电力电子与电力传动实训 降压变换器
电力电子技术项目实训设计报告模板3
课程设计说明书设计名称：电力电子技术项目实训题目： DC/DC Buck- Boost变换器的主电路和控制电路设计学生姓名：专业：电气工程及其自动化班级： 12（4）班学号：指导教师：屈莉莉杨兆华日期： 2015 年 1 月 16 日课程设计任务书电气工程与自动化专业 12 年级 4 班一、设计题目DC/DC Buck-Boost变换器的主电路和控制电路设计二、主要内容设计一个DC/DC Buck-Boost变换器的主电路和控制电路，利用MATLAB/PSIM 仿真软件，对所设计的电路进行仿真验证。
输入电压为20V ，输出电压为10 V-40V ，纹波电压为输出电压的0.2% ，负载电阻为10Ω，开关管选用MOSFET，工作频率为20KHz。
三、具体要求1.根据DC/DC Buck- Boost变换器的工作原理设计电感电流连续情况下主电路参数；2.建立DC/DC Buck- Boost变换器仿真模型；3.研究MOSFET门极触发脉冲Vg、电感电压VL、电感电流iL、输出电压VO、MOSFET 电流iQ1、二极管电流iD1的波形，并对结果进行分析；4.仿真分析电感电流断续时的电路工作情况；5.设计控制电路，保证输入电压或负载变化± 20%时，输出电压保持不变，且纹波控制在 2%以内。
根据电压负反馈控制的基本原则，确定补偿网络传递函数的形式和参数大小，并用波特图验证所设计的闭环控制系统是否稳定；6．撰写设计报告。
四、进度安排1．每个同学选定题目，独立查阅文献资料；（1天）2．熟悉仿真软件。
（1天）3．主电路参数设计；（2天）4．建立主电路仿真模型和完成开环状态下仿真验证；（3天）5．控制电路参数设计；（2天）6．建立控制电路仿真模型和完成闭环状态下仿真验证；（3天）7．编写不少于3000字的项目总结报告及提供仿真模型（电子版）；（2天）8．总结与答辩。
（1天）五、完成后应上交的材料1. 设计报告；2. 仿真模型（电子版）。
降压式变换器
实验三降压式变换器一、实验原理图：
二、仿真波形与数据分析
1、R=10Ω电感为L=1mH的情况：
输出平均电压：
2、R=10Ω电感为L=0.1mH
输出平均电压
数据分析：比较1、2两种情况，当负载相同，储能电感不同时
相同：充电时，由于RC较大，电路充电电流先增加，之后慢慢趋于平缓
不同：电感较大的情况下，由于电感的储能也较大，因此在L=1mH时的电流是连续的
，电压波形也连续，而电感为0.1mH的电感储能小，放电电流很快趋于零，因此波形不连续。
3、R=1000Ω电感为1mH
比较1、3情况下，相同储能电感时，不同电阻大小时
在R=1000Ω的情况下，由于电阻远大于10Ω，电流较小，压降全部降在电阻下，因此电流
很快降为0，二极管反向击穿，并且产生电流。
电动机降压启动实训报告
一、实训目的本次实训旨在使学生掌握电动机降压启动的基本原理、方法及操作技能，了解电动机降压启动在工业生产中的应用，并提高学生对电气控制系统的实际操作能力。
二、实训内容1. 电动机降压启动原理电动机降压启动是利用启动设备降低加在电动机定子绕组上的启动电压，以减小启动电流，降低启动转矩，保护电动机和电网。
常用的降压启动方法有星三角降压启动、自耦变压器降压启动等。
2. 星三角降压启动星三角降压启动是将电动机绕组接成星形（Y形）启动，启动后自动切换到三角形（Δ形）运行。
该方法适用于电动机容量较大、启动电流较大的场合。
3. 自耦变压器降压启动自耦变压器降压启动是利用自耦变压器降低电动机启动电压，待电动机启动后，再使电动机与自耦变压器脱离，在全压下正常运行。
该方法适用于电动机容量较大、启动电流较大的场合。
三、实训步骤1. 星三角降压启动（1）根据电气原理图，连接星三角降压启动控制线路。
（2）检查线路连接是否正确，确保安全。
（3）按下启动按钮，观察电动机启动过程，记录启动电流、启动时间等参数。
（4）观察电动机运行状态，检查运行是否正常。
（5）按下停止按钮，观察电动机停止过程。
2. 自耦变压器降压启动（1）根据电气原理图，连接自耦变压器降压启动控制线路。
（2）检查线路连接是否正确，确保安全。
（3）按下启动按钮，观察电动机启动过程，记录启动电流、启动时间等参数。
（4）观察电动机运行状态，检查运行是否正常。
（5）按下停止按钮，观察电动机停止过程。
四、实训结果与分析1. 星三角降压启动实训过程中，电动机启动电流约为额定电流的1/3，启动时间约为额定时间的1/3。
电动机运行平稳，无异常现象。
2. 自耦变压器降压启动实训过程中，电动机启动电流约为额定电流的1/4，启动时间约为额定时间的1/4。
电动机运行平稳，无异常现象。
五、实训总结1. 通过本次实训，掌握了电动机降压启动的基本原理、方法及操作技能。
2. 了解电动机降压启动在工业生产中的应用，提高了对电气控制系统的实际操作能力。
降压变换器原理
降压变换器原理
降压变换器是一种电子设备，用于将输入电压降低到所需的输出电压。
它由几个主要组件组成，包括输入电压源、变压器、开关器件（如MOSFET或BJT）、电感和电容等。
工作原理如下：首先，输入电压通过开关器件进入变压器的初级线圈。
然后，开关器件周期性地打开和关闭，形成一个高频的脉冲信号。
这个脉冲信号通过变压器的磁耦合效应，将能量传递到次级线圈。
在次级线圈中，电流会被电感限制，并经过输出电容进行滤波，以获得稳定的输出电压。
