电力电子课程设计--直流斩波控制电路.doc

自动化学院课程设计报告 题目：直流斩波控制电路 学生姓名 学号 20110789 届 班级 指导教师 专业电气工程及其自动化 说 明1. 课程设计文本材料包括设计报告、任务书、指导书三部分，其中任务书、指导书由教师完成。按设计报告、任务书、指导书顺序装订成册。2. 学生根据指导教师下达的任务书、指导书完成课程设计工作。3. 设计报告内容建议主要包括：设计概述、设计原理、设计方案分析、软硬件具体设计、调试分析、总结以及参考资料等内容。4. 设计报告字数应在3000-4000字，图纸设计应采用电子绘图。文字规范，正文采用宋体、小四号，1.25倍行距。5.课程设计成绩由平时表现（30%）、设计报告（40%）和答辩成绩（30%）组成。课程设计评语及成绩汇总表成绩平时成绩报告成绩答辩成绩总评成绩课程设计评语目录1.设计概要.42.设计原理分析 2.1直流-直流降压斩波器原理分析.4 2.2全桥式直流斩波器分析.5 2.3 PWM工作原理分析.6方案一 用MATLAB中SIMULINK实现3.1MATLAB及SIMULINK简介.73.2直流-直流降压斩波器仿真 3.2.1 仿真实现电路.8 3.2.2 占空比为20%相关输出波形.10 3.2.3 占空比为50%相关输出波形.11 3,.3.4 占空比为80%相关输出波形.113.3全桥式直流斩波器仿 3.3.1仿真实现电路.12 3.3.2 占空比为20%相关输出波形. 13 3.3.3 占空比为60%相关输出波形. 14 3.3.4 占空比为80%相关输出波形.15方案二 通过实际电力电子原器件实现1. 相关器件介绍 1.1 TL494介绍.16 1.2 IRF3205介绍.182. 实现电路图 2.1直流-直流降压斩波器实现电路图.18 2.2 全桥直流斩波器实现电路图.193. 实验结果析.20思考题.20设计概要直流-直流变换器也称为斩波器，利用电力电子器件的通断控制，将一个固定电压的直流电变为另一固定的或可调电压的直流电，通过改变通断时间比来改变输出电压平均值。直流-直流变换器被广泛地应用在直流开关电源和直流电机拖动系统中。直流-直流变换器主要有以下5种基本形式：降压直流-直流变换器升压直流-直流变换器降压-升压直流-直流变换器库克直流-直流变换器全桥式直流-直流变换器在本次课程设计中，主要对降压直流-直流斩波器和全桥式直流-直流斩波器进行了研究和阐述。通过两种不SIMULINK同的方法对以上两种电路进行了总结和分析。第一种是在MATLAB里用来实现仿真研究，第二种是采用电力电子原器件TL494及IRF3205等器件来实现斩波控制来进行分析。设计原理分析2.1 直流-直流降压斩波器工作原理 降压斩波器也称为Buck变换器，正如名字所定义的，降压变换器的输出电压Uo低于输入电压Ud降压变换器电路主要由电感和电容构成低通滤波器，二极管VD提供续流通道。 电路工作过程：在开关管VT导通期间，uD等于直流输入电压Ud，二极管VD反偏，输入电源经电感与电容和负载形成回路，提供能量给电感和负载，同时给电容充电，电感电流增大。当开关管关断时电感的自感电势使二极管导通，电感中储存的能量经二极管续流给负载，电感电流减少。如果输出端的虑波电容足够大，则输出电压近似保持不变，即uo=Uo.在稳态情况下，因为电容电流平均值为0.所以电感电流平均值IL等于输出电流平均值Io。图（一）直流降压斩波工作原理图2.2 全桥式直流斩波器工作原理 全桥式直流-直流斩波器的电路图如下图所示：图（二）全桥式直流-直流变换器电路在全桥式直流-直流斩波器中，斩波器的输入是直流电压Ud,输出电压Uo是极性可变，幅值可控的直流电，输出电流Io的幅值和方向也是可变的。因此，全桥式直流-直流斩波器可以在io-uo平面的4个象限内运行。全桥式斩波器有4个桥臂，每个桥臂由一个开关管及与他反并联的二极管组成。上，下桥臂的两个开关管不能同时处于导通状态，否则就会造成直流短路。在实际情况中，由于开关管有一定的关断时间，因此它们在一个短时间内都断开，改时间称为桥臂互锁时间。全桥式斩波器的脉宽调制时用三角波和控制电压uco比较产生PWM的，有两种PWM控制方式：双极性PWM控制方式。在该控制方式下，图中(VT1，VT4)和(VT3，VT2)被当做两对开关管，没对都是同时导通或关断。双极性PWM工作时的波形如下图所示：图（三）双极性PWM方式时的工作波形单极性PWM控制模式。在该模式下，每个桥臂的开关管是单独控制的。2.3 PWM工作原理直流-直流变换器在实际应用中，通常采用PWM来进行控制。在实际中我们会遇到以下两个问题： 实际的负载，多类似电机这样的，多为感性负载，即使是阻性负载，也总有线路电感，电感电流不能突变，因此，采用图(四）a的开关管关断时可能由于电感上的感应电压毁坏开关管。图（四）脉宽调制原理图图（四）a电路的输出电压波形如图（四）b所示，在0和Ud间变化。因此，在实际的直流-直流斩波器中，通常采用二极管续流将电感中储存的电能释放给负载；采用电感，电容组成的低通虑波器虑波得到平稳的直流输出电压。 方案一 用MATLAB中SIMULINK实现3.1MATLAB中SIMULINK简介 SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。在SIMULINK环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像你用手和纸来画一样容易。