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文檔簡介
1、<p><b> 課程設(shè)計(jì)說明書</b></p><p> 課程名稱: 電力電子課程設(shè)計(jì) </p><p> 設(shè)計(jì)題目: Boost電路的建模與仿真 </p><p> 專 業(yè): 電氣工程及其自動(dòng)化 </p>
2、<p> 班 級(jí): </p><p> 學(xué) 號(hào): </p><p> 姓 名: </p><p> 指導(dǎo)教師:
3、 </p><p> 二○一五 年 一 月</p><p><b> 目錄</b></p><p> 引言 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書3</p><p> 第一章 電路原理分析4</p><p> 第二章 電路狀態(tài)方程5</p>
4、<p> 2.1 當(dāng)V處于通態(tài)時(shí)5</p><p> 2.2 當(dāng)V處于斷態(tài)時(shí)5</p><p> 第三章 電路參數(shù)的選擇6</p><p> 3.1 占空比的選擇6</p><p> 3.2 電感L的選擇6</p><p> 3.3 電容C的選擇7</p>
5、<p> 3.4 負(fù)載電阻R的選擇7</p><p> 第四章 電路控制策略的選擇8</p><p> 4.1電壓閉環(huán)控制策略8</p><p> 4.2 直接改占空比控制輸出電壓8</p><p> 第五章 MATLAB編程9</p><p> 5.1 定義狀態(tài)函數(shù)9<
6、/p><p> 5.2 主程序的編寫9</p><p> 5.3 運(yùn)行結(jié)果12</p><p> 第六章 Simulink仿真16</p><p> 6.1 電路模型的搭建16</p><p> 6.2 仿真結(jié)果16</p><p> 第七章 結(jié)果分析18</
7、p><p><b> 參考文獻(xiàn)19</b></p><p> 引言 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><p><b> 題目</b></p><p> Boost電路建模、仿真</p><p><b> 任務(wù)</b></p><p>
8、; 建立Boost電路的方程,編寫算法程序,進(jìn)行仿真,對仿真結(jié)果進(jìn)行分析,合理選取電路中的各元件參數(shù)。</p><p><b> 要求</b></p><p> 課程設(shè)計(jì)說明書采用A4紙打印,裝訂成本;內(nèi)容包括建立方程、編寫程序、仿真結(jié)果分析、生成曲線、電路參數(shù)分析、選定。</p><p> V1=20V±10%</p&
9、gt;<p><b> V2=40V</b></p><p><b> I0=0 ~ 1A</b></p><p><b> F=50kHZ</b></p><p> 第一章 電路原理分析</p><p> Boost電路,即升壓斬波電路(Boost
10、Chopper),其電路圖如圖1-1所示。電路中V為一個(gè)全控型器件,且假設(shè)電路中電感L值很大,電容C值也很大。當(dāng)V處于通態(tài)時(shí),電源E(電壓大小為)向電感L充電,電流流過電感線圈L,電流近似線性增加,電能以感性的形式儲(chǔ)存在電感線圈L中。此時(shí)二極管承受反壓,處于截?cái)酄顟B(tài)。同時(shí)電容C放電,C上的電壓向負(fù)載R供電,R上流過電流R兩端為輸出電壓(負(fù)載R兩端電壓為),極性為上正下負(fù),且由于C值很大,故負(fù)載兩端電壓基本保持為恒值。當(dāng)V處于斷態(tài)時(shí),由于
11、線圈L中的磁場將改變線圈L兩端的電壓極性,以保持不變,這樣E和L串聯(lián),以高于電壓向電容C充電、向負(fù)載R供電。下圖1-2為V觸發(fā)電流和輸出負(fù)載電流的波形,圖1-3為電感充放電電流的波形。</p><p> 第二章 電路狀態(tài)方程</p><p> 為了方便后面MATLAB程序的編寫,此文中選取電感電流iL和電容電壓V2為兩個(gè)狀態(tài)變量,,建立狀態(tài)方程。</p><p&g
