電力電子電路建模與分析大作業(yè)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上西安理工大學(xué)研究生課程論文/研究報(bào)告課程名稱：電力電子系統(tǒng)建模與分析 任課教師： 完成日期： 2016 年 7 月 5 日專 業(yè)： 電力電子與電力傳動(dòng) 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 同組成員： 成 績(jī)： 專心-專注-專業(yè)題目要求某用戶需要一直流電源，要求：直流輸出24V/200W，輸出電壓波動(dòng)及紋波均<1%。用戶有220V交流電網(wǎng)（±10%波動(dòng)變化）可供使用：(1) 設(shè)計(jì)電源主電路及其參數(shù)；(2) 建立電路數(shù)學(xué)模型，獲得開(kāi)關(guān)變換器傳函模型；(3) 設(shè)計(jì)控制器參數(shù)，給出控制補(bǔ)償器前和補(bǔ)償后開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)波特圖，分 析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能；(4) 根據(jù)設(shè)計(jì)的控制補(bǔ)償器

2、參數(shù)進(jìn)行電路仿真，實(shí)現(xiàn)電源要求；(5) 討論建模中忽略或近似因素對(duì)數(shù)學(xué)模型的影響，得出適應(yīng)性結(jié)論(量化 性結(jié)論：如具體開(kāi)關(guān)頻率、具體允許擾動(dòng)幅值及頻率等）。 主要工作本次設(shè)計(jì)主要負(fù)責(zé)電源主電路及其參數(shù)的的設(shè)計(jì)，以及建立電路數(shù)學(xué)模型并獲得開(kāi)關(guān)變換器傳函模型這兩部分內(nèi)容，具體如下：(1) 本次設(shè)計(jì)電源主電路及其參數(shù)，采用從后向前的逆向設(shè)計(jì)思想。首先根據(jù)系統(tǒng)輸出要求，設(shè)計(jì)了后級(jí)DC/DC型Buck電路的參數(shù)。接著設(shè)計(jì)了前級(jí)不控整流電路以及工頻變壓器的參數(shù)?？紤]到主電路啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)的安全性，在主電路中加入了軟啟動(dòng)電路；(2) 本次DC/DC變換器的建模并沒(méi)有采用傳統(tǒng)的狀態(tài)空間平均方法，而是采用更為簡(jiǎn)單、

3、直觀的平均開(kāi)關(guān)建模方法，建立了Buck變換器小信號(hào)交流模型。最后，推到出了開(kāi)關(guān)變換器的傳遞函數(shù)模型，并給出了Buck電路閉環(huán)控制框圖。 1 設(shè)計(jì)主電路及其參數(shù)1.1主電路設(shè)計(jì)根據(jù)題目要求，系統(tǒng)為單相交流220V/50Hz輸入，直流24V/200W輸出。對(duì)于小功率單相交流輸入的場(chǎng)合，由于二極管不控整流電路簡(jiǎn)單，可靠性高，產(chǎn)生的高次諧波較少，廣泛應(yīng)用于不間斷電源(UPS)、開(kāi)關(guān)電源等場(chǎng)合。所以初步確定本系統(tǒng)主電路拓?fù)錇椋呵凹?jí)AC-DC電路為電源經(jīng)變壓器降壓后的二極管不控整流，后級(jí)DC-DC電路為Buck斬波電路，其中Buck電路工作在電感電流連續(xù)模式（CCM），前后級(jí)之間通過(guò)直流母線和直流電容連接

4、在一起。系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。圖1-1 系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)圖1.2主電路參數(shù)設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)電源主電路參數(shù)，采用從后向前的逆向設(shè)計(jì)思想。先對(duì)后級(jí)DC/DC型Buck電路的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，接著對(duì)前級(jí)不控整流電路以及工頻變壓器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。下面分別對(duì)后級(jí)的Buck電路和前級(jí)經(jīng)變壓器降壓后的不控整流電路各參數(shù)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。1.2.1 輸出電阻計(jì)算根據(jù)系統(tǒng)電路參數(shù)：，可計(jì)算：輸出電流：（1-1）負(fù)載等值電阻：（1-2）1.2.2BUCK電路占空比及開(kāi)關(guān)頻率選擇根據(jù)Buck電路占空比計(jì)算公式：假定占空比，可得：（1-3）由于開(kāi)關(guān)頻率越低，低頻擾動(dòng)頻率的選擇范圍越小，濾波電感的體積越大，整體裝置的體積和重

