電力電子課程設(shè)計--直流斬波控制電路

1、<p>　　自動化學(xué)院課程設(shè)計報告</p><p>　　題目：直流斬波控制電路 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　屆 班級 </p><p>　　指導(dǎo)教師 專業(yè)電氣工程及其自動化</p><

2、;p><b>　　目錄</b></p><p>　　1.設(shè)計概要..........................................................4</p><p><b>　　2.設(shè)計原理分析</b></p><p>　　2.1直流-直流降壓斬波器原理分析.............

3、...................4</p><p>　　2.2全橋式直流斬波器分析.......................................5</p><p>　　2.3 PWM工作原理分析...........................................6</p><p>　　方案一 用MATLAB中SIMULINK實

4、現(xiàn)</p><p>　　3.1MATLAB及SIMULINK簡介...........................................7</p><p>　　3.2直流-直流降壓斬波器仿真</p><p>　　3.2.1 仿真實現(xiàn)電路.............................................8</p>&

5、lt;p>　　3.2.2 占空比為20%相關(guān)輸出波形................................10</p><p>　　3.2.3 占空比為50%相關(guān)輸出波形................................11</p><p>　　3,.3.4 占空比為80%相關(guān)輸出波形...............................11<

6、/p><p>　　3.3全橋式直流斬波器仿</p><p>　　3.3.1仿真實現(xiàn)電路............................................12</p><p>　　3.3.2 占空比為20%相關(guān)輸出波形............................... 13 </p><p>　　3.3.3

7、占空比為60%相關(guān)輸出波形............................... 14 </p><p>　　3.3.4 占空比為80%相關(guān)輸出波形................................15</p><p>　　方案二 通過實際電力電子原器件實現(xiàn)</p><p><b>　　相關(guān)器件介紹</b></p

8、><p>　　1.1 TL494介紹..............................................16 </p><p>　　1.2 IRF3205介紹............................................18</p><p><b>　　實現(xiàn)電路圖</b></p>

9、<p>　　2.1直流-直流降壓斬波器實現(xiàn)電路圖...........................18 </p><p>　　2.2 全橋直流斬波器實現(xiàn)電路圖...............................19</p><p>　　實驗結(jié)果析......................................................

10、20</p><p>　　思考題.............................................................20</p><p><b>　　設(shè)計概要</b></p><p>　　直流-直流變換器也稱為斬波器，利用電力電子器件的通斷控制，將一個固定電壓的直流電變?yōu)榱硪还潭ǖ幕蚩烧{(diào)電壓的直流電，通過改

11、變通斷時間比來改變輸出電壓平均值。直流-直流變換器被廣泛地應(yīng)用在直流開關(guān)電源和直流電機拖動系統(tǒng)中。</p><p>　　直流-直流變換器主要有以下5種基本形式：</p><p>　　●降壓直流-直流變換器</p><p>　　●升壓直流-直流變換器</p><p>　　●降壓-升壓直流-直流變換器</p><p>　　

12、●庫克直流-直流變換器</p><p>　　●全橋式直流-直流變換器</p><p>　　在本次課程設(shè)計中，主要對降壓直流-直流斬波器和全橋式直流-直流斬波器進行了研究和闡述。通過兩種不SIMULINK同的方法對以上兩種電路進行了總結(jié)和分析。第一種是在MATLAB里用來實現(xiàn)仿真研究，第二種是采用電力電子原器件TL494及IRF3205等器件來實現(xiàn)斬波控制來進行分析。</p>

13、<p><b>　　設(shè)計原理分析</b></p><p>　　2.1 直流-直流降壓斬波器工作原理</p><p>　　降壓斬波器也稱為Buck變換器，正如名字所定義的，降壓變換器的輸出電壓Uo低于輸入電壓Ud降壓變換器電路主要由電感和電容構(gòu)成低通濾波器，二極管VD提供續(xù)流通道。</p><p>　　電路工作過程：在開關(guān)管VT導(dǎo)通期間

