孫富勤專業(yè)課程設(shè)計

1、目 錄第1章 緒 論及引言21.1 電力電子技術(shù)的介紹21.2 電力電子技術(shù)的應(yīng)用及直流變化技術(shù)2第2章 系統(tǒng)總體方案及主電路設(shè)計22.1 系統(tǒng)的方案及其流程圖22.2 主電路的設(shè)計32.3 參數(shù)的計算3第3章 控制和驅(qū)動電路的設(shè)計53.1 芯片SG3525簡介53.2 控制和驅(qū)動電路原理圖63.3 保護電路6第4章 系統(tǒng)仿真與實測74.1 仿真軟件Matlab簡介74.2 仿真模型的建立84.3 系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析8設(shè)計心得體會11參考文獻11第1章 緒論及引言1.1 電力電子技術(shù)的介紹電力電子技術(shù)是一門新興的應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，就是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT等）對電

2、能進行變換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)所變換的“電力”功率可大到數(shù)百MW甚至GW，也可以小到數(shù)W甚至1W以下，和以信息處理為主的信息電子技術(shù)不同電力電子技術(shù)主要用于電力變換。電力電子技術(shù)分為電力電子器件制造技術(shù)和變流技術(shù)（整流，逆變，斬波，變頻，變相等）兩個分支。 現(xiàn)已成為現(xiàn)代電氣工程與自動化專業(yè)不可缺少的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)該專業(yè)人才中占有重要地位。 1.2 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)是一門新興技術(shù)，它是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個學(xué)科交叉而成的，在電氣自動化專業(yè)中已成為一門專業(yè)基礎(chǔ)性強且與生產(chǎn)緊密聯(lián)系的不可缺少的專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程體現(xiàn)了弱電對強電的控制，又具有很強的實踐性。能夠理論聯(lián)

3、系實際，在培養(yǎng)自動化專業(yè)人才中占有重要地位。它包括了晶閘管的結(jié)構(gòu)和分類、晶閘管的過電壓和過電流保護方法、可控整流電路、晶閘管有源逆變電路、晶閘管無源逆變電路、PWM控制技術(shù)、交流調(diào)壓、直流斬波以及變頻電路的工作原理。直流變換技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用于開關(guān)電源及直流電動機(本設(shè)計中卷板機)驅(qū)動中，如不間斷電源（UPS）、無軌電車、地鐵列車、蓄電池供電的機動車輛的無級變速及20世紀80年代興起的電動汽車的控制。從而使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能，并同時收到節(jié)約電能的效果。由于變速器的輸入是電網(wǎng)電壓經(jīng)不可控整流而來的直流電壓，所以直流斬波不僅能起到調(diào)壓的作用，同時還能起到有效地抑制網(wǎng)側(cè)諧波電流的作

4、用。第2章 系統(tǒng)總體方案及主電路設(shè)計2.1 系統(tǒng)的方案及其流程圖 電力電子器件在實際應(yīng)用中，一般是由控制電路，驅(qū)動電路，保護電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。由信息電子電路組成的控制電路按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅(qū)動電路去控制主電路中電力電子器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷。來完成整個系統(tǒng)的功能。因此，一個完整的電力電子電路也應(yīng)包括主電路，控制電路，驅(qū)動電路和保護電路這些環(huán)節(jié)。直流斬波電路一般主要可分為主電路模塊，控制電路模塊和驅(qū)動電路模塊三部分組成。主電路模塊， 主要由電源變壓器、整流電路、濾波電路和直流斬波電路組成，其中主要由全控器件IGBT的開通與關(guān)斷的時間占空比來決定輸出電壓

5、u。的大小?？刂齐娐纺K，可用直接產(chǎn)生PWM的專用芯片SG3525來控制IGBT的開通與關(guān)斷。驅(qū)動電路模塊，驅(qū)動電路把控制信號轉(zhuǎn)換為加在IGBT控制端和公共端之間，用來驅(qū)動IGBT的開通與關(guān)斷。系統(tǒng)總體流程圖如圖2-1圖2-1 系統(tǒng)總體流程圖2.2 主電路的設(shè)計按照設(shè)計要求，要求輸出電壓可以可以連續(xù)調(diào)節(jié)，穩(wěn)態(tài)精度小于1%，可以選擇升壓斬波電路完成相應(yīng)的設(shè)計。升壓斬波電路工作原理圖及其波形圖2-2所示圖2-2 升壓斬波電路工作原理圖及其波形圖2.3 參數(shù)的計算根據(jù)設(shè)計要求，我選擇選大小為110V的直流電壓源，選取升壓斬波電路的占空比為。因此，輸出電壓220V，輸出功率。又因為要求輸出的額度電流為

