升降压直流斩波实验装置.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电力电子技术电力电子技术课程设计 论文 课程设计 论文 题目 题目 升降压直流斩波实验装置升降压直流斩波实验装置 院 系 院 系 电气工程学院电气工程学院 专业班级 专业班级 电气电气 学学 号 号 学生姓名 学生姓名 指导教师 指导教师 起止时间 起止时间 202015 12 24至至2016 1 3 本科生课程设计 论文 I 课程设计 论文 任务及评语课程设计 论文 任务及评语 院 系 电气工程学院 教研室 电气 注 成绩 平时 20 论文质量 60 答辩 20 以百分制计算 学 号学生姓名专业班级 课程设计升降压直流斩波实验装置升降压直流斩波实验装置 课程设计 论文 任务 课题完成的设计任务及功能 要求 技术参数课题完成的设计任务及功能 要求 技术参数 实现功能实现功能 为了电力电子技术课程的教学实验 设计此装置 使学生通过该装置测 试 观察升降压直流斩波电路的各个参数及波形 应用此装置可验证升降压 压斩波的相关理论知识 设计任务设计任务 1 方案的经济技术论证 2 整流电路设计 3 通过计算选择整流器件 的具体型号 4 斩波电路设计 5 驱动电路设计或选择 6 绘制相关电路 图 7 进行 matlab 仿真 8 完成设计说明书 要求要求 1 文字在 4000 字左右 2 文中的理论分析与计算要正确 3 文中的图表工整 规范 4 元器件的选择符合要求 技术参数技术参数 1 交流电源 单相 220V 2 前级整流输出电压限制在 50V 以内 3 斩 波输出电流最大值 2A 4 负载 纯电阻 5 斩波输出直流电压在 10 100V 左右可调 进度计划 第 1 天 集中学习 第 2 天 收集资料 第 3 天 方案论证 第 4 天 整流电路设计 第 5 天 斩波电路设计 第 6 天 驱动电路设计 第 7 天 元器件具体选择 第 8 天 进行 matlab 仿真 第 9 天 总结并撰写说明书 第 10 天 答辩 指导教师评语及成绩 平时 论文质量 答辩 指导教师签字 总成绩 年 月 日 本科生课程设计 论文 II 摘 要 20 世纪 80 年代以来 信息电子技术和电力电子技术在各自发展的基础上相 结合而产生了一代高频化 全控型的电力电子器件 典型代表有门极可关断晶闸 管 电力晶体管 电力场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管 利用全控型器件可以 组成变流器 直流 直流 DC DC 是电力变换四大类之一 也指一种电压 或电流 的直流变为另一种电压 或电流 的直流 可用斩波电路来实现 直 流斩波电路种类 降压斩波电路 升压斩波电路 升降压斩波电路 Cuk 斩波电 路 Spic 斩波电路 Zeta 斩波电路等六种 升降压直流斩波电路实验装置是使学 生通过该装置测试 观察升降压直流斩波电路的各个参数及波形 应用此装置可 验证升降压斩波的相关理论知识 此装置运用了整流电路 驱动电路和斩波电路 三大部分 将单相 220V 交流电压变换为 10 100V 直流可调电压 关键词 斩波电路 整流电路 驱动电路 直流变直流 DC CD 本科生课程设计 论文 III 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 电力电子技术概况 1 1 2 本文设计内容 2 第 2 章 升降压直流斩波实验装置电路设计 3 2 1 升降压直流斩波实验装置总体设计方案 3 2 2 具体电路设计 3 2 2 1 主电路设计 3 2 2 2 整流电路 3 2 2 3 驱动电路设计 5 2 2 4 升降压斩波电路的设计 7 2 2 5 保护电路设计 9 2 3 元件器参数计算与型号选择 9 2 3 1 整流电路的参数计算与选择 9 2 3 2 升降压斩波电路的参数计算与选择 10 2 3 3 元器件的型号选择 11 2 4 系统调试及仿真 11 2 4 1 MATLAB Simulink 仿真软件简介 11 2 4 2 升降压直流斩波实验装置总电路图及仿真模型建立 12 2 4 3 升降压直流斩波实验装置仿真波形及数据分析 13 第 3 章 课程设计总结 16 参考文献 17 本科生课程设计 论文 1 第 1 