12、t; 2.1 當(dāng)V處于通態(tài)時(shí)</p><p> 電源E對L充電,設(shè)電感電流初值為,即由</p><p><b> 可得L電流為:</b></p><p> 設(shè)通態(tài)時(shí)間為,則時(shí)L電流達(dá)到最大, (式2-1)</p><p> 同時(shí),電容C向負(fù)載供電,其電流為:</p><p>
13、<b> 電路狀態(tài)方程如下:</b></p><p> 2.2 當(dāng)V處于斷態(tài)時(shí)</p><p> 電源和電感L同時(shí)向負(fù)載R供電,L電流的初始值則為V處于通態(tài)的終值,由可得: (式2-2)</p><p> 設(shè)斷態(tài)時(shí)間為,則時(shí)L電流將下降到極小值,即為,</p><p> 故由(式2-2)得:,
14、于是得到。</p><p> 令,并設(shè)占空比,升壓比為,其倒數(shù)為,</p><p> 則與的關(guān)系可表示為: (式2-3)</p><p> 由此式可見,,故,則達(dá)到電壓升高的目的。</p><p><b> 電路狀態(tài)方程如下:</b></p>
15、<p> 第三章 電路參數(shù)的選擇</p><p> 3.1 占空比的選擇</p><p> 由(式2-3)可得:,其中V1=12V±10% ,V2=24V</p><p><b> 故可得:</b></p><p> 3.2 電感L的選擇</p><p>
16、 在該電路中,前面已經(jīng)假設(shè)電感L的值必須足夠大,在實(shí)際中即要求電感有一個(gè)極限最小值,若L<,將導(dǎo)致電感電流斷續(xù),并引起MOSFET元件V和續(xù)流二極管VD以及電感L兩端的電壓波形出現(xiàn)臺(tái)階,如圖3-1所示。</p><p> 這種情況將導(dǎo)致輸出電壓紋波增大、電壓調(diào)整率變差,為防止此不良情況的出現(xiàn),電感L需滿足下式要求: (式3-1)</p><
17、;p> 根據(jù)臨界電感的定義可知,當(dāng)儲(chǔ)能電感時(shí),V導(dǎo)通時(shí),通過電感的電流都是從零(即)近似線性增加至其峰值電流,而V截止期間,由下降到零。在此情況時(shí),剛好處在間斷與連續(xù)的邊緣,而且MOSFET、二極管和電感兩端電壓的波形也剛好不會(huì)出現(xiàn)臺(tái)階,此時(shí)電感電流的平均值正好是其峰值電流的一半。即 (式3-2)</p><p> 且此時(shí)有,,代入(式2-3)得:(式3-3)&
18、lt;/p><p> 由(式3-2)和(式3-3)得: (式3-4)</p><p> 根據(jù)電荷守恒定律,電路處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),電感L在V截止期間所釋放的總電荷量等于負(fù)載在一個(gè)周期T內(nèi)所獲得的電荷總量,即(式3-5)</p><p> 由(式3-4)和(式3-5)得: (式3-6)</p><p> 已知數(shù)
19、據(jù)V2=24V,,并取V1=12V,,</p><p> 代入(式3-6)得:</p><p> 故由(式3-1)得:</p><p> 3.3 電容C的選擇</p><p> 在該電路中,當(dāng)V截止、VD導(dǎo)通時(shí),電容C充電,上升,此時(shí)流過二極管VD的電流等于電感L的電流。設(shè)流過C的電流為,流過R的電流為(此處將其近似看成一周期內(nèi)的平
20、均值為),則 (式3-7)</p><p> 由(式3-7)與(式2-2)得:</p><p> 通過求出期間充電電壓的增量,就可得到輸出脈動(dòng)電壓峰峰值</p><p><b> ?。ㄊ?-8)</b></p><p> 由于此過程中負(fù)載電流可看成線性變化,且認(rèn)為電容C的電壓由0開始上升,并且到時(shí)電感L
21、電流剛好下降為0,故</p><p><b> ?。ㄊ?-9)</b></p><p><b> ?。ㄊ?-10)</b></p><p> 將(式3-9)和(式3-10)代入(式3-8)并整理得: </p><p><b> (式3-11)</b></p>
