电力电子实验—陈硕

《电力电子技术》实验报告测控技术与仪器系076112陈硕20111003681《电力电子技术》实验报告076112陈硕实验一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。Matlab模型可参见图1。ContinuouspowerguiUYUYScopeRPulseGenerator3MultimetergmDSMosfetInMeanMeanValueLDisplaymakDiodeC200V图1Buck电路的Matlab模型（参考）2、实验内容（1）计算电感及电容参数，完成各模块参数设置，建立仿真模型；（2）记录MOSFET的门极电压、MOSFET电流、续流二极管电流、电感电流、输出电压的波形；（3）测量输出电压的平均值并显示；(4)将工作频率改为50kHz，记录上述各波形。3、实验步骤《电力电子技术》实验报告测控技术与仪器系076112陈硕20111003681（1）利用Matlab中的Simulink建立满足条件的电路模型，如图1所示。图1Buck电路模型（2）参数计算按照所给电路模型参数设置负载电阻阻值为20Ω，由模型中给出数据得占空比D=Vo/Vd=0.25，由公式Iob=Vo(1-D)/2Lfs,电感电流连续，故可得不等式Iomin≥Iob=Vo(1-D)/2L*fs，∵Io=50/20=2.5A，∴L≥Vo(1-D)/2Io*fs=0.375mH。本模型中选取了L=0.375mH。由于纹波电压△V/Vo=[π*(fc/fs)]²*（1-D）]/2≤0.2%,∴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312uF，满足计算条件。4、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：《电力电子技术》实验报告测控技术与仪器系076112陈硕20111003681将其局部放大后的图形为：（2）当fs=50kHz时，在scope端观察到的波形图及其局部放大图如下：（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49.8V，如图2所示。（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。《电力电子技术》实验报告测控技术与仪器系076112陈硕20111003681（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。ContinuouspowerguiScopeRPulseGenerator3MultimetergmDSMosfetInMeanMeanValueLDisplaymakDiodeC6VDiodecurrentMOSFETcurrentMOSFETcurrent图2Boost电路的Matlab模型（参考）2、实验内容（1）计算电感及电容参数，完成各模块参数设置，建立仿真模型；（2）记录在输入电压为6V时，MOSFET的门极电压、MOSFET电流、续流二极管电流、电感电流、电感电压、输出电压的波形；（3）测量输出电压的平均值并显示；(4)减小电感值到4μH，使电感电流不连续，其余条件不变，记录上述各波形。3、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2Boost电路模型（2）参数计算按照所给电路模型参数设置负载电阻阻值为10Ω，取Vs=6V，由模型中给出数据得占空《电力电子技术》实验报告测控技术与仪器系076112陈硕20111003681比D=1-Vs/Vo=0.6，由公式Iob=Vo*D(1-D)2/2Lfs,电感电流连续，故可得不等式Iomin≥Iob=Vo*D(1-D)2/2L*fs，∵Io=15/10=1.5A，∴L≥Vo*D(1-D)2/2Io*fs=0.011mH，本模型中选取了L=0.011mH。由于纹波电压△V/Vo=D*fc/fs≤0.2%,∴fc=1/RC≤0.2%*fs/D=1.34kHz,∴C≥1/（R*fc）=75uF,本模型中选取的C值为75uF。4、实验结果与分析（1）当fs=20kHz时，在scope端观察到的波形图及其局部放大图如下：《电力电子技术》实验报告测控技术与仪器系076112陈硕20111003681（2）当fs=50kHz时，在scope端观察到的波形图及其局部放大图如下：（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14.3V，如图2所示。（4）当减小电感值到4μH，使电感电流不连续时，在scope端观察到的波形图及其局部放大图如下：（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。《电力电子技术》实验报告测控技术与仪器系076112陈硕20111003681（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。