降壓斬波電路課程設計

電氣控制系統(tǒng)設計

課程設計報告成績 學院輪機工程學院班級船電1912姓名王家鵬學號201921024060指導老師崔博文2022年1月7日目錄TOC\o"1-5"\h\z0 弓I言和緒論 1\o"CurrentDocument"1設計的目的及要求 1\o"CurrentDocument"設計要求 1\o"CurrentDocument"方案確定 1\o"CurrentDocument"2 電路原理 2\o"CurrentDocument"3具體計算和選擇過程 3\o"CurrentDocument"1主電路參數(shù)計算 3\o"CurrentDocument"元器件的選擇 4\o"CurrentDocument"控制電路的設計 5\o"CurrentDocument"4 仿真研究的內(nèi)容和步驟 5\o"CurrentDocument".1仿真研究的內(nèi)容 5\o"CurrentDocument".2仿真研究的步驟 5\o"CurrentDocument"5 心得體會 6\o"CurrentDocument"6參考文獻 70引言和緒論直流斬波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，直流斬波技術已被廣泛用于開關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。全控型器件MOSFET大規(guī)模運用在電子開關，可控整流，多級放大器的輸入級的阻抗變換，恒流源等領域。直流變換技術已被廣泛的應用于開關電源及直流電動機驅(qū)動中，如不間斷電源(UPS)、無軌電車、地鐵列車、蓄電池供電的機動車輛的無級變速及20世紀80年代興起的電動汽車的控制。從而使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應的性能，并同時收到節(jié)約電能的效果。由于變速器的輸入是電網(wǎng)電壓經(jīng)不可控整流而來的直流電壓，所以直流斬波不僅能起到調(diào)壓的作用，同時還能起到有效地抑制網(wǎng)側(cè)諧波電流的作用。1設計的目的及要求1.1設計要求在規(guī)定時間內(nèi)通過分析任務書、查閱相關資料，充分發(fā)揮主動性與創(chuàng)造性，在老師的指導下聯(lián)系實際、掌握正確的分析方法，獨立完成課程設計，撰寫設計計算說明書。根據(jù)題目任務要求設計電路原理圖，并計算電路中所用元器件的參數(shù)，確定其規(guī)格型號;課程設計說明書要求整潔、完備、內(nèi)容正確、概念清楚、文字通暢。要求繪制完整的主電路原理圖和控制電路原理圖，給出完整的電路設計過程。課程設計報告要求以設計說明書的方式來完成，主要敘述對題目的認識和理解，闡明電路功能分析、實現(xiàn)方案及其形成過程，給出參數(shù)設計和仿真結(jié)果及分析，特別是有新意的地方要充分論述。設計報告應包括以下主要內(nèi)容：(1)題目及其功能要求分析；(2)具體設計方案及其說明；(3)主電路參數(shù)和控制電路設計及其工作原理介紹；(4)主電路的仿真結(jié)果分析、仿真中出現(xiàn)問題的分析和解決方法；(5)控制電路及電力電子系統(tǒng)硬件實現(xiàn)框架；(6)課程設計的心得體會。1.2方案確定電力電子器件在實際應用中，一般是由控制電路，驅(qū)動電路，保護電路和以電力電子器件為核心的主電路組成-一個系統(tǒng)。由信息電子電路組成的控制電路按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅(qū)動電路去控制主電路中電力電子器件的導通或者關斷來完成整個系統(tǒng)的功能，當控制電路所產(chǎn)生的控制信號能夠足以驅(qū)動電力電子開關時就無需驅(qū)動電路。根據(jù)降壓斬波電路設計任務要求設計主電路、控制電路、驅(qū)動及保護電路，設計出降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)框圖。2電路原理圖2.1降壓斬波電壓原理圖圖2.1降壓斬波電壓原理圖圖2.1圖2.1降壓斬波電壓原理圖直流降壓斬波主電路使用一個全控器件MOSFET管控制導通。用控制電路和驅(qū)動電路來控制MOSFET管的通斷，當,0時，驅(qū)動MOSFET管導通，電源E向負載供電，負載電壓Uo二E,負載電流i。按指數(shù)曲線上升。固降壓電路波形圖如圖所示：圖2.2降壓斬波電路波形圖當時刻，控制MOSFET管關斷，負載電流經(jīng)二極管V。續(xù)流，負載電壓U。近似為零，負載電流指數(shù)曲線下降。為了使負載電流連續(xù)且脈動小，故串聯(lián)L值較大的電感。至一個周期T結(jié)束，再驅(qū)動MOSFET管導通，重復上一周期的過程。當電力工作于穩(wěn)態(tài)時負載電流在一個周期的初值和終值相等根據(jù)參考文獻1可得負載電壓的平均值U。，(2-1)(2-1)(2-1)Uo二tonE=—E=aEUton+toff T(2-1)（ton為v處于導通的時間;t°ff為V處于關斷時間；a為導通占空比。）根據(jù)參考文獻1可得負載電流平均值I。，110=10=10=Uo-Em

