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电力电子学实验报告姓名：陈思竹班级：076091-03学号：20091000688指导老师：谭智力日期：2012.4.28实验一DC-DC变换电路的性能研究一、实验目的熟悉Matlab的仿真实验环境，熟悉Buck电路、Boost电路、Cuk电路及单端反激变换（Flyback）电路的工作原理，掌握这几种种基本DC-DC变换电路的工作状态及波形情况，初步了解闭环控制技术在电力电子变换电路中的应用。二、实验内容1．Buck变换电路的建模，波形观察及相关电压测试2．Boost变换电路的建模，波形观察及相关电压测试；3．Cuk电路的建模，波形观察及电压测试；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。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；要使电感电流连续，则必须有Iomin=IOB=V0*D(1-D)/2Lfs；（IOB为临界负载电流）；所以有：L=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。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。（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1.电路模型输入电压为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。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3所示。图33、实验结果与分析（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D10%30%50%55%60%电压值（V）1.4237.76519.1323.6329.29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42、实验步骤建立仿真波形，Matlab模型可参见图5图53、实验结果与分析（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1.电路模型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6所示。图63、实验结果与分析（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7所示。图73、实验结果与分析（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：（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1.电路模型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8所示。图83、实验结果与分析在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。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、三相桥式SPWM逆变电路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9所示。图93、实验结果与分析在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线电压，波形3为c相电压，波形4为a相电流.R=30Ω时波形图为：R=20Ω、L=60mH时波形图为：L=100mH时波形图为：实验三AC-DC变换电路的性能研究一、实验目的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。二、实验内容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1.电路模型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10所示。图103、实验结果与分析在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10所示。3、实验结果与分析在scope3端观察到的波形图如下：在scope1中，波形为输出电压波形：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1.电路模型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。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11所示。图113、实验结果与分析在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scope1中的波形：在scope2中的波形：在scope3中的波形：（3）α=60°在scope1中的波形：在scope2中的波形：