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文檔簡介
1、<p> 電力電子技術(shù)課程設(shè)計</p><p><b> 二〇一三年十二月</b></p><p> 班級:建電1102班 </p><p> 學(xué)號:</p><p> 姓名:</p><p><b> 目錄</b></p><p>
2、; 第一部分 課程設(shè)計內(nèi)容介紹- 1 -</p><p> 一、課程設(shè)計的題目- 1 -</p><p> 二、課程設(shè)計的主要內(nèi)容- 1 -</p><p> 1.設(shè)計階段- 1 -</p><p> 2.試驗階段- 1 -</p><p> 第二部分 理論分析- 1 -</p>
3、<p> 一、直流降壓斬波電路的工作原理- 1 -</p><p> 二、直流降壓斬波電路的分析- 2 -</p><p> 三、電路元件分析- 4 -</p><p> 1.IGBT管(絕緣柵雙極晶體管)- 4 -</p><p> 2.二極管- 4 -</p><p> 3.電感
4、- 4 -</p><p> 4.電容- 4 -</p><p> 第三部分 仿真實驗- 4 -</p><p> 一、在SIMULINK平臺上搭建電路圖- 4 -</p><p> 二、基本功能仿真(保證負載波形連續(xù)時)- 5 -</p><p> IGBT導(dǎo)通脈寬對電路的影響- 5 -<
5、;/p><p> 三、電路特性仿真(保證負載波形連續(xù)時)- 7 -</p><p> 1.電感L的變化對電路輸出的影響- 7 -</p><p> 2.電容C的變化對電路輸出的影響- 9 -</p><p> 四、波形連續(xù)、斷續(xù)臨界條件的研究與仿真- 10 -</p><p> 1、電感L對于波形連續(xù)、斷
6、續(xù)的臨界條件- 10 -</p><p> 2、電容C對于電感臨界條件的改變- 12 -</p><p> 五、實驗結(jié)論- 13 -</p><p> 第四部分 后記- 13 -</p><p> 一、感想與體會- 13 -</p><p> 二、參考資料- 14 -</p>&l
7、t;p> 第一部分 課程設(shè)計內(nèi)容介紹</p><p><b> 一、課程設(shè)計的題目</b></p><p> 本次課程設(shè)計的題目為Buck變換器的研究。</p><p> 二、課程設(shè)計的主要內(nèi)容</p><p><b> 1.設(shè)計階段</b></p><p>
8、; 設(shè)計一個Buck變換器電路(即直流降壓斬波電路),分析其原理,電路結(jié)構(gòu),工作方式,電路性能,主要用途等。</p><p><b> 2.試驗階段</b></p><p> 利用MATLAB軟件的SIMULINK仿真平臺,搭建模擬電路,設(shè)置電路參數(shù)、仿真參數(shù),進行計算機仿真實驗,并將試驗結(jié)果與預(yù)計結(jié)果作比較,分析原因,進而修改電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)等。最后,分析電路性
9、能,觀察參數(shù)改變時仿真結(jié)果的改變,得出結(jié)論。</p><p> 第二部分 理論分析</p><p> 一、直流降壓斬波電路的工作原理</p><p> 直流降壓斬波變換電路產(chǎn)生一個低于直流輸入電壓Ud的平均輸出電壓Uo。一個具有純電阻負載的降壓變換的基本電路拓補結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。假定開關(guān)是理想的,則瞬時輸出電壓決定于開關(guān)的通斷狀態(tài)。如圖1(b)所示,根據(jù)
10、開關(guān)占空比可計算平均輸出電壓為:,即:。</p><p> 在連續(xù)導(dǎo)電的工作模式中,當(dāng)輸入電壓一定時,輸出電壓與開關(guān)占空比成線性關(guān)系,而與其他任何電路參數(shù)無關(guān),其實驗電路如圖2所示。</p><p> 圖1 直流降壓變換的基本電路拓補結(jié)構(gòu)圖</p><p> 圖2 直流降壓斬波變換實驗電路圖</p><p> 二、直流降壓斬波電路
