计算机仿真 高频隔离型AC-DC电源系统仿真报告 大作业

Beijing Jiaotong University
高频隔离型AC-DC电源系统
仿真报告
姓名：TYP
班级：电气0906
学号：********
指导老师：***
完成日期：2012.6.5
一、实验要求
高频隔离型AC-DC电源系统的技术指标如下：
1、输入电源：三相AC380V，50Hz
2、输出电压：DC 100~300V
3、输出电流：DC 10~100A
4、输出电压纹波：≤0.5%
二、DCDC变换器主电路的仿真
1、实验内容
根据电源系统的技术指标，按下图所示拓扑，完成DCDC变换器主电路参数设计，在Simulink中搭建仿真模型，并按要求完成仿真。

RL
其中：全桥电路采用硬开关PWM控制方式，S1和S4共用一路脉冲，S2和S3共用一路脉冲，变压器T1的变比=1：1：1，开关频率=20kHz，C2=22uF。

2、实验步骤
由实验内容可知，此电路为DC-DC 全桥电路。

主电路为直流电源经过全桥逆变为交流电，加在三绕组变压器两边。

当正点压加上去时，二次侧的上方绕组同名端为正压，使D5二极管导通：当负点压加上去时，二次侧的下方绕组同名端为负压，使D6二极管导通。

此时，变压器相当于整流装置，经电感、电容后加到负载上。

此次仿真实验的仿真时间为0.04s ，算法选为ode23tb 。

按照实验要求搭好电路，其中全桥上的IGBT 设置为可测量的状态，并串入电流测量模块，将IGBT 电压、电流信号用一个示波器显示；同理，对整流二极管也做同样处理。

为了直观的显示输出电压、电流大小，在输出端用Mean Value 模块显示电压、电流平均值。

具体电路连接图如下图所示：
（1）假定交流输入由二极管整流桥进行整流，请估算直流母线电压，并计算T1、L2、C3的参数。

直流母线电压： 1.35 1.35380513d LL U V V ==⨯=
占空比最大值：
max max 130029.24%22*513out d U D U ⋅=⋅== 占空比最小值：min min 11009.75%22*513out d U D U ⋅=
⋅== 电感最大值：（根据公式，取输出电压最大值、输出电流最小值计算）
0002max ()()2(0.5)300(120.2924)311.4222210201000S d S d S LB out out DT V V DT V V V T D L H I I I μ⋅--⨯⨯-⨯-⨯=====⨯⨯⨯⨯⨯ 电容：（根据纹波要求计算）
2036202(0.5)3002(0.50.2924)83.3388311.4100.005300(201000)S V T D C F L V μ-⨯⨯⨯-⨯⨯-===⨯⨯∆⨯⨯⨯⨯⨯⨯
（2）分别计算电源系统在以下工作状态时的负载电阻RL 的电阻值和所需的占空比D ，并进行仿真：
①最高输出电压、最大输出电流（V 0=300V ，I 0=100A ）
此时负载电阻为R=300/100=3Ω 占空比理论值为max max 130029.24%22*513out d U D U ⋅=⋅==
其他参数设置如下图所示：
直流母线电压
IGBT触发脉冲信号（滞后0度）
IGBT触发脉冲信号（滞后180度）
三绕组变压器
电感L2
电容C3
负载电阻RL
其中要说明的是，搭好电路后首先要设置变压器参数。

在pu 值模式下，首先将容量设为30000VA ，因为输出能量最大为300V*100A=30000VA ，而频率则设为20000Hz 。

之后可将绕组额定电压选为稍大于513V 的值，此仿真选为520V 。

绕组中的漏阻、漏感不能为0，设为较小的值就可以，此仿真设为漏阻0.001，漏感0.01。

触发脉冲信号中，两个脉冲信号相差1/40000s ，然后先将占空比设为29.44%，之后微调占空比，将输出电压调至300V ，此时实际占空比为29.77%，稍大于理论值，因为变压器中有漏阻、漏感的损耗。

②最低输出电压、最小输出电流（V 0=100V ，I 0=10A ）
此时负载电阻为R=100/10=10Ω 占空比理论值为min min 11009.75%22513
out d U D U ⋅=⋅==⨯ 其他参数设置如下图所示：
脉冲宽度（占空比）先设为9.75%，之后微调，使输出电压为100V，最终调至9.885%。