通过控制开关器件的占空比，降压变换器可以调整输出电压的大小。
当开关器件关闭时，能量会从电感中释放出来，通过二极管流向输出负载。
当开关器件打开时，电感会积累电能，以供给下一个开关周期使用。
降压变换器的功率转换效率通常很高，这是因为在开关器件转换状态时，能量几乎没有损耗。
然而，在实际应用中，还要考虑到开关损耗、电感和电容的损耗、温度效应等因素，以确保降压变换器的可靠性和稳定性。
总之，降压变换器通过变压器和开关器件等组件实现输入电压向输出电压的降压转换。
它在电子设备中广泛应用，例如电源适配器、手机充电器等。
电力电子课设-DC-DC变换器
电力电子课程设计DC-DC变换器学院：信息科学与工程学院班级：姓名：学号：指导教师：时间：目录一、引言 (1)二、设计要求与方案 (2)2.2方案确定 (2)三、主电路设计 (4)3.2工作原理 (4)3.3参数分析 (6)四、控制电路设计 (7)4.1控制电路方案选择 (7)4.2工作原理 (8)4.3控制芯片介绍以及参数确定 (8)五、驱动电路设计 (10)5.1驱动电路方案选择 (10)5.2工作原理 (11)六、保护电路设计 (11)6.1过压保护电路 (12)6.1.1主电路器件保护 (12)6.1.2负载过电压保护 (12)6.2过流保护电路 (13)七、系统仿真及结论 (13)7.1MA TLAB仿真图 (13)7.2调试与结果分析 (14)八、课程设计总结 (15)九、参考文献 (16)十、致谢 (16)十一、附图 (17)一、引言DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。
斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。
BUCK变换器是开关电源基本拓扑结构中的一种，BUCK变换器又称降压变换器，是一种对输入输出电压进行降压变换的直流斩波器，即输出电压低于输入电压，由于其具有优越的变压功能，因此可以直接用于需要直接降压的地方。
本次课设立求设计出DC-DC变换器实现15V向5V的电压变换，选取的电路是IGBT降压斩波电路。
IGBT降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。
IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。
它既有MOSFET 易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。
其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。
所以用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大的优点。
《电力电子技术》电子课件(高职高专第5版) 3.4 升降压变换电路电路
C充电量等于放电量，通过电容的平均电流为零，图3.4.1(d) 中 ic波形的阴影部分面积反映了一个周期内电容C中电荷的泄 放量。电容C上的脉动电压就是输出纹波电压，则
U0＝UC
1 C
ton 0
icdt
1 C
ton 0
Iodt
Io C
D（1－D） L0 2 fI 0K Ud
(3.4.11)
变换器的可能运行情况：
实际负载电流Io＞Ick时，电感电流连续。 实界际点负)。载电流Io = Ick时，电感电流处于临界连续(有断流临
实际负载电流Io＜Ick时，电感电流断流。
3.4 升降压变换电路
2 输出纹波电压
Buck-Boost电路中电容C的充、放电情况与Boost电路相同，
U0
－ D 1 D
Ud
(3.4.5)
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0.5<D<1时，U0>Ud，为升压变换； 当0≤D<0.5时，U0<Ud，为降压变换。
3.4 升降压变换电路
2、电感电流 iL
（1）电感电流连续
采用前几节同样的分析方法可得电感电流临界连续时的负 载电流平均值为：
电力电子技术(第5版) 第3章 直流变换电路
3.4 升降压变换电路电路
3.4 升降压变换电路
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3.4.1(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。
降压变换器的基本工作原理
降压变换器的基本工作原理在汽车中，有些照咖是由单个LED担任的，如顶灯、地图灯、行李箱照明灼。
以及门灯等。
一只白光LED的正向压降为3—4V，汽车由蓄电他提供的内部电压，一舱为12—14V，这就出现了输入电压远远超过LED所需要的情况。
如果采用线性稳压器通过降压来驱动L四，必然会出现电源功率转换效率过低的问题。
为此，必须采用开关型DC仍C降压变换器，宅既为LED提供所需的低压电源、恒定的电流，又能有较高的转换效率。
降压变换器(BuCk)又称串联开关稳压器或开关型降压稳压器。
下面介绍降压变换器的基本电路拓扑和它的工作原理。
降压变换器的电路形式及工作原理降压变换器的电路形式如图所示是开关管，VD是开关二极管，在VT截正期间，为电感电流提供继续流通的通路。
由图见，输入和输ABC电子出在电气上是直接相通的，无隔离，属于非隔离型功率变换器。
