电力电子 实验报告Word下载.docx
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4.单端反激变换(Flyback)电路的建模,波形观察及电压测试,简单闭环控制原理研究。
(一)Buck变换电路实验
1.电路模型
降压变换器的输入电压为200V,输出电压为50V,纹波电压为输出电压的0.2%,负载电阻为20Ω,工作频率为20kHz。
电感电流连续。
2、实验步骤
(1)、利用Matlab中的Simulink建立满足条件的电路模型,如图1所示;
图1
(2)、计算电感及电容参数,完成各模块参数设置;
根据已知条件:
输入电压为200V,输出电压为50V,纹波电压为输出电压的0.2%,负载电阻为20Ω,工作频率为20kHz,电感电流连续。
电感电流连续时,D=M=V0/VS=50/200=0.25;
要使电感电流连续,则必须有Iomin>
=IOB=V0(1-D)/2Lfs;
(IOB为临界负载电流);
则有:
L>
=V0(1-D)/2fsIomin=50*0.75/2*20*1000*2.5=0.375mH;
要使输出电压纹波为输出电压的0.2%,有△V/Vo=[π*(fc/fs)]²
*(1-D)]/2≤0.2%,所以fc=1/(2*pi*√LC)≤(fs*√[0.4%/(1-D)]/π,∴C≥1/(4*π2*L*fc2),计算后选取的C值为240uF,经验算符合条件。
参数L=0.375,C=240uF。
3、实验结果与分析
(1)当fs=20kHz时,在scope端观察到的波形图如下,其中波形1为门极电压,波形2为电感电压,波形3为电感电流,波形4为输出电压,波形5为MOSFET电流,波形6为续流二极管电流:
(2)当fs=50kHz时,在scope端观察到的波形图如下:
(3)、记录输出电压的平均值
fs=20KHZ时,输出电压平均值为:
49.87V;
fs=50KHZ时,输出电压平均值为:
49.4.V。
(4)分析提高开关频率对输出波形的影响
由图对比可看出,提高开关频率之后,MOSFET电流,续流二极管电流、电感电流在一个周期变量化变小,输出电压波形更稳定,由此看出纹波系数也变小。
而这一结果与理论分析相吻合。
(二)Boost变换电路实验
1.电路模型
升压变换器的输入电压为3-6V,输出电压为15V,纹波电压低于输出电压的0.2%,负载电阻为10Ω,工作频率为40kHz。
(1)利用Matlab中的Simulink建立满足条件的电路模型,如图2所示。
图2
(2)参数计算
在输入电压为6V时:
电感电压连续,则有:
Vo=Vs/(1-D),所以算得D=0.6;
=IOB=V0*D(1-D)/2Lfs;
所以有:
=Vo*D(1-D)/2fs*Iomin=0.012mH;
取L=0.016mH;
输出电压纹波:
△V/Vo=D*fc/fs≤0.2%
所以fc=1/RC≤0.2%*fs/D=1.34kHz,C≥1/(R*fc)=74uF,本模型中选取的C值为75uF。
(1)当fs=20kHz时,在scope端观察到的波形图如下:
其中波形1为MOSFET的门极电压,波形2为输入电压,波形3为电感电流,波形4为输出电压,波形5为续流二极管电流,波形6为MOSFET电流。
(3)记录输出电压的平均值
当fs=20kHz时,程序运行稳定后,在电路模型的Display中可直接观测到平均电压值,为15.8V;
当fs=50kHz时,平均电压值为13.65V。
(4)当减小电感值到4μH,使电感电流不连续时,在scope端观察到的波形图如下:
(5)分析电感小于临界值时对输出电压波形的影响
理论分析结果为,减小电感时,占空比将变小,输出的临界电流将增大,电感电流可能出现断流,而根据公式,也可推导出二极管电流和MOSFET管电流在一个周期内的上升率和下降率都变大,而此时,输出电压增大,纹波系数变小。
从上图的结果可以看出实际仿真结果基本符合理论分析。
(三)Cuk变换电路实验
输入电压为20V,输出电压为5~30V,负载电阻为10Ω,工作频率为10kHz。
电容C1为4700μf,负载侧电容为3300μf,L1和L2分别为4mH和1mH。
(1)利用Matlab中的Simulink建立满足条件的电路模型,如图3所示。
图3
(1)在scope1端观察到的波形图如下:
其中波形1为MOSFET的门极电压,波形2为输入电流,波形3为电感电流。
