电力电子与电力传动实训 降压变换器Word文件下载.docx
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SIMULINK提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。
具有仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，其中的SimPowerElectronic工具箱能够非常好的实现电力电子技术的相关仿真。
2、项目的主电路设计
2.1主电路设计
通过查阅电力电子技术中直直变换器的相关资料结合所学内容，在MATLAB的SIMULINK仿真软件平台上，我们可以较为轻松的搭建出buck直直变换器的主电路。
仿真模型中的数据来源于实验室提供的实验器件的参数，模型中采用一个PulseGenerator作为IGBT的触发脉冲，控制其开通与关断。
下图为开环时的降压型直直变换器主电路：
图1Buck电路的开环主电路
２.2工作原理
Buck电路共有两种工作方式，即电感电流连续和电感电流断续，根据实验书中提供的相关参数，本实验重在研究开环状态下电感电流连续时的buck电路的工作原理，因此我们只对电感电流连续时的工作原理进行讨论。
当电感电流连续的时，电路在1个开关周期内经历2个工作状态。
工作状态1：
开关S处于T0时刻接通，并保持通态到T1时刻，在这一阶段，电感点段的电压
，由于
，故电感L的电流不断增长。
二极管处于断态。
工作状态2：
开关S于T1时刻断开，二极管D导通，电感两端的电压
，
电感通过D续流，电感电流不断减少。
知道T2时刻开关再次导通，下一个开关周期开始。
根据以上的分析可以得出电感两端电压的平均值为：
（2-1）
式中，UL为电感两端的电压在一个开关周期内的平均值；
TS为开关周期，
；
Ton为开关处于通态的时间。
根据稳态条件下电感两端电压在一个开关周期内平均值为零的基本原理。
在电感电流连续的条件下，可以推导出降压型直直变换器电路的输出，输入电压比与开关通断时间比间的关系。
令
有
（2-2）
式中，D为占空比，定义为开关导通时间与开关周期的比，即
由于其
，因此，降压型电路的输出电压不可能高于起输入电压，且与输入电压极性相同。
２.3参数选择
根据《电力电子与电力传动实训实验指导书》及实验室设备选择各元器件的参数。
2.3.1电源
电压源：
75至100伏。
2.3.2开关
电子开关：
选用已有的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为开关。
2.3.3二极管
续流二极管：
选用快速恢复二极管。
2.3.4电感
大电感：
4mH。
2.3.5电容
支撑电容：
560μF。
2.3.6负载
负载：
120欧姆/60欧姆。
3、项目的控制电路设计
为了达到稳态输出的效果，我们采用了电压单闭环负反馈的方法进行稳压。
首先，我们采用电压传感器采集输出的电压信号，传感器的输出的信号与给定电压信号同时通过加法器后，在通过比例积分器消除偏差电压输出稳定电压，将稳定电压和固定频率和幅值的三角波进行比较后的放大器输出信号作为IGBT的触发信号进行电压控制。
3.1控制电路的设计方案
下图为电压单闭环控制时的控制电路：
图2Buck电路的电压单闭环控制电路
3.２控制电路的工作原理
电压传感器采集输出的电压信号，通过加法器与给定电压的比较，求出偏差电压，然后将偏差电压输入比例积分器，将误差通过PI调节后消除偏差电压，输出稳定电压，对电压进行限幅后送入比较器与方波进行比较。
从比较器输出比较结果的PWM波送入IGBT驱动电路，驱动IGBT导通与关断。
当负载两端的电压高于预设电压时，得到一个负电压，经过PI调节与限幅后，比较器讲之与方波做比较，得到一个周期不变，占空比减小的PWM信号。
根据公式2-2，可知，Uo将降低。
当负载两端的电压低于预设电压时，得到一个正电压，经过PI调节与限幅后，比较器讲之与方波做比较，得到一个周期不变，占空比变大的PWM信号。
根据公式2-2，可知，Uo将升高。
由上可得，通过反馈控制电路自动工作，负载电压将稳定在预设电压附近，从而保证输入电压和负载变化的情况下，输出电压的稳定。
３.3参数选择
3.3.1参数选择的原则
在设计的控制电路中，比例积分控制器的参数成为主要难题，本应通过系统的传递函数求特征根，然后用自动控制原理中的相关知识对Kp和Ki两个参数进行求解设计，其但由于实验限制和缺乏足够的资料，所以在确定PI参数时采用试凑法修改参数，直至输出电压的波动范围达到理想的电压调整率要求。
同时，电压比较器的负端的输入三角波的幅值也是一个不确定的值，我们也采用试凑法确定了三角波的幅值。
3.2.2参数的确定
1.PI参数设计值：
KP取5，时间常数取0.001。
2.限幅额度设计值：
上阈值1V，下阈值0V。
3.三角波频率与幅值：
频率取值为10kHz，幅值取值为20V。
