Saber實驗報告

1、清 華 大 學(xué)學(xué) 生 實 驗 報 告實驗課程名稱 開課實驗室 學(xué) 院 年級 專業(yè)班 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號 聯(lián)系電話 作業(yè)1要求：（1）完成電阻電感負載下單相橋式整流電路的設(shè)計，其中電源電壓是頻率為50Hz、幅值為310V、初相角為0的正弦周期電壓源，負載電阻為2，負載電感為6.5mH。模擬觸發(fā)角為00、300、600時的工作過程，并分析整流的特點和工作過程。（2）將負載電感修改為20mH后模擬觸發(fā)角為00、300 、600的工作過程，并分析負載電感對單相橋式整流電路特性的影響。分析負載電感對輸出直流電壓的影響，并提出消除這種影響的方法。（3）將電源電壓的phase屬性值修改為10后模擬觸發(fā)角

2、為300的情況，這時應(yīng)該修改元件的那些屬性值才能夠得到正確的結(jié)果。你是怎樣判斷得到結(jié)果的正確性。（4）在負載中增加一100V的直流反電動勢負載(電感保持為6.5mH)，分析負載電流的特性。作觸發(fā)角為00，300時的仿真分析。實驗一1. 第（1）問的仿真與分析單相橋式整流電路仿真電路見下圖1，其中電源電壓是頻率為50Hz、幅值為310V、初相角為0的正弦周期電壓源，負載電阻為2，負載電感為6.5mH。Clock1與clock2的延時角始終相差半個周期，即10m秒。圖 1單相橋式整流電路觸發(fā)角為0度時的仿真波形如下圖2。從上到下的波形分別為控制信號、輸入單相電壓、晶閘管VT1正向壓降、輸出電壓波形

3、、輸出電流波形，這5種信息。圖 2 觸發(fā)角a=0度的波形分析：（1）觸發(fā)角為0度時，整流相當(dāng)于對電壓波的值取絕對值，即效果單相橋式二極管整流效果一致，如圖中的Vout。晶閘管承受反向電壓，即輸入電壓的負半軸，如圖中第三行的波形。負載電流為非理想的正弦波，其相角滯后于電壓相角，這正是由于負載為感性負載所致。Clock1與clock2正好相差10m秒。（2）四個晶閘管每次有兩個開通，有兩個關(guān)閉，同一半橋的晶閘管的開關(guān)狀態(tài)是互補的，對角的兩個晶閘管同時導(dǎo)通同時關(guān)閉。觸發(fā)角為30度時的仿真波形如下圖3。從上到下的波形分別為控制信號、輸入單相電壓、晶閘管VT1正向壓降、輸出電壓波形、輸出電流波形，這5種

4、信息。圖 3 觸發(fā)角為30度的波形分析：（1） 觸發(fā)角為30度時，整流整流出的波形有變化，并且有小于0的電壓出現(xiàn)，如圖中的Vout。（2） 晶閘管承受反向電壓，仍為輸入電壓波形，如圖中第三行的波形，在導(dǎo)通時的電壓為0。（3） 負載電流為非理想的正弦波，其相角滯后于電壓相角，但電流時鐘大于0，并且連續(xù)，這正是由于負載為感性負載所致。（4） 出現(xiàn)輸出電壓為負值的原因是電感負載續(xù)流的作用，此時導(dǎo)通的晶閘管仍承受正向電壓的作用，流過正向電流。從上圖的輸出電壓Vout和晶閘管VT1的正向壓降可以看出在Vout為負值是，仍導(dǎo)通。觸發(fā)角為60度時的仿真波形如下圖4。從上到下的波形分別為控制信號、輸入單相電壓

5、、晶閘管VT1正向壓降、輸出電壓波形、輸出電流波形，這5種信息。圖 4 觸發(fā)角為60度的波形分析：（1）觸發(fā)角為60度時，整流整流出的波形變得非常異常，有脈沖電壓輸出，并且有小于0的電壓出現(xiàn)，如圖中的Vout。（2）晶閘管承受反向電壓，不為輸入電壓波形，如圖中第三行的波形，和輸出電壓的波形很有關(guān)系，出現(xiàn)在同一時刻出現(xiàn)過電壓。（3）仿真所得結(jié)果負載電流為脈動波，斷續(xù)的，同時比較輸出電壓和輸出電流可以發(fā)現(xiàn)在每一時刻時鐘乘積為零，即沒有功率輸出。（4）上述情況為非正常工作狀態(tài)，可能是由于負載與晶閘管的不匹配，或仿真的解不真實。2. 第（2）問的仿真與分析將電感值修改為20mH，其他電路參數(shù)不變，同樣