3、仿真波形及数据
①最高输出电压、最大输出电流（V0=300V，I0=100A）
S1电压、电流波形：
D5电压、电流波形：
输出电压波形：
稳定后，输出电压最大值为V0max=300.5173V，输出电压最小值为V0min=299.2927V。

ΔV=1.2246V，ΔV/V0=0.4082%，达到设计要求。

②最低输出电压、最小输出电流（V0=100V，I0=10A）
S1电压、电流波形
D5电压、电流波形
输出电压波形
稳定后，输出电压最大值为V0max=100.0632V，输出电压最小值为V0min=99.9102V。

ΔV=0.153V，ΔV/V0=0.153%，比要求的0.5%要小很多，达到设计效果。

三、完整电源系统的仿真
1、实验内容
当输入前级采用三相二极管整流桥加LC 滤波的方式时，电源系统的完整拓扑如下图所示。

在上述仿真模型的基础上，完成总拓扑的模型搭建和仿真。

L1
RL
其中：L1=1mH ，C1=3300uF 。

2、实验步骤
根据上一个仿真的电路，在直流母线侧将直流电压源换成一个三相交流电源和一个三相二极管整流桥，并通过电感和电容滤波后，输入到全桥电路里。

同时，在三相交流电源的A 相接入一个%THD 测量模块，以便于直接读出A 相电压谐波畸变率。

为了检测三相二极管整流桥和电感、电容滤波后的电压幅值和波形是否达标，又在电容两端并入一个测量电压的模块。

其他的元件暂且不改动，IGBT 触发脉冲信号的占空比还是选为29.77%。

此仿真的仿真时间为0.2s ，算法选为ode23tb 。

具体连接图如下图所示：
计算电源系统工作在最高输出电压、最大输出电流（V0=300V，I0=100A）状态时的负载电阻RL的电阻值和所需的占空比D，并进行仿真：
此时负载电阻为R=300/100=3Ω
占空比理论值为
max
max
1300
29.24%
22*513
out
d
U
D
U
⋅
=⋅==
其他参数设置如下图所示：
三相交流电源
IGBT触发脉冲信号（滞后0度）
三相二极管整流后的滤波电感L1
三相二极管整流后的滤波电容C1
3、仿真波形及数据
S1电压、电流波形
D5电压、电流波形
输出电压波形
稳定后，输出电压最大值为V0max=303.5263V，输出电压最小值为V0min=298.3006V。

ΔV=5.2257V，ΔV/V0=1.7419%，比要求纹波范围大很多，原因是三相交流电源经三相二极管整流桥整流后就有很大的纹波，并非想上一个仿真一样直流母线为完美的直流，所以经过DC-DC 全桥电路后，输出的直流电压就会有较大纹波。

通过THD模块，可以直接读出三相交流电源中的A相电流谐波总畸变率为%THD=32.97%。

A相电流波形和傅立叶分解如下图所示：
四、输入前级为12脉波整流时的仿真
1、实验内容
当输入前级采用12脉波整流方式时，电源系统的完整拓扑如下图所示。

在上述仿真模型的基础上，完成总拓扑的模型搭建和仿真。

L1-1
AC 380V
其中：L1-1=L1-2=1mH ，C1=3300uF 。

2、实验步骤
可知，将三相二极管整流桥换为三相三绕组变压器加两个三相二极管整流桥，三绕组变压器的接线方式分别为Y-Y 和Y-D11，三个线圈的额定电压设为380V 。

其他的元件暂且不改动，IGBT 触发脉冲信号的占空比还是选为29.77%。

此仿真的仿真时间为0.2s ，算法选为ode23tb 。

具体连接图如下图所示：
计算电源系统工作在最高输出电压、最大输出电流（V0=300V，I0=100A）状态时的负载电阻RL的电阻值和所需的占空比D，并进行仿真：
此时负载电阻为R=300/100=3Ω
占空比理论值为
max
max
1300
29.24%
22*513
out
d
U
D
U
⋅
=⋅==
其他参数设置如下图所示：
三相三绕组变压器
三相三绕组变压器的参数设置
IGBT触发脉冲信号（滞后0度）3、仿真波形及数据
S1电压、电流波形
D5电压、电流波形
输出电压波形
稳定后，输出电压最大值为V0max=302.2734V，输出电压最小值为V0min=298.5783V。