22、<p> 已知V1=12V,V2=24V,取,則由(式3-11)得:</p><p><b> 當(dāng)取時(shí),</b></p><p><b> 當(dāng)取時(shí),</b></p><p><b> 當(dāng)取時(shí),</b></p><p> 3.4 負(fù)載電阻R的選擇</p
23、><p><b> 根據(jù)公式可得:</b></p><p> 第四章 電路控制策略的選擇</p><p> 4.1電壓閉環(huán)控制策略</p><p> 在前面提到電容C假設(shè)為很大的值,但由于實(shí)際上C不可能無窮大,所以輸出電壓會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng),為使輸出電壓穩(wěn)定在一個(gè)較為理想的范圍內(nèi),通過測量輸出端的電壓,與電壓給定值
24、比較,得到誤差,再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器,送到PWM脈沖發(fā)生器的輸入端,利用PWM的輸出脈沖來控制功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷。當(dāng)輸出電壓V0大于給點(diǎn)值Vref時(shí),(V0-Vref)增大,從而PWM脈沖的占空比D增大α,由V0=V1/(1-α)可知,V0減小,從而控制V0保持不變??刂屏鞒虉D如下:</p><p><b> 圖4-1</b></p><p> 4.2 直接改占空比控
25、制輸出電壓</p><p> 假設(shè)某次計(jì)算中占空比為,對應(yīng)的輸出電壓為;而理想的輸出為,對應(yīng)的占空比為,則有:,</p><p><b> 由此可得:</b></p><p> 因此每隔一定時(shí)間根據(jù)輸出電壓的變化利用上式計(jì)算出新的占空比,這樣就能使電壓逐步逼近并穩(wěn)定在期望值附近。</p><p> 故電路的控制策
26、略如下:</p><p> 首先計(jì)算出電路的時(shí)間常數(shù),由此來確定改變占空比的頻率,在每個(gè)調(diào)整點(diǎn)測量電路的實(shí)際輸出電壓,利用公式計(jì)算得出新的占空比,從而調(diào)整電路輸出電壓。</p><p> 第五章 MATLAB編程</p><p> 5.1 定義狀態(tài)函數(shù)</p><p> V導(dǎo)通時(shí)電感的電流和電容電壓的狀態(tài)方程</p>
27、<p><b> ,</b></p><p> 定義函數(shù)如下:function y=funon(t,x)</p><p> global V1 R C L;</p><p> y=[V1/L;-x(2)/(R*C)];</p><p> V關(guān)斷時(shí)電感的電流和電容電壓的狀態(tài)方程</p>
28、<p><b> ,</b></p><p> 定義函數(shù)如下:function y=funoff(t,x)</p><p> global V1 R C L;</p><p> y=[( V1-x(2))/L;(x(1)*R-x(2))/(R*C)];</p><p> V關(guān)斷且電感電流出現(xiàn)不連續(xù)
29、時(shí)的狀態(tài)方程</p><p><b> ,</b></p><p> 定義函數(shù)如下:function y=funoffdiscon(t,x)</p><p> global V1 R C L;</p><p> y=[0;-x(2)/(R*C)];</p><p> 5.2 主程序的
30、編寫</p><p> clear;%清除工作空間</p><p> global V1 R C L %定義全局變量</p><p> L=300e-6;%輸入電感L的值</p><p> C=33.33e-6;%輸入電容C的值</p><p> R=120;%輸入電阻R的值</p><p
31、> f=50000;%輸入頻率f的值</p><p> T=1/f;%輸入周期T的值</p><p> n=3;m=2000</p><p> %定義迭代計(jì)算的輪數(shù)(3)和每輪的計(jì)算周期數(shù)(2000)</p><p> t01=zeros(m,1); </p><p> t02=zeros(n
32、,1); </p><p> x10=[0,0];%設(shè)定電感電流和輸出電壓的迭代初值</p><p> a=1/2;%初始占空比</p><p> V1=12 %電路輸入電壓</p><p> tt=[],xx=[]</p><p><b> for j=1:n</b></
