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文檔簡介
1、成績 南京工程學院課程設計說明書(論文)題 目 直流斬波電路設計 課 程 名 稱 電力電子技術(shù) 院 系 電力工程學院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 學 生 姓 名 學 號 設 計 地 點 指 導 教 師 目 錄一、電力電子技術(shù)的應用與發(fā)展2 二、直流斬波電路簡介3三、整體設計方案3四、整流和濾波電路的設計44.1整流和濾波電路的工作原理4五、直流降壓斬波電路計45.1降壓斬波信號的產(chǎn)生45.2 buck電路工作原理 5 5.3 buck變化器外特性 75.4 buck變換器參數(shù)設計 85.4.1 buck變換器性能指標 85.4.2 占空比 85.4.3 濾波電感l(wèi)f 85.4.4 濾波
2、電容cf 95.4.5 開關(guān)管 q的選取 9 六、完整組合電路10 七、仿真過程與效果分析107.1matlab仿真 107.2 實驗室仿真波形14八、體會總結(jié)14九、參考文獻15 一、電力電子技術(shù)的應用與發(fā)展電力電子技術(shù)是應用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù),它是利用電力電子器件對電能進行變換和控制的新興學科。電力電子技術(shù)可以理解為功率強大,可供諸如電力系統(tǒng)那樣大的電流、高電壓場合應用的電子技術(shù),它與傳統(tǒng)的電子技術(shù)相比,其特殊之處不僅僅是因為它能夠通過大電流和承受高電壓,而且要考慮在大功率情況下,器件發(fā)熱、運行效率的問題。電力電子技術(shù)研究的內(nèi)容 電力電子技術(shù)研究的內(nèi)容包括三個方面:電力電子器件、變換器主
3、電路和控制電路。11電力電子器件 電力電子器件用于大功率變換和控制時,與信息處理用器件不同:一是必須具有承受高電壓、大電流的能力二是以開關(guān)方式運行。因此,電力電子器件也被稱為電力電子開關(guān)器件。按照開通、關(guān)斷的控制可分為3類:不控型、半控型和全控型。12電力電子變換器的主電路 現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主要研究方向之一就是變換器主電路的拓撲優(yōu)化。拓撲優(yōu)化可以理解為:在變換器設計中,合理選擇確定網(wǎng)絡中各元件的位置,以便實現(xiàn)功能和性能指標要求且最經(jīng)濟。拓撲優(yōu)化的目標為高頻化、高效率、高功率因數(shù)和低變換損耗。高頻化加軟開關(guān)技術(shù)和pwm控制方式,既可以減少變換器體積、重量和開關(guān)損耗,又能提高波形質(zhì)置、功率因數(shù)和
4、變換效率。13電力電子電路的控銅 控制電路的主要作用是:為變換器中的功率開關(guān)器件提供控制極驅(qū)動信號。驅(qū)動信號是根據(jù)控制指令,按照某種控制規(guī)律及控制方式而獲得的??刂齐娐窇摪〞r序控制、保護電路,電氣隔離和功率放大等電路。2 電力電子技術(shù)的應用電力電子技術(shù)是以功率和變換為主要對象的現(xiàn)代工業(yè)電子技術(shù),當代工,農(nóng)業(yè)等各個領(lǐng)域都離不開電能,高不開表征電能的電壓,電流,頻率、波形和相位等基本參數(shù)的控制和轉(zhuǎn)換,而電力電子技術(shù)可以對這些參數(shù)進行精確的控制和高效的處理所以電子技術(shù)是實現(xiàn)電氣工程現(xiàn)代化的重要基礎。電力電子技術(shù)應用范圍十分廣泛,國防、工業(yè)、交通運輸、能源,通信系統(tǒng),電力系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、新能源系