为分析简便起见，在电路的工作频率较高、电感工和电容Co较大时，输出电压和流过二极管的电流可以视为稳定不变的，艾博希电子分别以定位RO、Jo表尔当VT导退时，由于假定输入、输出电压是同定的，电感两端电压差RD厂RO也是一个定值，这样，流过电感L的电流将按线性斤升，由初始的最小位即谷值JV直线上升，到开关管VT导通结束时，达到最大值人MM即峰值JP。
如VT的导通时间为则有：小当VT截女时，电感力图维持其电流不变。
在电感两端将产生感应电动势，极性为右正左负，与VT导通时的极性如图恰好相反。
它使二极管w导通，为电感电流提供续流远路，此后，出其最大值／LMM(JP)线性卜降。
如果VT的截止时间为ROR，且在电感电流连续导通模式(CCM)下，则在截止期结束时，电感电流由峰值JP产降到谷值JV，并满足以下关系：价(k丛)RO；生JL＝Bp RO；在上面诺式中，7为开关周期，D为开关管的占空IC现货商比，o＝RJ厂，其值小于1，D越小，输出电压RO越小。
由式(5—4)可见，输出电压RO与占空比D呈线性关系，D大，输出电压亦大；此外，输出电压比输入电压RM低，降压之名即由此而来。
直流降压变换器课程设计
直流降压变换器课程设计
1 引言
直流降压变换器是电子电路中常见的一种电源电路，可将输入的高电压直流信号转换为稳定的低电压直流信号。
在本篇文章中，我们将对直流降压变换器的设计进行介绍。
2 基本原理
直流降压变换器的基本原理是通过谐振电路产生一定的自激振荡频率，控制开关管的导通与断开，从而使输入电源电压经过空心电感器的分压作用，输出一个稳定的较低电压信号。
3 设计参数
在设计直流降压变换器时，需要考虑电感器、电容器与开关管的参数，以及谐振频率等因素。
其中，电感器的选取需根据负载电流大小来选择，开关管的选用须能承受较大的电流，同时对温度变化的影响较小。
此外，电容器的选用需考虑其容值、耐压和ESR等因素。
4 仿真实验
为验证直流降压变换器的效果，在设计完成后需进行仿真实验，以便确定电路的可靠性与稳定性。
在仿真实验中，可将实验参数设定为：输入电压为24V，输出电压为12V，输出电流为2A。
5 结论
直流降压变换器是一种常见的电源电路，其性能稳定、功率转换效率高，被广泛应用于各种电子电路中。
在设计直流降压变换器时，需注意电感器、电容器与开关管的参数设置，以及谐振频率等因素。
在实验测试中，还需考虑变换器的可靠性与稳定性等因素，以保证实际应用效果的稳定性和可靠性。
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目录1、项目技术目标11.1 指标11.1.1 开环指标11.1.2 闭环指标11.1.3 输入输出参数指标11.2 仿真软件12、项目的主电路设计22.1 主电路设计2２.2工作原理2２.3参数选择3电源3开关3二极管3电感3电容3负载33、项目的控制电路设计43.1 控制电路的设计方案43.２控制电路的工作原理4３.3参数选择53.3.1 参数选择的原如此53.2.2 参数确实定54、系统仿真54.１仿真软件MATLAB54.２仿真模型的建立54.2.1 开环仿真实验64.2.2 闭环仿真实验65、实验分析85.１实验平台介绍8系统参数8系统构成8５.２采用的实验箱10５．3实验过程与波形数据10开环实验10闭环实验11６、结论、问题和体会15实验结论15实验中遇到的问题15感受与体会151、项目技术目标本项目为降压型直直变换设施，在开环实验情况下，能够满足降压型变换器输入电压，输出电压，导通比三者之间的关系，即D U U i ⋅=o 。
在闭环实验情况下，实验目标为将输入电压源降压后输出，并稳定输出电压，负载大小变化和输入电压产生较大波动时，依旧能够保持负载两端的电压稳定。
采用电压单闭环反应控制模式实现稳压。
指标1.1.1 开环指标在开环的情况下，令占空比不变，使输入增加的同时输出也增加。
并且输出直流电压低于输入直流电压。
1.1.2 闭环指标在闭环情况下，令输出电压不变，根据输入电压的不同调节占空比，最后达到实验效果，同时输出直流电压低于输入直流电压。
1.1.3 输入输出参数指标系统的输入输出参数目标：输入电压：DC200V ，电压波动±15%输出电压：DC110V ,输出功率：1kW恒压精度：优于5%电压调整率：优于5%负载整率：优于5%1.2 仿真软件本次实验我们采用MATLAB 软件中的SIMULINK 平台进展电路设计，并进展仿真。
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Sim Power Electronic 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Pulse Generator 作为IGBT 的触发脉冲，控制其开通与关断。
如下图为开环时的降压型直直变换器主电路：图1 Buck 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展讨论。