6、可以得到上述不同觸發(fā)角的波形。觸發(fā)角為0度時的仿真波形如下圖5。從上到下的波形分別為控制信號、輸入單相電壓、晶閘管VT1正向壓降、輸出電壓波形、輸出電流波形，這5種信息。圖 5 電感改為20mH，觸發(fā)角為0度的波形分析：（1） 電感的值增大到20mH時，可以看出輸出的電壓波形Vout比在電感為6.5mH時直流成分更好了，紋波減小了很多。（2） 電壓波形和晶閘管承受反向電壓基本無變化。觸發(fā)角為30度時的仿真波形如下圖6。從上到下的波形分別為控制信號、輸入單相電壓、晶閘管VT1正向壓降、輸出電壓波形、輸出電流波形，這5種信息。圖 6電感改為20mH，觸發(fā)角為30度的波形分析：（1） 電感電感的值增

7、大到20mH時，可以看出輸出的電壓波形Vout比在電感為6.5mH時直流成分更好了，紋波減小了很多。（2） 輸出負載電流滯后與電壓的角度更大了，其他波形并無變化。觸發(fā)角為60度時的仿真波形如下圖7。從上到下的波形分別為控制信號、輸入單相電壓、晶閘管VT1正向壓降、輸出電壓波形、輸出電流波形，這5種信息。圖 7電感改為20mH，觸發(fā)角為60度的波形分析：（1） 電感的值增大到20mH時，可以看出輸出的電壓波形Vout比在電感為6.5mH時直流成分更好了，紋波減小了很多。（2） 輸出電壓比較正常，輸出負載電流為連續(xù)的，這正是由于負載電感增大的作用。綜述：負載電感對直流輸出電壓有較大的影響，比較大的

8、電感會使得負載的電流紋波較小，而且會使負載電流的連續(xù)性好。電感較小可能會出現(xiàn)負載斷續(xù)的情況。消除這種情況的措施是在在輸出端反并聯(lián)一個二極管，起到續(xù)流的作用，供給負載儲能元件以回路。3. 第（3）問的仿真與分析將輸入相電壓初相為10度，則當(dāng)需要觸發(fā)角為30度時，脈沖將為延遲（30-10）=20度，即10m/9。需要修改的參數(shù)如下圖，將clock1的延時改為10m/9，clock2的延時改為10m+10m/9。即可仿真得到題目所需要。 仿真可以得到電壓源初相為10度，觸發(fā)角為30度時的波形，如下圖8。圖 8 電壓源初相10度，觸發(fā)角為30度時的波形為了能驗證仿真結(jié)果的正確性，我們可以將其波形放大后

9、觀察，如下圖9。圖 9電壓源初相10度，觸發(fā)角為30度時局部放大的波形可以看出在20m處，輸入正弦電壓沒有與0軸相交，即確實是移相了，另外也可以從時鐘信號clock1和clock2看出。此外，我們可以把此結(jié)果與前面的30度觸發(fā)角的情況做對比，即圖8與圖3做對比，可以看出。所以仿真結(jié)果是正確的。4. 第（3）問直流100V反電動勢負載后的情況在電路原理圖負載中串聯(lián)一個100V反電動勢，直流電壓源，電阻為2歐，電感為6.5mH。觸發(fā)角為0度時的仿真波形如下圖10。從上到下的波形分別為控制信號、輸入單相電壓、晶閘管VT1正向壓降、輸出電壓波形、輸出電流波形，這5種信息。圖 10 觸發(fā)角為0度，接反電

10、動勢負載時的波形觸發(fā)角為30度時的波形圖 11 觸發(fā)角為30度，接反電動勢負載時的波形分析：觸發(fā)角為0度時，負載電流是連續(xù)的；觸發(fā)角為30度時，負載電流是斷續(xù)的。輸出的電流對輸出電壓有一定的相移。做比較在負載為純電阻負載與反電動勢負載串聯(lián)時的波形：圖 12觸發(fā)角為30度，接反電動勢加純電阻負載時的波形上圖用于比較驗證帶反電動勢負載時的仿真的正確性，可以從上圖看出，輸出電壓要大于100V，和理論的一樣，能夠反應(yīng)此電路模型正確。作業(yè)2任務(wù)：（1） 完成三相半波共陰極整流電路的設(shè)計，輸入電壓源為的幅值為310V，頻率為50Hz，負載為阻感負載，電感值為50mH，電阻值為10。（2） 仿真分析觸發(fā)角為