5、統(tǒng)以及家用電器等無不滲透著電力電子技術(shù)的成果下面簡單的介紹幾種。21一般工業(yè)電機調(diào)速 工業(yè)中大量應用各種交、直流電動機。直流電動機具有良好的調(diào)速性能,為其供電的可控整流電源或直流折波電源都是電力電子裝置。近年來,由于電力電子變頻技術(shù)的迅速發(fā)展,使得交流電動機的調(diào)速性能可與直流電動機相媲美。因此,交流調(diào)速技術(shù)得到了廣瑟的應用,并且占據(jù)主導地位。22交通運輸 電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù),電氣機車中的直流機車采用整流裝置供電,交流機車采用變頻裝置供電。如直流折波器廣泛應用與鐵道車輛,磁懸浮列車中電力電子技術(shù)更是一項關(guān)鍵的技術(shù)。新型環(huán)保綠色電動汽車和混合動力電動汽車正在積極發(fā)展中。汽車是靠汽油引
6、擎運行而發(fā)展起來的機械,它排出大量二氧化碳和其他廢氣,嚴重污染了環(huán)境。綠色電動車的電機是以蓄電池為能源,靠電力電子裝置進行電力變換和驅(qū)動控制,其蓄電池的充電也離不開電力電子技術(shù)。顯然。未來電動車將取代燃油汽車。船舶飛機需要各種不同要求的電源,因此航海、航空都離不開電力電子技術(shù)。23電力系統(tǒng) 發(fā)達國家在用戶最終使用的電能中,有六成以上的電能至少經(jīng)過一次以上電力電子裝置的處理。電力系統(tǒng)在通向現(xiàn)代化的進程中,是離不開電力電子技術(shù)的。高壓直流輸電,其送電端的整流和受電端的逆變裝置都是采用晶閘管變流裝置,它從根本上解決了長距離、大容量輸電系統(tǒng)無功損耗問題。24新能源開發(fā)和利用 傳統(tǒng)的發(fā)電方式是火力、水利
7、以及后來興起的核能發(fā)電。能源危機后,各種新能源、可再生能源及新型發(fā)電方式越來越受到重視。其中太陽能發(fā)電、鳳能發(fā)電的發(fā)展較快、燃料電池更受關(guān)注。太陽能、風能發(fā)電受到環(huán)境條件的制約,發(fā)出的電能質(zhì)量較差。利用電力電子技術(shù)可以進行能力儲存和緩沖。改善電能質(zhì)量。同時,采用變速恒頻發(fā)電技術(shù),可以將新能源發(fā)電與電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。25環(huán)境保護隨著工、農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展,特別是火力發(fā)電和水泥業(yè)的發(fā)展對自然環(huán)境的污染越來越嚴重。未來凈化環(huán)境。提高人們的生活質(zhì)量,在某些行業(yè)采用高壓靜電除塵措施是十分有效的,其關(guān)鍵也是微機和電力電子技術(shù)??傊?,電力電子技術(shù)的應用范圍十分廣泛,從人類對宇宙和大自然的探索到國防,從軍事到國民經(jīng)濟的
8、各個領(lǐng)域,再到人們的衣食住行都離不開電力電子技術(shù)。3電力電子技術(shù)的未來發(fā)展方向和前景電力電子技術(shù)已經(jīng)進入各個領(lǐng)域,未來的廣闊前景和發(fā)展方向,主要體現(xiàn)在下面幾個方面:(1)新材料的進一步研究和應用,擴大了器件的頻率、功率等級、使用溫度范圍,減少器件的體積和降低價格。因此,可以大大改進系統(tǒng)性能和降低成本,使它的應用范圍越來越廣。(2)改進器件和裝置封裝形式,實現(xiàn)系統(tǒng)集成,以獲得更高的集成化和可靠性。(3)使用無需吸收電路并且關(guān)斷延時小的集成門極換流晶閘管,使得在大功率應用場合的器件選擇越來越容易。(4)多電平逆變器在大功率逆變器中的應用。(5)體積小重量輕,損耗小、無功率的全半導體變流系統(tǒng)的設計。