33、p><p> ton=T*a %三極管開通時(shí)間 </p><p> toff=(1-a)*T %三極管關(guān)斷時(shí)間</p><p> t02(j)=(j-1)*m*T %用于記錄迭代過的總周期數(shù)</p><p><b> for i=1:m</b></p><p> t01(i)=(i-1)
34、*T; %用于記錄每一輪中已迭代周期數(shù)</p><p> [t,x1]=ode45('funon',linspace(0,ton,6),x10);</p><p> %調(diào)用函數(shù)求解三極管導(dǎo)通時(shí)的狀態(tài)方程</p><p> tt=[tt;t+t01(i)+t02(j)];%用于記錄已迭代的總周期數(shù)</p><p> xx
35、=[xx;x1];%用于記錄已求得的各組電感電流和輸出電壓值 </p><p> x20=x1(end,:);%將最后一組數(shù)據(jù)作為下一時(shí)刻的初值 </p><p> [t,x2]=ode45('funoff',linspace(0,toff,6),x20);</p><p> %調(diào)用函數(shù)求解三極管截止時(shí)的狀態(tài)方程</p
36、><p> if x2(end,1)<0 %此時(shí)電感電流出現(xiàn)斷續(xù)</p><p> for b=1:length(x2) %此循環(huán)檢驗(yàn)從哪個(gè)時(shí)刻開始電感電流降為0</p><p> if x2(b,1)<0 </p><p> c=b;break, </p><p><b> end&l
37、t;/b></p><p><b> end</b></p><p> [nn mm]=size(x2); </p><p> toff1=toff*((c-1.5)/(nn-1));%電感電流大于0的時(shí)間段</p><p> toff2=toff-toff1;%電感電流降為0,即出現(xiàn)斷續(xù)的時(shí)間段<
38、;/p><p> [t1,x21]=ode45('funoff',linspace(0,toff1,6),x20);</p><p> %調(diào)用函數(shù)求解三極管截止時(shí)且電感電流大于0時(shí)間段的狀態(tài)方程 </p><p> x21(end,1)=0;</p><p> [t2,x22]=ode45('funoffdisc
39、on',linspace(0,toff2,6),x21(end,:)); </p><p> %調(diào)用函數(shù)求解三極管截止時(shí)且電感電流出現(xiàn)斷續(xù)時(shí)間段的狀態(tài)方程</p><p> t=[t1;t2+toff1];</p><p> x2=[x21;x22];</p><p><b> end</b></
40、p><p> x10=x2(end,:);</p><p> tt=[tt;t+t01(i)+t02(j)+ton];</p><p> xx=[xx;x2];</p><p><b> end </b></p><p> Vav=(x10(2)+x20(2))/2 %求輸出電壓的平均值&l
41、t;/p><p> a=(40+Vav*a-Vav)/40 %根據(jù)輸出電壓平均值調(diào)整占空比</p><p><b> end</b></p><p> figure(1); axis([0,0.12,0,1]);</p><p> plot(tt,xx(:,1));%繪制電感電流波形</p><p
42、> title('電感電流波形'); </p><p> xlabel('時(shí)間t(單位:s)');</p><p> ylabel('電感電流iL(單位:A)');</p><p> figure(2); axis([0,0.12,0,30]);</p><p> p
43、lot(tt,xx(:,2));%繪制輸出電壓波形</p><p> title('輸出電壓波形');</p><p> xlabel('時(shí)間t(單位:s)');</p><p> ylabel('輸出電壓U2(單位:V)')</p><p> v1=Vav*1.05;v2=Vav*0.
