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gjx电力电子技术课程设计报告
电力电子技术课程设计
班级:
建电1102班
学号:
111705205
姓名:
葛嘉新
扬州大学水利与能源动力工程学院
二〇一三年十二月
目录
第一部分课程设计内容介绍-1-
一、课程设计的题目-1-
二、课程设计的主要内容-1-
1.设计阶段-1-
2.试验阶段-1-
第二部分理论分析-1-
一、直流降压斩波电路的工作原理-1-
二、直流降压斩波电路的分析-2-
三、电路元件分析-4-
1.IGBT管(绝缘栅双极晶体管)-4-
2.二极管-4-
3.电感-4-
4.电容-4-
第三部分仿真实验-4-
一、在SIMULINK平台上搭建电路图-4-
二、基本功能仿真(保证负载波形连续时)-5-
IGBT导通脉宽对电路的影响-5-
三、电路特性仿真(保证负载波形连续时)-7-
1.电感L的变化对电路输出的影响-7-
2.电容C的变化对电路输出的影响-9-
四、波形连续、断续临界条件的研究与仿真-10-
1、电感L对于波形连续、断续的临界条件-10-
2、电容C对于电感临界条件的改变-12-
五、实验结论-13-
第四部分后记-13-
一、感想与体会-13-
二、参考资料-14-
第一部分课程设计内容介绍
一、课程设计的题目
本次课程设计的题目为Buck变换器的研究。
二、课程设计的主要内容
1.设计阶段
设计一个Buck变换器电路(即直流降压斩波电路),分析其原理,电路结构,工作方式,电路性能,主要用途等。
2.试验阶段
利用MATLAB软件的SIMULINK仿真平台,搭建模拟电路,设置电路参数、仿真参数,进行计算机仿真实验,并将试验结果与预计结果作比较,分析原因,进而修改电路结构、参数等。
最后,分析电路性能,观察参数改变时仿真结果的改变,得出结论。
第二部分理论分析
一、直流降压斩波电路的工作原理
直流降压斩波变换电路产生一个低于直流输入电压Ud的平均输出电压Uo。
一个具有纯电阻负载的降压变换的基本电路拓补结构如图1(a)所示。
假定开关是理想的,则瞬时输出电压决定于开关的通断状态。
如图1(b)所示,根据开关占空比可计算平均输出电压为:
,即:
。
在连续导电的工作模式中,当输入电压一定时,输出电压与开关占空比成线性关系,而与其他任何电路参数无关,其实验电路如图2所示。
图1直流降压变换的基本电路拓补结构图
图2直流降压斩波变换实验电路图
二、直流降压斩波电路的分析
由图3中的V的栅射电压
波形可知,在
时刻驱动V导通,电源E向负载供电,负载电压
,负载电流
按指数曲线上升。
当
时刻,控制V关断,负载电流经二极管VD续流,负载电压
近似为零,负载电流呈指数曲线下降。
为了使负载电流连续且脉动小,通常串接L值很大的电感。
至一个周期T结束,再驱动V导通,重复上一周期的过程。
当电路工作与稳态时,负载电流在一个周期的初值和终值相等。
负载电压的平均值为
;式中,
为V处于通态的时间;
为V处于断态的时间;T为开关周期;
为导通占空比。
由此式知,输出到负载的电压平均值
最大为E,若减小占空比
,则
随之减小。
故将该电路称为降压斩波电路。
负载电流的平均值
,若负载中的L值较小,则在V关断后,到了
时刻,如图3所示,负载电流已衰减至零,会出现负载电流断续的情况。
由波形可见,负载电压
平均值会被抬高,一般不希望出现电流断续的情况。
根据对输出电压平均值进行调制的方式不同,斩波电路可有三种控制方式。
1)保持开关周期T不变,调节开关导通时间
,称为脉冲宽度调制(PWM方式)。
2)保持开关导通时间
不变,改变开关周期T,称为频率调制。
3)
和T都可调,使占空比改变,称为混合型。
图3直流降压斩波电路理想波形图
三、电路元件分析
1.IGBT管(绝缘栅双极晶体管)
作用:
控制电路的通断,起到“斩波”作用。
特点:
IGBT是三端元件,具有很强的通流能力,导通、关断时间短,反应灵敏。
参数:
当IGBT截止时,回路通过二极管续流,此时IGBT两端承受最大正压为30V;而当时,IGBT有最大电流,其值为1A。
故需选择集电极最大连续电流,反向击穿电压的IGBT。
而一般的IGBT基本上都可以满足这个要求。
