现代电力电子技术大作业.doc

一、 单端反激式电路（Flyback）仿真1、 设计指标：输入电压200V，输出电压40V，初、次级电流连续；改变触发脉冲的占空比，输出电流断续波形2、 单端反激电路的工作原理：单端反激变换器的变压器起了储能电感的作用，其原理图如图1-1所示：图 1-1 单端反激电路原理图 当开关管Q导通时，开关管的门极被激励而导通，输入电压加到变压器的两端，此时初级绕组两端的极性为上正下负，根据变压器的极性可知，次级绕组两端的极性为下正上负，因此二极管截止，次级绕组中没有电流流过，负载电流由滤波电容提供此时只有变压器原边工作，变压器相当于一个电感，设绕组Np的电感量为Lp，则导通期间流过初级绕组Np的电流为：ip(t)=Vint/Lp，t=ton时，开关管Q截止，原边绕组开路，次级绕组的电压极性上正下负，二极管D导通期间储存在变压器中的能量通过二极管向负载释放，同时向电容充电此时变压器只有副边绕组工作，Q管截止期间流过次级绕组的电流为：is(t)=Irmax-Vot/L2t=T时，副边电流is达到最小值：Ismin=Ismax-Votoff/L2图 1-2 三种工作状态单端反激变换器也有电流连续和电流断续两种工作方式，但是连续的定义不同。

单端反激变换器是耦合电感，对原边绕组的自感来讲，它的电流不可能连续，因为开关管断开后电流必然为零，这时必然在次级绕组的自感中引起电流，故对单端反激变换器来讲，电流连续是指变压器两个绕组的合成安匝在一个开关周期中不为零，与此相反即为电流断续如果，在t=T时刻，Ismin=0表示导通期间储存的磁场能量刚好释放完毕；也就是临界状态Ismin >0表示导通期间储存的磁场能量还没有释放完，电路工作在连续状态；Ismin<0表示导通期间储存的磁场能量还没有到时刻就已经释放完毕，即电路工作在断续状态下电流连续下的理论波形：图1-3 理论输出波形3、 实验步骤1）根据实验设计指标选择所需器件输入直流电源：Vin 200V；变压器T的参数，Lp:10uH, ，Ls:5uH,变压器初级线圈匝数：200匝，次级线圈匝数：10匝，变压器励磁电感Lm:1m；滤波电容C：110uF,初始电压10V；触发频率：100k,占空比0.8；负载为阻性负载：5Ω2）利用所选的元器件，搭建原理图，并按已知参数设置各元件参数，设定仿真控制时间保存原理图将MOSFET和二极管D1参数选项中的current flag设置为1，这样可以将电流表缺省直接测得电流波形。

3）点击仿真按钮，双击要观察波形的参数值，点击确定，观察仿真波形4、仿真电路图 电路原理图如下：图1-4 仿真电路图4、 仿真结果1）电流连续输出波形按照顺序，图中的I（D1）为变压器次级电流大小，在图中的大致形状是呈线性下降的直线；I（MOS1）是变压器初级电流大小，在图中的大致形状是呈线性增长的直线；图中的Vp1是输出电压，近似为一条平行于时间轴的一条直线，但略有脉动图 1-5 电流连续下仿真结果2）电流断续输出波形降低触发电路的占空比，电流将断续，将占空比变为0.5，输出初、次级电流波形如下图1-6所示图1-6 电流连续下仿真结果6、仿真结果分析观察图1-5的仿真结果，按照所选参数构建的电路，电流连续时，输出电压40V达到了预期制定指标在开关管MOSFET导通的时间段内，变压器初级电流I（MOSFET）线性上升,此时变压器次级电压为下正上负，使得二极管反偏截止，即I（D）为零,此时负载电流由滤波电容提供当开关管关断时，存储在Lp中的能量不能突变，为维持电流连续，变压器初、次级绕组电压反号，使得二极管正偏导通，给电容C充电并向负载供电二极管导通，u2便被箝位在Vo的水平上，如果滤波电容C的数值很大，输出电压无脉动，则u2=Vo，次级绕组电流将线性下降，即is(t)=Irmax-Vot/L2，直到t=T为止。

