close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Отчет v1.0

код для вставкиСкачать
 Введение
В данной курсовой работе необходимо произвести расчет и моделирование импульсного преобразователя понижающего типа. В таком преобразователе транзистор работает в ключевом режиме. В этом и состоит отличие от стабилизаторов непрерывного действия. В режиме ключевом режиме транзистор переходит из состояния насыщения в режим отсечки, проходя активную зону с очень большой скоростью. При таком режиме работы на транзисторе выделяется малая мощность, поэтому у такого стабилизатора высокий КПД и сравнительно небольшие размеры. Недостатком такой схемы является достаточно сложная схема управления и повышенный уровень шумов.
Все расчёты и моделирование производится в системе MatLab. Она очень удобна для технических расчётов и имеет много преимуществ по сравнению с другими программами. В составе MatLab и имеется раздел Simulink, который позволяет моделировать электрические схемы и получать при этом достаточно точные результаты. Именно этот раздел необходим в данной курсовой работе для моделирования преобразователя.
Теоретическая часть
Принцип работы преобразователя понижающего типа
Схема преобразователя понижающего типа состоит из источника питания(E), полевого транзистора (VT), диода (VD), конденсатора(C), катушки индуктивности(L), нагрузки (R) и импульсного генератора (G).
Рис.1 - Схема преобразователя понижающего типа.
Рис.2 - Управляющий сигнал подаваемый с импульсного генератора
t1, t3 - момент подачи положительного импульса, имеющего положительную величину.
t2 - момент выключения постоянного напряжения.
Для описания принципа работы понижающего преобразователя воспользуемся схемой, приведённой на рисунке 1 и графиком на рисунке 2. В момент времени t1 включается транзистор VT , диод VD закрыт, потому что к нему приложено обратное напряжение, следовательно ток через него не течёт. Энергия, поступающая от источника, накапливается в магнитном поле дросселя L, ток течет через нагрузку, заряжается конденсатор C. В момент времени t2 транзистор выключается и источник питания перестает питать нагрузку. Энергия накопленная в дросселе начинает передаваться в нагрузку и диод, под воздействие прямого напряжения диод открывается и через нагрузку течёт ток (рис. 3). После этого, как вся энергия рассеивается, дроссель становится электрически выключенным из схемы и конденсатор начинает разряжаться на нагрузку (рис. 4). В момент времени t3 на транзистор подаётся положительный импульс и процесс повторяется.
рис. 3 рис. 4 Статическая регулировочная характеристика стабилизатора понижающего типа (без учёта потерь в транзисторе и диоде) определяется зависимостью:
, где где: - активное сопротивление дросселя.
- сопротивление нагрузки.
График регулировочной характеристики стабилизатора понижающего типа изображён на рисунке 5.
Рис. 5 - Регулировочная характеристика стабилизатора понижающего типа
Статическая регулировочная характеристика стабилизатора понижающего типа представляет собой прямую, наклон которой зависит от отношения активных сопротивлений дросселя и нагрузки.
Напряжение на нагрузке определяется относительной длительностью управляющих импульсов (при постоянном ) и не может быть больше напряжения питания, а линейность данной характеристики улучшает условия устойчивости работы ИСН.
Система автоматического управления
В зависимости от способа регуляции выходного напряжения стабилизаторы могут быть отнесены к одной из трех импульсных систем регулирования: с широтно-импульсной модуляцией; с частотно-импульсной модуляцией, а также существует ещё релейная система регулирования.
В данном преобразователе мы будем использовать широтно-импульсную модуляцию. В ШИМ длительность импульсов напряжения на входе при постоянной частоте их следования обратно пропорциональна значению напряжения на выходе (Рис.6).
Рис.6 - ШИМ
Импульсные стабилизаторы с ШИМ по сравнению со стабилизаторами двух других типов имеют следующие преимущества:
- обеспечивается высокий КПД и оптимальная частота преобразования независимо от напряжения первичного источника питания и тока нагрузки; - частота пульсаций на нагрузке является неизменной, что имеет существенное значение для ряда потребителей электроэнергии Задание на курсовую работу
Исходные данные:
Преобразователь понижающего типа.
- частота преобразования; - КПД; - питающее напряжение;
- относительное изменение входного напряжения;
- напряжение нагрузки;
- относительное изменение выходного напряжения;
- максимальный ток нагрузки;
- минимальный ток нагрузки .
В качестве ключевого элемента используется транзистор. Преобразователь должен
иметь систему управления с широтно-импульсной модуляцией.