在u0中,波形为输出电压
在uc1中,波形为续流二极管电压
在uc2中,波形1为MOSFET电流,波形2为续流二极管电流
(2)记录输出电压的平均值
当fs=20kHz时,程序运行稳定后,在电路模型的Display中可直接观测到平均电压值,为29.29V,如图3所示。
(3)改变占空比后所对应的电压平均值列表如下:
占空比D
10%
30%
50%
55%
60%
电压值(V)
1.423
7.765
19.13
23.63
29.29
由表中数据得到的输出电压与占空比点关系曲线如图4:
(四)Flyback变换电路实验
1、电路模型
输入电压为110V,输出三路电压为+5V,+15V,-15V,负载电阻为10Ω,工作频率为40K。
负载侧电容为3300μf。
变压器模型在Elements/Multi-WindingTransform中,需要修改的参数见图4(a),图4(b)为PWM模块的内部参考图。
PID模块的分别设置为kp=0.6,ki=200,kd=0。
图4
建立仿真波形,Matlab模型可参见图5
图5
(1)、在scope端观察到的波形图如下:
它们分别为三路输出电压波形;
(3)、测量输出电压的平均值并显示。
当fs=40kHz时,程序运行稳定后,在电路模型的Display中可直接观测到平均电压值,V1=4.834,V2=15.73,V3=-15.73。
与实验要求基本吻合。
(4)、PID控制的作用。
比例调节作用:
是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。
比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。
积分调节作用:
是使系统消除稳态误差,提高无差度。
因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。
积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti越小,积分作用就越强。
反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。
积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。
实验二DC-AC变换电路的性能研究
一、实验目的
熟悉单相桥式方波逆变电路、单相SPWM逆变电路、三相桥式方波逆变电路、三相SPWM逆变电路的工作原理,掌握这几种种基本DC-AC变换电路的工作状态及波形情况,掌握利用Matlab中FFT工具分析各种输出波形畸变情况的方法。
二、实验内容
1.单相桥式方波逆变电路的建模,波形观察及相关电压、电流测试;
2.三相桥式方波逆变电路的建模,波形观察及相关电压、电流测试。
(一)单相逆变电路实验
单相桥式方波逆变电路和单相桥式SPWM逆变电路,直流电压为300V,输出电压频率为50Hz。
1.1、单相桥式方波逆变电路
(1)利用Matlab中的Simulink建立满足条件的电路模型,如图6所示。
图6
(1)在scope端观察到的波形图及其局部放大图如下:
其中波形1为MOSFET的门极电压波形,波形2为负载电压,波形3为电流波形。
R=30Ω时波形图为:
R=20Ω、L=60mH时波形图为:
L=100mH时波形图为:
1.2、单相桥式SPWM逆变电路
(1)利用Matlab中的Simulink建立满足条件的电路模型,如图7所示。
图7
R=20Ω、L=60mH时波形图为:
(2)两种逆变器各自的优点:
方波逆变线路比较简单,,使用的功率开关管数量少;
SPWM逆变器能产生很类似于正弦的波形。
一)三相逆变电路实验
三相桥式方波逆变电路和三相桥式SPWM逆变电路,直流电压为300V,输出电压频率为50Hz。
1.1、三相桥式方波逆变电路
(1)利用Matlab中的Simulink建立满足条件的电路模型,如图8所示。
图8
在scope端观察到的波形图如下:
波形1为MOSFET的门极电压,波形2为ab相电压,波形3为c相电压,波形4为a相电流。
1.2、三相桥式SPWM逆变电路
(1)利用Matlab中的Simulink建立满足条件的电路模型,如图9所示。
图9
波形1为MOSFET的门极电压,波形2为ab线电压,波形3为c相电压,波形4为a相电流.