11、的分析</p><p> 由圖3中的V的柵射電壓波形可知,在時刻驅(qū)動V導(dǎo)通,電源E向負載供電,負載電壓,負載電流按指數(shù)曲線上升。當(dāng)時刻,控制V關(guān)斷,負載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流,負載電壓近似為零,負載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負載電流連續(xù)且脈動小,通常串接L值很大的電感。至一個周期T結(jié)束,再驅(qū)動V導(dǎo)通,重復(fù)上一周期的過程。當(dāng)電路工作與穩(wěn)態(tài)時,負載電流在一個周期的初值和終值相等。</p><p&g
12、t; 負載電壓的平均值為;式中,為V處于通態(tài)的時間;為V處于斷態(tài)的時間;T為開關(guān)周期;為導(dǎo)通占空比。由此式知,輸出到負載的電壓平均值最大為E,若減小占空比,則隨之減小。故將該電路稱為降壓斬波電路。</p><p> 負載電流的平均值,若負載中的L值較小,則在V關(guān)斷后,到了時刻,如圖3所示,負載電流已衰減至零,會出現(xiàn)負載電流斷續(xù)的情況。由波形可見,負載電壓平均值會被抬高,一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。根據(jù)對輸出
13、電壓平均值進行調(diào)制的方式不同,斬波電路可有三種控制方式。</p><p> 1)保持開關(guān)周期T不變,調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時間,稱為脈沖寬度調(diào)制(PWM方式)。</p><p> 2)保持開關(guān)導(dǎo)通時間不變,改變開關(guān)周期T,稱為頻率調(diào)制。</p><p> 3)和T都可調(diào),使占空比改變,稱為混合型。</p><p> 圖3 直流降壓斬波電路理想
14、波形圖</p><p><b> 三、電路元件分析</b></p><p> 1.IGBT管(絕緣柵雙極晶體管)</p><p> 作用:控制電路的通斷,起到“斬波”作用。</p><p> 特點:IGBT是三端元件,具有很強的通流能力,導(dǎo)通、關(guān)斷時間短,反應(yīng)靈敏。</p><p> 參
15、數(shù):當(dāng)IGBT截止時,回路通過二極管續(xù)流,此時IGBT兩端承受最大正壓為30V;而當(dāng)時,IGBT有最大電流,其值為1A。故需選擇集電極最大連續(xù)電流,反向擊穿電壓的IGBT。而一般的IGBT基本上都可以滿足這個要求。</p><p><b> 2.二極管</b></p><p> 作用:在IGBT關(guān)斷時,起續(xù)流作用。</p><p> 參數(shù)
16、:當(dāng)α=1時,其承受最大反壓30V;而當(dāng)α趨近于1時,其承受最大電流趨近于1A,故需選擇額定電壓大于30V,額定電流大于1A的二極管。</p><p><b> 3.電感</b></p><p> 作用:穩(wěn)流,維持流過負載的電流大小,起儲能作用。</p><p> 參數(shù):為保持電流不變,應(yīng)取足夠大。</p><p>
17、;<b> 4.電容</b></p><p> 作用:平波作用,通過IGBT開、關(guān)間隙不斷充放電,使流過負載的電流變化平滑。</p><p> 參數(shù):根據(jù)實際需要選取。</p><p> 第三部分 仿真實驗</p><p> 一、在SIMULINK平臺上搭建電路圖</p><p>
18、主要元件:電源(powerlib庫)、IGBT、電力二極管、電阻、電感、電容、脈沖觸發(fā)器及示波器等。</p><p> 所建立的電路圖如圖4所示。</p><p> 圖中示波器S1觀察的四蹤信號分別為電源電壓與電感L端電壓、通過負載電流與二極管端電壓、負載電壓及觸發(fā)信號;示波器S2僅觀察負載電壓信號。</p><p> 圖中脈沖發(fā)生器頻率為1000Hz,振幅1
19、V,通過調(diào)其脈寬可以控制輸出電壓大小。</p><p> 仿真參數(shù)設(shè)置:起始時間為0s,終止時間視具體情況而定。采用ode23tb (stiff/TR-BDF2)算法,步長暫且設(shè)置為1e-6。</p><p> 圖4 SIMULINK仿真電路圖</p><p> 二、基本功能仿真(保證負載波形連續(xù)時)</p><p> IGBT導(dǎo)通
20、脈寬對電路的影響</p><p> 1)參數(shù):脈寬50%,L=5mH,C=1e-3F,R=1Ω,仿真時間0~0.02s。</p><p> 現(xiàn)象:負載兩端電壓會快速上升到50V,電流相應(yīng)變?yōu)?0A;電感兩端電壓的上下限電平:50V和-50V。</p><p> 2)參數(shù):脈寬80%,L=5mH,C=1e-3F,R=1Ω,仿真時間0~0.02s。</p&g
