Energoelektronika-Przekształtnik buck PDF

Preview

Summary

Sprawozdanie Przekształtnik Buck...

Description

ZACHODNIOPOMORSKI UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNY W SZCZECINIE Wydział Elektryczny Katedra Elektroenergetyki i Napędów Elektrycznych,

Laboratorium z Energoelektroniki Sprawozdanie z wykonania ćwiczenia. Nr ćwiczenia: Temat: Przekształtnik obniżający napięcie.

2 Kierunek studiów:

Rok akademicki:

ET – S1

2020/2021

Grupa

Termin zajęć:

laboratoryjna: L2

Skład zespołu:

Prowadzący:

Data wykonania:

1. Damian Jaskólski

dr hab. inż.

08.11.2020

2. Marek Burzyński

Konrad Woronowicz

Ocena:

Podpis:

3. Dawid Orlon

1. Wstęp teoretyczny. Przekształtnik buck (przekształtnik obniżający napięcie) – rodzaj przekształtnika DC/DC bez izolacji galwanicznej między wejściem a wyjściem. Napięcie wyjściowe jest niższe od wejściowego, natomiast prąd wyjściowy może być wyższy od wejściowego. Przekształtnik buck składa się z klucza tranzystorowego sterowanego przez układ regulacji napięcia, diody rozładowczej, dławika i kondensatora filtrującego napięcie wyjściowe. Po zamknięciu klucza prąd w obwodzie wzrasta, przez co część napięcia odkłada się na cewce. Gdy napięcie na wyjściu przekroczy zadaną wartość, klucz zostaje rozłączony, wówczas spadające natężenie prądu indukuje na cewce napięcie, przepływ prądu umożliwia dioda. Gdy napięcie na wyjściu spadnie poniżej wymaganego klucz jest powtórnie załączany. Jeżeli zasilany układ pobiera niewiele prądu wówczas w stanie otwartego klucza energia zgromadzona w cewce może zakończyć się przed włączeniem klucza, wówczas odbiornik zasilany jest prądem z kondensatora filtra.

Rys 1. Schemat przekształtnika obniżającego napięcie.

. 2. Opis ćwiczenia. W programie symulacyjnym obwody elektryczne - „PSIM”, zbadać układ z przekształtnikiem obniżającym napięcie. Przeanalizować wyniki pod względem wartości opisujących przebiegi prądów i napięć w układzie.

3. Przebieg ćwiczenia. 1) Przy parametrach pracy i obciążenia układu wyznaczono: a) Stosunek napięcia wyjściowego średniego do wejściowego: Vload(średnie napięcie wyjściowe) = 10V Vwe(napięcie wejściowe) = 20V Stosunek średniego napięcia wyjściowego do wejściowego

V load 10 = =0,5 V we 20

b) Sprawdzić czy wartość obliczona w punkcie (a) jest identyczna z wartością otrzymaną z obliczeń dla tego konwertera, gdzie Ton jest czasem załączenia klucza mocy, a Tof jest czasem wyłączenia klucza mocy:

T on=2,00086∗10

−5

T off =1,99818∗10 D=

−5

−5 T on 2,00086∗10 = =0,5003350804 T on+ T off 2,00086∗10−5+1,99818∗10−5

2) Zbadać wpływ współczynnika wypełnienia na zmianę napięcia wyjściowego dla dwóch częstotliwości pracy 20kHz i 10kHz, przy stałej wartości obciążenia poprzez zmniejszanie współczynnika GAIN do zera, dla 10-ciu wartości. a) Wykreślić zależność napięcia wyjściowego, mocy wyjściowej, sprawności oraz pulsacji prądu od współczynnika wypełnienia. Tabela 1. Zależność napięcia wyjściowego, mocy wyjściowej oraz sprawności od współczynnika wypełnienia dla 20kHz. GAIN 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

Napięcie 10 9,45311 9,44752 9,44296 9,43861 9,43491 9,43225 9,43033 9,42857 9,42761 9,42729

Moc Wy 1 0,893614 0,892556 0,891696 0,890874 0,890175 0,889674 0,889312 0,888979 0,888799 0,88739

Moc We 1,00085 0,0525598 0,0422786 0,0222424 0,019077 0,015908 0,0127315 0,00318548 0,00212535 0,00106478 0

Sprawność 0,999150722 17,00185313 21,11129508 40,08991835 46,69885202 55,95769424 69,87974708 279,1767646 418,2741666 834,7254832

Rys 2. Wykres zależność napięcia wyjściowego, mocy wyjściowej oraz sprawności od współczynnika wypełnienia.

Tabela 2. Zależność napięcia wyjściowego, mocy wyjściowej oraz sprawności od współczynnika wypełnienia dla 10kHz. GAIN 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

Napięcie 10 9,47806 9,46619 9,4575 9,4494 9,44272 9,43712 9,43288 9,42974 9,42792 9,42729

Moc Wy 0,999999 0,898335 0,896202 0,894443 0,892912 0,89165 0,890593 0,889793 0,889201 0,888857 0,888739

Moc We 1,00998 0,0852454 0,07585848 0,0516721 0,0443244 0,0264032 0,0211337 0,00951643 0,00634617 0,00105922 0

Sprawnosc 0,990117626 10,53822259 11,81413073 17,30997966 20,14493146 33,77052781 42,14089345 93,50071403 140,1161646 839,1618361

Rys 3. Wykres zależność napięcia wyjściowego, mocy wyjściowej oraz sprawności od współczynnika wypełnienia.

b) Zapisać przebiegi dla wybranego punktu pracy: Prąd induktora L buck , prąd diody, i prąd klucza. dla GAIN 0.35, f= 20kHz

Rys 4. Wykres przebiegu prądu na : induktorze, diodzie i kluczu.

c) Zapisać przebiegi napięć: Klucza, diody, induktora.

Rys 5. Wykres przebiegu napięć na: induktorze, diodzie I kluczu.

3) Zbadać wpływ obciążenia układu na wymagany współczynnik wypełnienia i sprawności przy stabilizacji napięcia wyjściowego. Dla 20kHz. Tabela 3. Wpływ obciążenia układu na wymagany współczynnik wypełnienia i sprawności przy stabilizacji napięcia wyjściowego. Obciażenie 50 40 30 20 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0,8 0,6 0,4

Sprawność 0,346184 0,345833 3,47E-01 3,51E-01 3,52E-01 3,51E-01 3,55E-01 3,57E-01 3,57E-01 3,63E-01 3,68E-01 3,83E-01 4,13E-01 4,74E-01 4,89E-01 5,02E-01 5,03E-01

Dla 10kHz.

I load 0,199906 0,249207 3,31E-01 4,92E-01 9,63E-01 1,07E+00 1,19E+00 1,36E+00 1,57E+00 1,87E+00 2,33E+00 3,09E+00 4,64E+00 9,65E+00 1,23E+01 1,67E+01 2,51E+01

Tof 2,01E-05 2,00E-05 2,00E-05 2,02E-05 2,00E-05 2,00E-05 2,01E-05 2,02E-05 2,00E-05 2,01E-05 2,02E-05 2,00E-05 2,00E-05 2,01E-05 2,01E-05 2,00E-05 2,01E-05

Ton 2,00E-05 2,00E-05 2,01E-05 2,00E-05 1,99E-05 2,01E-05 2,00E-05 2,01E-05 2,01E-05 2,01E-05 2,02E-05 2,01E-05 2,01E-05 2,00E-05 2,01E-05 2,01E-05 2,01E-05

D 4,99E-01 5,00E-01 5,02E-01 4,98E-01 4,99E-01 5,02E-01 4,99E-01 4,99E-01 5,02E-01 4,99E-01 5,00E-01 5,01E-01 5,01E-01 4,99E-01 5,00E-01 5,01E-01 5,00E-01

Tabela 4. Wpływ obciążenia układu na wymagany współczynnik wypełnienia i sprawności przy stabilizacji napięcia wyjściowego. Obciażenie 50 40 30 20 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0,8 0,6 0,4

Sprawność 3,42E-01 3,43E-01 3,44E-01 3,47E-01 3,49E-01 3,50E-01 3,50E-01 3,53E-01 3,57E-01 3,62E-01 3,70E-01 3,83E-01 4,12E-01 4,75E-01 4,90E-01 5,02E-01 5,03E-01

I load 2,00E-01 2,49E-01 3,31E-01 4,92E-01 9,63E-01 1,07E+00 1,19E+00 1,36E+00 1,57E+00 1,88E+00 2,33E+00 3,09E+00 4,64E+00 9,64E+00 1,23E+01 1,67E+01 2,51E+01

Tof 4,00E-05 4,01E-05 4,03E-05 4,00E-05 4,00E-05 4,01E-05 4,00E-05 3,99E-05 3,99E-05 4,00E-05 3,99E-05 4,00E-05 4,00E-05 3,99E-05 4,00E-05 4,00E-05 3,99E-05

Ton 4,99E-05 5,01E-05 5,01E-05 5,00E-05 5,00E-05 5,00E-05 4,99E-05 5,01E-05 4,99E-05 4,99E-05 4,99E-05 5,01E-05 5,00E-05 5,03E-05 4,99E-05 5,01E-05 4,99E-05

Charakterystyka D=f(I_Load) oraz δ=f(I_Load) Dla f=20kHz oraz gain=0,502045:

Rys 4. Charakterystyka D=f(I_Load) oraz δ=f(I_Load)

Dla f=10kHz oraz gain=0,502045:

D 5,55E-01 5,55E-01 5,54E-01 5,56E-01 5,55E-01 5,55E-01 5,55E-01 5,56E-01 5,56E-01 5,55E-01 5,55E-01 5,56E-01 5,55E-01 5,57E-01 5,55E-01 5,56E-01 5,56E-01

Rys 5. Charakterystyka D=f(I_Load) oraz δ=f(I_Load)

4. Wnioski. Stosunki napięcie wyjściowego do wejściowego, wyznaczone w programie oraz wyliczone ze wzoru, są prawie identyczne. Różnice wynikają z błędu pomiarowego i ograniczonej dokładności obliczeń. Wraz ze zmniejszaniem współczynnika wypełnienia napięcie wyjściowe maleje, a wraz z nim prąd oraz moc wyjściowa. Zmiana częstotliwości z 20kHz na 10kHz spowodowała nieznaczny wzrost napięcia wyjściowego. Czym większa wartość obciążenia układu tym jego sprawność jest mniejsza, stąd przy obciążeniu 50Ω wartość sprawności wynosi 34,2%, a przy 0,4Ω - 50,3%. Ćwiczenie pozwoliło nam się zapoznać z działaniem przekształtnika zmniejszającego napięcie oraz pozwoliło nam określić w jaki sposób zmiana parametrów układu wpływa na otrzymywane na wyjściu wielkości....