44、95; %計(jì)算調(diào)節(jié)時(shí)間</p><p> i1=Ilav*1.05;i2=Ilav*0.95;</p><p> for k = 1:72774</p><p> for p=k:k+30</p><p> if (xx(p,1)>i1) || (xx(p,1)<i2)</p><p> bi
45、aozhi=0;break; </p><p> end;biaozhi = 1;</p><p><b> end;</b></p><p> if biaozhi ==1 ,its =k*0.12/72774;break;end;</p><p><b> end;k=1;</b>&
46、lt;/p><p> if biaozhi == 0,its =inf;end</p><p> for k = 1:72774</p><p> for p=k:k+30</p><p> if (xx(p,2)>v1) || (xx(p,2)<v2)</p><p> biaozhi=0;brea
47、k; </p><p> end;biaozhi = 1;</p><p><b> end;</b></p><p> if biaozhi ==1 ,vts =k*0.12/72774;break;end;</p><p><b> end</b></p><p&
48、gt; disp('輸出電壓調(diào)節(jié)時(shí)間'),vts</p><p> disp('電感電流調(diào)節(jié)時(shí)間'),its</p><p><b> 5.3 運(yùn)行結(jié)果</b></p><p> 取V1=12V,a=0.5,R=100歐,并依據(jù)上面3.3中的計(jì)算結(jié)果,取不同的電感值和電容值進(jìn)行仿真,比較輸出波形,對電路
49、參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。</p><p><b> 取,</b></p><p> 輸出電壓的波形如下:</p><p> 電感電流iL的波形如下:</p><p><b> 取,</b></p><p> 輸出電壓的波形如下:</p><p> 電
50、感電流的波形如下:</p><p><b> 取,</b></p><p> 輸出電壓的波形如下:</p><p> 電感電流的波形如下:</p><p> 第六章 Simulink仿真</p><p> 利用MATLAB的Simulink模塊對boost電路進(jìn)行仿真,由于Simuli
51、nk提供了模塊化的元件,只要將構(gòu)成boost電路的各個(gè)元件連接起來便可以搭建boost電路模型,對元件設(shè)定適當(dāng)?shù)膮?shù)后,對電路進(jìn)行仿真,同時(shí)用示波器觀察電路響應(yīng)、分析電路特性。</p><p> 6.1 電路模型的搭建</p><p><b> 電路模型如下所示:</b></p><p><b> 圖6-1</b>
52、</p><p><b> 6.2 仿真結(jié)果</b></p><p> 對上面5.3中的各組數(shù)據(jù)進(jìn)行Simulink仿真,并利用示波器輸出結(jié)果,各組波形圖如下(注:上圖為輸出電壓波形,下圖為電感電流波形)。</p><p><b> 取,,</b></p><p><b> 取,
53、,</b></p><p><b> 取,,</b></p><p> 由上圖可見,輸出電壓和電感電流的衰變已明顯變緩,輸出電壓最終將穩(wěn)定在24V左右,電感電流的平均值最終也將穩(wěn)定于0.4A左右,可見電路參數(shù)已基本滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p><b> 第七章 結(jié)果分析</b></p>&
54、lt;p> 對MATLAB編程仿真結(jié)果和用Simulink進(jìn)行電路模型仿真結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析,可以看出,當(dāng)電感L變大時(shí),電感電流波形的衰變速度變緩、振蕩幅度減小,且趨于穩(wěn)態(tài)時(shí)波形的脈動(dòng)較??;電感減小時(shí)則反之。在開始的一段時(shí)間出現(xiàn)比較明顯的振蕩,并且經(jīng)過一定的調(diào)節(jié)時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),隨著電感值得增大,調(diào)節(jié)時(shí)間也增大,動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度下降。故在實(shí)際中為了平衡動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng),電感的取值會(huì)有一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶?,若不考慮系統(tǒng)的擾動(dòng),電感取值
55、可以盡量大些。</p><p> 另一方面,當(dāng)電容增大時(shí),輸出電壓波形的衰減變緩,趨于穩(wěn)態(tài)時(shí)脈動(dòng)較小,調(diào)節(jié)時(shí)間變短,但其振蕩幅度會(huì)有一定的增大;電容減小時(shí)則反之,且與電感電流的情況類似。在開始的一段時(shí)間會(huì)出現(xiàn)比較明顯的振蕩,但相對于電感電流振蕩幅度小很多。用MATLAB程序得出的結(jié)果更接近理想值24V,而用Simulink仿真得出的結(jié)果誤差比較大,可能是采取的求解方法不一樣。 </p><p
56、> 對于電阻R,主要是由輸出電壓和負(fù)載電流所決定的,由于電容的取值不可能是無窮大,輸出電壓要小于24V,故后面將電阻減小,已使在相同輸出電壓的條件下負(fù)載電流增大,最終將電阻選定為,此時(shí)電感電流基本穩(wěn)定在0.4A附近,滿足電路設(shè)計(jì)要求。</p><p><b> 參考文獻(xiàn)</b></p><p> ?。?)王兆安、黃俊. 電力電子技術(shù)(第4版)[M]. 北京:
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