11、300、600時電路的特性和工作過程。（3） 將負載電感的值修改為5mH和1H，對觸發(fā)角為600的工作過程作仿真分析，并分析負載電感對電路特性的影響。 實驗二1. 第（1）問電路設(shè)計即仿真電壓源為的幅值為310V，頻率為50Hz.負載為阻感負載，電感值為50mH，電阻值為10，三相電壓的相位差為120度，利用Saber模版對clock的觸發(fā)角進行調(diào)節(jié)。電路圖如下圖圖 13 三相半波共陰極整流電路2. 第（2）問電路特性即工作過程觸發(fā)角為0度時的仿真波形如下圖14。從上到下的波形分別為控制信號、輸入三相電壓、晶閘管VT1正向壓降、輸出電壓波形、輸出電流波形，這5種信息。圖 14 觸發(fā)角為0度時的

12、波形觸發(fā)角為30度時的仿真波形如下圖15。從上到下的波形分別為控制信號、輸入三相電壓、晶閘管VT1正向壓降、輸出電壓波形、輸出電流波形，這5種信息。圖 15 觸發(fā)角為30度時的波形分析：觸發(fā)角為30度時，輸出電壓波正處于臨界連續(xù)狀態(tài)，負載上的電流波動教觸發(fā)角為0度時的要大，可以從圖15與圖14中比較的出。其晶閘管的反向壓降為線電壓，最大反向電壓為310*1.732=537V。觸發(fā)角為60度時的仿真波形如下圖16。從上到下的波形分別為控制信號、輸入三相電壓、晶閘管VT1正向壓降、輸出電壓波形、輸出電流波形，這5種信息。圖 16 觸發(fā)角為60度時的波形分析：觸發(fā)角為60度時，輸出電壓波形有負值，由

13、于負載是感性負載，有儲能元件，能夠起到續(xù)流作用。負載電流的紋波比30度觸發(fā)角有所增大。導(dǎo)通順序分析：從下圖17可以看出，晶閘管的導(dǎo)通順序為VT1->VT2->VT三個晶閘管依次輪流導(dǎo)通120度，其余時間晶閘管承受方向的線電壓，在圖中的導(dǎo)通標(biāo)志是晶閘管承受的正向電壓為0的線段。圖 17 三個晶閘管的導(dǎo)通順序的波形反應(yīng)晶閘管承受的反向電壓分析：以晶閘管VT1為例，見下圖18，此圖為觸發(fā)角為30度時的晶閘管兩端的電壓。圖 18 晶閘管VT1兩端承受的電壓波形在VT1導(dǎo)通時近似承受0壓降，在120度導(dǎo)通后，突然會有一個反向電壓施加在VT1上，這個電壓是由于VT2的導(dǎo)通使VT1關(guān)斷，承受反向

14、電壓（v-u）。此電壓作用120度后，由于VT3的導(dǎo)通，使VT2關(guān)斷，此時VT1承受的反向電壓為（w-u），以導(dǎo)致在圖中有電壓突變的過程。3. 第（3）問修改負載電感后的影響5mH的工作，見下圖19。圖 19 修改電感為5mH時的工作波形1H的工作，見下圖20。圖 20 修改電感為1H時的工作波形分析：通過比較電感值為5mH，50mH，1H時的工作波形，可以看出（1）5mH是輸出電壓波形是斷續(xù)的，導(dǎo)致輸出電流也是斷續(xù)的。而50mH和1H時為連續(xù)。可以說明電感值越大，續(xù)流作用越好，導(dǎo)致輸出電流的直流成分越好。（2）可以工作輸出電流的波形可以看出，電感值越小，動態(tài)響應(yīng)越快，電感值越大，響應(yīng)越緩慢，

15、例如1H時達到穩(wěn)態(tài)工作需要0.28秒，可從圖20最后一項的電流波形看出。（3）電感越大，輸出電流的紋波越小，特別是1H時的波形反應(yīng)了幾乎成了直流。（4）電感的值會影響晶閘管的導(dǎo)通，電感值太小，導(dǎo)通角完全可能小于180度，例如5mH的波形。作業(yè)3任務(wù)要求：（1）完成三相橋式半控整流電路的設(shè)計，負載為阻感負載，電阻為10，電感為6.5mH，輸入電源電壓為310V，頻率50Hz，選擇Y型連接，中性點接地。（2）分析觸發(fā)角為300、600時三相橋式半控整流電路的工作過程，如果增加續(xù)流支路，再次分析觸發(fā)角為300、600時三相半控整流電路的工作過程。三相半控橋式電路的直流側(cè)增加一個320V直流電源。這時