14、，uD等于直流輸入電壓Ud，二極管VD反偏，輸入電源經(jīng)電感與電容和負載形成回路，提供能量給電感和負載，同時給電容充電，電感電流增大。當開關(guān)管關(guān)斷時電感的自感電勢使二極管導(dǎo)通，電感中儲存的能量經(jīng)二極管續(xù)流給負載，電感電流減少。</p><p>　　如果輸出端的慮波電容足夠大，則輸出電壓近似保持不變，即uo=Uo.在穩(wěn)態(tài)情況下，因為電容電流平均值為0.所以電感電流平均值IL等于輸出電流平均值Io。</p>

15、<p>　　圖（一）直流降壓斬波工作原理圖</p><p>　　2.2 全橋式直流斬波器工作原理</p><p>　　全橋式直流-直流斬波器的電路圖如下圖所示：</p><p>　　圖（二）全橋式直流-直流變換器電路</p><p>　　在全橋式直流-直流斬波器中，斬波器的輸入是直流電壓Ud,輸出電壓Uo是極性可變，幅值可控的直

16、流電，輸出電流Io的幅值和方向也是可變的。因此，全橋式直流-直流斬波器可以在io-uo平面的4個象限內(nèi)運行。</p><p>　　全橋式斬波器有4個橋臂，每個橋臂由一個開關(guān)管及與他反并聯(lián)的二極管組成。上，下橋臂的兩個開關(guān)管不能同時處于導(dǎo)通狀態(tài)，否則就會造成直流短路。在實際情況中，由于開關(guān)管有一定的關(guān)斷時間，因此它們在一個短時間內(nèi)都斷開，改時間稱為橋臂互鎖時間。</p><p>　　全橋式斬

17、波器的脈寬調(diào)制時用三角波和控制電壓uco比較產(chǎn)生PWM的，有兩種PWM控制方式：</p><p>　?、匐p極性PWM控制方式。在該控制方式下，圖中(VT1，VT4)和(VT3，VT2)被當做兩對開關(guān)管，沒對都是同時導(dǎo)通或關(guān)斷。</p><p>　　雙極性PWM工作時的波形如下圖所示：</p><p>　　圖（三）雙極性PWM方式時的工作波形</p>&

18、lt;p>　?、趩螛O性PWM控制模式。在該模式下，每個橋臂的開關(guān)管是單獨控制的。</p><p>　　2.3 PWM工作原理</p><p>　　直流-直流變換器在實際應(yīng)用中，通常采用PWM來進行控制。在實際中我們會遇到以下兩個問題：</p><p>　　①實際的負載，多類似電機這樣的，多為感性負載，即使是阻性負載，也總有線路電感，電感電流不能突變，因此，采用

19、圖(四）a的開關(guān)管關(guān)斷時可能由于電感上的感應(yīng)電壓毀壞開關(guān)管。</p><p>　　圖（四）脈寬調(diào)制原理圖</p><p>　?、趫D（四）a電路的輸出電壓波形如圖（四）b所示，在0和Ud間變化。</p><p>　　因此，在實際的直流-直流斬波器中，通常采用二極管續(xù)流將電感中儲存的電能釋放給負載；采用電感，電容組成的低通慮波器慮波得到平穩(wěn)的直流輸出電壓。 </

20、p><p>　　方案一 用MATLAB中SIMULINK實現(xiàn)</p><p>　　3.1MATLAB中SIMULINK簡介</p><p>　　SIMULINK是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包，它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，也支持具有多種采樣頻率的系統(tǒng)。在SIMULINK環(huán)境中，利用鼠標就可以在模型窗口中直觀地“畫”出系統(tǒng)模型，</

21、p><p>　　然后直接進行仿真。它為用戶提供了方框圖進行建模的圖形接口，采用這種結(jié)構(gòu)</p><p>　　畫模型就像你用手和紙來畫一樣容易。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包微分方程和差分方</p><p>　　程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點。SIMULINK包含有SINKS（輸入方式）、SOURCE（輸入源）、LINEAR（線性環(huán)節(jié)）、NONLINEAR（非線性環(huán)節(jié)）、

22、CONNECTIONS（連接與接口）和EXTRA（其他環(huán)節(jié)）子模型庫，而每個子模型庫中包含有相應(yīng)的功能模塊。用戶也可以定制和創(chuàng)建用戶自己的模塊。</p><p>　　3.2直流-直流降壓斬波器仿真</p><p>　　3.2.1 仿真實現(xiàn)電路</p><p>　　降壓斬波器建模步驟及器件：</p><p>　?、俳⒁粋€新的模型窗口，命名為I

