1   Introduction

Four  different  Simulink  projects  are  defined  for  the  power  electronics  course  project.  Each student is required to submit a single report. Simulation may be performed in MATLAB Simulink environment.  This  project  includes  the  performance  evaluation  of  different  converters  as follows:

1.1   Aim

The aim of this project is to learn the simulation of the power electronics converters. This practical helps students to engage with the related blocks of the MATLAB Simulink.

1.2   Equipment Required

This project will be conducted in MATLAB Simulink.

1.3   General Instructions

The theoretical results should be derived from the information provided in the course notes. It is probably best to generate your theoretical expected results using MATLAB.

For each test do the following:

•    The reports should have the following format: title, abstract, introduction, main body (methodology, results, critical analysis and discussion), conclusions and references.

•    Record observed voltage waveforms in your report.

•    Explain the operation of the circuit.

•    Comment on the significance of the results and any significant discrepancies between expected/calculated and observed values.

•    Show the required wave forms and explain them in details.

•    Show how you derived the calculated values (e . g. show derivations and/or submit MATLAB code).

•    Present results in tabular form as given the manual.

2   Task 1: 3-phase Diode Rectifier with LC filter

Figure 1. 3-phase Diode Rectifier with LC filter

2.1   Circuit parameters:

VL-L (rms) = 208V at 50 HZ

Ls = 0.1 mH

Rs = 1 mΩ

Ld = 0.5 mH

Rd = 5 mΩ

Cd = 500uf

Rload = 16.5Ω

2.2   Questions:

(1) Obtain Va , ia , Vab , Vd and id wave form:

(2) By means of Fourier analysis of ia, calculate its harmonic components as a ratio of ia1:

(3) Find Ia, Ia1, Idis, %THD in the input current, input displacement power factor and input power factor. How the result does compare with the 1 phase diode bridge rectifier.

(4) Calculate Icap (the rms current through the filter capacitor) as a ratio of the average load current Iload.

(5) Investigate the influence of Ld on the input displacement power factor, the input power factor and the average dc voltage Vd. Suggested range of Ld is between 0.1 mH to 10 mH.

3    Task 2: DC – DC converter

Figure 2. DC-DC converter

1-   In the steady state, obtain the following waveforms:

a)   VL and iL waveforms.

b)  Vo, iload and iC waveforms.

2-   Increase the load resistance to 10 Ω . Obtain and observe the VL and iL waveforms. Check

if the results agree with the following equation:

 = 

Vd   

ILB,max  =

3-   Obtain the peak to peak ripple in the output voltage and check to see if the results agree

with the analytical calculations.

4-   Calculate the  rms value  of the  current through the  output  capacitor  as  a  ratio  of the

average load current Io. The rms value of the current equal to 14.75µA and the average load current equal to 12A. This curve is the load current Io.

5-   Calculate the  peak to  peak  ripple  in the  output voltage  in the  presence  of the  output

capacitor  equivalent  series  resistance  (ESR)  (Suggested  ESR=100mΩ).  Plot  the  ripple across C, ESR and the total ripple in Vo.

4    Delta-Connected 3-phase AC-AC converter

Figure 3. Delta connected converter

A three-phase full wave Delta-connected converter has been shown in Figure 3. Assume that the supply line to line voltage is equal to 400 volts. And R value in each branch is 10 Ω . Simulate the converter in Simulink and test its performance in 30- and 60-degrees firing angle.

(1) Calculate  the  following  parameters  for  each  firing  angle  and  compare  them  with  the simulation results:

-     Output voltage

-     Output current

-     Input and output power

-     Power factor

(2) In the simulation, calculate the THD, 1st, 3rd, and 5th harmonics of the input line current for each firing angle.

(3) Change the resistive load to a RL load with 10 Ω resistance and 20 mH inductance. And measure the following:

-     Output voltage

-     Output current

-     Input and output power

-     Power factor

(4) In the RL load condition, measure the THD, 1st, 3rd, and 5th harmonics of the input line current for each firing angle.

(5) Compare the results your simulation in both resistive and resistive-inductive load. What is your expectation? How the RL load affects the power factor and harmonics? What is the source of the difference between the results of the inductive and resistive load?

5    12 pulses rectifiers

5.1   12 pulses diode rectifier

Figure 4. 12 pulses diode rectifier

A three-phase 12 pulses diode rectifier has been shown in Figure 4. Assume that the supply line to line voltage is equal to 400 volts rms. And R and L values of the load are 10 Ω, and 50mH, respectively.   Simulate  the   converter  in   MATLAB/Simulink  and  test  its  performance.  The transformer section is a three-phase transformer with three sets of windings. The input side is a delta connected with 30 degrees lagging. The second sets of windings connected to the upper three phase rectifier has a star connection. Also, the third sets of windings are connected in delta connection to produce 30 degrees leading. The nominal power of the transformer is 25kW which operates at 50Hz frequency. The core resistance (Rm) and inductance (Lm) are equal to 500 pu. The windings characteristics are as follow:

-     Input winding: V1ph-ph  =400 volts, R1 = 0.002 pu, and L1 = 0.08 pu.

-     Output winding2: V2ph-ph  =100 volts, R2 = 0.002 pu, and L2 = 0.08 pu.

-     Output winding3: V3ph-ph  =400 volts, R3 = 0.002 pu, and L3 = 0.08 pu.

(1) Show the output voltage of the upper and lower rectifiers separately and explain their differences. Measure their average and ripple.

(2) Show the output voltage and current. Measure their average and ripple.

(3) Plot the input voltage and current. Measure the THD of the input current for each phase.

(4) Measure the input power factor.

(5) Check the power factor and THD of the input current by increasing the value of the load inductance from 50mH to 200mH.