21、t;<p> 現(xiàn)象:負載兩端電壓會快速上升到80V,電流相應(yīng)變?yōu)?0A;電感兩端電壓的上下限電平:30V和-80V。</p><p> 結(jié)論:直流降壓斬波電路輸出電壓與輸入電壓成比例,比例值為觸脈寬,即,這與前面的理論分析結(jié)果相同。</p><p> 三、電路特性仿真(保證負載波形連續(xù)時)</p><p> 注:由于負載為阻性負載,負載上的電流
22、、電壓波形相差不大,故以下只給出了負載端電壓的波形。</p><p> 1.電感L的變化對電路輸出的影響</p><p> 1)參數(shù):脈寬50%,L=10mH,C=1e-3F,R=1Ω,仿真時間0~0.06s。</p><p> 2)參數(shù):脈寬50%,L=5mH,C=1e-3F,R=1Ω,仿真時間0~0.06s。</p><p> 3
23、)參數(shù):脈寬50%,L=1mH,C=1e-3F,R=1Ω,仿真時間0~0.06s。</p><p> 4)參數(shù):脈寬50%,L=0.5mH,C=1e-3F,R=1Ω,仿真時間0~0.06s。</p><p> 結(jié)論:從三幅圖的對比可以看出,L的值對電路影響較大。L越大,系統(tǒng)響應(yīng)越慢,但波形平穩(wěn);L越小,系統(tǒng)響應(yīng)越快,但波形躁動很大。增大L相當(dāng)于增大了系統(tǒng)的阻尼比,系統(tǒng)穩(wěn)定性增強;相反,
24、減小L則減小阻尼比,系統(tǒng)可能就會出現(xiàn)超調(diào)(L=1mH和0.5mH時),且L越小超調(diào)越大。所以,在選擇系統(tǒng)的電感值時,應(yīng)盡量取使系統(tǒng)保持臨界阻尼的電感值,這樣,系統(tǒng)響應(yīng)又快又穩(wěn)。</p><p> 2.電容C的變化對電路輸出的影響</p><p> 1)參數(shù):脈寬50%,L=5mH,C=1e-4F,R=1Ω,仿真時間0~0.04s。</p><p> 2)參數(shù):
25、脈寬50%,L=5mH,C=1e-3F,R=1Ω,仿真時間0~0.04s。</p><p> 3)參數(shù):脈寬50%,L=5mH,C=5e-3F,R=1Ω,仿真時間0~0.04s。</p><p> 4)參數(shù):脈寬50%,L=5mH,C=1e-2F,R=1Ω,仿真時間0~0.04s。</p><p> 結(jié)論:從三幅圖的對比可以看出,C的值對電路影響也較大。C越大
26、,系統(tǒng)響應(yīng)越慢,但波形平穩(wěn);C越小,系統(tǒng)響應(yīng)越快,但波形躁動變大。但與電感相反的是,減小C相當(dāng)于增大了系統(tǒng)的阻尼比,系統(tǒng)穩(wěn)定性增強;相反,增大C則減小阻尼比,系統(tǒng)可能就會出現(xiàn)超調(diào)(C=5e-3F和1e-2F時),并且C越大超調(diào)越大。所以,在選擇系統(tǒng)的電容值時,不應(yīng)太大或太小,太小使平波性能變差,太大使穩(wěn)定性能變差。</p><p> 四、波形連續(xù)、斷續(xù)臨界條件的研究與仿真</p><p>
27、; 在IGBT管隨觸發(fā)脈沖信號的變化而快速關(guān)斷與導(dǎo)通時,負載端本應(yīng)獲得斷續(xù)的電壓、電流波形,但由于電感與二極管的續(xù)流作用及電容充放電過程的緩沖作用,負載端的電壓、電流僅在一定范圍內(nèi)浮動甚至十分穩(wěn)定(前面已經(jīng)研究過)。本部分主要關(guān)注當(dāng)電阻、電感很?。ń咏?)時負載端電壓的連續(xù)與斷續(xù)。</p><p> 1、電感L對于波形連續(xù)、斷續(xù)的臨界條件</p><p> 為了對照方便,不妨先僅考
28、慮電感的影響,使電容為0。</p><p> 1)參數(shù):脈寬50%,L=5e-4H,C=0F,R=1Ω,仿真時間0~0.02s。</p><p> 從圖中可看出負載端電壓波形等幅震蕩十分明顯,震蕩上下限分別為73V和27V。</p><p> 2)參數(shù):脈寬50%,L=2e-4H,C=0F,R=1Ω,仿真時間0~0.02s。</p><p&
