课程设计(综合实验)报告 ( 2010-- 2011 年度第 1 学期) 名 称：电力电子技术课程设计 院 系：电气与电子工程学院 班 级：
电气班 学 号：
学生姓名：
指导教师：
设计周数：
20--21周 成 绩：
日期：2011年 1月 13日 摘要和关键词 摘要：随着电力电子技术的不断发展，可控整流电路在直流电动机控制、可变直流电源、高压直流输电等方面得到广泛应用。本文建立了基于MATLAB软件中simulink中powersystem模块编写的单相半波可控整流电路、单相全控桥式整流电路、三相全控桥式整流电路、升降压斩波、三相桥式SPWM逆变电路的仿真模型，以下给出了仿真实例与仿真结果。验证了模型的正确性，并展现了simulink 仿真具有的快捷、灵活、方便、直观等优点。从而为电力电子电路的教学及设计提供了有效工具。
关键词: 整流电路; 电力电子; MATLAB; simulink；
仿真 目 录 课程设计的任务************************************ 2 前言********************************************** 2 报告正文（几个电力电子电路仿真实例）************** 2 课程设计总结或结论******************************** 21 参考文献***************************************** 22 一、课程设计的任务 （一）建立单相半波可控整流电路仿真模型：
1、对教材P43图2-1、P44图2-2和P46图2-4进行验证（交流电压有效值为220伏）。
2、改变直流侧负载电阻与电感值，观察各波形的变化。
3、改变晶闸管触发角，观察各波形的变化。
（二）建立单相全控桥式整流电路仿真模型：
1、对教材P47图2-5、P48图2-6进行验证（假设三相交流线电压有效值为380伏）。
2、改变直流侧负载电阻与电感值，观察各波形的变化。
3、改变晶闸管触发角，观察各波形的变化。
（三）建立P54图2.17所示的三相全控桥式整流电路仿真模型，假设三相交流线电压有效值为380伏，直流侧负载电阻为1欧姆，电感为20mH。改变交流侧电感（0.001~0.1mH）、晶闸管触发角，观察交流电压、直流电压与交流电流的波形。
（四）建立P106图3.4所示的升降压斩波电路仿真模型，假设，，开关频率。改变占空比，观察电感上电压、电流波形的变化情况。
（五）在P153图6.7所示的三相桥式SPWM逆变电路中，假设，三相负载电阻，负载电感，开关频率。并假设三相负载中含有电源，U相电源电压(50V为峰值，频率为50Hz，相位为，三相互差)。
若每相电流有效值为35A，请确定幅值调制率的取值（定义为正弦波调制信号峰值与三角波载波信号峰值的比值，逆变电路输出相电压有效值）。
若取为0.8，每相电流有效值为35A，则直流侧电压应取何值？ 画出、与的波形。
（六）实现滞环比较方式PWM电流跟踪控制的仿真。
（七）以有源电力滤波系统的总体设计与仿真研究为例，给同学演示并讲解有源电力滤波系统主电路、谐波检测电路、控制策略与补偿特性，进而详细讲解电力电子仿真的若干方面问题。
二、前言 目前电力电子技术发展迅猛，直流开关电源应用广泛。为了实现电源装置的高性能、高效率、 高可靠性，减小体积和重量，必须实现功率器件的软开关，因此，软开关技术得到了广泛的关注。应用计算机仿真来研究电力电子装置，有利于提高研究效率， 降低研发成本。基于MATLAB/ SIMULINK软件的电力电子电路仿真，更有助与初学者学习电力电子，加深对各种电路器件原理的理解。本文介绍了基于MATLAB/ SIMULINK 的几个基本电力电子电路仿真分析。
三、报告正文 1、建立单相半波可控整流电路仿真模型：对教材P43图2-1、P44图2-2和P46图2-4进行验证（交流电压有效值为220伏）。
A、单相半波可控整流电路（电阻负载）：
按照书上43页的图2-1，用simulink进行仿真，电路图如下：
图中Pulse Generation1产生晶闸管的触发脉冲Vg，可通过更改其设置中的Phase delay项的值改变触发角；
示波器Scope1记录了交流电源侧电压U2，触发脉冲Vg，负载电压Ud，晶闸管两端电压Uvt的波形。
当控制触发角α=60̊̊ 时，仿真的波形结果如下：
通过改变Pulse Generation1中Phase delay项的值改变触发角α的值，得：
当α=120̊ 时的仿真结果波形图如下：
当α=180̊ 时的仿真结果波形图如下：
从中可以看出此时晶闸管在整个周期中不导通、Ud=0，所以单相半波可控整流电路的触发角的范围是0到180̊。
B、单相半波可控整流电路（阻感负载）：
把上图中的电阻改成阻感得电路图如下：