图3Cuk变换电路的Matlab模型（参考）2、实验内容（1）建立仿真模型；（2）记录MOSFET的门极电压、MOSFET电流、续流二极管电流、电压，电感电流、电压、电容电压UC1输出电压的波形；（3）测量输出电压的平均值并显示；（4）在5～30V输出范围内，改变占空比D的值，测量对应输出电压平均值。3、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3Cuk电路模型《电力电子技术》实验报告测控技术与仪器系076112陈硕201110036814、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2为输入电流，波形3为电感电流。在Scope3中，波形1为MOSFET电流，波形2为续流二极管电流。《电力电子技术》实验报告测控技术与仪器系076112陈硕20111003681（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28.12V，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D20%30%40%50%60%电压值（V）4.37.712.418.828.2由表中数据得到的输出电压与占空比点关系曲线如图4：在matlba上画图程序如下所示x=[20,30,40,50,60];y=[4.3,7.7,12.4,18.8,28.2];plot(x,y);图4输出电压与占空比点关系曲线（三）Flyback变换电路实验《电力电子技术》实验报告测控技术与仪器系076112陈硕20111003681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逆变电路的Matlab模型可参见图6。直流电压为300V，输出电压频率为50Hz。2.实验内容（1）建立仿真模型；（2）R=30Ω时，测试两种工作情况下MOSFET的门极电压波形、负载电压、电流波形；（3）R=20Ω、L=60mH时，测试两种工作情况下MOSFET的门极电压波形、负载电压、电流波形，(4)L=100mH时，测试两种工作情况下MOSFET的门极电压波形、负载电压、电流波形；(5)R=30Ω时，对两种工作情况下的输出电流进行FFT分析。《电力电子技术》实验报告测控技术与仪器系076112陈硕201110036813.实验步骤1.1R=30Ω时，方波逆变方式下MOSFET的门极电压波形、负载电压、电流波形依次如下图所示：1.2R=30Ω时，单相桥式SPWM逆变下MOSFET的门极电压波形、负载电压、电流波形依次如下图所示：《电力电子技术》实验报告测控技术与仪器系076112陈硕201110036812.1R=20Ω、L=60mH时，方波逆变方式下MOSFET的门极电压波形、负载电压、电流波形依次如下图所示：2.2R=20Ω、L=60mH时，单相桥式SPWM逆变下MOSFET的门极电压波形、负载电压、电流波形依次如下图所示：《电力电子技术》实验报告测控技术与仪器系076112陈硕201110036813.1L=100mH时，方波逆变方式下MOSFET的门极电压波形、负载电压、电流波形依次如下图所示：3.2L=100mH时，单相桥式SPWM逆变下MOSFET的门极电压波形、负载电压、电流波形依次如下图所示：《电力电子技术》实验报告测控技术与仪器系076112陈硕201110036814.1R=30Ω时，方波逆变方式下的输出电流FFT分析：4.2R=30Ω时，单相桥式SPWM逆变下的输出电流FFT分析：《电力电子技术》实验报告测控技术与仪器系076112陈硕20111003681（二）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逆变电路的Matlab模型可参见图6。直流电压为300V，输出电压频率为50Hz。ContinuouspowerguiVg6Vg5Vg4Vg3Vg2Vg1gABC+-UniversalBridgeScope3MultimeterLoad_cLoad_bLoad_ai+-（a）方波逆变方式ContinuouspowerguigABC+-UniversalBridgeScopePulsesPWMGenerator3MultimeterLoad_cLoad_bLoad_ai+-(b)SPWM方式图7三相桥式逆变电路的Matlab模型（参考）《电力电子技术》实验报告测控技术与仪器系076112陈硕20111003681（a）方波逆变方式(b)SPWM方式2.实验内容（1）建立仿真模型；（2）每相负载R=30Ω时，测试两种工作情况下MOSFET的门极电压波形、负载电压、电流波形；（3）每相负载R=20Ω、L=60mH时，测试两种工作情况下负载电压、电流波形；(4)每相负载L=100mH时，测试两种工作情况下负载电压、电流波形；(5)R=30Ω时，对两种工