矿大电气工程课程实训讲义

1、课程实训内容实验一 SPWM和SVPWM调制方法仿真研究1实验二 SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT特性实验6实验三逻辑无环流可逆直流调速系统实验8实验一SPWM和SVPWM调制方法仿真研究1 实验目的（1）学习使用MATLAB软件进行电力电子变流控制系统仿真；（2）理解正弦脉宽调制(SPWM)技术的原理；（3）理解电压空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)的基本原理；2 实验器材计算机；MATLAB仿真软件。3 实验原理（1）正弦波脉宽调制技术（SPWM）原理SPWM是最常用的一种调制方法，SPWM信号是通过用三角载波信号和正弦信号相比较的方法产生，当改变正弦参考信号的幅值时，脉宽随

2、之改变，从而改变了主回路输出电压的大小。当改变正弦参考信号的频率时，输出电压的频率即随之改变。SPWM调制方式的特点是半个周期内脉冲中心线等距、脉冲等幅，调节脉冲的宽度，使各脉冲面积之和与正弦波下的面积成正比例，因此，其调制波形接近于正弦波。在实际运用中对于三相逆变器，是由一个三相正弦波发生器产生三相参考信号，与一个公用的三角载波信号相比较，而产生三相调制波。如图1所示。图1 正弦波脉宽调制法（2）电压空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）原理SPWM常用于变频调速控制系统，经典的SPWM控制主要目的是使变频器的输出电压尽量接近正弦波，并未关注输出的电流波形。而矢量控制的最终目的是得到圆形的旋转磁

3、场，这样就要求变频器输出的电流波形接近正弦波。锁定得到圆形的旋转磁场这一目标，SVPWM控制技术利用逆变器各桥臂开关控制信号的不同组合，使逆变器的输出电压空间矢量的运行轨迹尽可能接近圆形。SVPWM是从电动机的角度出发，着眼于使电机获得幅值恒定的圆形磁场。图2所示为PWM逆变器的拓扑结构以及等效开关模型。逆变器拓扑结构 等效开关模型图2 PWM逆变器电路电压源型逆变器常采用导通型。用分别标记三个桥臂的状态，规定当上桥臂器件导通时桥臂状态为1，下桥臂导通时桥臂状态为0，当3个桥臂的功率开关管变化时，就会得到种开关模式，每种开关模式对应一个电压矢量，矢量的幅值为；有两种开关模式对应的电压矢量幅值为

4、零，称为零矢量。例如：在某一时刻，设V1，V2，V3管处于开通状态，即，设为三相对称负载，各开关管的开通电阻均相等，则逆变器的等效电路为：图3时逆变器的等效电路图这样，很容易就能得到该瞬时时刻的相电压： (1)将其在静止坐标系中表示出来，如图4所示：图4电压矢量图其中，U是合成的电压矢量，在两相静止坐标系（坐标系）下，利用相电压合成电压矢量的表达式：(2)其中，为三相静止坐标系向两相静止坐标系转换的变换系数，变换分为基于等功率的坐标变换和基于等量的坐标变换，这里选择等量的坐标变换，则，式(2)即为：(3)将式(1)的具体数值代入上式，则有：(4)这样就得到了开关状态下的电压矢量，按照同样的方法

5、分析另外7种开关状态，可以分别得到每种开关状态所对应的电压矢量，总结为表1所示。表1 逆变器的不同开关状态对应的空间矢量表相电压矢量表达式矢量标号A相B相C相00000000010100111001011101110000观察上表可知，三相VSR逆变器在不同的开关组合时的交流侧电压可用一个模为的空间电压矢量在复平面上表示出来，这样就会得到8条空间矢量，如图5所示。显然触发电路每给逆变器发一组触发脉冲，就会在逆变器的交流侧得到一个电压矢量。SVPWM控制的最终目标是获得圆形的旋转电压矢量轨迹，在仅靠这8个电压矢量而不采取任何其它办法的情况下，就只能够得到轨迹为正六边形的旋转电压矢量。这与我们所追