29、gt; 從圖中可看出負載端電壓波形等幅震蕩更加明顯,震蕩上下限分別為92V和0V。</p><p> 3)參數(shù):脈寬50%,L=1e-4H,C=0F,R=1Ω,仿真時間0~0.02s。</p><p> 從圖中可看出負載端電壓波形等幅震蕩已經(jīng)是最大的0~100V,電壓降到0V后立即開始上升,說明這個狀態(tài)點是負載端電壓、電流波形連續(xù)的臨界狀態(tài)點。</p><p>
30、; 4)參數(shù):脈寬50%,L=5e-5H,C=0F,R=1Ω,仿真時間0~0.02s。</p><p> 此時,波形已經(jīng)出現(xiàn)了很明顯的斷續(xù)。</p><p> 5)參數(shù):脈寬50%,L=0H(沒有電感),C=0F,R=1Ω,仿真時間0~0.02s。</p><p> 此時,電路相當(dāng)于無電感電容下,負載端電壓、電流的通斷與IGBT的觸發(fā)脈沖同步。</p&
31、gt;<p> 結(jié)論:在減小電感L的過程中,確實會存在一個使電路連續(xù)到斷續(xù)的臨界狀態(tài)。</p><p> 2、電容C對于電感臨界條件的改變</p><p> 由于電容充放電帶來的緩沖作用,也可能使本該斷續(xù)的電路變?yōu)檫B續(xù)。當(dāng)電感L=5e-5H時,電路本應(yīng)斷續(xù)(前面已經(jīng)研究過),但當(dāng)電容C=1e-4F時,會出現(xiàn)不同的現(xiàn)象。</p><p> 結(jié)論:
32、觀察等幅震蕩的最低點可發(fā)現(xiàn),L=5e-5H是當(dāng)C=1e-4F時的負載端波形連續(xù)與斷續(xù)的連接狀態(tài)點,也就是說,電路的臨界狀態(tài)點發(fā)生了變化,即增大電容會使連接狀態(tài)點向電感減小的方向移動。觀察最高點可以發(fā)現(xiàn),加大電容會使電路的等幅震蕩增大,電壓的峰值會大于原來的輸入電壓E。所以,這種做法不適合于降壓斬波電路,但可以巧妙地利用在獲得脈沖信號的場合。</p><p><b> 五、實驗結(jié)論</b>&
33、lt;/p><p> 1)直流降壓斬波電路(Buck變換器)能有效地按比例輸出降低后的直流電壓,并且輸出電壓可以通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來調(diào)節(jié)。</p><p> 2)在使用直流降壓斬波電路時,要恰當(dāng)?shù)剡x擇電阻、電容,以滿足波形的要求及系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。</p><p> 3)搭建降壓斬波電路時,要注意電路的臨界條件</p><p><b&g
34、t; 第四部分 后記</b></p><p><b> 一、感想與體會</b></p><p> 我們經(jīng)歷了一個學(xué)期的電力電子技術(shù)的學(xué)習(xí),但是除了實驗外并沒有多少實踐的機會。課程設(shè)計與理論課程和實驗有著很大的區(qū)別,它是一個綜合性很強的課程環(huán)節(jié),也是我們所必須經(jīng)歷的一個學(xué)習(xí)階段。在課程設(shè)計中,我們在學(xué)會理論知識的同時,還會加深自己對這門課程的理解。在
35、這門課程設(shè)計當(dāng)中,我們能結(jié)合到一些其他課程,能鞏固一些軟件的運用(如MATLAB等軟件)。通過互相結(jié)合,相互滲透,來得到我們所需的數(shù)據(jù)、結(jié)論以及使我們掌握更多的知識。</p><p> 在此次課程設(shè)計中,很多東西以前都沒有接觸到,比如脈沖發(fā)生器模塊,電力電子器件模塊,現(xiàn)在經(jīng)過課程設(shè)計,通過查閱資料,我拓寬了自己的知識面,在課設(shè)中學(xué)會了獨立思考和鍛煉了自己的實踐動手能力。</p><p>
36、 這次電力電子課程設(shè)計過程中,我參考了很多資料,發(fā)現(xiàn)自己現(xiàn)在學(xué)到的只是很小的一部分,在設(shè)計上有一定的難度。就我設(shè)計的題目而言,平時在書上介紹的只是一些原理,并參數(shù)取值等介紹,具體要怎么設(shè)計一個完整的架構(gòu)就需要我們對現(xiàn)有和過去學(xué)的知識有一個大概的了解。通過課程設(shè)計的學(xué)習(xí)工作,使我接觸了很多新的知識,比如相關(guān)軟件的拓展,也讓我對這門課有了更深的了解,培養(yǎng)了我們求真務(wù)實的態(tài)度。</p><p> 最重要的,這門課教
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