23、GBTBuck。</p><p>　?、诖蜷_SIMPOWER SYETEMS,分別添加一個IGBT模塊和一個二極管D到所建模塊中。按要求設(shè)置相關(guān)參數(shù)。</p><p>　?、鄞蜷_SINKS模塊，向模塊中添加一個SCOPE,并設(shè)置為八通道。如下圖</p><p>　?、艽蜷_SOURCES模塊，往新建模塊添加一個CONSTANT設(shè)置參數(shù)為100和一個PULSE按下圖設(shè)置

24、參數(shù)。</p><p>　　⑤打開SIGNAL ROUTING 模塊，添加一個DEMUX 設(shè)置外4輸出通道。</p><p>　?、薮蜷_ELECTRICAL SOURCES模塊，添加2個DC voltage source.按下圖設(shè)置參數(shù)。</p><p>　?、叽蜷_MACHINE模塊，添加一個DC machine，按下圖設(shè)置參數(shù)</p><p&g

25、t;　?、啻蜷_MEASUREMENTS 模塊，添加一個電流測量裝置。</p><p>　　按要求將每個原器件連接到一起：如下圖所示：</p><p>　　打開仿真參數(shù)設(shè)置窗口如下圖所示，按要求改變占空比，得到相對應(yīng)的輸出波形：</p><p>　　3.2.2 占空比為20%相關(guān)輸出波形</p><p>　　3.2.3 占空比為50%相關(guān)輸出波

26、形</p><p>　　3,.3.4 占空比為80%相關(guān)輸出波形</p><p>　　3.3全橋式直流斬波器仿真</p><p>　　3.3.1仿真實現(xiàn)電路</p><p>　　全橋式直流斬波器建模步驟及器件：</p><p>　?、俳⒁粋€新的模型窗口，命名為IGBTBuck。</p><p>

27、;　　②打開SIMPOWER SYETEMS,分別添加4個IGBT模塊和一個4極管D到所建模塊中。按要求設(shè)置相關(guān)參數(shù)。</p><p>　?、鄞蜷_SINKS模塊，向模塊中添加2個SCOPE,并設(shè)置為4通道和5通道。</p><p>　?、艽蜷_SOURCES模塊，往新建模塊添加一個CONSTANT設(shè)置參數(shù)為100和一個PULSE按要求設(shè)置參數(shù)。</p><p>　?、?/p>

28、打開SIGNAL ROUTING 模塊，添加一個DEMUX 設(shè)置外4輸出通道。</p><p>　?、薮蜷_ELECTRICAL SOURCES模塊，添加2個DC voltage source.按要求設(shè)置參數(shù)為240V。</p><p>　?、叽蜷_MACHINE模塊，添加一個DC machine，按要求設(shè)置參數(shù)</p><p>　?、啻蜷_MEASUREMENTS 模塊

29、，添加一個電流測量裝置。打開MATH OPERATIONS模塊，設(shè)置參數(shù)為[-1 1]。</p><p>　　按要求將每個原器件連接到一起：如下圖所示</p><p>　　打開仿真參數(shù)設(shè)置窗口如下圖所示，按要求改變占空比，得到相對應(yīng)的輸出波形：</p><p>　　3.3.2 占空比為20%相關(guān)輸出波形</p><p><b>　　

30、示波器波形圖</b></p><p><b>　　示波器1波形圖</b></p><p>　　3.3.3 占空比為60%相關(guān)輸出波形圖</p><p><b>　　示波器波形圖</b></p><p><b>　　示波器1波形圖</b></p><

31、;p>　　3.3.4 占空比為80%相關(guān)輸出波形</p><p><b>　　示波器波形圖</b></p><p><b>　　示波器1波形圖</b></p><p>　　方案二 通過實際電力電子原器件實現(xiàn)</p><p><b>　　相關(guān)器件介紹</b></p&g

32、t;<p>　　1.1 TL494介紹</p><p>　　TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關(guān)電源。</p><p>　　TL494是一個固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進行調(diào)節(jié)，其</p><p><b&