4、系统仿真
仿真的目标在于验证让电路和控制电路的正确性，仿真平台介绍、项目的主电路和控制电路系统仿真模型建立、系统仿真：
对静态性能、动态性能、纹波电压、负载调整率、输入电压调整率等与项目相关的技术指标。
4.１仿真软件MATLAB
MATLAB是一种使用简便的工程计算语言。
SIMULINK是在MATLAB环境中用于动态仿真的软件包,支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统的仿真。
集成在SIMULINK中的电力系统模块PSB（PowerSystemBlockset）在电力电子仿真中具有很多优越性。
PSB采用变步长积分算法,可以对非线性、刚性和非连续系统进行仿真,即保持了MATLAB的同一风格,又突出了电力电子的学科特点。
PSB模块库在电力电子仿真方面有着诸多的优点：
元器件的综合化；
控制模块的多样化；
测量仪表的可视化；
输出手段的多样化；
模块构建的开放性以及系统仿真的交互等诸多优点。
因此在本次实训中采用SIMULINK作为仿真的平台。
4.２仿真模型的建立
按照我们设计的主电路和电力电子技术课本的指导，我们利用SIMULINK软件的软件库中的软件按照设计的电路的顺序搭建起电路，按照事先确定好的参数对仿真电路中的各个元件的参数进行设置。
4.2.1开环仿真实验
开环实验主要是为了验证降压变换器中输入电压、输出电压与开关导通占空比三者之间的关系，SIMULINK平台上搭建的仿真模型如下图：
图3Buck型降压变换器的开环仿真模型
对仿真参数设计如下：
输入电压50V；
电感6mH；
滤波电容560uF；
负载60Ω。
输入输出波形对应如下：
图4Buck型降压变换器的开环仿真波形
可以看出，输入输出电压与占空比满足降压变换器电流连续时的基本方程式，验证了开环实验的正确性。
4.2.2闭环仿真实验
闭环设计主要目的是使输出电压稳定在给定值上下的极小偏差内。
本次闭环仿真试验的控制电路采用电压单闭环控制。
首先由电压传感器采集输出电压值，通过与给定电压（20V）的比较，得到误差电压，之后通过PI调节器，得到载波信号，经PWM控制方式得到调制信号，最终控制开关管的通断，实现稳压。
闭环下的仿真模型如下图
图5Buck型降压变换器的闭环仿真模型
电感、滤波电容、负载电阻同上；
给定电压20V。
输入输出的电压波形如下：
图6Buck型降压变换器的闭环仿真波形
由图可见，仿真的结果基本满足预期目标，通过试凑法对各个元件的参数进行少量的修改，最终达到一个我们满意的状态，输出电压基本恒定在20V上下。
虽然还是有波动，但是已经达到了我们的预期，达到了事先确定的精确度，实现了闭环的稳压控制。
5、实验分析
5.１实验平台介绍
“PESX-Ⅱ电力电子与电力传动开发平台”是为研究电力电子与电力传动技术而研制的通用开发平台。
开发平台由主电路模块、负载模块、传感器、电源模块、驱动模块和控制模块六大类构成，其中控制模块分为专用芯片控制、单片机控制和DSP控制三种层次。
常用的电力电子与电力传动系统（如整流电源、斩波电源、逆变器电源、大功率开关电源、三相PWM整流器、H型斩波器、直流传动、交流传动等）都可以在平台上实现，控制系统可根据开发者个人能力和喜好来选取。
开发平台具有如下特点：
1）采用模块式结构。
主电路、控制、电源、传感器等模块都采用独立的模块结构，且模块完全开放，开发可根据自己需要，象积木一样搭建自己的系统。
2）控制系统多层次。
控制模块由专用控制器（TC787/SG3525）、单片机（MCU+CPLD）和DSP（F2812）三类组成，满足多种主电路结构和不同层次的开发要求。
3）采用先进技术。
平台中除有传统技术之外，还采用先进的技术和器件。
主模块采用IGBT。
IGBT采用Concept公司的专用驱动（国际上使用最广泛）、控制器采用高性能单片MCU和DSP，平台适用于先进技术的研究和产品开发。
4）考虑多种辅助功能。
开发平台可提供多种辅助功能，如隔离的示波器供电电源、交直流电流和电压表、连接导线等，给开发者提供方便。
5.1.1系统参数
1）输入电压：
三相AC380V+地；
2）总功率：
5KVA；
3）整流变压器：
3.5KVA；
4）隔离变压器：
1KVA；
5）励磁变压器：
500VA。
5.1.2系统构成
实验平台用于摆放各种实验箱，内部配保险、隔离开关、主电源开关、电源指示、变压器等，面板配交流电流表（380V3只）、交流电压表（380V3只）、直流电压表（300V、750V各1只）、直流电流表（30A2只）、可调励磁电源，实验台下部用于存放各种电路功能模块。
主电路模块：
1）PESX－01三相全控桥；
1台
2）PESX－02三相逆变桥；
3）PESX－03单相/三相整流桥；
4）PESX－04交直流电容组件；
5）PESX－05脉冲功放；
6）PESX－06同步变压器；
7）PESX-L1高频滤波电感；