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o i U U U -=L ，由于o i U U >，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o L U U -=， 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：()S offo on o i L T t U t U U U ⋅-⋅-= 〔2-1〕式中，U L 为电感两端的电压在一个开关周期内的平均值；T S 为开关周期，off on S T T T +=；T on 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根本原理。
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()0=⋅-⋅-=S offo on o i L T t U t U U U有 D T t U U Son i o == 〔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Son T t D =。
由于其10≤≤D ，因此，降压型电路的输出电压不可能高于起输入电压，且与输入电压极性一样。
根据《电力电子与电力传动实训实验指导书》与实验室设备选择各元器件的 参数。
电压源：75至100伏。
电子开关：选用已有的绝缘栅双极型晶体管〔IGBT 〕作为开关。
续流二极管：选用快速恢复二极管。
大电感：4mH 。
支撑电容：560μF 。
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应的方法进展稳压。
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展比拟后的放大器输出信号作为IGBT的触发信号进展电压控制。
3.1 控制电路的设计方案如下图为电压单闭环控制时的控制电路：图2 Buck电路的电压单闭环控制电路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拟，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，对电压进展限幅后送入比拟器与方波进展比拟。
从比拟器输出比拟结果的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，比拟器讲之与方波做比拟，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，U将降低。
o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，比拟器讲之与方波做比拟，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，U将升高。
o由上可得，通过反应控制电路自动工作，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。
3.3.1 参数选择的原如此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两个参数进展求解设计，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X围达到理想的电压调整率要求。
同时，电压比拟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 参数确实定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MATLABMATLAB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、离散与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展仿真,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与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。
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展设置。
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4 Buck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根本方程式，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〕的比拟，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如下图图5Buck型降压变换器的闭环仿真模型对仿真参数设计如下：输入电压50V；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6 Buck型降压变换器的闭环仿真波形由图可见，仿真的结果根本满足预期目标，通过试凑法对各个元件的参数进展少量的修改，最终达到一个我们满意的状态，输出电压根本恒定在20V上下。
虽然还是有波动，但是已经达到了我们的预期，达到了事先确定的准确度，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。