章 绪论 1 1 电力电子技术概况 电力电子技术是建立在电子学 电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科 因它本身是大功率的电技术 又大多是为应用强电的工业服务的 故常将它归属 于电工类 电力电子技术的内容主要包括电力电子器件 电力电子电路和电力电 子装置及其系统 电力电子器件以半导体为基本材料 最常用的材料为单晶硅 它的理论基础为半导体物理学 它的工艺技术为半导体器件工艺 近代新型电力 电子器件中大量应用了微电子学的技术 电力电子电路吸收了电子学的理论基础 根据器件的特点和电能转换的要求 又开发出许多电能转换电路 这些电路中还 包括各种控制 触发 保护 显示 信息处理 继电接触等二次回路及外围电路 顾名思义 可以认为 所谓电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术 电子技术包括信息电子技术和信息电子技术和电力电子技术两大分支 具体的说 电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术 目前所用电 力电子器件均由半导体制成 故也称为电力半导体器件 电力电子技术所变换的 电力 功率可以大到数百兆瓦甚至吉瓦 也可以小至数瓦甚至毫瓦级 信息 电子技术主要用于信息处理 而电力电子技术则主要用于电力变换 这是二者本 质上的不同 电力有交流和直流两种 电力变换通常可分为四大类 即交流变直流 AC DC 直流变交流 DC AC 直流变直流 DC DC 和交流变交流 AC AC 交流变直流称为整流 直流变交流称为逆变 交流变交流可以是电压或电 力的变换 称作交流电力控制 也可以是频率或相数的变换 直流变直流是指一 种电压 或电流 的直流变为另一种电压 或电流 的直流 可用直流斩波电路 实现 电力电子是国民经济和国家安全领域的重要支撑技术 它是工业化和信息化 融合的重要手段 它将各种能源高效率地变换成为高质量的电能 将电子信息技 术和传统产业相融合的有效技术途径 同时 还是实现节能环保和提高人民生活 质量的重要技术手段 在执行当前国家节能减排 发展新能源 实现低碳经济的 基本国策中起着重要的作用 本科生课程设计 论文 2 1 2 本文设计内容 设计题目为 升降压直流斩波实验装置 其功能实现是为了电力电子技术 课程的教学实验 设计此装置 使学生通过该装置测试 观察升降压直流斩波电 路的各个参数及波形 应用此装置可验证升降压压斩波的相关理论知识 使同学 可以更好的学习电力电子技术这门课程 本课题给出的参数是 1 交流电源 单相 220V 2 前级整流输出电压限制 在 50V 以内 3 斩波输出电流最大值 2A 4 负载 纯电阻 5 斩波输出直流 电压在 10 100V 左右可调 升降压直流斩波实验装置电路设计 本科生课程设计 论文 3 第 2 章 升降压直流斩波实验装置电路设计 2 1 升降压直流斩波实验装置总体设计方案 升降压直流斩波实验装置是应用于实验室的装备 应满足便于操作 安全系 数高等特点 其电源为单相 220V 交流电 所以需通过整流电路将其交流电变换 为直流电后 直流变直流用升降压直流斩波电路调节其电压 实验装置中还需加 入驱动电路 控制斩波电路的 IJBT 开通或关断 绘制出合理的电路图 最终在 实验室进行调试并更正 交流交流 直流直流 直流直流 图图 2 12 1 总体设计方案总体设计方案 2 2 具体电路设计 构成此实验装置的总电路图大概分为三大部分 分别为整流电路 斩波电路 和驱动电路 2 2 1 主电路设计 整流电路 斩波电路和驱动电路 依次将交流电源变为直流电源 前级整流 输出电压限制在 50V 以内 再将直流电通过升降压斩波电路进行升降压的选择 斩波输出电流最大值 2A 斩波输出直流电压在 10 100V 左右可调 2 2 2 整流电路 整流电路尤其是单相桥式可控整流电路是电力电子技术中最为重要 也是应 用最为广泛的电路 不仅应用于工业 也广泛应用于交通运输 电力系统 通信 系统 能源系统等其他领域 本实验装置采用单相桥式全控整流电路 所接负载 升降压直流占波电路升降压直流占波电路 控制和驱动电路控制和驱动电路 单相桥式整流电路单相桥式整流电路 本科生课程设计 论文 4 为纯电阻负载 图图 2 22 2 