close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

КурсовикГ8

код для вставкиСкачать
Содержание
1.Введение.................................................................................................................2
2. Теоретическая часть.................................................................................................3
2.1 Принцип работы преобразователя понижающего типа .................................................3
2.2 Система автоматического управления ......................................................................5
2.3 Задание на курсовую работу ...................................................................................6
2.4 Расчёт параметров преобразовательного устройства.....................................................7
2.5 Расчёт параметров катушки индуктивности...............................................................11
3. Практическая часть.................................................................................................15
3.1 Выбор полупроводниковых приборов......................................................................15
3.2 Схема преобразовательного устройства и описание элементов математической модели.......16
3.3 График выходного напряжения и тока преобразовательного устройства..........................18
3.4 Режим непрерывных токов дросселя.......................................................................19
3.5 Снятие и анализ регулировочной характеристики стабилизатора понижающего типа.........21
3.6 Схема с системой автоматического регулирования (ШИМ)..........................................23
3.7 Стабилизация выходного напряжения.....................................................................27
4. Вывод...................................................................................................................29
5.Список литературы...................................................................................................30
1.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.
2. Теоретическая часть
2.1 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.
2.2 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 2.3 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
2.4 Расчёт параметров преобразовательного устройства
1. Выбираем частоту преобразования и принимаем .
2. Определяем минимальное и максимальное значения относительной длительности (коэффициент заполнения) открытого состояния транзистора: 3. Из условия обеспечения режима непрерывности токов дросселя определяем его минимальную индуктивность:
4. Рассчитываем максимальный ток через конденсатор:
Действующий ток через конденсатор: 5. Определяем среднее и предельные значения тока, протекающего через дроссель:
6. Задаемся значением тока и напряжения и с учетом частоты преобразования выбираем регулирующий транзистор
7. Выбираем диод с учётом частоты преобразования по прямому току и обратному напряжению .
Расчёт параметров стабилизатора понижающего типа в среде MathCAD:
Исходные данные:
Расчёт:
Результат вычисления:
Коэффициент передачи схемы управления:
Kshim =0.107;
минимальное значение относительной длительности открытого состояния транзистора:
ymin =0.5159;
максимальное значение относительной длительности открытого состояния транзистора:
ymax =0.6969;
минимальная индуктивность дросселя:
Lmin =7.9421e-005;
выбранная индуктивность дросселя:
L =9.5280e-005;
максимальный ток через конденсатор:
Icmax =2.2625;
действующий ток через конденсатор:
Icd =1.3063;
емкость конденсатора:
C =1.3024e-006;
минимальное сопротивление нагрузки:
Rnmin =3.1;
максимальное сопротивление нагрузки:
Rnmax =4.9;
среднее сопротивление нагрузки:
Rnsr =4;
среднее значение тока, протекающего через дроссель при Inmax:
ILsr =5;
минимальное значение тока протекающего через дроссель:
ILmin =2.7375;
максимальное значение тока протекающего через дроссель:
ILmax =7.2625;
Выбор транзистора:
Ikm =10;
Uke =15.75;
Выбор диода:
Ipr =7.2625;
Uobr =54 .
2.5 Расчёт параметров катушки индуктивности.
Значение индуктивности многослойной катушки прямоугольного сечения при отношении сторон 1<b3/b2<3 определяется выражением
L = (1,2*q2*b3*Lсл,ц) / b2
где Lсл,ц - индуктивность однослойной цилиндрической катушки, намотанной на каркас с радиусом rсл = b2+0,25*(q-1)* h1.
Геометрическая модель многослойной прямоугольной катушки изображена на рисунке 7.
Рис.7 - Геометрическая модель многослойной прямоугольной катушки
где dп - диаметр провода; h2 - шаг между витками катушки; h1 - шаг между слоями катушки; 2b2 и 2b3 - стороны каркаса прямоугольного сечения, на котором расположен внутренний слой катушки; L - длина катушки.
Рис.8 - Характеристика зависимости собственной индуктивности однослойной цилиндрической катушки от её геометрических размеров при dп/rсл = 0,15
Результат вычисления:
L = 9.526e-005 Гн
RL = 0.088 Ом
2. Практическая часть
3.1 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 результатам расчетов выбираем транзистор IRFZ14: = 60 В Uke =15.75 В
= 10 А Ikm =10 А
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).