В данной курсовой работе необходимо:
* проанализировать исходные данные, понять принцип работы преобразователя
* рассчитать параметры преобразователя и системы управления в системе MatLab, по полученным данным подобрать транзистор (МОП) и диод
* по полученным выше расчётам рассчитать индуктивность и активное сопротивление дросселя без сердечника в системе MatLab
* собрать схему преобразователя в Simulink, получить необходимые характеристики токов и напряжений транзистора, диода, дросселя и нагрузки в режимах непрерывных и прерывных токов дросселя, сравнить их с теоретическими. Получить статическую регулировочную характеристику преобразователя
* смоделировать преобразователь и систему управления в Simulink, получить характеристики напряжения и тока нагрузки. Проанализировать работу системы управления. Исследовать схему при повышенном сопротивлении нагрузки и внешнего напряжения, проанализировать полученные характеристики
* сделать выводы по проделанной работе
Расчёт параметров преобразовательного устройства
Up=27;
dUp=0.1;
Un=15;
dUn=0.05;
Inm=5;
Inn=3;
f=16*10^3; n=0.93; % КПД
k=0.1; % Коэф. пульсации
dUpn=Up*dUp dUnn=Un*dUn
Isr=(Inm+Inn)/2
Rsr=Un/Isr
Ymin=(Un-dUnn)/(n*(Up+dUpn))
Ymax=(Un+dUnn)/(n*(Up-dUpn))
Lmin=((Un+dUnn)*(1-Ymin))/(2*Inn*f)
Lmin=8e-5 % Выбранная индуктивность
C=((Un-dUnn)*(1-Ymin))/(16*k*Lmin*f^2)
Kst=dUpn/dUnn;
Kshim=(Kst-1)/(Up-dUpn)
Kus=Kshim/0.1 % Коэф. Усиления ошибки
Icmax=(((Un-dUnn)*(1-Ymin))/(2*Lmin*f)) % Максимальный ток через конденсатор
ILsr=Inm % Средний ток через катушку
ILmin=Inm-Icmax % Минимальный и максимальный ток через катушку соотв.
ILmax=Inm+Icmax
Ikm=2*ILsr % Ток через транзистор берем с двойным запасом
Uke=Un+dUnn % КЭ напряжение на транзисторе
Ipr=ILmax % Ток через диод
Uobr=2*Up % Обратное напряжение на диоде, с двойным запасом
Результаты:
dUpn =2.7000
dUnn =0.7500
Isr =4
Rsr =3.7500
Ymin =0.5159
Ymax =0.6969
Lmin =7.9421e-005
Lmin =8.0000e-005
C =2.1052e-004
Kshim =0.1070
Kus =1.0700
Icmax =2.6946
ILsr =5
ILmin =2.3054
ILmax =7.6946
Ikm =10
Uke =15.7500
Ipr =7.6946
Uobr =54
Расчёт параметров катушки индуктивности.
Индуктивность многослойной катушки с квадратным сечением равна:
Где q - кол-во слоев, wsl - кол-во виков, l - длина катушки, b2 - ширина стороны, h2 - шаг намотки, d - диаметр провода, h1 - шаг между слоями, p - оператор суммирования (принимает значения +-1)
Расчет индуктивности:
Расчет диаметра провода
Выбираем обмоточный эмаль-провод с диаметром 1.9мм и толщиной изоляции 0.32мм
Выбранный диаметр провода, толщина изоляции и толщина изоляции между слоями
"Нулевой" шаг
Шаг между слоями
Ширина и длина сердечника
Кол - во слоев
Идеальное кол-во витков
Реальный шаг
Зазор между витками
Расчет резистивного сопротивления катушки:
Удельное сопротивление меди
Практическая часть
Выбор полупроводниковых приборов
Транзистор.
Полевой транзистор, называемый также МДП-транзистором, выполняет в силовом контуре преобразователя роль ключевого элемента, который находится в течение определенной части периода коммутации в открытом состоянии, а оставшуюся часть периода - в закрытом. При переходе из закрытого состояния в открытое (процесс включения) или обратно (процесс выключения) транзистор кратковременно находится в активной области. Длительность этих процессов составляет доли или единицы микросекунд, что обычно на несколько порядков меньше времени открытого или закрытого состояния. Предельно допустимыми параметрами, определяющими выбор типа и количества транзисторов, являются мгновенные значения напряжения в закрытом состоянии и тока в открытом состоянии и их сочетание в активной области, обычно указываемое в ТУ и справочниках в виде графика области безопасной работы, называемой также областью максимальных режимов (ОМР).
Основным положительным свойством полевого транзистора является малое значение тока управления (тока затвора), необходимое для отпирания транзистора. Благодаря этому свойству существенно упрощается выполнение блока управления преобразователя, в котором выходы логических микросхем, формирующих сигналы управления на уровне нескольких миллиампер, могут непосредственно соединяться с входом силовых транзисторов. Другим положительным свойством полевых транзисторов является большое быстродействие при включении и выключении. Благодаря этому может быть существенно увеличена рабочая частота и уменьшены тем самым силовые магнитные элементы и фильтры.