单相桥式整流电路图单相桥式整流电路图 当变压器 2 次级电压 u2 为正半周时 即 a 端电压为正 b 端电压为 负 二极管 VT1 VT3 承受正向电压而导通 二极管VT2 VT4 承受反向 电压截止 电流通道为 a V1 R V3 b 完成回路 于是负载R 上得到 一组半波电压 当U2 电压为负半周时 变压器次级的a 端电位为负 b 端电位为正 二极管VT2 VT4 承受正向电压而导通 而V1 V3 承受反 向电压截止 电流通道为b V2 R V4 a 完成回路 负载上又得到一个 与上半周相同方向的半波电压 这样 在一个周期内 负载R 上得到了 两个半波 如下图所示为单相桥式整流的电压电流波形图 图图 2 32 3 单相桥式整流电路电压电流波形图单相桥式整流电路电压电流波形图 本科生课程设计 论文 5 整流电路平均电压均值为 Ud 0 9U2 2 1 流过晶闸管的电流平均值为 Id Ud R 2 2 向负载输出的直流电流平均值为 Idvt 0 5Id 2 3 二极管所受的最大反向电压 Uvtm 1 41U2 2 4 题目中要求前级整流输出电压限制在 50V 以内 输入电压 U1 为 220V 则输 入电压 U2 最大为 55V 变压器匝数比 N1 N2 4 1 2 2 3 驱动电路设计 驱动电路 使电力电子器件工作在较理想的开关状态 缩短开关时间 减小开关损耗 对装置的运行效率 可靠性和安全性都有重要的意义 可分为 电压型驱动电路和电流型驱动电路 用 IJBT 驱动电路来控制主电路的升降压斩波电路 IJBT 的开通和关断 IGBT 是三端器件 具有栅极 g 集电极 c 和发射极 e 它是个场控器件 通断由 栅射极电压 Uge 决定 Uge 大于开启电压 Uge th 时 MOSFET 内形成沟道 为晶体管提供基极电流 IGBT 导通 通态时电导调制效应使电阻 R 减小 使通 态压降减小 当栅射极间施加反压或不加信号时 MOSFET 内的沟道消失 晶体 管的基极电流被切断 IGBT 关断 本文用 M57962L 型 IJBT 驱动器做驱动电路 下图所示 图图 2 42 4 M57962LM57962L 型型 IJBTIJBT 驱动器的原理图驱动器的原理图 本科生课程设计 论文 6 图图 2 52 5 M57962LM57962L 型型 IJBTIJBT 驱动电路图驱动电路图 M57962L 工作程序 当电源接通后 首先自检 检测 IGBT 是否过载或短路 若过载或短路 IGBT 的集电极电位升高 经外接二极管流入检测电路的电流增 加 栅极关断电路动作 切断 IGBT 的栅极驱动信号 同时在 8 脚输出低电平 过载 短路 指示信号 lGBT 正常时 输入信号经光电耦合接口电路 再经驱 动级功率放大后驱动 IGBT 图图 2 62 6 M57962LM57962L 驱动器芯片内部驱动器芯片内部 驱动电路的基本任务 将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求 转换 本科生课程设计 论文 7 为加在电力电子器件控制端和公共端之间 可以使其开通或关断的信号 对半控型器件只需提供开通控制信号 对全控 型器件则既要提供开通控制信号 又要提供关断控制信号 驱动电路还要提供控 制电路与主电路之间的电气隔离环节 一般采用光隔离或磁隔离 光隔离一般采用光耦合器 磁隔离的元件通常是 脉冲变压器 2 2 4 升降压斩波电路的设计 升降压斩波电路的原理图如图所示 设电路中电感 L 值很大 电容 C 值也很 大 使电感电流 iL 和电容电压及负载电压 Uo 基本为恒值 图图 2 72 7 升降压斩波电路原理图升降压斩波电路原理图 该升降压占波电路由绝缘栅双极晶体管来控制 绝缘栅双极晶体管简称 IGBT 是由 MOSFET 和晶体管技术结合而成的复合型器件 是 80 年代出现的新 型复合器件 在电机控制 中频和开关电源 以及要求快速 低损耗的领域备受 青睐 IGBT 升降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路 是用 IGBT 作为全 控型器件的升降压斩波电路 用于直流到直流的升降压变换 IGBT 是 MOSFET 与双极晶体管的复合器件 它既有 MOSFET 易驱动的特点 又具有功率晶体管 电压 电流容量大等优点 其频率特性介于 