6、求的圆形旋转电压矢量相差甚远，必须引入多个中间矢量以逼近圆形的电压矢量轨迹，可以通过6个非零电压矢量和2个零电压矢量来合成我们所需要的中间矢量。虽然在同一时刻不可能存在两种开关状态，即不可能有两个电压矢量存在，但是若逆变器功率管的开关频率比其输出电压的频率高的多（100倍），每个电压矢量作用的时间极短，则就可以用基本的电压矢量来合成中间电压矢量，以逼近圆形的电压矢量轨迹。图5 电压矢量的空间分布与扇区分配4 预习要求（1）学习MATLAB软件中Simulink仿真平台在电力电子仿真领域的使用方法。（2）掌握SPWM调制方式与SVPWM调制方式的原理。5 思考题（1）SVPWM与SPWM相比有何

7、优点？（2）SVPWM调制方式的开关频率的选取对该调制方法有什么影响？6实验内容首先在MATLAB软件中Simulink环境下搭建SPWM模块，然后利用三相逆变器开环控制对SPWM模块进行验证，逆变器输出采用阻感负载。仿真电路逆变器主回路如图6所示。SPWM模块需学生独立搭建。图6基于SPWM的逆变电路系统开环仿真模型在完成SPWM调制方式模块的搭建后，搭建SVPWM模块，然后进行仿真验证。仿真模型如图7所示，SVPWM模块需学生独立搭建。图7 基于SVPWM的逆变电路系统开环仿真模型7实验报告（1）简要说明自己所搭建的调制模块各部分功能；（2）根据仿真结果，给出逆变器交流侧相电压uAN波形；

8、（3）根据仿真结果，给出电阻负载端电压ur波形；（4）根据仿真结果，给出逆变器交流侧相电流i波形以及反映ur与相电流i之间相位关系的波形；8 注意事项要以理解SPWM以及SVPWM两种调制方式的原理为前提，搭建相应的仿真模块。MATLAB所提供的Simulink是基于框图的仿真平台，其不断扩展的、内容丰富的模块库，为电力电子系统的仿真提供了极大便利。仿真过程可能用到的模块的名称如下表2所示。元件模块在的器件库中的位置可根据元件名，通过搜索功能找到。表2 器件说明元件备注直流电压源通过属性设置电压值电阻、电感、电容可根据其属性设置，选择使用电感，或电阻，或电容，或任意串联组合方式。电压表利用示波

9、器观察电气信号的波形，必须经电压表或电流表测量后才能观察，示波器不能直接连接到电气级回路中。电流表三相IGBT整流桥通过其属性设置，选择使用IGBT功率器件并设置其他基本参数SVPWM搭建推荐参考文献：9c.html张健，贾晓霞，牛维等基于SVPWM变频器的Matlab仿真及硬件实现电气传动自动化佘艳基于MATLAB/SIMULINK实现SVPWM算法仿真科教文汇(中旬刊)实验二 SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT特性实验1 实验目的(1)掌握各种电力电子器件的工作特性。(2)掌握各器件对触发信号的要求。2 实验所需挂件及附件序号型号备注1DJK01 电源控制屏该控制屏包含“三相电

10、源输出”等几个模块。2DJK06 给定及实验器件该挂件包含“二极管”等几个模块。3DJK07 新器件特性实验4DJK09 单相调压与可调负载5万用表自备3 实验线路及原理将电力电子器件(包括SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT五种)和负载电阻R串联后接至直流电源的两端，由DJK06上的给定为新器件提供触发电压信号，给定电压从零开始调节，直至器件触发导通，从而可测得在上述过程中器件的V/A特性；图中的电阻R用DJK09 上的可调电阻负载，将两个90的电阻接成串联形式，最大可通过电流为1.3A；直流电压和电流表可从DJK01电源控制屏上获得，五种电力电子器件均在DJK07挂箱上；直流电源