9、(6)采用神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊控制邏輯芯片的無速度傳感器控制的傳動系統(tǒng)。采用專家系統(tǒng)獲得優(yōu)化的實時性和系統(tǒng)容錯性控制。(7)自主學習與自適應調(diào)節(jié)控制器在傳動系統(tǒng)中的應用。(8)改善動力系統(tǒng)供電質(zhì)量,柔性交流輸電技術(shù)將得到越來越廣泛運用。(9)高效、輕便、綠色的電動車供不應求。發(fā)展更高效的家用電器產(chǎn)品。如上分析,電力電子技術(shù)是目前發(fā)展較為迅速的一門學科,是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要基礎技術(shù)之一,是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造的重要手段。電力電子技術(shù)的發(fā)展是以電力電子器件為核心伴隨變換技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的??梢灶A言,隨著各學科新理論、新技術(shù)的發(fā)展,電力電子技術(shù)的應用具有十分廣泛的前景。二、直流斬波電路簡介 直流斬波
10、電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調(diào)電壓的 dc-dc 變換器 ,在直流傳動系統(tǒng)、充電蓄電電路、開關(guān)電源、電力電子變換裝置及各種用電設備中得到普通的應用.隨之出現(xiàn)了諸如降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、復合斬波電路等多種方式的變換電路 . 直流斬波技術(shù)已被廣泛用于開關(guān)電源及直流電動機驅(qū)動中,使其控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應、節(jié)約電能的效果。全控型電力電子器件igbt在牽引電傳動電能傳輸與變換、有源濾波等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。1、 整體設計方案整個設計主要分為四大塊:降壓變壓電路的設計整流電路的設計濾波電路的設計降壓斬波電路的設計,其中降壓變壓電路我用一個變比為4:1的降壓變壓器實現(xiàn)
11、,整流電路我采用的是單相橋式電路整流:由四個整流二極管組成,但由于整流電路出來的電壓含有較大的紋波,電壓質(zhì)量不太好,故需要進行濾波。濾波電路我采用的是rl低通濾波器(通過串聯(lián)一個電感,濾除電流的高次諧波,并聯(lián)一個電容濾除電壓的高次諧波),以減小紋波。降壓斬波電路的控制電路是以sg3525為核心構(gòu)成的,其內(nèi)部含有精密基準源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護電路等。調(diào)節(jié)rp的大小,在a、b兩端可輸出兩個幅值相等、頻率相等、相位相等、占空比可調(diào)的矩形波即pwm信號;主電路由igbt、續(xù)流二極管、電感、電容、純電阻組成,全控器件igbt作為控制器,續(xù)流二極管作為模式2時的續(xù)流器件,電感作
12、為模式1時的儲能器件模式2時的電源,電容作為穩(wěn)壓器件,負載為純電阻。2、 整流和濾波電路的設計4.1 整流和濾波電路的工作原理 整流電路由四個整流二極管組成,其整流出來的電壓進行傅里葉分解得到: 從方程中可以看出輸出的電壓信號含有大量高次諧波信號,故需要進行濾波。通過串聯(lián)一個電感,濾除電流的高次諧波,并聯(lián)一個電容濾除電壓的高次諧波,以減小紋波,電路圖如圖1所示: 圖1 輸入端接220v、50hz的交流電,經(jīng)過變壓器t1(原線圈/副線圈為4/1)后輸出55v、50hz。當同名端為正時d2、d5導通,d3、d4截止,電壓上正下負。當同名端為負時d2、d5截止,d3、d4導通,電壓同樣是上正下負,從
13、而實現(xiàn)整流。電感具有電流不能突變,通直流阻交流特性,因此串聯(lián)一個電感可以提高直流電壓品質(zhì)。而電容具有電壓不能突變,通交流阻直流特性,因此并聯(lián)一個大電容可以濾除雜波,減小紋波。結(jié)合兩種元器件的特性,組成上圖整流電路,可以得到比較理想的直流電壓(幅值為50v左右)。五、直流降壓斬波電路設計 5.1降壓斬波信號的產(chǎn)生 此電路主要用來驅(qū)動igbt斬波。本電路采用直接產(chǎn)生pwm的專用芯片sg3525產(chǎn)生pwm信號.芯片的外圍電路連接幾個電阻電容用來產(chǎn)生特定頻率的pwm波,通過改變in+輸入電阻就能改變輸出pwm波的占空比,故在in+端接個可調(diào)電阻就能實現(xiàn)pwm控制。該芯片內(nèi)部還設有保護電路,提高了安全性
