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1 电力电子仿真实验指导书电力系王鲁杨 2004 年

2 目录实验 1 学习使用 ORCAD PSPICE 实验 2 单相半波可控整流电路的仿真...4 实验 3 单相桥式可控整流电路的仿真...6 实验 4 三相半波可控整流电路的仿真...7 实验 5 三相桥式可控整流电路的仿真...8 实验 6 直流斩波电路的仿真...9 实验 7 交流调压电路的仿真...10 实验 8 PWM 控制单相逆变电路的仿真...11 实验 9 变频电路的仿真

3 实验 1 学习使用 ORCAD PSPICE 学习如何调出 OrCAD Capture 9.2 版程序的窗口画面 2. 学习如何使用 Capture 的绘图页编辑程序来绘制一张简单的电路图, 其中包括打开一张全新的绘图页 ( 项目 ) 放置元件在元件间连线编辑元件属性存档及打印等等工作熟悉绘制电路图所需要的操作过程 3. 学习使用暂态分析的设置及在时域上观测各电量波形 ; 学习使用傅立叶分析的设置, 熟练使用 Probe 观测仿真结果 3

4 实验 2 单相半波可控整流电路的仿真在大功率的电力电子电路中广泛采用可控整流电路对输出电压进行控制和调整, 以满足各种功率较大的用电器对电源的要求可控整流电路最常用的控制器件是晶闸管, 因为晶闸管性能可靠价格低廉控制电路简单电路进行计算机仿真时可分为以下三个步骤在 Capture 的绘图页中绘制如下图所示的单相半波可控整流电路图半波可控整流电路图中 V1 为 220V,50Hz 的正弦交流电源,S1 为晶闸管,V2 为晶闸管的触发脉冲信号源触发脉冲的幅度为 -lov( 对门阴极间而言是 +lov), 脉冲宽度为 0.lms, 上升下降时间均为 1us, 周期等于输入电源 Vl 的周期 (20ms) 作图时,V1 取自元件库 SOURCE.slb; 晶闸管 S1 和脉冲信号源 V2 分别取自元件库 EVAL.slb 中的 2N1595 和 SOURCE.slb 中的 VPULSE 存档 2. 设置仿真参数电路画好后, 用鼠标点选设置仿真参数 (Sets up the simulation analyses for active schematic) 图标这时出现了交流分析直流分析瞬态分析等 10 个选项对该电路我们主要希望看各点电压波形, 所以应选择瞬态分析 (Transient) 屏幕出现对话框, 在框中打印步长 (Print step) 项可填 0.1ms, 这一时间表示计算机在绘制曲线时, 曲线中相邻两点间的时间间隔. 这一间隔太大, 曲线可能不够平滑, 间隔太小, 计算机运算时间就会增大. 终止时间 (Final time) 可填 1000ms, 表示曲线的时间范围从 ms 3. 仿真及分析结果仿真参数设置好后, 点选仿真当前电路 (Simulatestheactiveschematic) 图标, 计算机开始按照所设定的参数对电路进行仿真运算由于电路比较简单, 所设置的瞬态分析时间也较短 (1000ms), 所以几秒钟即可得到仿真的结果运算结束后,PSPICE 程序自动转到图形输出 (probe) 这时的屏幕就好像是一个示波器的荧光屏可以显示我们要观察的各点电压电流波形此时点选显示变量图标 (Add trace(s)to theselectedplot), 出现了几十个电压电流变量供选择这里我们选择晶闸管两端电压负载两端电压负载电流等 4. 设置傅立叶分析参数, 观察输出电压的频谱由于负载中含电感元件, 当可控硅截止的瞬间, 输出电流突变为零, 电感上产生很大的 4

5 反电动势, 所以输出电压波形中有幅度很大的尖刺脉冲出现正因为如此, 输出电压的频谱中含有较丰富的高次谐波频谱中的直流分量基波和 2 次谐波分量的幅度利用游标测出分别为 57.8V,132.4V 和 98.9V 频谱中的直流分量也就是该电路输出直流电压的平均值 5. 改变控制角只要控制触发脉冲到来的时刻, 就可控制可控硅的导通时间的长短, 从而控制输出直流电压的平均值取控制角分别为 30 60, 请自行计算触发脉冲的各项参数, 并进行设置 6. 打印输出, 完成实验报告实验报告内容包括 : 实验名称班级姓名学号仿真电路图实验原理简述触发脉冲的各项参数时域仿真波形频域仿真波形 ; 各种情况分析 5