ΔV=3.6951V，ΔV/V0=1.2317%，比要求纹波范围大，但是没有第二个仿真的纹波明显，原因是首先三项电压源经整理和滤波后输出电压不为完美的直流，但是两个整流桥输入的电压相角相差30°，会一定程度上减少输出直流的纹波大小，所以经全桥电路后输出的直流纹波有所减少。

通过THD模块，可以直接读出三相交流电源中的A相电流谐波总畸变率为%THD=0.7013%。

A相电流波形和傅立叶分解如下图所示：
五、实验结果分析
第一个仿真：实验结果主要以输出直流电压波形和幅值为标准，在最大输出电压、最大输出电流时，当负载电阻设为3Ω时通过微调脉冲触发信号的占空比可以达到要求。

实验结果为当占空比为29.77%的时候，输出电压300V，纹波0.4082%，达到要求，而且输出电压很快达到稳定，有较好的波形；在最小输出电压、最小输出电流时，将占空比调至9.85%可得到输出电压为100V，纹波0.153%，达到要求。

第二个仿真：由于交流侧整流完得到的直流电有纹波，导致最终的输出电压纹波较大，达到1.7419%，比0.5%的要求大很多，但是也是合理的，毕竟交流侧的电感和电容的要求设定的值没有大到能使整流后的直流电压特别平稳。

A相电流总谐波畸变率为32.97%。

第三个仿真：将交流电压源用两个整流桥整流，得到的A相电流总谐波畸变率为0.70%。

通过12脉波整流，使谐波大大减小，也使稳定后的输出电压纹波小了很多，可见，12脉波整流已经起到了很好的谐波抑制效果，对整个电路的性能提升起到了很大的作用。

六、实验心得
这次实验确实是一次很复杂、很有难度的实验，搭建电路并不困难，但是每个元件的参数选择都有很严格的要求。

在第一个仿真里，首先要做的是直流测电感、电容的计算，由于前面的三绕组变压器将原本的一个周期中有电压输出的时长变为两倍，所以电感计算中的需要从（1-D）变为2*（0.5-D）。

最难设置的就是变压器的参数，在pu 值模式下，三个绕组的额定电压都设为520V，但是每个绕组的漏阻和漏感都不能为0，而漏感的值也不能太小，如果太小的话输出电压幅值就会变得很大，本实验选为漏阻为0.001，漏感为0.01，仿真结果还是比较好的。

在仿真的时候，在参数设置好之后，还是不能出来稳定的结果，试了很长时间，终于发现原因：是我之前将IGBT和二极管的反向电阻调的比较大，导致仿真过程中两种管子的反向阻断和恢复特性受到影响，最终能够导致结果出不来。

其实simulink中的每个元件参数的默认设置都是与它仿真算法和仿真所得的结果相匹配的，一些比较简单的电路可能影响不太大，但是像这种磁性元件和电感比较多的电路，很容易造成仿真错误，所以这也给了我一个教训，以后需要仿真的时候尽量不改变元件的默认参数。

下图是IGBT和二极管的默认snubber电阻，像二极管的snubber电阻只有500Ω，看起来比较小，但是对电路的仿真效果来说确实有很好的结果。

IGBT
二极管
第二、第三个仿真实验在第一个的基础上就比较简单，IGBT触发脉冲信号的占空比都可以不用微调，因为三相交流电源经整流后的直流电压的平均值是不变的。

唯一的难点就在于仿真时长的选择，因为这两个仿真的输出电压的振荡比较大，稳定下来需要较长的时间，所以我设为0.2s，但是用ode23tb算法时，真实仿真时间就很长，基本每次仿真都需要15分钟，所以要在最终仿真之前将所有参数都确定好。

这次实验耗时很长，但是收获很多，不仅是对于计算机仿真这门课，对于电力电子的知识的综合也起到了很大的作用，从buck电路，到DC-DC全桥电路，到三相交流整流，再到12脉波整流，将电力电子最主要的知识都涵盖在内。

这次实验，对我来说意义很大，让我弄清楚了很多之前模棱两可的地方，让我明白了很多关于元件选定和参数设置的注意事项，对我今后的电力电子学习起到了很大的帮助。