14、。它還具有高抗干擾能力,可以放心使用。電路圖如圖2。 圖2工作原理:通過r2、r3、c2結(jié)合sg3525產(chǎn)生鋸齒波輸入到sg3525的振蕩器。其產(chǎn)生的pwm信號由outa、outb輸出,調(diào)節(jié)r7可以改變占空比。輸出的pwm信號通過二極管d6、d7送至光電耦合器u2,光耦后通過驅(qū)動電路對信號進行放大。放大后的電壓可以直接驅(qū)動igbt。此電路具有信號穩(wěn)定,安全可靠等優(yōu)點。因此他適用于中小容量的pwm斬波電路。5.2 buck電路工作原理buck電路是由一個功率晶體管開關(guān)q與負載串聯(lián)構(gòu)成的,其電路如圖1.1。驅(qū)動信號ub周期地控制功率晶體管q的導通與截止,當晶體管導通時,若忽略其飽和壓降,輸出電壓u
15、o等于輸入電壓;當晶體管截止時,若忽略晶體管的漏電流,輸出電壓為0。電路的主要工作波形如圖1.2。圖1.1 buck變換器電路圖1.2 buck變換器的主要工作波形 狀態(tài)分析:在分析buck變換器之前,做出以下假設: 開關(guān)管q、二極管d均為理想器件; 電感、電容均為理想元件;電感電流連續(xù); 當電路進入穩(wěn)態(tài)工作時,可以認為輸出電壓為常數(shù)。在一個開關(guān)周期中,變換器有2種開關(guān)模態(tài),其等效電路如圖1.3所示,各開關(guān)模態(tài)的工作情況描述如下:(1) 開關(guān)模態(tài)0t0t1t0t1對應圖1.3(a)。在t0時刻,開關(guān)管q恰好開通,二極管d截止。此時: (式1-1)電感中的電流線性上升,式1-1可寫成: (式1-
16、2)(2) 開關(guān)模態(tài)1t1t2t1t2對應圖1.3(b)。在t1時刻,開關(guān)管q恰好關(guān)斷,二極管d導通。此時: (式1-3)電感中的電流線性下降,式1-3可寫成: (式1-4)式中toff為開關(guān)管q的關(guān)斷時間。在穩(wěn)態(tài)時,聯(lián)解式1-2與式1-4可得: (式1-5)輸出電流平均值: (式1-6) 圖1.3(a) t0t1 圖1.3(b) t1t2 圖1.3(a) t1t2的主要工作波形圖1.3(b) t1t2的主要工作波形 5.3 buck變化器外特性在恒定占空比下,變化器的輸出電壓與輸出電流的關(guān)系uo=f(io)稱為變換器的外特性。式1-5表示了電感電流連續(xù)時變換器的外特性,輸出電壓與負載電流無關(guān)
17、。當負載電流減小時,可能出現(xiàn)電感電流斷續(xù)現(xiàn)象。圖1.4為電感電流斷續(xù)時電流波形圖。由式1-2與式1-4可知,當輸入電壓和輸出電壓一定時,為常數(shù)。由式1-6可見,當負載電流減少到時,此時最小負載電流,即為電感臨界連續(xù)電流: (式1-7)由式1-2及式1-5得,帶入式1-7得: (式1-8)由上式可見,臨界連續(xù)電流與占空度的關(guān)系為二次函數(shù),當d=1/2時,臨界連續(xù)電流達到最大值: (式1-9)當電感電流斷續(xù)時,即在toff結(jié)束前續(xù)流二極管的電流已下降到0,此時輸出的平均電流為: (式1-10)式中,為開關(guān)管關(guān)斷后電感電流持續(xù)的時間,并且: (式1-11)穩(wěn)態(tài)時,由式1-11得: (式1-12)將式
18、1-11及式1-12帶入式1-10得: (式1-13) 即: (式1-14)5.4buck變換器參數(shù)設計5.4.1 buck變換器性能指標輸入電壓:vin=3060vdc(額定輸入電壓為48v)輸出性能:uout=24v(dc); uout(p-p)25mv; iout=2a; 當iout=0.1a時,電感電流臨界連續(xù)。開關(guān)頻率:fs=200khz。5.4.2 占空比根據(jù)buck變換器的性能指標要求及buck變換器輸入輸出電壓之間的關(guān)系求出占空比的變化范圍: (式2-1) 5.4.3濾波電感l(wèi)f(1)濾波電感量lf計算變換器輕載時,如果工作在電流連續(xù)區(qū),那么為了保持一定的輸出電壓,占空比大為減