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。SIMULINK包含有SINKS（输入方式）、SOURCE（输入源）、LINEAR（线性环节）、NONLINEAR（非线性环节）、CONNECTIONS（连接与接口）和EXTRA（其他环节）子模型库，而每个子模型库中包含有相应的功能模块。用户也可以定制和创建用户自己的模块。3.2直流-直流降压斩波器仿真 3.2.1 仿真实现电路 降压斩波器建模步骤及器件： 建立一个新的模型窗口，命名为IGBTBuck。 打开SIMPOWER SYETEMS,分别添加一个IGBT模块和一个二极管D到所建模块中。按要求设置相关参数。 打开SINKS模块，向模块中添加一个SCOPE,并设置为八通道。如下图 打开SOURCES模块，往新建模块添加一个CONSTANT设置参数为100和一个PULSE按下图设置参数。 打开SIGNAL ROUTING 模块，添加一个DEMUX 设置外4输出通道。 打开ELECTRICAL SOURCES模块，添加2个DC voltage source.按下图设置参数。 打开MACHINE模块，添加一个DC machine，按下图设置参数 打开MEASUREMENTS 模块，添加一个电流测量装置。按要求将每个原器件连接到一起：如下图所示：打开仿真参数设置窗口如下图所示，按要求改变占空比，得到相对应的输出波形： 3.2.2 占空比为20%相关输出波形 3.2.3 占空比为50%相关输出波形 3,.3.4 占空比为80%相关输出波形3.3全桥式直流斩波器仿真 3.3.1仿真实现电路全桥式直流斩波器建模步骤及器件： 建立一个新的模型窗口，命名为IGBTBuck。 打开SIMPOWER SYETEMS,分别添加4个IGBT模块和一个4极管D到所建模块中。按要求设置相关参数。 打开SINKS模块，向模块中添加2个SCOPE,并设置为4通道和5通道。 打开SOURCES模块，往新建模块添加一个CONSTANT设置参数为100和一个PULSE按要求设置参数。 打开SIGNAL ROUTING 模块，添加一个DEMUX 设置外4输出通道。 打开ELECTRICAL SOURCES模块，添加2个DC voltage source.按要求设置参数为240V。 打开MACHINE模块，添加一个DC machine，按要求设置参数 打开MEASUREMENTS 模块，添加一个电流测量装置。打开MATH OPERATIONS模块，设置参数为-1 1。按要求将每个原器件连接到一起：如下图所示 打开仿真参数设置窗口如下图所示，按要求改变占空比，得到相对应的输出波形：3.3.2 占空比为20%相关输出波形示波器波形图示波器1波形图 3.3.3 占空比为60%相关输出波形图示波器波形图示波器1波形图 3.3.4 占空比为80%相关输出波形示波器波形图示波器1波形图 方案二 通过实际电力电子原器件实现2. 相关器件介绍 1.1 TL494介绍 TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。 TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：功能引脚图如右图所示：其中有：1、16脚和2、15脚分别是误差放大器1和误差放大器2的同相输入端和反向输入端；3脚是反馈输入端；4脚是死区时间控制端；5、6脚分别接RC振荡器的定时电容和电阻；7脚接地；8、9脚11、10脚分别是两个内部驱动三极管的集电极和发射极；12脚为电源正端；13脚为输出状态控制端，当13脚为高电平时，两个内部驱动三极管交替导通，当13脚为低电平时，两个内部驱动三极管同时导通或截止，此时只能控制一个开关管。14脚是集成电路内部输出的5V基准电压输出端。输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管Q1和Q2受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。参见下图： 1.2 IRF3205介绍 IR的HEXFET功率场效应管irf3205采用先进的工艺技术制造，具有极低的导通阻抗。irf3205这种特性，加上快速的转换速率，和以坚固耐用著称的HEXFET设计，使得irf3205成为极其高效可靠、应用范围超广的器件。 主要特性有：场管IRF3205的关断电压是20V以内，不要超过20V，反向耐压也是20V。3. 实现电路图 2.1直流-直流降压斩波器实现电路图 实现电路图如下图所示： 2.2 全桥直流斩波器实现电路图 实现电路图如下图所示：.4. 实验结果分析 通过对以上两个电路图的实际搭接，进行试验后可知，PWM是通过E1口和E2口输出的，可以通过改变滑动变阻RP1的阻值实现对输出控制口OUT的控制，以实现TL494的不同控制方式，输出不同的波形，当输出控制端接地时，E1和E2并联使用，当控制输出端接+5V电压时，E1和E2分开独立输出。通过改变C1或者电阻R3的阻值，可以改变TL494的震荡频率。在降压直流-直流斩波器中，可以实现电机的启动加速停止状态。在全桥式直流-直流斩波器中，可以实现电机的启动，加速，减速，反转，正传状态。思考题1. 直流电机作负载时为何反并联二极管？答.因为直流电机负载多为感性，电流的变化滞后于电压变化，反并联二极管能起到续流的作用，可以避免原器件损坏。2. 简述双极性全桥PWM直-直换时死区的概念？答.死区就是在上半桥关断，延迟一段时间在打