MOSFET 与功率晶体管之间 可正 常工作于几十千赫兹频率范围内 故在较高频率的大 中功率应用中占据了主导 地位 所以用 IGBT 作为全控型器件的升降压斩波电路就有了 IGBT 易驱动 电 iL L L L i1 i2 本科生课程设计 论文 8 压 电流容量大的优点 IGBT 降压斩波电路由于易驱动 电压 电流容量大在电力电子技术应用领 域中有广阔的发展前景 也由于开关电源向低电压 大电流和高效率发展的趋势 促进了 IGBT 降压斩波电路的发展 该电路的基本工作原理是 当可控开关 IJBT 处于通态时 电源 E 经 IJBT 向 电感 L 供电使其储存能量 此时电流为 i1 同时 电容 C 维持输出电压基本恒定 并向负载 R 供电 此后 使 V 关断 电感 L 中储存的能量向负载释放 电流为 i2 可见 负载电压极性为上负下正 与电源电压极性相反 稳态时 一个周期 T 内电感 L 两端电压 U 对时间的积分为零 即 2 0 0 00 off tT t onoffLonL T L tuEtdtudtudtu on on 5 当 V 处于通态期间 而当 V 处于断态期间 于是E uL uu oL 2 offoon tUEt 6 所以输出电压为 2 EE tT t E t t u on on off on 1 0 7 本科生课程设计 论文 9 图图 2 82 8 升降压斩波电路工作波形图升降压斩波电路工作波形图 改变占空比 输出电压既可比电源电压高 也可以比电源电压低 当 0 时为降压 当 1 时为升压 因此该电路称为升降压斩波电路 2 1 2 1 也有文献直接按英文称之为 buck boost 变换器 Buck boost Converter 2 2 5 保护电路设计 电力电子电路中 除了电力电子器件参数选择合适 驱动电路设计良好外 采用合适的过电压保护 过电流保护也是必须的 抑制过电压的方法 用非线性元件限制过电压的幅度 用电阻消耗生产过电 压的能量 用储能元件吸收生产过电压的能量 对于非线性元件 不是额定电压小 使用麻烦 就是不宜用于抑制频繁出现 过电压的场合 所以我们选用储能元件吸收生产过电压的能量的保护 使用 RC 吸收电路 这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场 能量储存起来 由于电容两端电压不能突变 所以能有效抑制过电压 串联电阻 消耗部分产生过电压的能量 并抑制 LC 回路的震动 保护电路如图所示 图图 2 92 9 过电压保护电路过电压保护电路 抑制过电流的方法 常见的过电流保护有 快速熔断器保护 过电流继电器 保护 直流快速开关过电流保护 快速熔断器保护是最有效的保护措施 过电流继电器保护中过电流继电器开 关时间长 只有在短路电流不大时才有用 直流快速开关过电流保护功能很好 但造价高 体积大 不宜采用 因此 最佳方案是用快速熔断器保护 图图 2 102 10 快速熔断器快速熔断器 本科生课程设计 论文 10 2 3 元件器参数计算与型号选择 2 3 1 整流电路的参数计算与选择 1 由于任务书中要求前级整流输出电压限制在 50V 以内 通过计算变压 器匝数比应控制在 4 1 左右 U1 220V U2 55V 2 考虑到二极管的安全裕量 额定电压范围是 157 235 5V 额定电流的范围是 6 8A 所以整流电路中 UNIN 二极管选择为 IN4009 二极管 2 3 2 升降压斩波电路的参数计算与选择 1 由于斩波输出最大电流为 2A 流过 VD 二极管 V 三极管的最大电流为 2A 熔断器的最大熔断电流为 2A 可选 WICKMANN 181 2A 陶瓷管保险丝 斩波电 路通过控制占空比来实现升降压 根据公式 2 8 2 9 IUIO E 21 已知电源 E 最大值为 50V 输出电压 Uo 的范围是 10V 至 100V 代入公式 经计算占空比应控制在 16 7 至 66 7 2 另外 二极管允许通过的最大电流时 2A 流过 VD 二极管 V 三极管的最大电流为 2A 熔断器的最大熔断电流为 2A VD 二极管型号为 MR2400 V 三极管型号为 2N4400 II12 1 5 785522 2max UU V UUN 5 235 1575 78 3 2 3 2 max A IIVTN 8 64 2 5 1 2 