Ro(2-2)Uo為負載電壓，Em為反電動勢，若負載中無反電動勢時令Em=0即可，Ro為電阻"為MOSFET管處于通態(tài)的時間；Lf為處于斷態(tài)的時間;T為開關周期;a為導通占空比。通過調(diào)節(jié)占空比a使輸出到負載的電壓平均值Uo最大為E,若減小占空比a,則U。隨之減小。由此可知，輸出到負載的電壓平均值Uo最大為口若減小占空比a,則U。隨之減小，由于輸出電壓低于輸入電壓，故稱該電路為降壓斬波電路。3具體計算和選擇過程題目：降壓斬波電路設計(王家鵬)輸入直流電壓90V；開關頻率20KHz；輸出電壓60V；最大輸出電流10A(額定負載下)具有過流保護功能，動作電流UA；具有穩(wěn)壓功能。主電路參數(shù)計算根據(jù)所選課題設計要求設計一個降壓斬波電路,可運用電力電子開關來控制電路的通斷即改變占空比,從而獲得我們所想要的電壓。這就可以根據(jù)所學的buck降壓電路作為主電路。占空比計算根據(jù)參考文獻2可得占空比，(3-1)(3-2)D老=黑=0.67(3-1)(3-2)1.2buck電路電感計算：根據(jù)參考文獻2可得電感Lc,Lc二如&=60V(1-0.67)=5x10-5H2fsIomjn2X20KHZX10A要使電路工作在CCM狀態(tài)，應取Lf>Lc=5x10-5H,電感保留一定裕量，取Lf=0.01Hbuck電路電容的計算(考慮最低輸出電壓，取電流波紋系數(shù)為20%)根據(jù)參考文獻2可得濾波電容TOC\o"1-5"\h\zCf=fl--)= -fl--)=3.1x10-6F (3-3)r8Lff2AV0VVj/8x0.01Hx20KHzx0.02\ 90V73.1.4buck電路電阻的計算：根據(jù)參考文獻1可得電阻RR=—=—=6Q (3-4)Io10A元器件的選擇2.1開關管的選擇開關管導通時，負載電流和濾波電容的充電電流都流過開關管，因此開關管集電極的額定電流必須大于負載電流，若負載電流為I。，根據(jù)參考文獻2可得最大集電極電流為，kmax=I。+,%f=10A+黑器x1.65xlO^s=10.45A (3-5)開關管截止時，續(xù)流二極管導通，輸人電壓全部加在開關管的集、射極兩端，因此開關管的耐壓必須人于輸人電壓V,考慮開關瞬間濾波電感產(chǎn)生的浪涌電壓,開關管的耐壓應大于或等于輸入電壓的1.5倍:Vt>l.5Vi，即Vt>1.5x90V=135V綜上所述，耐壓135V,耐流10.45A,所選MOSFET型號為東芝IRF96132.2續(xù)流二極管的選擇續(xù)流二極管的正向額定電流必須等于開關管的最大集電極電流，即大于負載電流，續(xù)流二極管的耐壓必須大于輸入電壓用，即：IN=ITmax=1045A且Vd>Vj=90V (3-6)綜上所述，選擇續(xù)流二極管型號為英飛凌BYV79-100-200的續(xù)流二極管接入電路?？刂齐娐返脑O計控制電路需要實現(xiàn)的功能是產(chǎn)生控制信號，用于控制斬波電路中主功率器件的通斷,通過對占空比的調(diào)節(jié)達到控制輸出電壓大小的目的。斬波電路有三種控制方式：.保持開關周期T不變，調(diào)節(jié)開關導通時間。，稱為脈沖寬度調(diào)制或脈沖調(diào)寬型;.保持導通時間不變，改變開關周期T,成為頻率調(diào)制或調(diào)頻型。.導通時間和周期T都可調(diào)，是占空比改變，稱為混合型。本次仿真采用PWM控制方式來控制MOSFET管的通斷。PWM控制就是對脈沖寬度進行調(diào)制的技術。4仿真研究的內(nèi)容和步驟仿真研究的內(nèi)容MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。Simulink具有適應面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數(shù)字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于SimulinkoMATLAB的優(yōu)勢如下：(1)友好的工作平臺和編程環(huán)境；(2)簡單易用的程序語言；(3)強大的科學計算機數(shù)據(jù)處理能力；(4)出色的圖形處理功能；(5)應用廣泛的模塊集合工具箱；(6)實用的程序接口和發(fā)布平臺；⑺應用軟件開發(fā)（包括用戶界面）。4.2仿真研究的步驟（1）建立一個空白模型：點擊新建Simulinkmodel,然后在點擊Blankmodel新建空白模型；（2）提取電路元器件模塊。在仿真模型窗口的菜單上點擊出模型庫瀏覽器，在模型庫中提取所需的模塊放到仿真窗口。組成直流降壓斬波電路的元器件有直流電源、MOSFET,邏輯元件、電阻、電容、電感、二極管、示波器等；（3）將電路元器件模塊按直流降壓斬波的原理圖連接起來組成仿真電路。如圖所示:圖4.1仿真電路圖（4）仿真波形結(jié)果與分析圖4.2輸出電壓波形圖4.3輸出電流波形圖4.4開關管電壓波形如圖所示Scopel和Scope2結(jié)果都顯示趨于穩(wěn)定，證明此電路具有良好的穩(wěn)壓功臺匕月匕。5心得體會感謝老師和同學的指導，本次仿真歷時兩周，獲益良多，但buck變換器只是最簡單最基本呢的六大變換器之一，且目前已經(jīng)很少使用純模擬電路來搭建控制系統(tǒng)，多數(shù)采用單片機或計算機控制，本次課設相當于初步認識MATLAB,日后的學習中，將進一步了解MATLAB強大的仿真功能，MATLAB不單單可以用于電力電子技術仿真，甚至可以用于PLC和單片機的仿真，此次總結(jié)相當于一次小論文的書寫，也讓我了解到了學術論文排版設計，內(nèi)容敘述的嚴謹型此次仿真課設也讓我學到了不少知識，尤其是對我打開了MATLAB中Simulink的大門，讓我知道了仿真軟件的巨大優(yōu)勢，能低成本，高效率的搭建一個仿真控制系統(tǒng)，為實際控制系統(tǒng)中提早發(fā)現(xiàn)問題。此次仿真遇到的困難主要有以下幾點：(1)由于不精通單片機，本次仿真未能采用單片機設