电力电子电路建模与仿真实验实验二 DC/DC直流斩波电路的仿真
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一、实验目的
1 进一步掌握PSIM软件的使用方法。
2 学习常用直流斩波电路的建模与仿真方法。
3 加深理解各斩波电路的工作原理和不同变换特性。
二、实验内容、步骤与结果
1 降压斩波电路
（1）、按图2-1设计仿真电路，设置电路参数，使其工作在连续模式，记录开关电压，输出电压与电流的波形及相应的仿真参数。
图2-1（电路原理图）
连续电路参数：L =1H ；R =100欧；F=50HZ；E=100V;占空比：0.8；
仿真时间t=0.1s。
仿真波形：
图2-1-1（连续模式）
（2）、改变电路参数，使其工作在非连续模式，在记录开关电压、输出电压与电流的波形及相应得的真参数。
非连续电路参数：L =0.1H ；R =100欧；F=50HZ；E=200V;占空比：0.6；仿真时间t=1s。
仿真波形：
图2-1-2（非连续电路续模式）
（3）、测量输出电压的直流分量，分析它与占控比的关系，并与理论值进行对比。
电压的直流分量与波形：80V
实验结果分析：
(1)电压的直流分量计算公式：U o=t on
t on+t off E=t on
T
E=αE
其中a=0.8,且E=100
故理论计算值U0=80
实际测量值U0=80
可见直流电压分量与占空比成正比。
实际测量值与理论计算值相差无几，
极为接近。
说明仿真是很准确的，结果真实可信。
2 升压斩波电路
（1）、按图2-2设计仿真电路，设置电路参数，使其工作在连续模式，记录开关电压，输出电压与电流的波形及相应的仿真参数。
图2-2（电路原理图及改进电路）
连续电路参数L =20mH ；R =20欧姆；C=220uF；F=1000HZ；E=100V;占空比：0.5 ；仿真时间t=50ms。
图2-2-1(连续模式)
（2）、改变电路参数，使其工作在非连续模式，在记录开关电压、输出电压与电流的波形及相应得的真参数。
断续电路参数： L =1H ；R =500欧；C=100u；F=1000HZ；E=100V;占空比：0.8；仿真时间t=0.1S。
图2-2-2(断续续模式)
（3）、测量输出电压的直流分量，分析它与占控比的关系，并与理论值进行对比。
直流电压分量与波形：
（4）、提出改进电路并进行仿真。
实验结果分析：
电压的直流分量计算公式：U o=t on+t off
t off E=T
t off
E=1
β
E
其中α=0.5且E=100；
α+β=1，可得U o=1
βE=1
1−α
E;
故理论计算值U0=200V
实际测量值U0=180V
测量结果与理论值有一定的误差，大约为10%左右。
这种测量误差是不能容忍的。
因此应进行改进测量方法。
即使用直流电压表（DC Voltmeter）进行测量，测量结果见图2-2-3(电压直流分量)。
可见稳定值与理论值极为接近。
大约为300V。
说明结果可信。
3 升降压斩波电路
（1）、按图2-3设计仿真电路,合理设置电路参数，使其工作在连续模式，记录开关电压，输出电压与电流的波形及相应的仿真参数。
连续：
连续a=0.8：断续a=0.5：
图2-3(电路原理图及改进电路)
连续升压电路：L =20mH ；R =1000欧；C=100uF；F=1000HZ；E=100V；占空比：0.8 仿真时间 t=100ms。
连续降压电路：L =20mH ；R =1000欧；C=100uF；F=1000HZ；E=100V；占空比：0.5 仿真时间 t=100ms。
仿真波形：
（2）、改变电路参数，使其工作在非连续模式，在记录开关电压、输出电压与电流的波形及相应得的真参数。
非连续升压电路：L =20mH ；R =20欧；C=220uF；F=1000HZ；E=100V；
占空比：0.8 仿真时间 t=100ms。
非连续降压电路：L =20mH ；R =20欧；C=220uF；F=1000HZ；E=100V；