11、从电源控制屏的输出接DJK09上的单相调压器，然后调压器输出接DJK09上整流及滤波电路，从而得到一个输出可以由调压器调节的直流电压源。实验线路的具体接线如下图所示：图3-26 新器件特性实验原理图4 实验内容(1)晶闸管（SCR）特性实验。(2)可关断晶闸管（GTO）特性实验。(3)功率场效应管（MOSFET）特性实验。(4)大功率晶体管（GTR）特性实验。(5)绝缘双极性晶体管（IGBT）特性实验。5 预习要求阅读电力电子技术教材中有关电力电子器件的章节。6 思考题各种器件对触发脉冲要求的异同点？7 实验方法(1)按图3-26接线，首先将晶闸管（SCR）接入主电路，在实验开始时，将DJK0

12、6上的给定电位器RP1沿逆时针旋到底，S1拨到“正给定”侧，S2拨到“给定”侧，单相调压器逆时针调到底，DJK09上的可调电阻调到阻值为最大的位置；打开DJK06的电源开关，按下控制屏上的“启动”按钮，然后缓慢调节调压器，同时监视电压表的读数，当直流电压升到40V时，停止调节单相调压器(在以后的其他实验中，均不用调节)；调节给定电位器RP1，逐步增加给定电压，监视电压表、电流表的读数，当电压表指示接近零（表示管子完全导通），停止调节，记录给定电压Ug调节过程中回路电流Id以及器件的管压降Uv。UgIdUv(2)按下控制屏的“停止”按钮，将晶闸管换成可关断晶闸管（GTO），重复上述步骤，并记录数

13、据。UgIdUv(3)按下控制屏的“停止”按钮，换成功率场效应管（MOSFET），重复上述步骤，并记录数据。UgIdUv(4)按下控制屏的“停止”按钮，换成大功率晶体管（GTR），重复上述步骤，并记录数据。UgIdUv(5)按下控制屏的“停止”按钮，换成绝缘双极性晶体管（IGBT），重复上述步骤，并记录数据。UgIdUv8 实验报告根据得到的数据，绘出各器件的输出特性。9 注意事项(1)可参考实验六的注意事项 (1)。(2)为保证功率器件在实验过程中避免功率击穿，应保证管子的功率损耗(即功率器件的管压降与器件流过的电流乘积)小于8W。(3)为使GTR特性实验更典型，其电流控制在0.4A以下。(

14、4)在本实验中，完成的是关于器件的伏安特性的实验项目，老师可以根据自己的实际需要调整实验项目，如可增加测量器件的导通时间等实验项目。实验三 逻辑无环流可逆直流调速系统实验1 实验目的(1)了解、熟悉逻辑无环流可逆直流调速系统的原理和组成。(2)掌握各控制单元的原理、作用及调试方法。(3)掌握逻辑无环流可逆直流调速系统的调试步骤和方法。(4)了解逻辑无环流可逆直流调速系统的静态特性和动态特性。2 实验所需挂件及附件序号 型号备注1DJK01 电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。2DJK02 晶闸管主电路3DJK02-1三相晶闸管触发电路该挂件包含“触发电路”、“正反桥功放”等几个模

15、块。4DJK04 电机调速控制实验 I该挂件包含“给定”、“调节器I”、“调节器II”、“转速变换”、“反号器”、“电流反馈与过流保护”等几个模块。5DJK04-1电机调速控制实验II该挂件包含“转矩极性检测”、“零电平检测”和“逻辑控制”等几个模块。6DJK08可调电阻、电容箱7DD03-3电机导轨、光码盘测速系统及数显转速表8DJ13-1 直流发电机9DJ15 直流并励电动机10D42三相可调电阻11慢扫描示波器自备12万用表自备3 实验线路及原理在此之前的晶闸管直流调速系统实验，由于晶闸管的单向导电性，用一组晶闸管对电动机供电，只适用于不可逆运行。而在某些场合中，既要求电动机能正转，同时