По данным расчетов (напряжение КЭ и току коллектора) выбираем транзистор IRFB4020PBF: Подробнее см. приложение 1.
Диод.
Диод используется в силовом контуре преобразователей для выпрямления переменного напряжения и для обеспечения проводимости и блокировки транзисторных ключей в обратном направлении. Основными параметрами диода, по которым выбирается его тип и количество, являются обратное напряжение (максимальное мгновенное значение) и прямой ток (среднее значение). А так же нужно учитывать быстродействие.
По данным расчетов (обратное напряжение и прямой ток) выбираем диод HFA25PB60:
Подробнее см. приложение 2.
Реализация в MATLAB SIMULINK.
Схема преобразовательного устройства и описание элементов
математической модели
Изображение схемы стабилизатора понижающего типа в среде MatLab Simulink
В качестве источника питания E выбираем блок DC Voltage Source из библиотеки Simulink, который представляет собой идеальный источник постоянного напряжения. В его параметрах задаём напряжение 27 В.
Катушку индуктивности имитирует блок Series RL Branch, представляющий собой RL-цепь. Ток в индуктивности снимается с помощью модели амперметра, связанного с моделью осциллографа Scope.
Параметры катушки индуктивности RL
Транзистор IRFB4020PBF моделируем с помощью блока Mosfet. Так как в преобразователе транзистор и диод работают в ключевом режиме, подбираем для их математических моделей соответствующие параметры защитных (демпфирующих) цепей. Модель Mosfet имеет информационный выход m, который мы связываем с моделью осциллографа Scope. Вход g представляет управляющий электрод транзистора, на него подаются импульсы с генератора Pulse Generator. В блоке Pulse Generator задаём частоту f=16000 Гц. Диод HFA25PB60 имитирует блок Diode. Напряжение и ток диода снимаются через модель вольтметра и модель амперметра, которые связаны с моделью осциллографа Scope1.
Параметры блока Mosfet. Параметры блока Diode.
Обозначение параметров блоков Mosfet и Diode:
Resistance Ron (Ohms) - сопротивление во включенном состоянии;
Inductance Lon (H) - индуктивность во включенном состоянии;
Forward voltage Vf (V) - пороговое напряжение (напряжение отпирания);
Initial current Ic (A) - начальное значение тока. При значении параметра
равном нулю, моделирование начинается при закрытом состоянии диода (транзистора). Если
параметр задан положительным значением, то моделирование будет начато при
открытом состоянии диода (транзистора).
Snubber resistance Rs (Ohms) - сопротивление демпфирующей цепи;
Snubber capacitance Cs (F) - емкость демпфирующей цепи.
Нагрузка R, ёмкость конденсатора C имитируется с помощью блоков Series RLC Branch. При помощи модели вольтметра напряжения на нагрузке. Параметры нагрузки R Параметры конденсатора C
Графики тока и напряжения на транзисторе, выходного напряжения и тока на катушке.
Снятие и анализ регулировочной характеристики стабилизатора понижающего типа.
Теоретическую регулировочную характеристику рассчитываем по формуле
где: ; , - сопротивления дросселя и нагрузки соответственно.
Практическую снимаем с модели преобразователя, без модели ШИМ.
В результате получаем след. зависимости:
Согласно теор. зависимости, Y=0.5619. Практически - выбираем 0.592.
Схема с системой автоматического регулирования (ШИМ)
В зависимости от способа стабилизации выходного напряжения импульсные преобразователи могут быть отнесены к одной из трёх систем регулирования: с широтно-импульсной модуляцией; с частотно-импульсной модуляцией и релейной системой регулирования. В данном преобразователе мы применяем широтно-импульсную модуляцию. Она имеет следующие преимущества:
* обеспечивает высокий КПД и оптимальная частота преобразования независимо от напряжения первичного источника питания и тока нагрузки; * частота пульсаций на нагрузке является неизменной, что имеет существенное значение для ряда потребителей.
Схема широтно-импульсного модулятора:
где - коэффициент делителя напряжения с нагрузки ; - коэффициент усиления ошибки ; - напряжение генератора пилообразного напряжения.
Принцип работы ШИМа:
Напряжение с нагрузки поступает на делитель напряжения, где оно уменьшается в раз. После этого поступает не сумматор, где из него вычитается опорное напряжение. Результатом является ошибка, которая усиливается в раз. Далее поступает на сумматор, где складывается с сигналом формирователя синхронизирующего напряжения (пилообразного). После чего поступает на пороговое устройство, в котором сравнивается с единицей, результатом является положительный импульс, который поступает в затвор транзистора. Таким образом суть работы состоит в том, что при падении напряжения на нагрузке транзистор открывается, а при увеличении - закрывается.