观察仿真波形发现，输出电压波形是一条与时间轴近似平行的直线，其大小在10V上下略有波动，按照理论来说，尽可能增大滤波电容，输出电压也会更加平稳观察图1-6的波形可以看出，当电流断续时与电流连续时，在一个周期内，电流出现了为零的情况，而且在断续运行下，电路遵循的规律与连续时不同7、与理论波形对比分析 与上图理论波形对比可得，仿真波形与理论波形基本一致，因为参数选取各有不同，所以略有差异，但是总体来说仿真波形还是接近理论波形并且达到预期设定的指标二、 三相PWM整流电路仿真1、设计指标 输入电压为220,50Hz工频交流电压，经整流器后输出平稳的直流电压2、电路工作原理三相PWM整流可分为电压型和电流型两大类，本文仿真的是电压型PWM整流电路，其原理图2-1所示：图2-1 三相PWM整流电路原理图按照正弦信号波和三角波相比较的方法对图2-1中的VT1~VT6进行SPWM控制，就可以在桥的交流输入端AB产生一个SPWM波uAB，uAB中含有和正弦信号同频率且幅值成比例的基波分量及和开关频率有关的高频谐波由于Ｌ的滤波作用，这些高次谐波电压只会使交流电流产生很小的脉动，可以忽略，适当的控制uAB，就可以使A相、B相电流和电压同相，达到功率因数为1。

同理可以控制uBC及uCA，使各相电流和电压同相位当电路工作于整流状态时，要达到功率因数为1，则各相电压和线电压应该同相位对于三相整流电路的PWM控制条件分析比较繁琐，下面分析单相PWM整流的工作原理，在推广到三相整流电路中图 2-2 单相PWM整流电路在单相电路中，当us>0时，由VT2、D4、D1、Ls和VT3、D1、D4、Ls分别组成了两个升压电路以包含VT2的升压斩波电路为例，当VT2导通时，us通过VT2、D4向Ls储能，当VT2关断时，Ls中储存的能量通过D1、D4向直流侧电容C充电当us<0时，由VT1、D3、D2、L3和VT4、D2、D3、Ls分别组成了两个升压斩波电路，工作原理和us>0时类似基本的PWM整流电路之一，其应用也最为广泛电路的工作原理也和前述的单相全桥电路相似，只是从单相扩展到三相对电路进行SPWM控制，在桥的交流输入端A、B和C可得到SPWM电压三相整流电路输出电压理论值：图2-3 输出电压理论值3、实验步骤1）根据设计指标选择元器件并设定元器件参数如下：三相交流输入电压：220V，50Hz；RL：R：0.5Ω，L：1m；三角载波平频率：5k，峰-峰值：2；电压探测器将输入电压取小与1的增益后，作为调制波，与三角波比较形成对于开关管控制，因为三角波的幅值是1，因此电压探测器的增益为：0.003；滤波电容：470uF，电容取得稍微大一些可以减小输出电压的脉动；负载：5Ω，负载大小不影响电压输出。