5、量越大。開(kāi)關(guān)頻率高，可以用更小的電感來(lái)濾除高次諧波，但是開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管功耗變大，發(fā)熱量顯著增加，電路效率變低，散熱器體積也更大。因此要折中效率、體積選擇開(kāi)關(guān)頻率，本次設(shè)計(jì)選擇MOSFET開(kāi)關(guān)頻率。 1.2.3BUCK電路濾波電感選擇由BUCK電路電感電流連續(xù)的臨界條件：可得要保證電路工作在CCM模式下，則電感應(yīng)滿足：（1-4）根據(jù)開(kāi)關(guān)頻率，則（1-5）假定電感紋波電流為輸出負(fù)載電流額定值的30%，此時(shí)電感值應(yīng)為：（1-6）保留一定余量，本系統(tǒng)實(shí)取。1.2.4BUCK電路濾波電容選擇電容容值越大，輸出電壓將近似為恒定，但電容越大，裝置體積和成本也相應(yīng)增大，因此本系統(tǒng)根據(jù)輸出電壓的紋波要

6、求選取電容。本設(shè)計(jì)按輸出電壓紋波不超過(guò)輸出電壓的1%進(jìn)行計(jì)算：（1-7）保留一定余量，本系統(tǒng)實(shí)取。1.2.5開(kāi)關(guān)管MOSFET選擇開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)MOSFET端電壓近似為0V，開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)MOSFET承受最大電壓為：（1-8）一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流最大值等于電感電流最大值，即：（1-9）綜上，考慮裕量，選擇MOSFET的型號(hào)為IRF650A，其額定參數(shù)為。1.2.6整流后直流側(cè)電容選擇直流母線電壓通過(guò)單相橋式整流而來(lái)故每個(gè)周期發(fā)生2次脈動(dòng)，單相工頻電壓的周期為T=0.02s，在T/2周期內(nèi)電容完成一個(gè)充電和放電的周期。直流側(cè)電容的選擇依據(jù)有：（1） 有依電流為依據(jù)的，例如：每0.5A電流100

7、0uF （2） 有依RC時(shí)間常數(shù)為依據(jù)的，例如：?jiǎn)蜗嗖豢卣麟娐菲渲?，T為交流電源周期則：（1-10）（3）還有一種經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：負(fù)載電流(A) 2A 1A 0.5-1A0.1-0.5A 0.1A0.05A 濾波電容(F)4000 2000 1000 500 200-500200根據(jù)直流側(cè)電壓平均值為48V，則直流側(cè)的等效電流約為，由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可大概估算直流側(cè)電容為10000uF。本系統(tǒng)實(shí)際選擇100V/100uF CL20型金屬化聚脂膜電容器，采用10只并聯(lián)。1.2.7 整流二極管選擇（1）確定整流二極管的耐壓值根據(jù)全橋整流電路中每個(gè)二極管所承受的反向電壓：可得整流二極管耐壓值為： （1-11）

8、其中，為整流橋輸入電壓有效值，1.1為電壓波動(dòng)系數(shù)，為安全系數(shù)。則二極管耐壓值為： （1-12）（2）確定整流二極管的額定電流值流過(guò)每個(gè)二極管的平均電流為直流側(cè)電流的一半，取電流波動(dòng)系數(shù)取1.1，安全系數(shù)，則整流二極管額定電流值為： （1-13）根據(jù)上述參數(shù)選擇二極管型號(hào)為P600D，查其參數(shù)手冊(cè)可知二極管的通態(tài)壓降為,則每個(gè)二極管額通態(tài)損耗為： （1-14）1.2.8 變壓器選擇電壓比：變壓器電壓比的計(jì)算原則是電路在最大占空比和最低輸入電壓的條件下，輸出電壓能達(dá)到要求的上限。根據(jù)公式：其中，為二極管整流橋輸出電壓最小值；為最大占空比，取0.9；為考慮管壓降和線壓降，取2V；為最高輸出電壓。實(shí)

9、際根據(jù)單相二極管不控整流電路的輸入輸出關(guān)系，可得不控整流的輸入側(cè)電壓，即變壓器二次側(cè)電壓為：（1-15）則變壓器電壓比為：（1-16）容量：根據(jù)系統(tǒng)輸出功率，考慮電路損耗及效率，變壓器容量選擇為300VA。鐵芯截面積：鐵芯截面積是根據(jù)變壓器總功率P確定的，根據(jù)變壓器次級(jí)功率為P2=200W。計(jì)算變壓器輸入功率P1（考慮變壓器效率=0.9）P1=P2/0.9=222.2w。則鐵芯截面積為：（1-17）匝數(shù)：變壓器匝數(shù)的選擇（工頻變壓器)根據(jù)變壓器最高輸出電壓，電源周期，鐵心截面積，鐵心材料所允許的最大磁通密度的變化量,則變壓器二次側(cè)繞組匝數(shù)為：（1-18）則變壓器一次側(cè)繞組匝數(shù)：（1-19）繞組

10、導(dǎo)體截面：根據(jù)流過(guò)每個(gè)繞組的電流值和預(yù)先選定的電流密度，即可計(jì)算出繞組導(dǎo)體截面：（1-20）其中，導(dǎo)體電流密度選。1.2.9 主電路軟啟動(dòng)設(shè)計(jì)由于二極管不控整流后直流側(cè)電容上的初始電壓為零，在輸入電路合閘的瞬間，會(huì)形成很大的瞬時(shí)沖擊電流，主電路軟啟動(dòng)電路不僅可以防止合閘時(shí)電路受到浪涌電流的沖擊，它還能使電路緩慢的啟動(dòng)，減小了變換器和輸出電容上的電流最大值，軟啟動(dòng)電路性能的好壞，會(huì)直接影響到電源的工作性能，元器件的壽命，所以很重要。常用的軟啟動(dòng)有：采用功率熱敏電阻電路、采用SCR、R電路、繼電器與電阻構(gòu)成的回路、采用定時(shí)觸發(fā)器的繼電器與限流電阻的電路等等。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際的需要為了避免系統(tǒng)啟動(dòng)可能引

11、起系統(tǒng)內(nèi)浪涌問(wèn)題，采用加入軟啟動(dòng)環(huán)節(jié)進(jìn)行處理，如下圖1-2所示。先通過(guò)電阻R對(duì)輸入濾波環(huán)節(jié)的濾波電容進(jìn)行預(yù)充電，充電完成后接入時(shí)間繼電器KT使電阻R短路。加入了軟啟動(dòng)環(huán)節(jié)后，避免了瞬時(shí)大電壓及大電流的沖擊，保證了系統(tǒng)工作安全及元器件安全。圖1-2 軟啟動(dòng)電路結(jié)構(gòu)圖2 建立電路數(shù)學(xué)模型，獲得開(kāi)關(guān)變換器傳函模型由于狀態(tài)空間平均方法建模純粹基于數(shù)學(xué)，計(jì)算推導(dǎo)比較繁瑣、模型不直觀。而平均開(kāi)關(guān)建模方法，是直接通過(guò)電路變換得到電力電子電路小信號(hào)交流模型，更直觀、使用更方便，所以本次DC/DC變換器建模采用平均開(kāi)關(guān)方法建模。2.1建立電路數(shù)學(xué)模型 任一DC/DC變換器可分割成兩個(gè)子電路，一個(gè)子電路為線性定常

12、子電路，另一個(gè)為開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)子電路。線性定常子電路無(wú)需進(jìn)行處理，關(guān)鍵是通過(guò)電路變換將非線性的開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)子電路變換成線性定常電路。如圖2-1所示，為Buck變換器電路。圖2-2給出了Buck變換器的開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)子電路，開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)子電路用二端口網(wǎng)絡(luò)表示，端口變量為。圖2-1Buck變換器電路圖2-2Buck變換器開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)子電路根據(jù)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)。將上述開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)子電路用受控源替代，如圖2-3所示。且替代后，受控源網(wǎng)絡(luò)端口與開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)子電路端口的電量波形應(yīng)保持一致。將替代后的開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的受控源電路與原來(lái)的線性定常子電路組合一起，得到含有受控源的等效Buck電路如圖2-4所示。圖2-3受控源替代開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)子電

13、路圖2-4受控源替代開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的Buck電路應(yīng)用開(kāi)關(guān)周期平均的概念，對(duì)圖2-4等效電路中的各個(gè)電量作開(kāi)關(guān)周期平均運(yùn)算： （2-1）得到以開(kāi)關(guān)周期平均值表示的等效電路如圖2-5所示，該電路仍是一個(gè)非線性電路。圖2-5經(jīng)開(kāi)關(guān)周期變換后的Buck變換器采用擾動(dòng)法，對(duì)上述等效電路中的各個(gè)電量引入小信號(hào)擾動(dòng)，即令：（2-2）得到有小信號(hào)擾動(dòng)作用的等效電路如圖2-6所示。圖2-6小信號(hào)擾動(dòng)的Buck電路其中：（2-3）將圖2-6等效電路各個(gè)電量中含有的二次項(xiàng)忽略(主要是受控源電量) ：（2-4）得到線性近似、受控源表示的小信號(hào)等效電路如圖2-7所示。 圖2-7忽略二次項(xiàng)影響的小信號(hào)擾動(dòng)的Buck電路進(jìn)一步用

14、理想變壓器替代受控源，得到線性近似、理想變壓器表示的小信號(hào)等效電路如圖2-8所示。圖2-8 用理想變壓器表示的小信號(hào)等效Buck電路2.2開(kāi)關(guān)變換器傳遞函數(shù)模型由上述建立的Buck電路小信號(hào)交流平均開(kāi)關(guān)模型可推出變換器的傳遞函數(shù)為：輸入至輸出的傳遞函數(shù)：（2-5）控制至輸出的傳遞函數(shù)：（2-6）Buck電路閉環(huán)控制框圖如圖2-9所示。圖2-9 Buck電路閉環(huán)控制框圖其中：（1） 為需要設(shè)計(jì)的控制器；（2） 為PWM調(diào)制器傳遞函數(shù)；（3） 為輸出電壓對(duì)占空比的傳遞函數(shù)；（4） 為反饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。設(shè)計(jì)中取，將計(jì)算數(shù)值帶入閉環(huán)控制框圖，可得本系統(tǒng)Buck電路閉環(huán)控制框圖如圖2-10所示。圖2-

15、10本系統(tǒng) Buck電路閉環(huán)控制框圖其中原始回路增益為：（2-7）3 設(shè)計(jì)控制器參數(shù)沒(méi)有加控制器補(bǔ)償前變換器原始回路增益函數(shù)：（3-1）其伯德圖如圖3-1所示。圖3-1原始回路增益伯德圖利用超前滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來(lái)校正系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為： （3-2）相應(yīng)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的伯德圖如圖3-2所示。圖3-2補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)伯德圖補(bǔ)償后系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖如圖3-3所示。圖3-3補(bǔ)償后系統(tǒng)伯德圖由圖可以看出此時(shí)系統(tǒng)的相位余量為67.5°，幅值余量為20.3dB。4 電路仿真根據(jù)以上設(shè)計(jì)的主電路以及控制器參數(shù)，在PSIM中搭建仿真電路，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真模型以及仿真結(jié)果如下所示：圖4-1主電路仿

16、真模型圖4-2控制電路仿真模型系統(tǒng)輸出電壓Uo與輸出電流Io的波形如圖4-3和4-5所示。圖4-3輸出電壓波形圖圖4-4輸出電壓有效值圖4-5輸出電流波形圖圖4-6輸出電壓局部放大圖由圖4-6可知，輸出電壓穩(wěn)態(tài)值為24V，波動(dòng)約為0.02%<1%，滿足設(shè)計(jì)要求，超調(diào)量為12.5%，調(diào)節(jié)時(shí)間大約為3ms。圖4-7突加100%負(fù)載輸出電壓波形圖由圖4-7可知，在0.04s時(shí)加入100%的負(fù)載擾動(dòng)，輸出電壓依然穩(wěn)定在24V，且滿足1%的紋波設(shè)計(jì)要求。圖4-8輸出電路電壓、電流波形圖圖4-9輸出電路電壓、電流有效值由圖4-9中輸出電壓、電流有效值計(jì)算，輸出功率約為P=U*I=24*8.3=199

17、.2W,輸出功率基本滿足設(shè)計(jì)要求。5 建模中忽略或近似因素對(duì)數(shù)學(xué)模型的影響（1）開(kāi)關(guān)頻率對(duì)電路模型的影響開(kāi)關(guān)頻率越低，低頻擾動(dòng)頻率的選擇范圍越小，濾波電感的體積越大，整體裝置的體積和重量越大。開(kāi)關(guān)頻率高，可以用更小的電感來(lái)濾除高次諧波，但是開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管功耗變大，發(fā)熱量顯著增加，電路效率變低，散熱器體積也更大，更加因此要折中效率、面積選擇開(kāi)關(guān)頻率。電路模型的開(kāi)關(guān)頻率越大，輸出結(jié)果越接近數(shù)學(xué)模型，一般開(kāi)關(guān)頻率可以取截止頻率的100倍。（2）擾動(dòng)頻率對(duì)數(shù)學(xué)模型的影響擾動(dòng)頻率過(guò)高：如果高于開(kāi)關(guān)頻率，由于一般使用正弦信號(hào)模擬擾動(dòng)，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)擾動(dòng)信號(hào)正負(fù)分量相互抵消，小信號(hào)擾動(dòng)失去意義。擾動(dòng)頻率過(guò)低：如果擾動(dòng)頻率過(guò)低，在多個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)擾動(dòng)信號(hào)基本為恒定值，相當(dāng)在給定電壓上疊加了一個(gè)幾乎不變的直流量，不能很好地體現(xiàn)其為小信號(hào)“動(dòng)態(tài)”模型。綜上，擾動(dòng)頻率的選擇應(yīng)在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，這樣既可以方便地對(duì)電路進(jìn)行分析和控制，又不失動(dòng)態(tài)建模的意義。（3）擾動(dòng)幅度的影響小信號(hào)擾動(dòng)的幅值應(yīng)遠(yuǎn)小于穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)的各量的幅值。根據(jù)仿真結(jié)果可得隨著擾動(dòng)幅度增大，數(shù)學(xué)模型的輸出電壓變化幅度較小。擾動(dòng)幅值不超過(guò)±5V時(shí)，輸出電壓紋波仍滿足1%的設(shè)計(jì)要求。（4）其他影響 實(shí)際電路中存在電感的等效電阻、開(kāi)關(guān)管的開(kāi)