Принцип работы порогового устройства:
На верхнем графике показаны графики ошибки регулирования и пилообразного напряжения генератора. На среднем показан сигнал, получаемый при вычитании сигнала ошибки из пилообразного напряжения, который подаётся на пороговое устройство, которое сравнивает его с постоянным значением, в результате чего на выходе получаются импульсы различной длительности. Импульсы подаются на затвор транзистора, который под их действием открывается.
Изображение схемы автоматической системой регулирования в среде MatLab Simulink
На вход системы регулирования подаётся напряжение нагрузки Un, затем оно делиться на блоке Gain1. Из него вычитается опорное напряжение, блок Constant1, результат умножается на коэф. Усиления ошибки, блок Gain2 и к результату прибавляется синхронизирующее напряжение(длительность открытого транзистора). Таким образом мы получаем управляющий сигнал с учетом величины ошибки. Это значение поступает на блок Saturation, где мы накладываем ограничения по величине относительной длительности открытого состояния транзистора. Полученный сигнал поступает на компаратор Relasional Operator, где сравнивается с пилообразным сигналом, образованным блоками Pulse Generator, Integrator Limited, Gain. В зависимости от того какая величина больше, Relasional Operator выдаёт 0 или 1. Этот сигнал поступает на транзистор. Нулевое значение соответствует закрытому состоянию, единица - открытому.
В систему так же включена регулировка по току транзистора с ограничением 16А
Параметры блока Gain1
Параметры блока Saturation
Проверка работы системы регулирования по напряжению
Проверка работы системы регулирования по напряжению, с учетом тока транзистора.
Модель преобразователя с ШИМом в Simulink.
Изображение схемы стабилизатора постоянного напряжения понижающего типа с автоматической системой регулирования в среде MatLab Simulink
Параметры блока SAU
Проверка работы системы при номинальном входном напряжении и нагрузке. (блок Scope)
Стабилизация выходного напряжения
По заданию величина входного напряжения может меняться на +/-10%, что составляет
+/-2.7 В. При этом величина выходного напряжения не должна меняться больше чем на +/-5%, что составляет +/-0.75 В.
Осциллограммы выходных напряжений при разных входных напряжениях и нагрузке.
Входное напряжение 27-2.7 В(минимальное). Нагрузка 15/5 Ом (максимальная)
Входное напряжение 27+2.7 В(максимальное). Нагрузка 15/3 Ом (минимальная)
Схема управления позволяет получить заданную стабильность напряжения на нагрузке. Незначительное изменение напряжения нагрузки говорит о точности расчёта параметров схемы и системы управления.
Пульсации напряжения на номинальной нагрузке в установившемся режиме
По графикам можно определить, что ток и напряжение входят в заданные интервалы, что говорит о правильности работы схемы ШИМа. Таким образом при любом допустимом изменении напряжения питания и сопротивления нагрузки (Uп=27±2,7В, 3≤Rн≤5 Ом) напряжение и ток нагрузки попадает в заданные пределы(Uн=15±0.75В 3<I<5 А).
Вывод
Был рассмотрен принцип работы преобразователя и ШИМа. Смоделирован преобразователь, а также система управления к нему. Simulink позволяет с достаточной точностью смоделировать данное устройство и получить значения близкие к теоретическим. Таким образом, можно говорить о получении модели описывающей реальное устройство с достаточной точностью. По результатам проверки работы модели в различных режимах, мы видим что выходные значения попадают в заданные интервалы.
Приложение
1) DataSheet транзистор полевой IRFB4020PBF
2) DataSheet диод быстродействующий HFA25PB60
Список литературы
1. Найвельт Г. С., Мазель К. Б., Хусаинов Ч. И.: Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник. - М.: Радио и связь, 1985г.
2. Семенов В.Ю.: Силовая электроника. - М.: СОЛОН-Р,2001г
3. Моин В. С. : Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1986г.
4. Немцов М.В., Шамаев Ю.М.: Справочник по расчету параметров катушек индуктивности. - М: Энергоиздат, 1981г.
Нижегородский государственный технический университет им. Алексеева
Курсовая работа по математическому моделированию.
"Моделирование импульсного преобразователя понижающего типа"
Вариант №4
Проверил: Гребенщиков В.И.
Выполнил: 09-ПЭ, Кибин А.А.
Нижний Новгород
2011 год
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
105
Размер файла
2 889 Кб
Теги
отчет
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа