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电力电子电路建模与分析大作业..doc

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西安理工大学 研究生课程论文/研究报告 课程名称:电力电子系统建模与分析 任课教师: 完成日期: 2016 年 7 月 5 日 专 业: 电力电子与电力传动 学 号: 姓 名: 同组成员: 成 绩: 题目要求 某用户需要一直流电源,要求:直流输出24V/200W,输出电压波动及纹波均1%。用户有220V交流电网(±10%波动变化)可供使用: (1) 设计电源主电路及其参数; (2) 建立电路数学模型,获得开关变换器传函模型; (3) 设计控制器参数,给出控制补偿器前和补偿后开环传递函数波特图,分 析系统的动态和稳态性能; (4) 根据设计的控制补偿器参数进行电路仿真,实现电源要求; (5) 讨论建模中忽略或近似因素对数学模型的影响,得出适应性结论(量化 性结论:如具体开关频率、具体允许扰动幅值及频率等)。 主要工作 本次设计主要负责电源主电路及其参数的的设计,以及建立电路数学模型并获得开关变换器传函模型这两部分内容,具体如下: (1) 本次设计电源主电路及其参数,采用从后向前的逆向设计思想。首先根据系统输出要求,设计了后级DC/DC型Buck电路的参数。接着设计了前级不控整流电路以及工频变压器的参数。考虑到主电路启动运行时的安全性,在主电路中加入了软启动电路; (2) 本次DC/DC变换器的建模并没有采用传统的状态空间平均方法,而是采用更为简单、直观的平均开关建模方法,建立了Buck变换器小信号交流模型。最后,推到出了开关变换器的传递函数模型,并给出了Buck电路闭环控制框图。 1 设计主电路及其参数 1.1主电路设计 根据题目要求,系统为单相交流220V/50Hz输入,直流24V/200W输出。对于小功率单相交流输入的场合,由于二极管不控整流电路简单,可靠性高,产生的高次谐波较少,广泛应用于不间断电源(UPS)、开关电源等场合。所以初步确定本系统主电路拓扑为:前级AC-DC电路为电源经变压器降压后的二极管不控整流,后级DC-DC电路为Buck斩波电路,其中Buck电路工作在电感电流连续模式(CCM) 图1-1 系统主电路结构图 1.2主电路参数设计 本次设计电源主电路参数,采用从后向前的逆向设计思想。先对后级DC/DC型Buck电路的参数进行设计,接着对前级不控整流电路以及工频变压器的参数进行设计。下面分别对后级的Buck电路和前级经变压器降压后的不控整流电路各参数进行分析设计。 1.2.1 输出电阻计算 根据系统电路参数:,可计算: 输出电流: (1-1) (1-) 假定占空比,可得: (1-)MOSFET开关频率。 1.2.3 BUCK电路滤波电感选择 由BUCK电路电感电流连续的临界条件: 可得要保证电路工作在CCM模式下,则电感应满足: (1-),则 (1-) 30%,此时电感值应为: (1-)。 1.2.4 BUCK电路滤波电容选择 电容容值越大,输出电压将近似为恒定,但电容越大,装置体积和成本也相应增大,因此本系统根据输出电压的纹波要求选取电容。本设计按输出电压纹波不超过输出电压的1%进行计算: (1-)。 1.2.5 开关管MOSFET选择 开关导通时MOSFET端电压近似为0V,开关关断时MOSFET承受最大电压为: (1-)(1-)MOSFET的型号为IRF650A,其额定参数为。 1.2.6 整流后直流侧电容选择 直流母线电压通过单相桥式整流而来故每个周期发生2次脉动,单相工频电压的周期为T=0.02s,在T/2周期内电容完成一个充电和放电的周期。直流侧电容的选择依据有: 有依电流为依据的,例如:每0.5A电流1000uF 有依RC时间常数为依据的,例如:单相不控整流电路 其中,T为交流电源周期 则: (1-)48V,则直流侧的等效电流约为,由经验数据可大概估算直流侧电容为10000uF。本系统实际选择100V/100uF CL20型金属化聚脂膜电容器,采用10只并联。 1.2.7 整流二极管选择 (1)确定整流二极管的耐压值 根据全桥整流电路中每个二极管所承受的反向电压: 可得整流二极管耐压值为: (1-)为整流桥输入电压有效值,1.1为电压波动系数,为安全系数。 则二极管耐压值为: (1-)1.1,安全系数,则整流二极管额定电流值为: (1-)P600D,查其参数手册可知二极管的通态压降为,则每个二极管额通态损耗为: (1-) 其中,为二极管
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