16、也能反转，并要求在减速时产生制动转矩，加快制动时间。要改变电动机的转向有以下方法，一是改变电动机电枢电流的方向，二是改变励磁电流的方向。由于电枢回路的电感量比励磁回路的要小，使得电枢回路有较小的时间常数。可满足某些设备对频繁起动，快速制动的要求 。本实验的主回路由正桥及反桥反向并联组成，并通过逻辑控制来控制正桥和反桥的工作与关闭，并保证在同一时刻只有一组桥路工作,另一组桥路不工作，这样就没有环流产生。由于没有环流,主回路不需要再设置平衡电抗器，但为了限制整流电压幅值的脉动和尽量使整流电流连续，仍然保留了平波电抗器。该控制系统主要由“速度调节器”、“电流调节器”、“反号器”、“转矩极性鉴别”、“

17、零电平检测”、“逻辑控制”、“转速变换”等环节组成。其系统原理框图如图5-10所示。正向启动时，给定电压Ug为正电压，“逻辑控制”的输出端Ulf为“0”态，Ulr为“1”态，即正桥触发脉冲开通，反桥触发脉冲封锁，主回路“正桥三相全控整流”工作，电机正向运转。当Ug反向，整流装置进入本桥逆变状态，而Ulf、Ulr不变，当主回路电流减小并过零后，Ulf、Ulr输出状态转换，Ulf为“1”态， Ulr为“0”态，即进入它桥制动状态，使电机降速至设定的转速后再切换成反向电动运行;当Ug=0时，则电机停转。反向运行时，Ulf为“1”态，Ulr为“0”态，主电路“反桥三相全控整流”工作。图5-11 逻辑无

18、环流可逆直流调速系统原理图“逻辑控制”的输出取决于电机的运行状态，正向运转，正转制动本桥逆变及反转制动它桥逆变状态，Ulf为“0”态，Ulr为“1”态，保证了正桥工作，反桥封锁；反向运转，反转制动本桥逆变，正转制动它桥逆变阶段，则Ulf为“1”态，Ulr为“0”态，正桥被封锁，反桥触发工作。由于“逻辑控制”的作用，在逻辑无环流可逆系统中保证了任何情况下两整流桥不会同时触发，一组触发工作时，另一组被封锁，因此系统工作过程中既无直流环流也无脉动环流。在本实验中DJK04上的“调节器I”做为“速度调节器”使用，“调节器II”做为“电流调节器”使用；若使用DD03-4不锈钢电机导轨、涡流测功机及光码盘

19、测速系统和D55-4智能电机特性测试及控制系统两者来完成电机加载请详见附录相关内容。4 实验内容(1)控制单元调试。(2)系统调试。3)正反转机械特性n =f(Id)的测定。(4)正反转闭环控制特性n =f(Ug)的测定。(5)系统动态特性的观察。5 预习要求(1)阅读电力拖动自动控制系统教材中有关逻辑无环流可逆调速系统的内容，熟悉系统原理图和逻辑无环流可逆调速系统的工作原理。(2)掌握逻辑控制器的工作原理及其在系统中的作用。6 思考题(1)逻辑无环流可逆调速系统对逻辑控制有何要求?(2)思考逻辑无环流可逆调速系统中“推”环节的组成原理和作用如何?7 实验方法(1)逻辑无环流调速系统调试原则先

20、单元、后系统，即先将单元的参数调好，然后才能组成系统。先开环、后闭环，即先使系统运行在开环状态，然后在确定电流和转速均为负反馈后才可组成闭环系统。先双闭环、后逻辑无环流，即先使正反桥的双闭环正常工作，然后再组成逻辑无环流。先调整稳态精度，后调动态指标。(2)DJK02和DJK02-1上的“触发电路”调试 打开DJK01总电源开关，操作“电源控制屏”上的“三相电网电压指示”开关，观察输入的三相电网电压是否平衡。将DJK01“电源控制屏”上“调速电源选择开关”拨至“直流调速”侧。用10芯的扁平电缆，将DJK02的“三相同步信号输出”端和DJK02-1“三相同步信号输入”端相连,打开DJK02-1电