6 实验 3 单相桥式可控整流电路的仿真在 Capture 的绘图页中绘制如下图所示的单相桥式可控整流电路图单相桥式可控整流电路图中 vi 为输入交流电源 S1,S2 为晶闸管, 其门阴极间接脉冲电源 V2,V3, 用来触发晶闸管在适当的时候导通 V2, V3 脉冲的幅度为 -lov( 对门阴极间而言是 +lov), 脉宽为 100us, 上升下降时间均为 1us, 周期等于输人电源 Vl 的周期 (20ms). 两个脉冲源不同之处是 :V2 的延迟时间是 3ms, 而 V3 的延迟时间是 13ms, 以便使两晶闸管在正负半周的适当时刻导通负载含有电感 L, 所以并联一个续流二极管 D3, 消除其反电动势 6

7 实验 4 三相半波可控整流电路的仿真在 Capture 的绘图页中绘制如下图所示的三相半波可控整流电路图三相半波可控整流电路 Va Vb Vc 为三相交流电源, 相位依次相差 120,S1~S3 为晶闸管, 分别由脉冲源 Vp1 ~Vp3 提供触发信号. 触发信号的幅度设为 10V, 触发角设定为 60, 请计算各触发脉冲的延迟时间 7

8 实验 5 三相桥式可控整流电路的仿真在 Capture 的绘图页中绘制如下图所示的三相桥式可控整流电路图三相桥式可控整流电路在电源电压相同的情况下, 为获得更高更平滑的直流输出电压, 可采用桥式可控整流电路, 与三相半波整流电路相比, 这里多用了 3 只二极管设可控硅的触发角为 60 8

9 实验 6 直流斩波电路的仿真在 Capture 的绘图页中绘制如下图所示的降压式直流斩波电路图降压式 DC-DC 变换器图中 Vi 为输入直流电源 M1 为场效应管, 工作于开关状态, 其栅极通过限流电阻 R1 接脉冲信号源 VS D1 为续流二极管, 当场效应管 M1 截止时,Dl 导通, 给滤波电感 L1 中的电流提供通路 L1 与 C1 构成滤波器, 将 V1 点的脉冲电压变为较平滑的直流电压输出给负载 RL 在 ANALOG.slb 库中取电阻 R, 电容 C, 电感 L, 二极管 DIN914 在 EVAL.slb 库中取场效应管 IRF150. 在 SOURCE.slb 库中取直流电源 VDC 脉冲源 VPULSE 这些元件取出后,PSPICE 会自动在元件符号旁注出元件名 RI, R2, C1, L1,D1,M1,V1,V2 等若这些元件名不合使用者的需要, 可以重新命名对于电阻电容电感元件,PSPICE 会给出一个内定值 ( 分别为 1kΩ,1nF 和 l0uh), 使用者也可以根据电路的需要任意设立为其他值图中输入直流电源 Vi 设为 10V, 脉冲信号源 VS 幅度 V2=5, 上升时间 TR=0.01us, 下降时间 TF=0.01us, 脉冲宽度 PW=7us, 周期 PER = 20us( 在 PSPICE 中用 u 代替 μ) 9

10 实验 7 交流调压电路的仿真在 Capture 的绘图页中绘制如下图所示的单相交流调压电路图单相交流调压电路单相交流电压变换电路是交流 - 交流变换电路的一种, 它能根据需要改变输出交流电压的大小在输入电源 V1 的正半周, 电流经二极管 D1 可控硅 S1 二极管 D4 流向负载 RL; 在 V1 的负半周, 电流经负载,D2, S1, D3 流回电源 V1 因此在负载 RL 上流过的是交流电流, 并在 RL 两端形成交流电压控制晶闸管 S1 的触发角, 即可控制输出交流电压的大小现设晶闸管的触发脉冲信号源 VP 的参数为 : 初始电压 V1=0, 脉冲幅度 V2=10V, 延迟时间 td=3.33ms( 触发角为 50 ), 上升时间 tr=1us, 下降时间 tf= lus, 脉宽 tpw= 0.2ms, 脉冲周期 per= loms 输入正弦交流电设为 220V( 有效值 ) 50Hz 10