2.二极管
作用:
在IGBT关断时,起续流作用。
参数:
当α=1时,其承受最大反压30V;而当α趋近于1时,其承受最大电流趋近于1A,故需选择额定电压大于30V,额定电流大于1A的二极管。
3.电感
作用:
稳流,维持流过负载的电流大小,起储能作用。
参数:
为保持电流不变,应取足够大。
4.电容
作用:
平波作用,通过IGBT开、关间隙不断充放电,使流过负载的电流变化平滑。
参数:
根据实际需要选取。
第三部分仿真实验
一、在SIMULINK平台上搭建电路图
主要元件:
电源(powerlib库)、IGBT、电力二极管、电阻、电感、电容、脉冲触发器及示波器等。
所建立的电路图如图4所示。
图中示波器S1观察的四踪信号分别为电源电压与电感L端电压、通过负载电流与二极管端电压、负载电压及触发信号;示波器S2仅观察负载电压信号。
图中脉冲发生器频率为1000Hz,振幅1V,通过调其脉宽可以控制输出电压大小。
仿真参数设置:
起始时间为0s,终止时间视具体情况而定。
采用ode23tb(stiff/TR-BDF2)算法,步长暂且设置为1e-6。
图4SIMULINK仿真电路图
二、基本功能仿真(保证负载波形连续时)
IGBT导通脉宽对电路的影响
1)参数:
脉宽50%,L=5mH,C=1e-3F,R=1Ω,仿真时间0~0.02s。
现象:
负载两端电压会快速上升到50V,电流相应变为50A;电感两端电压的上下限电平:
50V和-50V。
2)参数:
脉宽80%,L=5mH,C=1e-3F,R=1Ω,仿真时间0~0.02s。
现象:
负载两端电压会快速上升到80V,电流相应变为80A;电感两端电压的上下限电平:
30V和-80V。
结论:
直流降压斩波电路输出电压与输入电压成比例,比例值为触脉宽,即
,这与前面的理论分析结果相同。
三、电路特性仿真(保证负载波形连续时)
注:
由于负载为阻性负载,负载上的电流、电压波形相差不大,故以下只给出了负载端电压的波形。
1.电感L的变化对电路输出的影响
1)参数:
脉宽50%,L=10mH,C=1e-3F,R=1Ω,仿真时间0~0.06s。
2)参数:
脉宽50%,L=5mH,C=1e-3F,R=1Ω,仿真时间0~0.06s。
3)参数:
脉宽50%,L=1mH,C=1e-3F,R=1Ω,仿真时间0~0.06s。
4)参数:
脉宽50%,L=0.5mH,C=1e-3F,R=1Ω,仿真时间0~0.06s。
结论:
从三幅图的对比可以看出,L的值对电路影响较大。
L越大,系统响应越慢,但波形平稳;L越小,系统响应越快,但波形躁动很大。
增大L相当于增大了系统的阻尼比,系统稳定性增强;相反,减小L则减小阻尼比,系统可能就会出现超调(L=1mH和0.5mH时),且L越小超调越大。
所以,在选择系统的电感值时,应尽量取使系统保持临界阻尼的电感值,这样,系统响应又快又稳。
2.电容C的变化对电路输出的影响
1)参数:
脉宽50%,L=5mH,C=1e-4F,R=1Ω,仿真时间0~0.04s。
2)参数:
脉宽50%,L=5mH,C=1e-3F,R=1Ω,仿真时间0~0.04s。
3)参数:
脉宽50%,L=5mH,C=5e-3F,R=1Ω,仿真时间0~0.04s。
4)参数:
脉宽50%,L=5mH,C=1e-2F,R=1Ω,仿真时间0~0.04s。
结论:
从三幅图的对比可以看出,C的值对电路影响也较大。
C越大,系统响应越慢,但波形平稳;C越小,系统响应越快,但波形躁动变大。
但与电感相反的是,减小C相当于增大了系统的阻尼比,系统稳定性增强;相反,增大C则减小阻尼比,系统可能就会出现超调(C=5e-3F和1e-2F时),并且C越大超调越大。
所以,在选择系统的电容值时,不应太大或太小,太小使平波性能变差,太大使稳定性能变差。
四、波形连续、断续临界条件的研究与仿真
在IGBT管随触发脉冲信号的变化而快速关断与导通时,负载端本应获得断续的电压、电流波形,但由于电感与二极管的续流作用及电容充放电过程的缓冲作用,负载端的电压、电流仅在一定范围内浮动甚至十分稳定(前面已经研究过)。
本部分主要关注当电阻、电感很小(接近于0)时负载端电压的连续与断续。
1、电感L对于波形连续、断续的临界条件