5 1 N N U U 2 1 2 1 4 1 本科生课程设计 论文 11 2 3 3 元器件的型号选择 表表 2 12 1 器件参数器件参数 器件型号器件型号 变压器N1 N2 4 1电容C C1 二极管IN4009电阻R1 二极管IN4009电阻R2 二极管IN4009二极管MR2400 二极管IN4009三极管 IJBT2N4400 芯片M57962L电感L 2 4 系统调试及仿真 2 4 1 MATLAB Simulink 仿真软件简介 MATLAB 是矩阵实验室 Matrix Laboratory 的简称 除具备卓越的数值计算 能力外 它还提供了专业水平的符号计算 文字处理 可视化建模仿真和实时控 制等功能 Simulink 是 MATLAB 软件下的一个附加组件 是一个用来对动态系 统进行建模 仿真和分析的 MATLAB 软件包 支持连续 离散以及两者混合的 线性和非线性系统 同时它也支持具有不同部分拥有不同采样率的多种采样速率 的仿真系统 在其下提供了丰富的仿真模块 其主要功能是实现动态系统建模 方针与分析 可以预先对系统进行仿真分析 按仿真的最佳效果来调试及整定控 制系统的参数 Simulink 仿真与分析的主要步骤按先后顺序为为 从模块库中选择 所需要的基本功能模块 建立结构图模型 设置仿真参数 进行动态仿真并观看 输出结果 针对输出结果进行分析和比较 Simulink 模块库提供了丰富的描述系统特性的典型环节 有信号源模块库 Source 接收模块库 Sinks 连续系统模块库 Continuous 离散系统模块 库 Discrete 非连续系统模块库 Signal Routing 信号属性模块库 Signal Attributes 数学运算模块库 Math Operations 逻辑和位操作库 Logic and Bit Operations 等等 此外还有一些特定学科仿真的工具箱 本科生课程设计 论文 12 2 4 2 升降压直流斩波实验装置总电路图及仿真模型建立 图图 2 112 11 升降压直流斩波实验装置总电路图升降压直流斩波实验装置总电路图 图图 2 122 12 升降压直流斩波实验装置仿真模型图升降压直流斩波实验装置仿真模型图 本科生课程设计 论文 13 2 4 3 升降压直流斩波实验装置仿真波形及数据分析 图图 2 132 13 单相桥式整流电路滤波电压波形单相桥式整流电路滤波电压波形 图图 2 142 14 占空比为占空比为 66 666 66 666 时输出最大电流时输出最大电流 i i 波形图波形图 本科生课程设计 论文 14 图图 2 152 15 占空比为占空比为 66 666 66 666 时输出电压时输出电压 UoUo 波形图波形图 图图 2 162 16 占空比为占空比为 16 666 16 666 时输出电压时输出电压 UoUo 波形图波形图 数据分析数据分析 打开仿真参数窗口 选择 ode23tb 算法 相对误差设置为 1e 03 开始仿真时 间设置为 0 停止仿真时间设置为 0 1 s 控制脉冲周期设置为 0 001 s 频率为 1 000Hz 变压器电压 U1 220v U2 55v 交流电源为 220v C 1F 整流电源滤 本科生课程设计 论文 15 波之后的电压为 50 5265v C1 1e 3F R 50 欧姆 L 1e 3H 二极管导通电压 0 7v 控制脉冲占空比为 16 666 时电 9 5450v 10 4569v 和 66 666 时 95 4658v 104 3654v 波形为上图所示 占空比 16 666 66 666 变化时电压从 10 100v 可调 电阻 R 50 欧姆 最 大电压为 100v 所以电阻 R 流过的最大电流为 2A 本科生课程设计 论文 16 第 3 章 课程设计总结 通过这次课程设计 让我对电力电子技术有了更深的认识 让我进一步了解 了电力电子器件 在这次课程设计中我主要担任电路仿真的工作 虽然在此期间 遇到了很多困难 重复了很多遍都没有仿成功 但是经过查找资料 向同学请教 之后得到你要的结果时 那种喜悦感 那种兴奋感如果没有这一过程是无法体会 的 仿真让我进一步学习了 MATLAB 软件 学会了很多关于仿真的知识 当然 此过程少不了同学合作 这次的设计也让我认识到了理论与实际结合的重要性 升降压直流斩波实验装置