电气工程计算机仿真52直流_直流变压器

第五章电力电子变流电路的仿真5.2直流-直流变换器5.2直流-直流变流器直流-直流变流器也称直流斩波器(DCChopper)或DC-DC变流器。直流-直流变流器用于调整直流电的电压，它有多种类型，降压(Buck)变换器、升压(Boost)变换器、Buck/Boost变换器、Cuk升降压变换器和桥式(H型)直流变换器等，这里主要介绍降压(Buck)变换器、升压(Boost)变换器的仿真。（1）当开关器件V的触发脉冲由低电平变高电平时，V导通，二极管D截止，电流经电感L向负载供电，电感电流增加，电感储能。EVDLRuoio5.2.1直流降压变流器设计Buck电路工作状态分析Buck主电路（2）当开关器件V的触发脉冲由高电平变低电平时，V关断，二极管D导通，电流通过负载R和二极管D形成回路，电感L释放能量。EVDLRuoioBuck电路工作状态分析Buck主电路负载侧输出电压的平均值为式中T为V开关周期，ton为V导通时间，α为占空比。onotUEETV导通，D截止V关断，D导通触发脉冲负载电流输出电压（D的反向电压）直流降压变换器仿真模型电源电压E=200V，电阻负载R=5Ω，电感L=0.01H。vsuouRURuRpulsepowerguiContinuousivdis1isi+-Vov+-Vv+-URRPulseLIGBTgmCEFouriersignalmagnitudeangleDiodeAi+-SimPowerSystems→ElectricalSourcesSimPowerSystems→PowerElectronicsSimPowerSystems→ElementsSimPowerSystems→ExtraLibrary→ControlBlocksSimPowerSystems→ExtraLibrary→MeasurementsSimPowerSystems→MeasurementsSimulink→SinksSimulink→SignalRouting系统自动添加该模块直流电压源幅值200V测量选项：不选IGBT导通电阻0.01欧导通电感1e-6H正向压降0.8V起始电流0缓冲电阻0缓冲电容0.01e-6不显示测量端口电流下降时间1e-6s电流拖尾时间0.3e-6s二极管导通电阻0.01欧导通电感0H正向压降0.8V不使用缓冲电路不显示测量端口起始电流0A电感电感选L电感值0.01H测量选项：None不设置起始电流SeriesRLCBranch电阻电阻选R电阻值5欧测量选项：None脉冲发生器脉冲类型选Timebased使用仿真时间幅值1周期0.002秒，开关频率为500Hz脉冲宽度50%相位延时0秒各矢量参数为一维傅里叶分析模块基波频率500Hz谐波次数，0为直流傅里叶分析模块可测量电压或电流的直流分量或谐波含量IGBT驱动信号00.010.020.030.040.0500.20.40.60.81t/spulse直流降压变换器仿真结果输出电压瞬时值和平均值00.010.020.030.040.05050100150t/suRUR二极管电流00.010.020.030.040.05-50510152025t/sivd/AIGBT电流00.010.020.030.040.05-50510152025t/sis/AEVDLRuoio带输出滤波电容的降压变换器C滤波电容可平滑输出电压，减小输出电压谐波含量，当C足够大时，输出电压uR近似认为不变，uR=UR。已知：直流降压变换器电源电压E=200V，输出电压UR=140V，电阻负载R=5Ω，设计合适的电感L和电容C，并进行仿真。uR带输出滤波电容的降压变换器参数设计电感L的选择：OMOMOM(1)2000.0020.70.30.04222ETDDLIIIT为开关周期，IOM为最小负载电流，取14A，得L=0.003H，电感最小电流为28-14=14A，电感电流最大值为28+14=42A。电容C的选择：225o(1)2000.0020.70.32.110881ETDDCLULL△UO为输出电压脉动量，取1V，得C=0.007F。占空比D：D=UR/E=140/200=0.7负载平均电流IO，UR/R=140/5=28A。例5-2设直流降压变换器电源电压E=200V，输出电压UR=140V，电阻负载R=5Ω，电感L=0.003H，电容C=0.007F。得到IGBT、二极管的电流波形，得到电感电流、输出电压波形。带输出滤波电容的降压变换器仿真实例E=200VVDL=0.003HR=5欧ioC=0.007FUR=140V仿真设计步骤：1）根据直流降压变换器原理电路建立变换器的仿真模型，如图所示。带输出滤波电容的降压变换器仿真vs200VuouRURuRpulsepowerguiContinuousivdis1isi+-Vov+-Vv+-URR20PulseL0.1mHIGBTgCEFouriersignalmagnitudeangleDiodeC100uFAi+-2）设置模型参数。