16、電路能否工作在逆變模式，如能，請作出相應(yīng)的仿真波形，并說明電路工作在逆變狀態(tài)；如不能，請說明原因。（3）將三相半控電路改為全控橋式電路，交流側(cè)的輸入電源不變，直流側(cè)的電阻、電感和電源保持不變。這個電路是否能夠工作在逆變狀態(tài)，如能，請作出相應(yīng)的仿真波形，并說明電路確實工作在逆變狀態(tài)；如不能，請說明原因，并進行相應(yīng)的修改后再完成逆變電路的仿真。實驗三1. 第（1）問的電路設(shè)計和仿真 三相半控橋式電路，阻感負載，電阻為10，電感為6.5mH，輸入電源電壓為310V。圖 21 三相橋式半控整流電路2.三相半控橋式整流電路分析觸發(fā)角為30度時，仿真的波形。從上至下分別為控制信號，三相電壓，輸出電壓，輸出

17、電流。圖 22 觸發(fā)角為30度的波形觸發(fā)角為60度時，仿真的波形見下圖23. 從上至下分別為控制信號，三相電壓，輸出電壓，輸出電流。圖 23觸發(fā)角為60度的波形分析：三相半控橋式整流電路輸出的波形與全控的有相似之處，但是從30度觸發(fā)角的波形可以明顯看出中間有疊加波形。負載電壓連續(xù)，負載電流連續(xù)，且由于是阻感負載，所以電流滯后于電壓。觸發(fā)角為30度的導(dǎo)通過程分析如下圖24，從上到下分別為控制信號，晶閘管VT1兩端的壓降，輸出p端對地的電壓波形，三相電壓，輸出n端對地的電壓波形，二極管D4兩端的電壓降。圖 24 觸發(fā)角為30度的導(dǎo)通過程觸發(fā)角為60度的導(dǎo)通過程分析如下圖25，從上到下分別為控制信號

18、，晶閘管VT1兩端的壓降，輸出p端對地的電壓波形，三相電壓，輸出n端對地的電壓波形，二極管D4兩端的電壓降。圖 25觸發(fā)角為30度的導(dǎo)通過程分析：（1） 三相半控橋式整流電路的工作，可以等效于一個三相半波全控電路和一個不可控三相半波整流電路。（2） 從圖24，25可以看出，n端對地的電壓始終為三相電壓的下包絡(luò)線，即始終工作在自然換相點。而p端對地的電壓是隨著觸發(fā)角的改變而改變。（3） 30度觸發(fā)角工作時，輸出的電流紋波較小，而60度觸發(fā)角時的紋波較大。（4） 圖22中輸出電壓波形相對于三相全控橋式不同，是由于半控二極管是自然換相，上面三個晶閘管輪流導(dǎo)通120度。所以造成中間有下降。（5） 晶閘

19、管和二極管承受的反向壓降都為線電壓，其中晶閘管反向壓降的突變是由于觸發(fā)導(dǎo)通時，承受的線電壓是令兩相的線電壓。增加續(xù)流之路后的結(jié)果圖 26 增加續(xù)流二極管后的仿真電路圖觸發(fā)角為30度時，仿真的波形見下圖27. 從上至下分別為控制信號，三相電壓，輸出電壓，輸出電流。圖 27 觸發(fā)角為30度，有續(xù)流二極管的波形圖觸發(fā)角為60度時，仿真的波形見下圖28. 從上至下分別為控制信號，三相電壓，輸出電壓，輸出電流。圖 28觸發(fā)角為60度，有續(xù)流二極管的波形圖觸發(fā)角為90度觸發(fā)角為90度時，仿真的波形見下圖29. 從上至下分別為控制信號，三相電壓，輸出電壓，輸出電流。圖 29觸發(fā)角為90度，有續(xù)流二極管的波形

20、圖分析：（1） 從以上圖27圖29的仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在出發(fā)小于等于60度時，其工作狀態(tài)和輸出波形與沒有續(xù)流二極管的情況完全相同。（2） 在觸發(fā)角大于60度后，例如圖29的觸發(fā)角為90度，就可以看到輸出電壓有一段恒為零，這就是續(xù)流二極管起到了作用。（3） 有了續(xù)流二極管后，輸出電壓不會有負值了，只可能大于或等于零，在續(xù)流二極管起作用的過程中，整流電路兩端電壓為零。逆變模式的分析：三相橋式半控整流電路不能工作在逆變狀態(tài)。因為屬于半控，若能逆變直流側(cè)電壓為負，這將會使有橋臂處于直通狀態(tài)。這是違背了逆變的條件的，能實現(xiàn)逆變必須是全控，而且沒有續(xù)流二極管。3.第（3）問三相全橋的有源逆變圖 30 三相