По результатам расчетов выбираем диод SF83:
= 100 В Uobr =54 В
= 8 А Ipr =7.2625 А
Реализация в MATLAB SIMULINK.
3.2 Схема преобразовательного устройства и описание элементов
математической модели
Рис.11 - 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 RIL имитирует блок Series RL Branch, представляющий собой RL-цепь. Его параметры представлены на рисунке 12. Ток в индуктивности снимается с помощью модели амперметра CM1, связанного с моделями осциллографов Scope1 и Scope2.
Рис.12- Параметры катушки индуктивности RL
Транзистор IRFZ14 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 Scope1. Вход g представляет управляющий электрод транзистора, на него подаются импульсы с генератора Pulse Generator. В блоке Pulse Generator задаём частоту f=16000 Гц. Параметры блока Mosfet приведены на рисунке 13. Диод SF83 имитирует блок Diode. Напряжение и ток диода снимаются через модель вольтметра Voltage Measurement и модель амперметра CM3, которые связаны с моделью осциллографа Scope2. Параметры блока Diode показаны на рисунке 14.
Рис.13 - Параметры блока Mosfet для Рис.14. Параметры блока Diode для
транзистора IRFZ14. диода SF83.
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 VM1 и модели амперметра CM2 снимаются ток и напряжения на нагрузке. Параметры блока Series RLC Branch для нагрузки R представлены на рисунке 15. Параметры блока Series RLC Branch для ёмкости C представлены на рисунке 16. Рис.15 - Параметры нагрузки R
Рис.16. Параметры конденсатора C.
3.3. График выходного напряжения и тока преобразовательного устройства
График выходного напряжения и тока снимается с осциллографа, к двум входам которого подключены вольтметр, параллельно соединенный с нагрузкой, и амперметр, последовательно соединённый с нагрузкой. График представлен на рисунке 17.
Рис.17 - Графики напряжения и тока нагрузки
3.4. Режим непрерывных токов дросселя.
Режим непрерывных токов дросселя наблюдается при относительно небольшом сопротивлении нагрузки. Для описания этого режима воспользуемся рисунком 18. На нём показаны управляющее импульсное напряжение, ток коллектора, напряжение коллектор-эмиттер, ток дросселя. На интервале времени транзистор закрыт, ток, накопленный в дросселе, протекает через диод в нагрузку и конденсатор. Ток дросселя линейно спадает.
Рис.18 - Режим непрерывных токов дросселя
В момент времени открывается транзистор и через него на интервале времени протекает коллекторный ток. На этом же интервале дроссель накапливает энергию, ток дросселя линейно возрастает. С момента времени все процессы повторяются. На рисунке 19 представлены графики тока диода, напряжение на диоде, тока дросселя и управляющего импульса напряжения.
Рис.19 - Режим непрерывных токов дросселя
В момент времени (t1-t2) транзистор закрыт, в дросселе накоплена энергия. Через диод начинает течь ток, величина тока постепенно уменьшается. Дроссель разряжается, ток дросселя линейно уменьшается. В момент времени (t2-t3) подаётся управляющий импульс, транзистор открывается, диод закрывается. Дроссель начинает накапливать энергию, ток дросселя линейно возрастает. В то же время существует обратное напряжение на диоде и обратный ток диода, который в свою очередь незначителен. С момента времени t3 все процессы повторяются.
Сравнивая полученные графики с теоретическими выкладками, представленными на рисунке 20, видно, что различия незначительны. Небольшие скачки напряжения коллектор-эмиттер и небольшое искажение формы коллекторного тока обусловлены влиянием демпфирующих цепочек, входящих в математическую модель транзистора. Ток диода и коллектора транзистора выглядит с более резкими обрывами, чем на теоретической диаграмме, что также обусловлено влиянием демпфирующих цепей.
Рис.20 - Теоретические диаграммы токов и напряжений в стабилизаторе понижающего типа с непрерывными токами дросселя.
3.5 Снятие и анализ регулировочной характеристики стабилизатора понижающего типа.
