电力电子课程设计matlab仿真实验

一．课程设计目的

（1）通过matlab的simulink工具箱，掌握DC-DC、DC-AC、AC-DC电路的仿真。通过设置元器件不同的参数，观察输出波形并进行比较，进一步理解电路的工作原理；

（2）掌握焊接的技能，对照原理图，了解工作原理；

（3）加深理解和掌握《电力电子技术》课程的基础知识，提高学生综合运用所学知识的能力；

二．课程设计内容

第一部分：simulink电力电子仿真/版本matlab7.0

（1）DC-DC电路仿真（升降压（Buck-Boost）变换器）

仿真电路参数：直流电压20V、开关管为MOSFET（内阻为0.001欧）、开关频率20KHz、电感L为133uH、电容为1.67mF、负载为电阻负载（20欧）、二极管导通压降0.7V（内阻为0.001欧）、占空比40%。仿真时间0.3s，仿真算法为ode23tb。

图1-1

占空比为40%的，降压后为12.12V。触发脉冲、电感电流、开关管电流、二极管电流、负载电流、输出电压的波形。

图1-2

占空比为60%的，升压后为28.25V。触发脉冲、电感电流、开关管电流、二极管电流、负载电流、输出电压的波形。

图1-3

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图1-4

升降压变换电路（又称Buck-boost电路）的输出电压平均值可以大于或小于输入直流电压，输出电压与输入电压极性相反，其电路原理图如图1-4(a)所示。它主要用于要求输出与输入电压反相，其值可大于或小于输入电压的直流稳压电源

工作原理：

①T导通，ton期间，二极管D反偏而关断，电感L储能，滤波电容C向负载提供能量。

②T关断，toff期间，当感应电动势大小超过输出电压U0时，二极管D导通，电感L

经D向C和RL反向放电，使输出电压的极性与输入电压

在ton期间电感电流的增加量等于toff期间的减少量，得：

由的关系，求出输出电压的平均值为：

上式中，D为占空比，负号表示输出与输入电压反相；当D=0.5时，U0=Ud；当0.5Ud，为升压变换；当0≤D<0.5时，U0

占空比D=40%时，理论值U0=13.33V，实际值输出电压U0为12.11V，这是由于二极管导通压降为0.7V，MOSFET也有一定的压降。使实际的输出电压小于理论的输出电压。

(2)DC-AC电路仿真（SPWM逆变电路）

仿真电路参数：直流电压源模块（电压为530V）、“Universab Bridgem”模块(选择桥臂为3，反并联二极管IGBT）、负载为三相星型负载（额定电压为413V,频率为50Hz，有功为1KW,感性无功为500Var，容性无功为0）、控制信号为Discrete PWM Generator 模块（选择三桥六臂，输出基波频率为50Hz，载波频率为1500Hz，调制深度为0.6）、采样时间为5e-7。仿真时间为0.06s，仿真算法为ode23tb。

图2-1

直流线电压Uan、a相相电流、线电压Uab、直流电流Id波形

图2-2

图2-3

图2-4

三相PWM逆变器图2-5

图2-6

三相SPWM原理与单相SPWM类似，电路图为（图2-4）载波信号Uc为对称的三角波，幅值为Ucm，频率为fc，调制信号为三相正弦波Uar，Ubr，Ucr，幅值为Usm，频率为fs，当UsaUc时，T4关断T1导通，b相和c相类似。上图的载波比为3。图（2-6）

由于各相上下桥臂功率器件以互补方式轮流导通，故各相相对N点的电压为双极性SSPWM 波形，该波形与各相上桥臂器件驱动信号同步变化。输出的线电压可由相应两相相对N点的电压相减得出，线电压在Ud，-Ud和0之间变动（图2-3），总体呈现单极性形状。星型连接负载的相电压波形较为负载。可能的电平为0,-1/3Ud,1/3Ud,-2/3Ud和+2/3Ud。（图2-4），相电流呈正弦波形变化。

(3)AC-DC电路仿真（三相桥式全控整流电路）

仿真电路参数：三相交流电压源（线电压为380V、50Hz，内阻为0.001欧）、三相晶闸管桥式电路选用“Universal Bridge”模块、六路触发脉冲选用“Synchronized 6 Pulse Generator”模块（频率50Hz、脉冲宽度为0.1）、负载为阻感负载（电阻为1欧，电感为1mH）。仿真时间为2s，仿真算法为ode23tb。

图3-1

触发角a=60°。三相电压Uab，Ubc，Uca、晶闸管T1、输出电流、输出电压波形

图3-2

触发角a=90°。三相电压Uab，Ubc，Uca、晶闸管T1、输出电流（断流）、输出电压波形

图3-3

三相桥式全控整流电路图3-4

三相桥式全控整流电路任意时刻都有两个晶闸管同时导通从而形成回路，其中共阴极组和共阳极组各1个导通，且不能为同一器件。触发脉冲顺序为T1→T2→T3→T4→T5→T6。相位相差60°。同一相的上下两个桥臂脉冲相差180°。直流电压在一个周期脉动6次，每次脉动的波形都一样。

触发角a从自然换相点开始。如果负载是阻感负载的话，当a<=60°，输出的直流电压和直流电流都是连续（图3-2）;当a>60°，输出的直流电压和直流电流断续（图3-3，a=90°）。

第二部分：USB充电器的制作

对照原理图，把元器件焊接上去，注意电阻的参数，电容的正负极，看清是整流管IN4007还是IN4148,还有元器件不能焊接太久。

经过测试输出电压为5.2V左右,误差+4%,额定电压为+5V。

三．课程设计心得体会

心得：先从书本buck电路开始，了解一些常用的器件设置方法，示波器多通道的使用，电压，电流的测量，总线信号的分离；然后在修改参数，查看波形的变化，是否达到预期效果；最后自己总结分析电路的工作过程。

体会：通过这一周对课程设计所作的努力，完成了对电力电子技术中的升降压（Buck-Boost）变换器、SPWM逆变电路、三相桥式全控整流电路的仿真。仿真过程也遇到到一些问题，比如一些波形与实际不同，然后自己修改参数，了解整个电路的工作原理，为什么改变其中的一些参数变化会很大，通过网上查找资料和自己的分析来判断，反复验证结果是否准确。MATLAB/SIMUINK工具箱在电力电子仿真应用广泛。通过学习，我较熟练的掌握了simpowersystem的使用方法。由于现实器件的限制，模拟仿真就给我们提供了一个准确理解学习理论的良好途径。但仿真毕竟只是仿真，实际做出来还需要不断去改进。

总之，这次电力电子课程设计进一步提高了我的自学能力，以及自己分析和解决问题的能力。

四．参考文献

1．王兆安、刘进军.电力电子技术（第5版）.北京：机械工业出版社，2009.

2．林飞、杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真.北京：中国电力出版社2009.

3．忠霖、黄京.电力电子技术的MATLAB实践.北京：国防工业出版社2009.