21、源开关，拨动 “触发脉冲指示”钮子开关，使“窄”的发光管亮。观察A、B、C三相的锯齿波，并调节A、B、C三相锯齿波斜率调节电位器（在各观测孔左侧），使三相锯齿波斜率尽可能一致。将DJK04上的“给定”输出Ug直接与DJK02-1上的移相控制电压Uct相接，将给定开关S2拨到接地位置（即Uct=0），调节DJK02-1上的偏移电压电位器，用双踪示波器观察A相同步电压信号和“双脉冲观察孔” VT1的输出波形，使=150°(注意此处的表示三相晶闸管电路中的移相角，它的0°是从自然换流点开始计算，而单相晶闸管电路的0°移相角表示从同步信号过零点开始计算，两者存在相位差，前

22、者比后者滞后30°)。适当增加给定Ug的正电压输出，观测DJK02-1上“脉冲观察孔”的波形，此时应观测到单窄脉冲和双窄脉冲。用8芯的扁平电缆，将DJK02-1面板上“触发脉冲输出”和“触发脉冲输入”相连，使得触发脉冲加到正反桥功放的输入端。将DJK02-1面板上的Ulf端接地，用20芯的扁平电缆，将DJK02-1的“正、反桥触发脉冲输出”端和DJK02“正、反桥触发脉冲输入”端相连，分别将DJK02正桥和反桥触发脉冲的六个开关拨至“通”，观察正桥VT1VT6和反桥VT1'VT6'的晶闸管的门极和阴极之间的触发脉冲是否正常。(3)控制单元调试 移相控制电压Uct调节范

23、围的确定直接将DJK04“给定”电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，“三相全控整流”输出接电阻负载R，用示波器观察Ud的波形。当给定电压Ug由零调大时，Ud将随给定电压的增大而增大，当Ug超过某一数值时，此时Ud接近为输出最高电压值Ud，一般可确定“三相全控整流”输出允许范围的最大值为Udmax=0.9Ud，调节Ug使得“三相全控整流”输出等于Udmax，此时将对应的Ug的电压值记录下来，Uctmax= Ug，即Ug的允许调节范围为0Uctmax。如果我们把输出限幅定为Uctmax的话，则“三相全控整流”输出范围就被限定，不会工作到极限值状态，保证六个晶闸管可靠工作。记录Ug

24、于下表中：UdUdmax=0.9 UdUctmax=Ug将给定退到零，再按“停止”按钮，结束步骤。调节器的调零将DJK04中“调节器I”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻120K接到“调节器I”的“4”、“5”两端，用导线将“5”、“6”短接，使“调节器I”成为P (比例)调节器。用万用表的毫伏档测量调节器I“7”端的输出，调节面板上的调零电位器RP3，使之输出电压尽可能接近于零。将DJK04中“调节器II”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻13K接到“调节器II”的“8”、“9”两端，用导线将“9”、“10”短接，使“调节器II”成为P（比例）调节器。用万用表的毫伏档测量调节

25、器II的“11”端，调节面板上的调零电位器RP3，使之输出电压尽可能接近于零。调节器正、负限幅值的调整把“调节器I”的“5”、“6”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“5”、“6”两端，使调节器成为PI (比例积分)调节器，将“调节器I”的所有输入端的接地线去掉，将DJK04的给定输出端接到调节器I的“3”端，当加+5V的正给定电压时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为-6V；当调节器输入端加-5V的负给定电压时，调整正限幅电位器RP1，使之输出电压为+6V。把“调节器II”的“9”、“10”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“9”、“10”两端，使调节

26、器成为PI（比例积分）调节器，将“调节器II”的所有输入端的接地线去掉，将DJK04的给定输出端接到调节器II的“4”端。当加+5V的正给定电压时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压尽可能接近于零；当调节器输入端加-5V的负给定电压时，调整正限幅电位器RP1，使调节器的输出正限幅为Uctmax。“转矩极性鉴别”的调试“转矩极性鉴别”的输出有下列要求:电机正转，输出UM为“1”态。电机反转，输出UM为“0”态。将DJK04中的给定输出端接至DJK04-1的“转矩极性鉴别”的输入端，同时在输入端接上万用表以监视输入电压的大小，示波器探头接至“转矩极性鉴别”的输出端，观察其输出高、低电平的变化。“