实验三AC-DC变换电路的性能研究
熟悉单相不控整流和三相不控整流电路、单相桥式相控整流和三相桥式相控整流电路工作原理,掌握这几种种基本AC-DC变换电路的工作状态及波形情况,初步了解三相桥式相控整流电路实现负载恒流和恒压的控制方法。
1.单相不控整流和三相不控整流电路的建模,波形观察及相关电压、电流测试;
2.单相桥式相控整流的建模,波形观察及相关电压、电流测试;
3.三相桥式相控整流电路的建模,波形观察及相关电压、电流测试;
4.恒流输出的三相桥式相控整流电路的建模,波形观察及相关电压、电流测试;
5.恒压输出的三相桥式相控整流电路的建模,波形观察及相关电压、电流测试;
(一)不控整流电路实验
单相不控整流和三相不控整流电路,交流电压有效值为220V,频率为50Hz,负载R=30Ω,C=2200μF。
1.1、单相不控整流电路
(1)利用Matlab中的Simulink建立满足条件的电路模型,如图10所示。
图10
在scope端观察到的波形图,波形1为电源电压波形(黄线),波形2为电源电流波形即负载电流波形(紫线):
在scope1中,波形为输出电压波形:
在scope2中,波形为负载电压波形:
1.1、三相不控整流电路
在scope3端观察到的波形图如下:
在scope1中,波形为负载电压波形:
(二)单相桥式相控整流电路实验
单相桥式相控整流电路,交流电压有效值为220V,频率为50Hz。
负载R=30Ω,C=2200μF。
(1)利用Matlab中的Simulink建立满足条件的电路模型,如图11所示。
图11
在scope端观察到的波形图及其局部放大图如下:
(1)α=0°
在scope1中的波形:
在scope2中的波形:
在scope3中的波形:
(2)α=30°
在scope3中的波形:
(3)α=60°
(4)α=90°
(5)α=120°
(三)三相桥式相控整流电路实验
三相桥式相控整流电路,交流电压有效值为220V,频率为50Hz,负载R=30Ω,C=2200μF。
(1)利用Matlab中的Simulink建立满足条件的电路模型,如图12所示。
图12
在scope中的波形:
(四)恒流输出的三相桥式相控整流电路实验
三相桥式相控整流电路,交流电压有效值为220V,频率为50Hz。
负载R=5Ω,L=200mH。
(1)利用Matlab中的Simulink建立满足条件的电路模型,如图13所示。
图13
在scope1端观察到的波形图为控制角的变化曲线,如下:
(五)恒压输出的三相桥式相控整流电路实验
(1)利用Matlab中的Simulink建立满足条件的电路模型,如图14所示。
图14
三、实验感想
在这次的试验中,利用Matlab仿真了许多涉及到DC-DC,DC-AC,AC-DC的电路,这些都是课上讲到过的,通过自己的仿真实验,可以更加直观地观察到其波形的变化,更好的掌握老师课堂上所提到的理论知识。
通过这次实验,我也更加熟悉了Matlab这一强大的软件,还了解了如何将其运用于电力电子学相关的仿真,对SimPowerSystems这一以前没有涉及的函数库有了一定的认识,这些都使我受益匪浅。
当然,在这次的实验中,还有许多不完善的地方,许多地方的仿真可能存在不当之处,有的地方只是照实验报告进行连接,但是并不明白其中的原理,并且由于自己能力有限等原因,并没有完成实验报告中的每一个要求,这些都会在以后的学习过程中加以改进。
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