8）PESX-L2工频滤波电感；
9）PESX-T高频变压器；
控制电路模块：
1）PESX－21控制电源箱；
2）PESX－22电压传感器箱；
3）PESX－23IGBT驱动单元箱；
4）PESX－24三相整流控制箱；
5）PESX－25PWM控制箱；
6）PESX－26单片机控制箱；
7）PESX－27DSP控制箱；
负载：
1）PESX-LA可调负载电阻箱；
2）PESX-DAM交直流机组1台
传感器
1）补偿式电流传感器30A3只
2）电压传感器（10mA/25mA）3只
3）高频电流互感器（20A/100mA）1只
4）光电编码器（1000线）1只
5）力矩传感器（50NM）1只
５.２采用的实验箱
下图为实验实物图：
图7Buck型降压变换器实物连线图
５．3实验过程与波形数据
5.3.1开环实验
在实验室，我们按照预先设计的主电路和控制电路以及仿真时搭建的电路连好了实际电路。
我们采用PWM控制箱产生的方波信号作为IGBT的门极开关断信号控制主电路。
然后，我们短接JPU2和JPU4，首先做开环实验，测量输入电压和输出电压以及PWM输出方波的占空比，用以验证主电路是否接线正确。
测量得实验数据：
Ui/V
Uo/V
Ui/Uo
D
50
20.93
0,419
0.424
10.77
0.215
0.216
表1开环条件下输入输出电压与占空比的值
下图为当输入输出电压为上表值时IGBT的G、E两端的波形：
图8开环实验输出电压为20.93V时GE两端波形
图9开环实验输出电压为10.77V时GE两端波形
5.3.2闭环实验
进行闭环实验时，我们采用电压单闭环反馈控制方式。
首先在线路接线正确情况下，断开跳线器JPU2，合上JPU1和JPU4，合上JUP8，电压信号通过JUP8反馈给出。
给实验主电路通电，调节调压器，用万用表观测U1第13脚和12脚，通过调节RP1使得这两点电位差为0，此时就实现了电压单闭环反馈的控制方式。
（1）增大输入电压值，与之对应的输出电压值，占空比数据如下表所示：
10.51
0.210
0.217
65
10.34
0.159
0.166
表2闭环条件下增大输入电压时的数据
下图分别对应上表的两组数据，IGBT的GE两端电压的波形：
图10闭环实验给定不变时的波形（输入电压50V）
图11闭环实验给定不变时的波形（输入电压65V）
（2）输入电压值不变，当给定电压值增大时，对应的输入输出电压量与占空比数据如下表：
10.55
0.220
21.06
0.435
表3闭环条件下改变给定电压时的数据
下面两图分别对应上表的两组数据，即未增大给定电压和增大给定电压时IGBT的GE两端电压的波形：
图12闭环实验增大给定电压时的波形（给定电压为初始值）
图13闭环实验增大给定电压时的波形（给定电压增大后）
（3）在电压闭环情况下，输入电压不变，当改变负载时，输出电压，占空比的情况如下表所示：
R/Ω
10.49
60
0.120
10.53
120
0.108
下面两图分别对应上表的两组数据，即负载为60Ω和120Ω时IGBT的GE两端电压的波形：
图14闭环实验负载为60Ω的波形
图15闭环实验负载为120Ω的波形
６、结论、问题和体会
6.1实验结论
通过以上实验过程,得出了本次试验的结果。
开环实验下，通过数据和波形，我们不难看出，输入电压、输出电压与占空比三者之间满足
的比例关系，验证了开环实验和设计的正确性。
闭环实验下，通过控制变量的原理我们分别讨论了只改变输入电压、只改变给定电压、只改变电阻负载三种不同的情况下，输出电压和占空比的数据关系。
首先在仅改变输入电压实验中，我们由数据和波形不难看出，增大输入电压时，占空比随之减小，同时输出电压基本恒定，达到了稳压的效果，验证了闭环实验的正确性。
其次我们仅改变给定电压，在输入电压不变时，增大给定电压RP1，我们看出输出电压随着给定电压的增大而增大，占空比也随之增大，这说明输出电压由给定电压决定。
最后通过改变负载，观察到增大或减小负载时，输出电压都恒定在某一值范围内，占空比也基本不变，实现了稳压效果。
6.2实验中遇到的问题
实验电路刚导通时，为了给电容充电，电感电流瞬时值很大，超调接近200%。
解决方案：
可以在导通时加个限流电阻，待稳定后将其短接。
另外，也可以加上电流闭环反馈，来限制电流过大问题。
电流闭环与电压闭环形成双闭环可以更好起到控制效果。
6.3感受与体会
通过本次实训，我们深刻的了解了buck电路的工作原理，与闭环PI控制的原理，进一步加深了对闭环控制的理解。
本次实训，锻炼了我们的动手能力，首先体现在对模型的仿真，在SIMULINK平台上对电路与控制电路进行仿真，让我们更加熟悉通过仿真模型来解决电力电子及相关学科中的原理与问题。
实际操作时会遇到理论分析中所意想不到的事情，极大提高了我们的处理故障能力和应变能力，以及分析能力。
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