21、全控橋的仿真電路有源逆變狀態(tài)：觸發(fā)角為120度的波形，見下圖31.從上至下依次為控制信號，三相電壓，輸出電壓，輸出電流波形。圖 31 三相全控橋電路工作在有源逆變狀態(tài)觸發(fā)角為120度的波形，見下圖32.從上至下分別為三相電壓，輸出電壓，輸出電流波形。圖 32 有源逆變狀態(tài)觸發(fā)角a=120度的波形觸發(fā)角為150度的波形，見下圖33.從上至下分別為三相電壓，輸出電壓，輸出電流波形。圖 33有源逆變狀態(tài)觸發(fā)角a=150度的波形觸發(fā)角為90度時的波形，見下圖34.從上至下分別為三相電壓，輸出電壓，輸出電流波形。圖 34有源逆變狀態(tài)觸發(fā)角a=90度臨界狀態(tài)的波形分析：（1） 從上面的仿真結(jié)果可以看出，三

22、相全控橋工作在有源逆變狀態(tài)。由于輸出電壓為負值，輸出電流為正，所以交流測想直流側(cè)輸送的能量為負，也就說明了能量是從直流側(cè)輸送到交流測。（2） 從上面的結(jié)果可以看出，逆變出來的波形不是太理想，有脈沖的過電壓產(chǎn)生，這是負載的電感值太小而導(dǎo)致的，在后面會進一步說明。（3） 觸發(fā)角從90度增大到180度，即逆變角逐漸減小的過程中，我們可以看到輸出電壓波形越來越小，幾乎接近直流電壓了，其能量傳輸也減小了。這個原因是由于電感的值太小而導(dǎo)致逆變的不成功。（4） 從圖33中可以看出，觸發(fā)角為150度時，其逆變效果不好，這也是電感值太小導(dǎo)致的。為了探究逆變和電感的關(guān)系，下面特意將負載電感增大。將電感值改為100

23、mH時的波形，120度觸發(fā)角，如下圖。圖 35 將電感增大到100mH時，120度觸發(fā)角的逆變波形將電感值改為1H時的波形，150度觸發(fā)角，如下圖36。圖 36 將電感值增大到1H時，150度觸發(fā)角所輸出的波形將電感的值增大后，可以看到完好的逆變電壓波形，進一步說明電路確實工作在逆變狀態(tài)。這也說明了，逆變的性能與負載的電感息息相關(guān)，較大的電感會減小電壓的脈動，使輸出電壓波形與交流測匹配。但是，電感太大，會使電路的動態(tài)特性變慢，從圖36，35，34中可以對比得出。作業(yè)4：（1） 完成三相方波型電壓逆變器的設(shè)計。其直流側(cè)輸入電壓為300V，直流側(cè)的電容為1u，IGBT采用Motorola公司的mg

24、m20n50，與IGBT并聯(lián)的二極管也采用Motorola公司的mur1560。交流側(cè)負載為阻感負載，電阻為15，電感為10mH。（2） 如果不需要調(diào)節(jié)逆變器交流側(cè)的輸出電壓，交流側(cè)的輸出頻率為50Hz，分析三相方波型電壓逆變器的工作過程。如果要求交流側(cè)輸出電壓的頻率為60Hz，應(yīng)該如何修改電路元件的屬性值。并得出修改后的仿真結(jié)果。（3） 在直流電壓不變的情況下是否可以控制(改變)逆變器的輸出電壓(方波型)，如能，請作出相應(yīng)的仿真結(jié)果，并分析其工作過程，如不能，請說明原因。實驗四1. 第（1）問三相方波型電壓逆變器設(shè)計直流側(cè)輸入電壓為300V，直流側(cè)的電容為1u，IGBT采用Motorola公司的mgm20n50，與IGBT并聯(lián)的二極管也采用Motorola公司的mur1560。交流側(cè)負載為阻感負載，電阻為15，電感為10mH。如下圖37圖 37 三相方波型電壓逆變器仿真電路2.第（2）問逆變器工作過程6路時鐘信號，如下圖38。圖 38 逆變器的六路時鐘信號從6路控制信號可以看出，驅(qū)動電壓為20V，每個橋臂上的IGBT的導(dǎo)通角為180度，同一半橋上下兩個臂交替導(dǎo)電，三個半橋的的角度依次相差120度。這樣在任何一瞬間，將有三個IGBT同時導(dǎo)通?？赡苁巧厦?/p>