设置负载为R=1，L=0.05，当触发角α=30̊ 时的仿真结果波形图如下：
当触发角为α=90̊ 时的仿真结果波形图如下：
更改电阻电感的取值，当R=1，L=0.1时，触发角α=90̊ 时的仿真结果波形图如下：
由仿真波形可知，由于负载主要呈电感，电感有储能作用，当U2过零时，电路中的电流还未减小到0，所以晶闸管继续导通，知道电流过零，Ud会出现负半波部分。
C、单相半波可控整流电路（阻感负载，有续流二极管）：
图中增加了续流二极管VDr，当晶闸管关断后，许留二极管起续流作用，在VDr，负载回路中仍有电流流过，使得负载电流Id为连续电流。
设置负载为R=1，L=0.5，当触发角α=60̊ 时的仿真结果波形图如下：
从图中可以看到Id连续，而晶闸管和续流二极管叠加后就是Id的波形。
改变其负载参数及晶闸管触发角可以得到与书上相同的结果，从而验证电路的正确性及该参数下的导通特性。
2、建立单相全控桥式整流电路仿真模型：对教材P47图2-5、P48图2-6进行验证（假设三相交流线电压有效值为380伏）。
A、单相桥式全控整流电路（带电阻负载）：
仿真主电路图如下：
此电路中Pulse Generator1为VT1和VT4提供触发脉冲，Pulse Generator2为VT2和VT3提供触发脉冲，且之间相差180°。仿真结果如下：
参数设置为R=100，1脉发生器的触发角为45°，2触发器的触发角为225°，仿真波形 1脉发生器的触发角为90°，2触发器的触发角为270°，仿真波形如下：
以上波形结果与书上的完全吻合，验证了该电路的波形特点。
B、单相桥式全控整流电路（带阻感负载）：
仿真主电路图如下：
参数设置R=1，L=0.05，当负载为阻感负载时，由于电感的储能作用，当电压过零时，电流还未过零，晶闸管继续导通，此时得到的负载电流Id为连续的，且为对桥的晶闸管电流Ivt的叠加。
1脉发生器的触发角为45°2触发器的触发角为225°仿真波形如下图：
改变电感参数与晶闸管的触发角可得到类似的波形，与书上的波形完全吻合，从而验证了单相桥的工作原理及其波形特点。
3、建立P54图2.17所示的三相全控桥式整流电路仿真模型，假设三相交流线电压有效值为380伏，直流侧负载电阻为1欧姆，电感为20mH。改变交流侧电感（0.001~0.1mH）、晶闸管触发角，观察交流电压、直流电压与交流电流的波形。
器仿真主电路图如下：
此电路中的六个晶闸管从VT1到VT6每个晶闸管的触发脉冲都相差60°，一个周期360°中，分成六个阶段，每个阶段60°有上、下桥中各一只晶闸管导通，直流侧负载设置R=1，L=20e-3，当VT1晶闸管的触发角为30°时，仿真波形如下：
触发脉冲波形为：
仿真结果为：
当设置VT1晶闸管的触发角为60°时，仿真波形如下所示：
从仿真波形可以看出输出整流电路Ud为两个相电压相减的结果，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压Ud波形为线电压在正半周期的包络线。而在阻感负载中，由于电感的储能作用，负载侧电流Id为连续的直线输出。
需要注意的问题是：为确保电路的正常工作，需要保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲，为此可采用两种方法：1、使脉冲宽度大于60°，称为宽脉冲触发；
2、在触发某个晶闸管的同时，给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲，即双脉冲触发。本例中我把6个触发脉冲器的占空比设置为20%。
通过仿真的波形结果可知与书上的波形图完全吻合，反映出了该种电路的波形特点。
4、建立P106图3.4所示的升降压斩波电路仿真模型，假设，，开关频率。改变占空比，观察电感上电压、电流波形的变化情况。
该电路的仿真电路图如下：
如图设置直流电压为E=15V，电感L=0.05e-3，GTO的开关频率为20KHz，则应把图中的pulse Generator中的参数周期设为5e-5。
当占空比设为30%的仿真结果波形图如下：
当占空比设为60%的仿真结果波形图如下：
把占空比改为80%时的仿真波形如下：
由仿真结果可以看出：电感上的电压电流波形的变化情况：随着占空比的增大UL的波形从正半波的占空比慢慢变大但正值也减小，负半波占空比减小但是值变大；
而电感电流IL的值随着占空比的增大而增大，且始终为连续平稳直流波。
5、在P153图6.7所示的三相桥式SPWM逆变电路中，假设，三相负载电阻，负载电感，开关频率。并假设三相负载中含有电源，U相电源电压(50V为峰值，频率为50Hz，相位为，三相互差)。
若每相电流有效值为35A，请确定幅值调制率的取值（定义为正弦波调制信号峰值与三角波载波信号峰值的比值，逆变电路输出相电压有效值）。