为了对照方便,不妨先仅考虑电感的影响,使电容为0。
1)参数:
脉宽50%,L=5e-4H,C=0F,R=1Ω,仿真时间0~0.02s。
从图中可看出负载端电压波形等幅震荡十分明显,震荡上下限分别为73V和27V。
2)参数:
脉宽50%,L=2e-4H,C=0F,R=1Ω,仿真时间0~0.02s。
从图中可看出负载端电压波形等幅震荡更加明显,震荡上下限分别为92V和0V。
3)参数:
脉宽50%,L=1e-4H,C=0F,R=1Ω,仿真时间0~0.02s。
从图中可看出负载端电压波形等幅震荡已经是最大的0~100V,电压降到0V后立即开始上升,说明这个状态点是负载端电压、电流波形连续的临界状态点。
4)参数:
脉宽50%,L=5e-5H,C=0F,R=1Ω,仿真时间0~0.02s。
此时,波形已经出现了很明显的断续。
5)参数:
脉宽50%,L=0H(没有电感),C=0F,R=1Ω,仿真时间0~0.02s。
此时,电路相当于无电感电容下,负载端电压、电流的通断与IGBT的触发脉冲同步。
结论:
在减小电感L的过程中,确实会存在一个使电路连续到断续的临界状态。
2、电容C对于电感临界条件的改变
由于电容充放电带来的缓冲作用,也可能使本该断续的电路变为连续。
当电感L=5e-5H时,电路本应断续(前面已经研究过),但当电容C=1e-4F时,会出现不同的现象。
结论:
观察等幅震荡的最低点可发现,L=5e-5H是当C=1e-4F时的负载端波形连续与断续的连接状态点,也就是说,电路的临界状态点发生了变化,即增大电容会使连接状态点向电感减小的方向移动。
观察最高点可以发现,加大电容会使电路的等幅震荡增大,电压的峰值会大于原来的输入电压E。
所以,这种做法不适合于降压斩波电路,但可以巧妙地利用在获得脉冲信号的场合。
五、实验结论
1)直流降压斩波电路(Buck变换器)能有效地按比例输出降低后的直流电压,并且输出电压可以通过调节脉冲宽度来调节。
2)在使用直流降压斩波电路时,要恰当地选择电阻、电容,以满足波形的要求及系统稳定性的要求。
3)搭建降压斩波电路时,要注意电路的临界条件
第四部分后记
一、感想与体会
我们经历了一个学期的电力电子技术的学习,但是除了实验外并没有多少实践的机会。
课程设计与理论课程和实验有着很大的区别,它是一个综合性很强的课程环节,也是我们所必须经历的一个学习阶段。
在课程设计中,我们在学会理论知识的同时,还会加深自己对这门课程的理解。
在这门课程设计当中,我们能结合到一些其他课程,能巩固一些软件的运用(如MATLAB等软件)。
通过互相结合,相互渗透,来得到我们所需的数据、结论以及使我们掌握更多的知识。
在此次课程设计中,很多东西以前都没有接触到,比如脉冲发生器模块,电力电子器件模块,现在经过课程设计,通过查阅资料,我拓宽了自己的知识面,在课设中学会了独立思考和锻炼了自己的实践动手能力。
这次电力电子课程设计过程中,我参考了很多资料,发现自己现在学到的只是很小的一部分,在设计上有一定的难度。
就我设计的题目而言,平时在书上介绍的只是一些原理,并参数取值等介绍,具体要怎么设计一个完整的架构就需要我们对现有和过去学的知识有一个大概的了解。
通过课程设计的学习工作,使我接触了很多新的知识,比如相关软件的拓展,也让我对这门课有了更深的了解,培养了我们求真务实的态度。
最重要的,这门课教会了我“做什么”要比“怎么做”难得多。
做任何事都要有一个目标,从一开始就要有一个明确的方向,这样才有意义。
最后还要感谢老师的指导和同学们的帮助,让我顺利完成了课程设计。
二、参考资料
[1]
电力电子电路的计算机仿真
陈建业
编著
北京
清华大学出版社
2003
[2]
电路和系统的仿真实践
张占松
编著
北京
科技出版社
2000
[3]
电子电路CAD
贾新章
编著
西安
西安电子科技大学出版社
2002
[4]
Pspice8.0电路设计实例精粹
高伟涛
编著
北京
国防工业出版社
2001
[5]
MATLAB电子仿真与应用
韩利竹
编著
北京
国防工业出版社
[6]
开关电源的原理与设计
张占松
编著
北京
电子工业出版社
1999
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