33、gt;　　振蕩頻率如下：</b></p><p>　　功能引腳圖如右圖所示：</p><p>　　其中有：1、16腳和2、15腳分別是誤差放大器1和誤差放大器2的同相輸入端和反向輸入端；3腳是反饋輸入端；4腳是死區(qū)時間控制端；5、6腳分別接RC振蕩器的定時電容和電阻；7腳接地；8、9腳11、10腳分別是兩個內(nèi)部驅(qū)動三極管的集電極和發(fā)射極；12腳為電源正端；13腳為輸出狀態(tài)控制端

34、，當13腳為高電平時，兩個內(nèi)部驅(qū)動三極管交替導(dǎo)通，當13腳為低電平時，兩個內(nèi)部驅(qū)動三極管同時導(dǎo)通或截止，此時只能控制一個開關(guān)管。14腳是集成電路內(nèi)部輸出的5V基準電壓輸出端。</p><p>　　輸出脈沖的寬度是通過電容CT上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個控制信號進行比較來實現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當雙穩(wěn)觸發(fā)器的時鐘信號為低電平時才會被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會被選通。當控制信號增大

35、，輸出脈沖的寬度將減小。參見下圖：</p><p>　　1.2 IRF3205介紹</p><p>　　IR的HEXFET功率場效應(yīng)管irf3205采用先進的工藝技術(shù)制造，具有極低的導(dǎo)通阻抗。irf3205這種特性，加上快速的轉(zhuǎn)換速率，和以堅固耐用著稱的HEXFET設(shè)計，使得irf3205成為極其高效可靠、應(yīng)用范圍超廣的器件。</p><p>　　主要特性有：場管I

36、RF3205的關(guān)斷電壓是20V以內(nèi)，不要超過20V，反向耐壓也是20V。</p><p><b>　　實現(xiàn)電路圖</b></p><p>　　2.1直流-直流降壓斬波器實現(xiàn)電路圖</p><p>　　實現(xiàn)電路圖如下圖所示：</p><p>　　2.2 全橋直流斬波器實現(xiàn)電路圖</p><p>　　

37、實現(xiàn)電路圖如下圖所示：</p><p><b>　　.</b></p><p><b>　　實驗結(jié)果分析</b></p><p>　　通過對以上兩個電路圖的實際搭接，進行試驗后可知，PWM是通過E1口和E2口輸出的，可以通過改變滑動變阻RP1的阻值實現(xiàn)對輸出控制口OUT的控制，以實現(xiàn)TL494的不同控制方式，輸出不同的波形

38、，當輸出控制端接地時，E1和E2并聯(lián)使用，當控制輸出端接+5V電壓時，E1和E2分開獨立輸出。通過改變C1或者電阻R3的阻值，可以改變TL494的震蕩頻率。在降壓直流-直流斬波器中，可以實現(xiàn)電機的啟動加速停止狀態(tài)。在全橋式直流-直流斬波器中，可以實現(xiàn)電機的啟動，加速，減速，反轉(zhuǎn)，正傳狀態(tài)。</p><p><b>　　思考題</b></p><p>　　直流電機作負載

39、時為何反并聯(lián)二極管？</p><p>　　答.因為直流電機負載多為感性，電流的變化滯后于電壓變化，反并聯(lián)二極管能起到續(xù)流的作用，可以避免原器件損壞。</p><p>　　簡述雙極性全橋PWM直-直換時死區(qū)的概念？</p><p>　　答.死區(qū)就是在上半橋關(guān)斷，延遲一段時間在打開下半橋或下半橋斷開后，延遲一段時間后再打開上半橋，從而避免功率元件的燒壞，這段延時稱為死區(qū)

40、。</p><p>　　為什么雙極性全橋PWM直-直變換器當占空比為50%時，輸出平均電壓為0？請作圖說命。</p><p>　　答.因為當占空比為50%時，上半橋和下半橋輸出的兩列脈沖如下圖所示，剛好為兩列幅值大小相等，極性相反的波形，使得落在電機上的平均電壓為零，電機停止，處于靜止狀態(tài)。</p><p>　　4.若將TL494輸出控制端接地，則輸出斬波波形有何變