若取为0.8，每相电流有效值为35A，则直流侧电压应取何值？画出、与的波形。
仿真主电路图如下：
图中的触发脉冲采用软件自带的PWM Pulse Generator，按照题目的要求设置参数如下图：
载波频率即开关频率设置为1000HZ，调制比m为0.8，输出电压频率为50HZ。
仿真结果波形如下图：
仿真结果和理论结果完全符合。
若取为0.8，每相电流有效值为35A，则直流侧电压应取值计算结果如下：
四、课程设计总结或结论 这次课程设计历时二个星期多左右，通过这两个星期的学习，发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。课程设计是培养学生综合运用所学知识发现、提出、分析和解决实际问题锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。随着科学技术发展的日新日异，电子技术已经成为当今世界空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握电子的开发技术是十分重要的。而仿真软件matlab中的simulink模块中的simpowersystem是专门针对电力系统而设置的专业仿真模块，通过该软件搭建的仿真电路，观察波形输出，初学者可以学到不少东西，由于现实器件的限制，模拟仿真就给我们提供了一个准确理解学习理论的良好途径。
回顾此次电力电子技术课程设计，至今我们仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整一星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，比如有时候被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我们总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。自己看起来多完美的设计在实践下就漏洞百出了。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，也知道自己的很多不足之处，知道自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。以前认为学了没用的课程现在也用到了。比如《电工基础》、《电力电子器件》、《开关电源技术》等课程，看起来不是很有用的东西现在去都集中在一块儿了。
所谓“态度决定一切”，于是偶然又必然地收获了诸多，概而言之，大约以下几点：
温故而知新。课程设计开始的时候思绪全无，举步维艰，对于理论知识学习不够扎实的我们深感“书到用时方恨少”，于是想起圣人之言“温故而知新”，便重拾教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。
思路即出路。当初没有思路，诚如举步维艰，茫茫大地，不见道路。在对理论知识梳理掌握之后，茅塞顿开 实践出真知。到今天，课程设计基本告成，才切身领悟“实践是检验真理的唯一标准”学海无涯，学无止境。尽管课程设计是在本学期开始，我们的教材学习完毕，掌握许多知识，但是还有很多地方理解领悟不到位，由于SPWM控制信号的产生比较复杂，我们查阅很多资料，尝试过用不同方法设计产生，电路接线虽很复杂，但其能实现的功能很强大，以后还需进一步学习运用。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的悉心指导和与同学的讨论，努力思索下终于迎刃而解。同时从中发现了还有很多工具及理论还未掌握，在以后的学习生活中更应加深对这方面内容的理解与学习。这次课程设计还培养了我们严谨科学的思维，通过它架起理论与实践桥梁。
与传统授课方式相比， 通过利用Simulink仿真软件，只要对模块的参数作相应的修改，不需再重新构建仿真模型，便可得到各输出量对应不同条件下（如负载不同、控制角不同）的波形，使教学更具有实时性、直观性，也一改传统教学中出现的静止不变的电压和电流波形，使学生可以观测到动态的电压、电流波形，有助于理论知识的理解， 更好的掌握课程 所授内容，激发学习兴趣。通过实际应用，证明此新型的教学方式可以充分调动学生的主观能动性，提高教学质量，值得推广和借鉴。
五、参考文献 1 王兆安、黄俊.主编 《电力电子技术（第4版）》. 北京：机械工业出版社，2002 2 张一工、肖湘宁.主编 《现代电力电子技术原理与应用》. 北京：科学出版社，1999 3 李传琦. 主编 《电力电子技术计算机仿真实验》. 北京：电子工业出版社，2006 4 周渊深. 主编 《电力电子技术与MATLAB仿真》. 北京：中国电力出版社，2005
