降壓斬波電路課程設(shè)計

電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

課程設(shè)計報告成績 學(xué)院輪機(jī)工程學(xué)院班級船電1912姓名王家鵬學(xué)號201921024060指導(dǎo)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(shè)計的目的及要求 1\o"CurrentDocument"設(shè)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(shè)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(xiàn) 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(guān)電源、電力電子變換裝置及各種用電設(shè)備中得到普通的應(yīng)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(fù)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(jī)驅(qū)動中，使其控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)、節(jié)約電能的效果。全控型器件MOSFET大規(guī)模運(yùn)用在電子開關(guān)，可控整流，多級放大器的輸入級的阻抗變換，恒流源等領(lǐng)域。直流變換技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用于開關(guān)電源及直流電動機(jī)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(jī)動車輛的無級變速及20世紀(jì)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(yīng)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(shè)計的目的及要求1.1設(shè)計要求在規(guī)定時間內(nèi)通過分析任務(wù)書、查閱相關(guān)資料，充分發(fā)揮主動性與創(chuàng)造性，在老師的指導(dǎo)下聯(lián)系實(shí)際、掌握正確的分析方法，獨(dú)立完成課程設(shè)計，撰寫設(shè)計計算說明書。根據(jù)題目任務(wù)要求設(shè)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(shè)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(shè)計過程。課程設(shè)計報告要求以設(shè)計說明書的方式來完成，主要敘述對題目的認(rèn)識和理解，闡明電路功能分析、實(shí)現(xiàn)方案及其形成過程，給出參數(shù)設(shè)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(shè)計報告應(yīng)包括以下主要內(nèi)容：(1)題目及其功能要求分析；(2)具體設(shè)計方案及其說明；(3)主電路參數(shù)和控制電路設(shè)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(shí)現(xiàn)框架；(6)課程設(shè)計的心得體會。1.2方案確定電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中，一般是由控制電路，驅(qū)動電路，保護(hù)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(dǎo)通或者關(guān)斷來完成整個系統(tǒng)的功能，當(dāng)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(guān)時就無需驅(qū)動電路。根據(jù)降壓斬波電路設(shè)計任務(wù)要求設(shè)計主電路、控制電路、驅(qū)動及保護(hù)電路，設(shè)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(dǎo)通。用控制電路和驅(qū)動電路來控制MOSFET管的通斷，當(dāng),0時，驅(qū)動MOSFET管導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓Uo二E,負(fù)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(dāng)時刻，控制MOSFET管關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管V。續(xù)流，負(fù)載電壓U。近似為零，負(fù)載電流指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)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(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過程。當(dāng)電力工作于穩(wěn)態(tài)時負(fù)載電流在一個周期的初值和終值相等根據(jù)參考文獻(xiàn)1可得負(fù)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(dǎo)通的時間;t°ff為V處于關(guān)斷時間；a為導(dǎo)通占空比。）根據(jù)參考文獻(xiàn)1可得負(fù)載電流平均值I。，110=10=10=Uo-Em

Ro(2-2)Uo為負(fù)載電壓，Em為反電動勢，若負(fù)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(guān)周期;a為導(dǎo)通占空比。通過調(diào)節(jié)占空比a使輸出到負(fù)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(fù)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(shè)計(王家鵬)輸入直流電壓90V；開關(guān)頻率20KHz；輸出電壓60V；最大輸出電流10A(額定負(fù)載下)具有過流保護(hù)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(shè)計要求設(shè)計一個降壓斬波電路,可運(yùn)用電力電子開關(guān)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(xué)的buck降壓電路作為主電路。占空比計算根據(jù)參考文獻(xiàn)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(xiàn)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(yīng)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(xiàn)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(xiàn)1可得電阻RR=—=—=6Q (3-4)Io10A元器件的選擇2.1開關(guān)管的選擇開關(guān)管導(dǎo)通時，負(fù)載電流和濾波電容的充電電流都流過開關(guān)管，因此開關(guān)管集電極的額定電流必須大于負(fù)載電流，若負(fù)載電流為I。，根據(jù)參考文獻(xiàn)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(guān)管截止時，續(xù)流二極管導(dǎo)通，輸人電壓全部加在開關(guān)管的集、射極兩端，因此開關(guān)管的耐壓必須人于輸人電壓V,考慮開關(guān)瞬間濾波電感產(chǎn)生的浪涌電壓,開關(guān)管的耐壓應(yīng)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(guān)管的最大集電極電流，即大于負(fù)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(shè)計控制電路需要實(shí)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(dá)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(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)制或脈沖調(diào)寬型;.保持導(dǎo)通時間不變，改變開關(guān)周期T,成為頻率調(diào)制或調(diào)頻型。.導(dǎo)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(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。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(xué)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(shù)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(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)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(qiáng)大的科學(xué)計算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力；(4)出色的圖形處理功能；(5)應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱；(6)實(shí)用的程序接口和發(fā)布平臺；⑺應(yīng)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(diǎn)擊新建Simulinkmodel,然后在點(diǎn)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(diǎn)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(guān)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(xué)的指導(dǎo)，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(jī)或計算機(jī)控制，本次課設(shè)相當(dāng)于初步認(rèn)識MATLAB,日后的學(xué)習(xí)中，將進(jìn)一步了解MATLAB強(qiáng)大的仿真功能，MATLAB不單單可以用于電力電子技術(shù)仿真，甚至可以用于PLC和單片機(jī)的仿真，此次總結(jié)相當(dāng)于一次小論文的書寫，也讓我了解到了學(xué)術(shù)論文排版設(shè)計，內(nèi)容敘述的嚴(yán)謹(jǐn)型此次仿真課設(shè)也讓我學(xué)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(shí)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(diǎn)：(1)由于不精通單片機(jī)，本次仿真未能采用單片機(jī)設(shè)