurement
SimPowerSystems /connectors /Ground （output）
其他元件的提取路径在上一次实验讲义中已经介绍过了，这里不在重复。
将这些元件按照如下的图进行连接：

（二）参数的修改：

降压变压器的参数修改 同步变压器的参数修改

V-I测量器的参数修改 同步六脉冲触发器的参数修改
三相交流电压源的参数修改：
分别将ua、ub、uc参数中的Phase （deg）（相位）修改为0、-120、-240。
峰值（Peak amplitude）和频率（Frequency）分别改为311、50。
万用表（Multimeter）选择RL两端的电压、电流。
负载Rl为纯电阻电路：RL=5
（三）仿真：
将仿真周期设为0.8s。采用ode15s (stiff/NDF)算法开始仿真。
将常量（Constant）改为60，观察在60度脉冲触发时的波形。
四. 分析实验结果
画出单相桥式整流电路的电路原理图，并分析其工作原理。

实验四 三相桥式正弦波脉宽调制变频电路仿真（2学时）
一. 实验目的
1. 熟悉Matlab的仿真集成工具Simulink和电力系统SimPowerSystems的功能和使用方法,锻炼该软件的使用能力，总结使用技巧和方法，提高使用水平；
2. 熟悉三相桥式正弦波脉宽调制变频电路结构原理；
4. 熟悉SimPowerSystems的功能模块，灵活运用，举一反三练习。
二. 实验要求
1. 熟悉Matlab的电力系统仿真集成工具SimPowerSystems的使用方法；
2. 独立建立仿真模型；
3. 进行参数设置；
4. 独立完成仿真实验内容。
三. 实验内容及步骤
（一）新用到的元件提取路径:
SimPowerSystems/Extra Library/ Discrete Control Blocks/ Discrete 1-phase PLL
SimPowerSystems/Extra Library/ Discrete Control Blocks/ Discrete 3-phase
PWM Generator
SimPowerSystems/Extra Library/ Discrete Control Blocks/Discrete 3-phase Programmable Source
SimPowerSystems/Power Electronics/ Three-Level Bridge
SimPowerSystems/Extra Library/Three-Phase Library/ Three-phase Linear Transformer 12-terminals
SimPowerSystems/Elements/ 3-Phase Parallel RLC Load
Simulink/ Signal Routing/Bus Creator
SimPowerSystems/Connectots/Bus Bar （thin horiz）
Simulink/ Sinks/Terminator
模块简介：
Terminator
终端设备
Bus Creator
用于将多路信号在同一个示波器界面上显示。
将“Number of inputs”修改为“3”
双击

示波器scope
由于本次试验的模型将会输出大量的脉动波形，这时需要修改示波器参数：双击示波器，然后再单击图标，打开示波器修改参数。单击Data history（数据历史）将Limit data point to last（极限数据点）修改为“500000”下一个实验也是这样修改，将不在重复。

将这些元件按照如下图进行连接：

参数修改：
DiscreteVirtual PLL
参数设置

Discrete 3-phase Programmable
Source参数设置

数学模型图中的两个（Three-Level Bridge）参数设置一样。

Three-Level Bridge
参数设置
Discrete 3-phasePWM Generator
参数设置

RLC并联负载
参数设置参数设置
三相线性12终端变压器
参数设置参数设置

点击示波器Scope可以看到三相正弦波脉宽调制变频电路在三角载波信号和正弦信号作用下的直流输入与交流输出之间的波形。
四. 分析实验结果：
设置仿真时间为：0.1s、采用ode23s (stiff/Mod. Rosenbrock)算法。
我们可以通过双击：Discrete 3-phase PWM Generator(离散三相PWM发生器)修改： Switching ratio：chopping frequency/output frequency项参数观察输出波形的变化。
分析电路的工作原理，并画出电路图。

实验五 晶闸管开环直流调速系统（2学时）
一. 实验目的
1. 熟悉Matlab的仿真集成工具Simulink和电力系统SimPowerSystems的功能和使用方法,锻炼该软件的使用能力，总结使用技巧和方法，提高使用水平；
2. 熟练掌握晶闸管直流调速系统的工作原理
3. 熟练掌握，电动机的启动过程。
5. 熟悉SimPowerSystems的电动机模型的参数调整，灵活运用，举一反三练习。
二. 实验要求
1. 熟悉Matlab的电力系统仿真集成工具SimPowerSystems的使用方法；
2. 独立建立仿真模型；
3. 进行参数设置；
4. 独立完成仿真实验内容。
三. 实验内容及步骤
电机模块简介：
直流电机模块（DC Machine），F+和F-是直流电机励磁绕组的连接端，A+和A-是电机电枢绕组的联结端，TL是电机负载转矩的输入端。m端用于输出电机的内部变量和状态，在该端可以输出电机转速、电枢电流、励磁电流和电磁转矩四项参数。
本次试验采用的直流电动机电枢电阻和电感（Armature resistance and inductance）为[0.21 0.0021]，励磁电阻和电感（Field resistance and inductance）为[146.7 0]，励磁和电枢互感（Field-armature mutual inductance）为0.84，转动惯量（Total inertia）为0.572，粘滞摩擦系数（Viscous friction coefficient）为0.01，库仑摩擦转矩（Coulomb friction torque）为1.9，初始角速度(initial speed)为0.1。
元件封装模块（Subsystem），用来封装一些原件，本次实验中是将同步六脉冲触发器封装在了元件封装模块里面。
新用到的元件提取路径：
SimPowerSystems/ Machines/ DC Machine
SimPowerSystems/Power Electronics/ Universal Bridge
Simulink/Ports & Subsystems/ Subsystem
将这些元件按照如下图形进行连接：

晶闸管直流调速仿真模型

同步六脉冲触发器封装模块内部连接图
参数修改：
阶跃信号参数修改简介：
Step time：跳变时间。
Initial value：最初值（跳变前的输出值）
Final value：最终值（跳变后的输出值）
Sample time：取样时间

直流电动机参数设置 同步六脉冲触发器参数设置
其他参数修改：
励磁电源：220V，
平波电抗器：15mH，
电源电压：分别将ua、ub、uc参数中的Phase （deg）（相位）修改为0、-120、-240。峰值（Peak amplitude）和频率（Frequency）分别改为311、50。
设置仿真时间为：2s、采用ode23s (stiff/Mod. Rosenbrock)算法。
启动仿真：
大家还可以通过修改给定信号的参数改变电动机的转速。
我们将看到在全压直接启动的情况下，启动电流将会很大。在0.25s左右时电流下降为0（空载启动）启动过程结束，这时电动机的转速上升到最高值。在启动0.5s后加上额定负载，电动机的转速下降，电流增减。但是在突加负载的情况下系统将要相当长的时间才能恢复到稳态。这就需要双闭环系统来进行调节。由于实验课时有限这里就不在做双闭环的实验，有兴趣的同学可以参考这方面的书籍。
四. 分析实验结果
分析电路的工作原理，并画出电路图。
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