27、转矩极性鉴别”的输入输出特性应满足图1-27a所示要求，其中Usr1=-0.25V，Usr2=+0.25V。“零电平检测”的调试其输出应有下列要求:主回路电流接近零，输出UI为“1”态。主回路有电流，输出UI为“0”态。其调整方法与“转矩极性鉴别”的调整方法相同，输入输出特性应满足图1-27b所示要求，其中Usr1=0.2V，Usr2=0.6V。“反号器”的调试A、调零（在出厂前反号器已调零，如果零漂比较大的话，用户可自行将挂件打开调零），将反号器输入端“1”接地，用万用表的毫伏档测量“2”端，观察输出是否为零，如果不为零，则调节线路板上的电位器使之为最小值。B、测定输入输出的比例，将反号器输

28、入端“1”接“给定”，调节“给定”输出为5V电压，用万用表测量“2”端，输出是否等于-5V电压，如果两者不等，则通过调节RP1使输出等于负的输入。再调节“给定”电压使输出为-5V电压，观测反号器输出是否为5V。“逻辑控制”的调试测试逻辑功能，列出真值表，真值表应符合下表：输入UM110001UI100100输出UZ（U）000111UF（U）111000调试方法：A、首先将“零电平检测”、“转矩极性鉴别”调节到位，符合其特性曲线。给定接“转矩极性鉴别”的输入端，输出端接“逻辑控制”的Um。“零电平检测”的输出端接“逻辑控制”的UI,输入端接地。B、将给定的RP1、RP2电位器顺时针转到底，将S

29、2打到运行侧。C、将S1打到正给定侧，用万用表测量“逻辑控制”的“3”、“6”和“4”、“7”端，“3”、“6”端输出应为高电平，“4”、“7”端输出应为低电平，此时将DJK04中给定部分S1开关从正给定打到负给定侧，则“3”、“6”端输出从高电平跳变为低电平，“4”、“7”端输出也从低电平跳变为高电平。在跳变的过程中的“5”，此时用示波器观测应出现脉冲信号。D、将“零电平检测”的输入端接高电平，此时将DJK04中给定部分S1开关来回扳动，“逻辑控制”的输出应无变化。转速反馈系数和电流反馈系数的整定直接将给定电压Ug接入DJK02-1上的移相控制电压Uct的输入端，整流桥接电阻负载，测量负载电

30、流和电流反馈电压，调节“电流反馈与过流保护”上的电流反馈电位器RP1，使得负载电流Id=l.3A时，“电流反馈与过流保护”的“2”端电流反馈电压Ufi=6V，这时的电流反馈系数=Ufi/Id= 4.615V/A。直接将“给定”电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，“三相全控整流”电路接直流电动机作负载，测量直流电动机的转速和转速反馈电压值，调节“转速变换”上的转速反馈电位器RP1，使得n =150Orpm时，转速反馈电压Ufn=-6V，这时的转速反馈系数 =Ufn/n =0.004V/(rpm)。(4)系统调试根据图5-11接线，组成逻辑无环流可逆直流调速实验系统，首先将控制电

31、路接成开环（即DJK02-1的移相控制电压Uct由DJK04的“给定”直接提供），要注意的是Ulf,Ulr不可同时接地，因为正桥和反桥首尾相连，加上给定电压时，正桥和反桥的整流电路会同时开始工作，造成两个整流电路直接发生短路，电流迅速增大，要么DJK04上的过流保护报警跳闸，要么烧毁保护晶闸管的保险丝，甚至还有可能会烧坏晶闸管。所以较好的方法是对正桥和反桥分别进行测试：先将DJK02-1的Ulf接地，Ulr悬空，慢慢增加DJK04的“给定”值，使电机开始提速，观测“三相全控整流”的输出电压是否能达到250V左右（注意：这段时间一定要短，以防止电机转速过高导致电刷损坏）；正桥测试好后将DJK02-1的Ulr接地，Ulf悬空，同样慢慢增加DJK04的给定电压值，使电机开始提速，观测整流桥的输出电压