11 实验 8 PWM 控制单相逆变电路的仿真在 Capture 的绘图页中绘制如下图所示的 PWM 控制单相逆变电路图 PWM 控制单相逆变电路 11

12 脉冲宽度调制 (PWM) 是电能转换电路中常用的一种控制技术脉宽调制器的输出端为一系列的矩形脉冲, 输出脉冲的宽度受输入指令电压的控制用这种控制技术可以使逆变器的输出为一系列的正负脉冲脉冲宽度由指令电压进行控制当脉冲宽度增加时, 输出电压就增加, 反之, 则输出电压减小这就使得输出交流电压的大小可以调节 ( 频率保持不变 ) 图中压控开关 S1~S4 为逆变器主电路中的四个开关元件当 Sl, S4 导通时, 电源的电流经 S1 流入负载电阻 RL, 再经 S4 回到电源负端, 形成负载电流的正半周当 S2, S3 导通时, 电源电流经 S3 流向负载 RL, 再经 S2 回到电源负端, 形成负载电流的负半周因此, S1,S4 和 S2, S3 轮流导通, 在 RL 中产生正负交替的电流, 完成逆变电路中的压控电压源 E1,E2 及周围元件构成两个脉宽调制器, 分别给 S2, S3 和 S1, S4 提供控制脉冲脉宽调制器 E1 有两个输入信号 VR1 和 VC 指令电压 VRl 是负矩形脉冲, 幅度为 -4V, 频率为 50Hz. 参考电压 VC 是频率为 500Hz 的三角波电压这两个电压叠加后送到压控电压源 E1 的控制端, 用其输出电压去控制压控开关 S2 和 S3, 得到负载电压 V(a,b) 的负半周它由 5 个负脉冲组成, 脉冲宽度为 0.8ms 另一个脉宽调制器 E2 的电路与 E1 相同, 但指令电压 VR2 在相位上比 VR1 延迟 l0ms. 它的输出用来控制压控开关 S1 和 S4, 形成负载电压 V(a, b) 的正半周 ( 由 5 个正脉冲组成 ), 脉冲宽度也是 0.8ms 如果改变指令电压 VRl, VR2 的幅度为 -8V, 则瞬态分析结果改变此时脉宽调制器输出电压 V(Vol) 中正半周三角波的直流分量增大, 使压控开关 S2, S3 导通时间增大, 因而输出负载电压 V(a,b) 负半周的 5 个脉冲的脉宽增大到 1.6ms 其负半周平均值也将增大正半周的 5 个脉冲受 VR2 的调制也发生同样的变化由此可见,PWM 控制逆变电路是通过改变指令电压使脉冲宽度改变而间接地改变电路中的压控开关 S1~S4 和压控电压源 E1,E2 分别在 PSPICE 的元件库 BreakOUt.slb 和 Analog.slb 中 E1, E2 的增益设为在这里压控电压源实际上相当于一个运算放大器, 由它组成的脉宽调制器实际上是一个反相输人的负反馈放大器 12

13 实验 9 变频电路的仿真在 Capture 的绘图页中绘制如下图所示的单相交流变频电路图单相交流变频电路频率变换是交流一交流变换的重要内容, 因为它可用来对交流电动机进行变频调速上图是由两组反并联的晶闸管整流电路构成的单相交流变频电路当晶闸管 S1 导通时, 交流电源 VIl 通过晶闸管 S1 给负载 RL 供电, 形成输出电压的正半周 ; 当晶闸管 S2 导通时, 交流电源 VI2 通过 S2 给负载供电, 形成输出电压的负半周只要控制晶闸管 S1,S2 导通时间的长短, 即可控制输出交流电压的周期, 也就控制了输出交流电压的频率设可控硅的触发脉冲源 VC1,VC2 的脉冲幅度为 5V, 脉冲持续时间为 79ms, 脉冲周期为 160ms 改变可控硅控制脉冲 VC1,VC2 的频率, 就可以改变输出电压的频率这种电路的输出电压频率只能低于 ( 或等于 ) 输人电源的频率, 因此常用于大功率低转速的交流调速装置如卷扬机轧钢机等设备中若在负载电阻 RL 两端并联一个 5mF 的电容, 则输出电压波形变为较平滑的连续的正负半周波形 13

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B 直流稳压电源第 4 章 4.1 整流电路及其应用学习目标 1. 熟悉单相整流电路的组成, 了解整流电路的工作原理. 掌握单相整流电路的输出电压和电流的计算方法, 并能通过示波器观察整流电路输出电压的波形 3. 能从实际电路中识读整流电路, 通过估算, 能合理选用整流元器件 4.1.1 认识整流电路 1. 图解单相半波整流电路 ( 图 4-1-1) 电路名称电路原理图波形图 4-1-1. 图解单相全波整流电路