На рисунке 21 показано две статические регулировочные характеристики. Одна из них практическая, полученная экспериментально, другая - теоретическая, рассчитанная по формуле:
где: ; , - сопротивления дросселя и нагрузки соответственно.
Рис.21 - Статическая регулировочная характеристика понижающего стабилизатора.
Прямая, полученная экспериментально достаточно точно описывает характер процесса. Имеется небольшое расхождение между прямыми, обусловленное большой разницей между омическим сопротивлением катушки и сопротивлением нагрузки, а также вследствие того, что модель не учитывает всех особенностей реальной схемы.
3.6 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.
Рис.22 - Изображение схемы автоматической системой регулирования в среде MatLab Simulink
На вход системы регулирования подаётся напряжение нагрузки Un, затем оно делиться на блоке Kd.n. и суммируется с отрицательным опорным напряжением ION. Таким образом мы получаем величину ошибки, которую усиливаем блоком Ky. Затем, с помощью сумматора, прибавляем желаемую нами величину относительной длительности открытого состояния транзистора. Это значение поступает на блок PY, где мы накладываем ограничения по величине относительной длительности открытого состояния транзистора. В соответствии с расчётными данными . Полученный сигнал поступает на компаратор Relasional Operator, где сравнивается с сигналом, образованным блоками Pulse Generator2, Integrator2, Gain4.
Таким образом, мы получим на выходе "пилу". 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.
Проверка системы регулирования осуществляется с помощью блоков Pulse Generator1, Relasional Operator1 и Scope3.
Рис.23 - Параметры блока Ку
Рис.24 - Параметры блока FSN
Рис.24 - Параметры блока PY
Рис.24 - Проверка работы системы регулирования
Рисунок 25 - Наложение синусоидального сигнала
Модель преобразователя с ШИМом в Simulink.
Рис.26 - Изображение схемы стабилизатора постоянного напряжения понижающего типа с автоматической системой регулирования в среде MatLab Simulink
3.7 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 представлены на рисунках 27, 28, 29.
При 27 В (заданное напряжение) Rн=4 Ом
Рис.27
Величина выходного напряжения для схемы с системой управления равна 14.99 В.
Ток нагрузки равен 3.747 А.
Увеличение входного напряжения на 10% (29,7 В) Rн=3.1 Ом
Рис.28
Величина выходного напряжения для схемы с системой управления равна 15.05 В.
Ток нагрузки равен 4.855 А.
Уменьшение входного напряжения на 10% (24,3 В) Rн=4.9 Ом
Рис.29
Величина выходного напряжения для схемы с системой управления равна 14.91 В.
Ток нагрузки равен 3.042 А.
Схема управления позволяет получить заданную стабильность напряжения на нагрузке. Незначительное изменение напряжения нагрузки говорит о точности расчёта параметров схемы и системы управления.
Рис.30 - Пульсации тока на 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, 3.1≤Rн≤4.9 Ом) напряжение и ток нагрузки попадает в заданные пределы(Uн=15±0.75В 3<I<5 А).
3. Вывод
В результате выполненной работы были выполнены всё поставленные задачи. Рассмотрен принцип работы преобразователя и ШИМа. Смоделирован преобразователь, а также система управления к нему. Simulink позволил достаточно точно смоделировать данное устройство и получить значения очень близкие к теоретическим. Таким образом, можно говорить о получение модели достаточно точно описывающей реальное устройство. Но пришлось столкнуться с проблемой несовершенной работы демпфирующих цепей, которые не описывают ни каких реальных характеристик, а только позволяют получить приемлемые результаты. 4. Список литературы
1. Алтунин Б. Ю.,БлиновИ. В., Кралин А. А., Панкова Н. Г.: Электротехнические расчеты в системе компьютерной математики MATLAB SIMULINK: Учеб. Пособие; НГТУ. Н. Новгород, 2005г.
2. Моин В. С. : Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1986г.
3. Найвельт Г. С., Мазель К. Б., Хусаинов Ч. И.: Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник. - М.: Радио и связь, 1985г.
4. Семенов В.Ю.: Силовая электроника. - М.: СОЛОН-Р,2001г
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
188
Размер файла
814 Кб
Теги
курсовик
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа