電力電子作業(yè)及問題詳解

1、實(shí)用文檔1、設(shè)計(jì)圖 3.2(a)所示的 Buck DC/DC 變換器。電源電壓 Vs=147220V,額定負(fù)載電流 11A, 最小負(fù)載電流 1.1A，開關(guān)頻率 20KHz 要求輸出電壓 Vo=110V 紋波小于 1%要求最小負(fù) 載時電感電流不斷流。計(jì)算輸出濾波電感 L 和電容 C,并選取開關(guān)管 T 和二極管 Do圖 3.2(H)解：濾波電感 L :vo110v，電流連續(xù)時 M=D=oVs當(dāng) vs=147v 時，D=110/147=0.75;當(dāng)vs220v時，D=110/220=0.5。所以在工作圍占空比 D 在 0.50.75 之間變化。要電流連續(xù)必須最小負(fù)載電流IominIOB丄J(1 D)

2、，應(yīng)按最小的占空比 D 0.5 確定實(shí)際運(yùn)行中的臨界負(fù)載電流2LfsIOB出(1 D)，即要求：2LfsL -(1 D)110 (1嚴(yán)H 1.25H 2fslmin2 20 1031.1為確保最小負(fù)載電流、最小占空比時，電感電流連續(xù)，可選取 L 1.5mH o開關(guān)關(guān) T和二極管 D的選擇:由(3 9)式。電感電流脈動的最大峰一峰值iL為:(1 D)1103(105)3A 1.8ALfs1.5 10320 103開關(guān)關(guān) T 和二極管 D 通過的最大峰值電流都是Umax11.9A，開關(guān)管 T 承受的最大正向電壓為Vs220V，二極管 D 承受的最大反向電壓也是Vs220v。若取電流過載安全系數(shù)為

3、1.5 倍，取過電壓安全系數(shù)的 2 倍，則可選 20A/500V 的 P MOSFET 開關(guān)管和快恢復(fù)二iLILmaxILmin所以:ILmaxIOmax1iL(11 1.8/2)A 11.9A2L min1IOmaxL(2實(shí)用文檔極管。濾波電感 C :117(莎)2(1 0.5)0,84o%1%，滿足要求2、圖 3.5(a)所示 Boost 變換器，輸入電源電壓 Vs=1030V,輸出電壓被控為恒值 V,開 關(guān)頻率fs=40kHz，最大輸出功率 100W 電流 lomax=2.08A,最小輸出功率 10W 電流Iomin=0.208A，要求變換器工作時電感電流連續(xù)，求最小升壓電感L 值及輸出

4、電壓紋波小于 1%寸的濾波電容 Co解：濾波電感 L :電感電流連續(xù)時由M V0/Vs1/(1 D)式，V0乞，得到1 DD 1 Vs/V。又V 48V。當(dāng)Vs10V 時，D 0.792;當(dāng) V 30V 時，D 0.375。電源電壓V變 化時，占空比 D 變化圍是 0.375 0.792。c 值:V。V。1 D8LCfs22(112 LC為此要求：C取c 12 F, L12 LCIS2 fsD) 0.01 ,1.5mH,1.17HZD)式，可確定輸出電壓文波小于 1%時，所需的 L、D 越小，V /Vo越大，故有:20 103I2 0.01HZ 1.27kHZ .1 0.51421.5 103

5、1.272106 F 10.5 F故有:驗(yàn)算：丄fs142Lfc2實(shí)用文檔48 0.375 (1 0.375)2 3,2 40 1030.208F 時，fc-:- HZ 435HZ23 100 10Vo臨界負(fù)載電流IOB，可由IOB2LfsVo汕1 D)益D(1 D)2D 1/3O.334 時，有最大值IOBm27Vo/-2LfsoD 值越接近 0.334 , %越大。令最小負(fù)載電流lmin大于臨界負(fù)載電流 IB，可由上式，即lminVo2LfsD(1 D)2,則：L0D(1 D)22 fsIO min取 L=0.5mH實(shí)用文檔濾波電感 C :1C -RminC -!- F 86 F23 O.

6、5O5 1O3取C 1OO驗(yàn)算：L=0.5mH,D=0.375 時，臨界負(fù)載電流為:248 0.375 (1 0.375)A 0.176 A1OB32 0.5 103401O31Omin0.28A確保了電感電流連續(xù),VVsD 越大，則DI。CfsVo1RC輸出電壓紋波:VoVo1RCD 上 O.O1fsVo/Vo越大，故:1RC0.01 fsD.。1 40 103HZ 0.505KHZ0.792負(fù)載電阻 R 越小，則Vo/Vo越大，最小電阻RminVo/ IOmax48/2.0823 o驗(yàn)算:C 1OOVoVo.79240 10435亍0.861%1%，滿足要求。實(shí)用文檔3、設(shè)計(jì)圖 3.12(

7、b)所示的單端反激 DC/DC 變換器。輸入直流電壓 Vs=12V 10%開關(guān)頻率fs=100KHz,額定負(fù)載電流 1A,最小負(fù)載電流 0.1A，要求輸出電壓 Vo 恒定為 48V,電壓紋 波小于1%假定開關(guān)管 T 及二極管Di通態(tài)電壓降均為IV。計(jì)算變壓器變比 N2/N1,計(jì)算必須的電感 L1,確定 C 值并選擇開關(guān)管 T 及二極管Di解： 開關(guān)管 T 及二極管Di導(dǎo)通時壓降為 IV,Vs12V 10%,則變壓器Ni繞組電壓乂的 變化圍為(120.9 1 )(12 1.1 1) V=9 . 8 12 . 2V。Vo48v,則二極管導(dǎo)通時變壓器N2繞組電壓V 48 1V 49V。取占空比 D=

8、0 . 5,選 取變壓器變化比N2/N1最大 D 值Dmax為:用V1代替VoN2Vs中的 Vs，N11DN?V21 D491 0.5, ”4.45N1V1D110.5取N2/ N14.5。用V2代替V0需TV，中的V0，得到:N1VoNUVLN1VoNT VS代 式中用V2代替Vo,用“代替得到:N1Vo1 1 D -1N2V1V1N1VoN1V2V2一定時，y 越大，V1/V2越大，D 越小，V1的最大值為 12.2v，最小值為 9.8v,V2(48 1)49V,故最小 D 值 Dmin為：Dmin1 4.5 空0.471649圖3.12(b)實(shí)用文檔臨界負(fù)載電流為:Dmax1 4.5 竺

9、0.52649實(shí)用文檔取L140 H,則:輸出電壓脈動計(jì)算公式與 BOOST 電路相同，由V。DI。V。CfsV。驗(yàn)算：1c16HZ 1.736KHZ0.526 口360.91% 1%,滿足要求。48 12 10V0100選開關(guān)管及二級管:負(fù)載電流町1A,折算至變壓器 叫側(cè):IOBNI)2N2)12L/s(1D)2VO令最小負(fù)載電流為:Omin OB則要求：2NiVoN22Lifs(D)Li4.5)2491 0.471632 100 10 0.134 H249 1 0.47164.52 40 106100 103A0.085A，Omin0.1A1RCD 越大,R 越小,V。V。越大。本題中 D

10、max0.526, Rmin48/148 ,所以:1RC0.01 fsD0-01 100 1 03HZ 1.9kHZ0.526要求:4811.9荷10,96FI01N4.5AN1繞組的等效電感L140 H,由 I1max110i1N11 DVs2L1DTs式，開關(guān)管 T 導(dǎo)通D丄丄fsRC0.01，其中fc實(shí)用文檔期間電流最大值:N2? I0VsDTsN1 1 D2L1T max11 max實(shí)用文檔12.2 0.5262 40 106100 103(9.5 0.8)A 10.3A圖中， 二極管D1在 T關(guān)斷瞬間iT hmax時開始導(dǎo)通， 這時N1繞組電流|說%轉(zhuǎn)到U繞 組電流i20iD1匚20

11、有最大值 lomax，由心繞組初值電流為：i?。-N111 max式：N21D maxN1i20N2l1max4.510.3A2.29A開關(guān)管 T 阻斷、D1導(dǎo)通時， 開關(guān)管 T承受最大的正向電壓為:VT maxVsV2N1-(12 1.1491)V 24vN24.5開關(guān)管 T 導(dǎo)通、二極管D1截止時，二極管D1承受的最高反向電壓是：VDmax(12 1.1 1)叫4854.9 48 V 103VN1開關(guān)管可選用 100v/30A 的 P MOSFET 管，這時過電壓安全系數(shù)為 4，過電流安全系 數(shù)為3。二極管可選用 300V/5A 的快恢復(fù)二極管，這時過電壓安全系數(shù)為 3，過電流安全 系數(shù)為

12、 2。4、用 MATLA 仿真實(shí)現(xiàn)一個單極性 SPWM雙極性 SPWM單極倍頻 SPW 調(diào)制，給出仿真輸 出波形，并對其輸出波形進(jìn)行 FFT 分析。解：(1)單極性 SPW 調(diào)制的模型圖如圖 4-1 (a)所示：14.5 -1 0.526實(shí)用文檔單極性 SPW 調(diào)制的仿真波形如圖 4-1 (b)所示:單極性 SPW 調(diào)制輸出傅里葉分析如圖 4-1 ( c)所示:RelationalOperator圖 4-1 (a)單極性 SPW 碉制的模型圖spwm圖 4-1 ( b)單極性 SPW 碉制波形圖實(shí)用文檔Signal to an晦EEO 3邯罰FFT wndaw前m3 rpur：inpb11iH

13、f4l rtMicrt-itr(3：c c圖 4-1 (c)單極性 SPW 碉制輸出傅里葉分析圖由圖可見在頻率為 12.8kHz (載波頻率)有較大的諧波分量約為基波成分的20%皆波畸變率為 52.15%.(2)雙極性 SPW 調(diào)制的模型圖如圖 4-2 (a)所示:FF7 MalysiskLirkrer ofC/CIEC:rjichfri-filrtrtlzjl*lFFT seI lingsDbpl割旳II日 ai NE wlkE ：unCaiiks-1afFrqijency safeM9rt3hlklax -recjisiiDy (rlzjP2咖Fundanertal (5CHn - KOI

14、 . I卜片 丘旺4020匚iEFrequencj (tiz)10、134(EuUJLlIETIcn亠D爭II?jrai抽e signalsSrLrtui-eFFT windowElSei ecisd sign31: H CCls& FH r incowz Qn rEdi.JcyclesTIITIE(3)實(shí)用文檔RepeatingSequeneeSine Wave實(shí)用文檔圖 4-2 (a)雙極性 SPW 碉制的模型圖雙極性 SPW 調(diào)制的仿真波形如圖 4-2 ( b)所示：圖 4-2 (b)雙極性 SPW 碉制波形圖雙極性 SPW 調(diào)制輸出傅里葉分析如圖 4-2( c)所示:圖 4-2

15、 ( c)雙極性 SPW 碉制輸出傅里葉分析圖由圖可見在頻率為 12.8kHz (載波頻率)有較大的諧波分量約為基波成分的60%皆波畸變 riRaawTiiInpit:Qhpul 1Eijrul nunfcci:1Fundminlal 卄曰 qumqS3言100匚ErunIJ-o決WI11II1-1-1 .丨1II .MLJ4W FFT is eti In gm-CiSfDta/ sly俺.Bar relji:ihn=IDUnu rrcrrL*v険皿 IFroquicne1it Hi:Mn*BrtnevnHzi：Cose |10D30 04Tirre衍)一Sigri呂IDanalysegi皿i

16、 vice詁叩赳O Dl* p掃)FFTwindowSalscied signal: 3CJ/CIK.FFTwindow 0n rod): 1 cyclwMdi db巴卻igrrd當(dāng)itr LLlijre.T windcmFFT analifsisFumdatTitrilal(50Hi)= 1 CHI . THD- 9974%實(shí)用文檔率為 99.74%。實(shí)用文檔(3)單極倍頻 SPW 調(diào)制的模型圖如圖 4-3 (a)所示:圖 4-3( b)單極倍頻 SPW 碉制波形圖單極倍頻 SPW 調(diào)制輸出傅里葉分析如圖 4-3(c)所示：實(shí)用文檔圖 4-3 (c)單極倍頻 SPW 碉制輸出傅里葉分析圖由圖

17、可見在頻率為 25.6kHz (載波頻率的 2 倍)有較大的諧波分量約為基波成分的20%皆波畸變率為 52.08%?？梢妴螛O性調(diào)制的諧波分量比雙極性的調(diào)制小，頻率越高諧波畸變率越小，后級濾波參數(shù) 也可以越低。5、分析含 BOOS 型 APFC 勺高頻整流器的工作原理，并好給出相關(guān)系統(tǒng)框圖和波形BOOS 型 PFC 的高頻整流器結(jié)構(gòu)框圖以及主電路電流波形如下圖所示 Ji *Li L r| j|Slluieiy 1ITT wind owr1R-|1-1-U1LhFFTsett ngsFmLencv co:HartzMMXr 日 qj*日IX FHz/ia|idO0I-I-解:jignr.4 10

18、ana /z-Funds mental GQHz)= 1.001fTHD= 52.15%2hrequnc (HzJ91D0e:60401D0e:60402020-Flu屮UEFn亠-0-0或?芒實(shí)用文檔Boost 型 PFC 的主電路是在經(jīng)典的二極管不可控整流后級添加一個Boost 拓?fù)潆娐罚ㄟ^對 Boost 電路的控制使得輸入電流波形跟蹤輸入電壓波形變化，并使得直流輸出電壓 高于不可控整流，從而提高輸入側(cè)的功率因數(shù)使之接近1。在無 PFC 的整流電路中只有當(dāng)輸入交流電壓在正負(fù)峰值附近時輸入大于濾波電容的電壓，此時整流二極管才有電流通 過，并為一個窄脈沖，這種整流電路的功率因數(shù)很低。上圖給出

19、的是一種基于平均電流控制方式的PFC 原理框圖。該控制方式是一種雙閉環(huán)控制，外環(huán)為電壓環(huán)，用于控制后級的直流電壓輸出穩(wěn)定，環(huán)為電流環(huán)，用于跟蹤輸入電 壓的波形。電流環(huán)對輸入電壓進(jìn)行采樣，并計(jì)算出一個周期下的平均電壓折算出峰值，用采樣的 電壓值除以峰值，得到歸一化的輸入電壓波形，最后與外環(huán)的PI 調(diào)節(jié)器相乘得到電流環(huán)的給定，用實(shí)時檢測到的電感電流和給定進(jìn)行比較，通過誤差的PI 調(diào)節(jié)得到控制的占空比 D,通過驅(qū)動電路驅(qū)動 MOSFET 所以電感電流會始終跟隨輸入電壓的波形變化而變化。 歸一化的輸入電壓波形是不變的，當(dāng)輸出電壓小于給定時，外環(huán)PI 輸出變大，使得環(huán)的電流給定變大，從而平均的占空比變大

20、，最后使得直流輸出變大回到給定值。6、用 MATLA 仿真一個三相交流調(diào)壓器，負(fù)載為阻感性負(fù)載。解:三相交流調(diào)壓器建模與參數(shù)設(shè)置如下：1三相交流調(diào)壓器的建模、參數(shù)設(shè)置與封裝（1）建立一個新的模型窗口并命名（2） 打開電力電子模塊組，復(fù)制一個晶閘管到新建模型窗口中；打開晶閘管參數(shù)設(shè)置對話框，按如下參數(shù)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置：（3） 將設(shè)置好參數(shù)的晶閘管模塊進(jìn)行復(fù)制， 得到另外 5 個相同參數(shù)的模塊，分別命 名為 VT、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6。（4） 打開模塊組，復(fù)制 7 個 conn ection port 模塊到模型窗口中，分別命名為 a、 b、c、UA、UB、UC、P。實(shí)用文檔（5） 將 6 個晶閘管連接成三相交流調(diào)壓器，連接后如圖 6-1 所示，然后封裝，封裝實(shí)用文檔符號圖如圖 6-2 所示圖 6-1 晶閘管連接圖DrDcUCDLUBSubsystem圖 6-2 晶閘管封裝圖2三相交流調(diào)壓電路的建模與參數(shù)設(shè)置（1） 新建 1 個模型窗口。（2） 復(fù)制封裝后的三相調(diào)壓器的模型子系統(tǒng)和同步6 脈沖觸發(fā)器到模型窗口。（3） 添加三相負(fù)載和三相電源到模型窗口中，電壓U、UB、UC的參數(shù)設(shè)置為：賦值50V,初相位分別為 0、-120 、-240。，頻率是 50Hz 的三相對稱正弦交流電。組建完成后的三