直流电源200V，电感L=0.003H，电容C=0.007F，负载电阻取5Ω，脉冲发生器脉冲周期为Ts=2ms，脉冲占空比：R1400.7200UE取脉冲宽度为70%。带输出滤波电容的降压变换器仿真3）设置仿真参数，取仿真时间为0.01s，仿真算法ode15s。4）得到仿真波形。00.10.20.30.40.5-50050100150200250t/suR/V负载电压波形00.10.20.30.40.5-50050100150200250t/siL/A电感电流最小电感电流为14A0.450.460.470.480.490.51015202530354045t/siL/A电感电流局部放大图最大电感电流为42A0.450.460.470.480.490.5138.2138.4138.6138.8139139.2139.4t/suR/V输出电压脉动量△UO近似为1V，与计算相一致。负载电压局部放大图L=0.1mH，C=100μF时的Buck电路22so36(1)2000.0020.70.32100(V)880.11010010VTDDULC28so36(1)2000.25100.70.31.31(V)880.11010010VTDDULC减小T，T=50×10-6s时，fs=20kHz保证电感电流连续的最小负载电流为sOM3(1)2000.0020.70.3420(A)220.110VTDDIL140/5=28A，当IO420A时，电路工作于电流断续状态。4sOM4(1)2000.5100.70.310.5(A)2210VTDDIL断续工作状态该公式不成立。最小电感电流为28-10.5=16.5A。输出电压脉动量L=0.1mH，C=100μF时Buck电路仿真模型vs200VuouRpowerguiContinuousivdis1isi+-iR3i+-iRiL1i+-iLVov+-Vv+-RPulseT=0.5e-470%L0.1mHIGBTgCEDiodeC100uHAi+-L=0.1mH，C=100μF时Buck电路仿真结果负载电压波形在电路中IGBT导通时，电流由电源E经升压电感L和VT形成回路，电感L的电流增加，电感储能;当IGBT关断时，电感产生的反电动势和直流电源电压串联共同向负载供电，由于在IGBT关断时电感的反电动势和直流电源电压方向相同互相叠加，从而在负载侧得到高于电源的电压。稳态时，一个周期T内电感L积蓄的能量与释放的能量相等输出电压为：0iGE0ioI1升压斩波a）电路图b）波形offoontIEUtEI11EEUo1115.2.2直流升压变换器设计例5-3已知直流电源24V，要求将电压提升到100V，且输出电压的脉动控制在10%以内，负载的等值电阻为5Ω。设计一个直流升压变压器，并选择斩波频率、电感和电容参数。仿真设计步骤：1）根据直流升压变换器原理电路建立变换器的仿真模型，如图所示。vs24VuouRpowerguiContinuousis1isi+-igbtVov+-Vv+-R5PulseT=0.1ms78%L0.1mHIGBT1gCEDiode1C200uFAi+-2）设置元器件参数。取脉冲发生器脉冲周期为Ts=0.2ms，脉冲占空比：100240.76100ooUEU取脉冲宽度为76%，初选L=0.1mH，C=100μF。3）设置仿真参数，取仿真时间为0.01s，仿真算法ode15。4）观察仿真结果，看输出电压是否满足要求，如不满足要求，可提高脉冲发生器产生脉冲的周期，调整电感L、电容C和脉冲宽度等参数，直到输出电压满足要求，记下相应的脉冲周期T、电感L和电容C。5）最后，可得满足条件的脉冲周期T=0.1ms、电感L=0.1mH和电容C=200μF，脉冲宽度为78%。输出电压波动为10V时，相应的电容值为36oo1000.780.11015610510UTCRU电容C156μF时，输出电压波动才会小于输出电压的10%。电容C=200μF时，输出电压波动约为V。3oo61000.780.1107.8(V)520010UTURCIGBT两端电压波形00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.01-50050100150t/suo/V输出电压波形C=100uF00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.01050100150t/suR/V输出电压波形C=200uF00.0020.0040.0060.0080.010.0120.0140.0160.0180.02050100150t/suR/V输出电压波形0.0180.01820.01840.01860.01880.0190.01920.01940.01960.01980.02949698100102104t/suR/V