占空比：0.5 仿真时间 t=100ms。
（3）、测量输出电压的直流分量，分析它与占控比的关系，并与理论值进行
对比。
实验结果分析：
电压的直流分量计算公式：U o=t on
t off E=t on
T−t on
=α
1−α
E
当其中α=0.8且E=100V；故理论计算值U o=400V; 而实际测量值U o=250V；当其中α=0.5且E=100V；
故理论计算值U o=100V;
而实际测量值U o=90V；
通过上述对比分析可以发现测量误差相对小，求其原因是选取的是电压稳定后一段较小的时间，这样就在很大程度上降低了误差。
使结果较为准确。
此外通过直流电压表测量直流分量较为准确。
四、思考题
1 总结上述斩波电路的不同之处。
答：上述包括5种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路， Sepic斩波电路，Zeta斩波电路，前两种是最基本电路。
降压斩波电路通过IGBT的导通关断改变输出电压的值；升压斩波电路通过电容和电感的储能作用，在IGBT关断时，电源和电容共同提供能量；升降压斩波电路是在IGBT处于通态时，电源给电感储能。
电容C维持输出电压并向负载供电，IGBT关断时负载电压与电源极性相反。
输出电压可调；Sepic斩波电路电源电流和负载电流均连续，有利于输入输出滤波，反之，Zeta斩波电路输入输出电流均不连续。
2 以降压斩波电路为例，分析导致电流由连续模式变为非连续模式的原因。
答：在降压斩波电路中，电流由连续模式变为非连续模式只改变了电阻值，即只改变了时间常数的值。
可得L R⁄=t on是临界值。
可以计算得在本次参数设定时只要使R>100欧时即可导致电流由连续模式变为非连续模式的原因。
在其他电路中同样只要时间常数的值。
3 总结仿真过程中那些模型与实际情况差别较大？如何解决？
答：在升压斩波电路，升降压斩波电路中由于电容和电感较大很难在一个周期中储满能量。
需要一定的时间才能达到稳定值，且放电也不能一次放完。
这是因为电路元件参数设置不合理。
为解决上述问题，应合理设置电路元件参数，也可以适当延长仿真时间，并取稳态值进行分析
4 欲实现输入与输出的电气隔离，设计相应的仿真电路并进行仿真。
以降压斩波电路为例:.
电路参数：L =0.01H ；R =10欧；F=500HZ；电源E=100V，频率1000HZ 500hz;
占空比：0.5 ；仿真时间t=1s；变压器：1:1；。
实验电路原理图：
图-附4-4（仿真波形）
电气隔离是采用一次边、二次边电压相等的隔离变压器实现工作回路(二次回路)与其他电气回路电气上的隔离。
应用电气隔离需满足以下安全条件：隔离变压器必须具有加强绝缘的结构，其温升和绝缘电阻要求与安全隔离变压器相同。
其最大容量，单相变压器不得超过25kVA、三相变压器不得超过40kVA。
其空载输出电压交流不应超过1 000V、脉动直流不应超过1 000 V、负载时电压降低一般不得超过额定电压的5％～15％。
它具有耐热、防潮、防水及抗震结构；不得用赛璐珞等易燃材料作结构材料；手柄、操作杆、按钮等不应带电；外壳应有足够的机械强度，一般不能被打开，并应能防止偶然触及带电部分；盖板至少应由两种方式固定，其中，至少有一种方式必须使用工具实现。
其输出绕组一般不应与壳体相连；输入绕组不应与输出绕组相连。
其电源开关应采用全极开关，触头开距应大于3mm；输出插座均应能防止不同电压的插销插入；固定式变压器输入回路不得采用插接件；移动式变压器可带有2～4m电源线，电源线截面积参见“安全电压电源及回路”条目。
其当输入端子与输出端子之间的距离小于25mm时，则其间须用与变压器连成一体的绝缘隔板隔开。
Ⅰ类变压器应有保护端子，其电源线中应有一条专用保护线；Ⅱ类变压器没有保护端子。
五、实验心得：
这是我第二次做电力电子电路建模与仿真实验，通过本次实验，我进一步了解了PSIM软件的使用方法。
这个实验比上一个实验稍有难度，在画电路图时也应注意连线之间的关系，实验过程中我还明白了之前在理论课堂上没有掌握的知识，受益匪浅。