19、小,也就是說開關(guān)管導通時間很短。如果這個時間小于開關(guān)管的存儲時間與最小控制時間之和,變換器的輸出將出現(xiàn)失控或輸出紋波加大,因此希望變換器工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)。所以,以最小輸出電流iomin作為電感臨界連續(xù)電流來設計電感,即。在q關(guān)斷時,由式1-4得: (式2-2) 由于lflf(min),取lf=360uh。5.4.4濾波電容cf(1) 濾波電容量cf計算在開關(guān)變換器中,濾波電容通常是根據(jù)輸出電壓的紋波要求來選取。該buck變換器的輸出電壓紋波要求vout(p-p)25mv。若設,即全部的電感電流變化量等于電容電流的變化量,電容在時間間隔內(nèi)充放電,電容充電的平均電流: (式2-8)電容峰峰值
20、紋波電壓為: (式2-9)因此,得: (式2-10)取,d=0.4時,cf的值最大。即: (式2-11)由cfcf(max)得,取cf=10uf。(2)濾波電容的耐壓值輸出濾波電容的耐壓值決定于輸出電壓的最大值,一般比輸出電壓的最大值高一些,但不必高太多,以降低成本。由于最大輸出電壓為24v,則電容的耐壓值為24v。(3)濾波電容的選取由輸出濾波電容的電容量cf=4.7uf,耐壓值為24v,留有一定的裕量,則選取10uf/50v電容。5.4.5 開關(guān)管q的選取該電路的輸入電壓是30v60v,則開關(guān)管耐壓值為60v,電流的最大值為,其開關(guān)頻率為,因此選用的igbt管2n6977,其額定值為400
21、v/5a。5.4.6 續(xù)流二極管的選取續(xù)流二極管所承受的最大反向電壓為uin=60v;在時,二極管電流的有效值為;續(xù)流二極管的工作頻率為f=200khz??紤]一定的裕量,選用整流二極管1n5406,其電壓和電流額定值為:600v/3a。六、完整組合電路總圖形如圖4所示: 圖4七、仿真過程與效果分析matlab仿真matlab的接線圖 在matlab中的接線我選擇了全控器件gto,端口g接脈沖發(fā)生器,端口a接50v電源,k輸出直流信號,負載電阻25,電感360uh,脈沖導通時間ton=0.6t 圖5 圖6 ton=0.6t圖中從上到下分別為:1、輸入電流波形(gto的電流波形)2、輸入電壓波形
22、(gto的電壓波形)3、脈沖發(fā)生器波形4、輸出電流波形5、輸出電壓波形波形分析:由圖中波形可以看出gto導通時,buck電路中的電感處于充電狀態(tài),輸入輸出電流都逐漸上升,電壓為0,當gto關(guān)斷時,輸入電流為0,電感處于放電狀態(tài),輸出電流逐漸減小,電壓為電源兩端電壓,幅值為50v,導通和截止都由脈沖發(fā)生器進行控制, 由圖6可看出電感中的能量還沒有完全釋放完,脈沖就控制gto導通了,于是電感又處于了充電狀態(tài),輸出電流逐漸上升,不過這次的幅值相對于前一個周期增大了,如此循環(huán)下去波形如圖6所示,若改變脈沖周期,得到的仿真波形如圖7,圖8所示: 圖7.ton=0.4t從圖7可看到輸入和輸出電壓都為不完整
23、的矩形波,那是因為gto導通時間太短,關(guān)斷時間太長,在下一次觸發(fā)脈沖來到時,上一次導通時所儲存的能量早已釋放完了,因此輸出電流有一段為0。 圖8.ton=0.52t從圖8中可看出,此時的輸出電流為非常完美的鋸齒波,說明gto導通時電感儲存的能量在gto關(guān)斷期間剛好釋放完畢,輸入輸出的電壓波形也為完整的矩形波。實驗室仿真波形 輸入電壓uin波形 輸出電壓uo波形 九、體會總結(jié) 通過本次課程設計,我對buck電路有了深刻的了解,從元器件的選擇到matlab仿真,我增長了不少的知識,這些知識大部分都是通過網(wǎng)絡了解得知的,當然也離不開書本,圖書館有大量關(guān)于電力電子和matlab仿真的書籍,我借了幾本,書本很厚,一一詳細閱讀當然是不太現(xiàn)實的,我選取了一部分跟這次課程設計有關(guān)的內(nèi)容進行了解。關(guān)于這次的課程設計,我有過好幾次的模擬都失敗了,我開始想借助v
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