2）利用已经设定好参数的元件搭建电路，搭建电路时要注意电路元器件的合理规整化根据需要测定的参数，在输入电压处、三角载波处、比较器输出处增益后电压处以及负载两端放置电压表，用于测量输入和输出电压将RL器件的current flag选项置1，在进入滤波电容前处放置电流表，以方便观察输入电流，输出电流3）点击仿真按钮，双击要观察波形的参数值，点击确定，观察仿真波形4、仿真原理图实验仿真原理图如下：图2-4 仿真原理图5、 仿真结果：1） 三角载波和处理后输入电压波形以及控制波形其中，V2是经增益后的电压波形（正弦），V3是三角载波，V4是经二者比较后产生的触发方波图2-5 触发波形2） 输入电流波形其中I（RL1a）、I（RL1b）、I（RL1c）分别是三相的输入电流图2-6 输入三相电流波形3） 输出电压波形图2-7 输出电压波形4） 输出电流波形图2-8 输出电流波形6、 仿真结果分析三相电压型PWM整流器的控制，旨在稳定直流侧电压的同时，实现其交流侧在受控功率因数条件下的正弦波电流控制由于交流电感的滤波作用，整流器交流侧的输入可近似认为是三相正弦电流，直流侧有大电容稳压，输出呈直流电压源特性，稳态时输出直流电压可认为保持不变。

观察输出波形，仿真得到的输入电流波形近似为三相正弦波，而输出电压在达到稳态后近似不变功率因数接近单位值7、 与理论波形对比观察图2-8的波形与理论波形进行对比，形状基本一致，仿真输出波形符合原理图的输出三、 三相桥式SPWM逆变电路（频率调制比N=5，幅值调制比为0.8）1、 设计技术指标利用SPWM调制（频率调制比N=5，幅值调制比为0.8）使得逆变电路输出交变电流和电压2、 电路工作原理 SPWM控制是通过对每周期内输出脉冲个数和每个脉冲宽度的控制来改善逆变器的输出电压、电流波形它是现代交流变频调速的一种重要的控制方式三相逆变器的原理图如下所示：图中V1~V6为6个开关元件，由SPWM调制器控制其开通与关断逆变器产生的SPWM波形，施加给三相负载图3-1 电路工作原理图U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波uc,三相的调制信号urU、urV、urW依次相差1200当urU >uc 时，上桥臂V1导通，下桥臂V4关断，则U相相对于直流电源假想中点N’的输出电压uUN’ =Ud /2当urU

当给V1 (V4 )加导通信号时，可能是V1 (V4 ) 导通，也可能是二极管VD1 (VD4 )续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定uUN’、uVN’ 和uWN’的PWM波形都只有±Ud /2两种电平输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成：当臂1和6导通时，uUV =Ud 当臂3和4导通时，uUV =－Ud当臂1和3或臂4和6导通时，uUV =0负载相电压uUN可由下式求得负载相电压的PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud 和0共5种电平组成电路输出的理论波形：图3-2 理论输出波形3、 实验步骤1） 根据设计指标，设定各元件参数如下：输入电压：直流100V；三角载波：频率：250Hz,峰-峰值：2V；三相交流正弦调制波：幅值：0.8V，频率：50Hz,相位依次相差1200；阻感性负载L：5H，电阻100Ω2） 利用选择好的元器件进行电路搭建电路原理图，在需要测量电流的位置安放电流表，在需要测量电压的位置安放电压表保存搭建好的电路原理图3） 点击仿真按钮对电路进行仿真，观察仿真波形4、电路原理图：图 3-3仿真电路图5、仿真结果1）载波与调制波波形：下图为三相调制波与三角载波波形图 3-4 载波与调制波形图3-5 SPWM调制波2）输出电流波形I1、I2、I3分别为三相负载的输出电流波形图 3-6 输出电流波形3）输出三相电压波形由上到下依次为三相负载上的输出电压图3-7 输出电压波形6、 实验结果分析假设负载为感性，电流滞后电压一个相角。

电路有如下的工作模式：1）三个可控开关导通此时负载从直流电源获得能量这三个可控开关是6个开关中的三个2）二个可控开关和一个二极管导通此时负载从电网获得电能，同时，无功在绕组内交换3）二个二极管和一个可控开关导通无功向电源反馈的同时也在绕组间交换4）在SPWM方式工作的逆变电路中，有两种特殊模式：V1、V3、V5全部为导通信号和V2、V4、V6全部为导通信号当V1、V3、V5为导通信号时，根据规则V2、V4、V6是关断的同理D2、。