6、10A，可計算出負載電阻。電壓控制電壓源和脈沖電壓源可組成功率開關(guān)的驅(qū)動電路。在控制開關(guān)開通期間，電流從電源正極流出，經(jīng)過電感從開關(guān)流回電源負極。電容向供電，輸出電壓上正下負。電源電壓全部加到電感兩端，在該電壓作用下，電感電流線性增長。在導(dǎo)通之間內(nèi)，電感電流增量為： （2-1）在控制開關(guān)關(guān)斷期間，經(jīng)二極管流出，電感電壓極性將變成左負右正，認為電感很大，不變。這樣，電源和電感同時給電容和負載供電，負載兩端電壓仍是上正下負。電感電壓，電感電流線性減小。在關(guān)斷時間內(nèi)，電感電流減小量的絕對值為： （2-2）當電路工作在穩(wěn)態(tài)時，電感電流波形必然周期性重復(fù)，開關(guān)導(dǎo)通期間電感電流的增量等于開關(guān)斷開時電感電流

7、的減少量，即聯(lián)立（1）（2）式可得輸出電壓 （2-3）由上式可知，輸出電壓比輸入電壓大。從能量守恒角度分析（假設(shè)電感足夠大，電流平直），電路達到穩(wěn)態(tài)時，電感在開關(guān)開通期間吸收的能量（）與開關(guān)關(guān)斷期間釋放的能量（）相等。列出等式： （2-4）解得 （2-5）下面確定電流連續(xù)的臨界條件：如果在時刻電感電流剛好降到0。則為電流連續(xù)與斷續(xù)的臨界工作狀態(tài)。此時，升壓斬波電路的輸入輸出功率分別為： 、忽略損耗，有，于是 （2-6）聯(lián)立式（1）（4）（5）得臨界電感值為 （2-7）確定電容的計算電容在關(guān)斷期間釋放的能量與開通期間吸收的電荷相等，則電壓變化量 （2-8） 則 （2-9）可決定脈動率。計算：由式

8、（2-7），周期可由開關(guān)頻率得出為，把相應(yīng)的數(shù)值代入上式得出，當時，工作在連續(xù)狀態(tài)下。電感越大時，電感電流越平直?？蛇m當取較大的電感值。計算：由式（8），取脈動率，計算，代入上式計算出，濾波電容越大，輸出電壓越平直，可適當取較大的電容值。第3章 控制和驅(qū)動電路的設(shè)計3.1 芯片SG3525簡介PWM控制芯片SG3525 具體的引腳結(jié)構(gòu)圖和內(nèi)部框圖如圖3-1及圖3-2所示。其中，腳16 為SG3525 的基準電壓源輸出，精度可以達到（5.1±1）V，采用了溫度補償，而且設(shè)有過流保護電路。腳5、腳6、腳7 內(nèi)有一個雙門限比較器，內(nèi)設(shè)電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構(gòu)成SG352

9、5 的振蕩器。振蕩器還設(shè)有外同步輸入端(腳3)。腳1 及腳2 分別為芯片內(nèi)部誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。該放大器是一個兩級差分放大器，直流開環(huán)增益為70dB 左右。根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)特性要求，在誤差放大器的輸出腳9 和腳1 之間一般要添加適當?shù)姆答佈a償網(wǎng)。圖3-1 SG3525引腳圖圖3-2 SG3525的內(nèi)部框圖3.2 控制和驅(qū)動電路原理圖此電路主要用來驅(qū)動IGBT斬波。產(chǎn)生PWM信號有很多方法，但歸根到底不外乎直接產(chǎn)生PWM的專用芯片、單片機、PLC、可編程邏輯控制器等本電路采用直接產(chǎn)生PWM的專用芯片SG3525.該芯片的外圍電路只需簡單的連接幾個電阻電容，就能產(chǎn)生特定頻率的P

10、WM波，通過改變IN+輸入電阻就能改變輸出PWM波的占空比，故在IN+端接個可調(diào)電阻就能實現(xiàn)PWM控制。為了提高安全性，該芯片內(nèi)部還設(shè)有保護電路。它還具有高抗干擾能力，是一款性價比相當不錯的工業(yè)級芯片。為了減少不同電源之間的相互干擾，SG3525輸出的PWM經(jīng)過光電耦合之后才送至驅(qū)動電路。其電路圖如下圖 3-3所示：圖3-3 控制和驅(qū)動電路工作原理：通過R2、R3、C3結(jié)合SG3525產(chǎn)生鋸齒波輸入到SG3525的振蕩器。其產(chǎn)生的PWM信號由OUTA、OUTB輸出，調(diào)節(jié)R5可以改變占空比。輸出的PWM信號通過二極管D6、D7送至光電耦合器U2，光耦后通過驅(qū)動電路對信號進行放大。放大后的電壓可以

11、直接驅(qū)動IGBT。此電路具有信號穩(wěn)定，安全可靠等優(yōu)點。因此他適用于中小容量的PWM斬波電路。3.3 保護電路 升壓斬波電路需同時具有過壓和過流保護功能，分別如圖3-4所示，均采用反饋控制,將過流過壓信號反饋到芯片SG3525的輸入，從而起到調(diào)節(jié)保護作用。同時芯片SG3525也可完成一定的保護功能，例如，腳8軟起動功能，避免了開關(guān)電源在開機瞬間的電流沖擊，可能造成的末級功率開關(guān)管的損壞。 圖3-4 電壓和電流保護電路第4章 系統(tǒng)仿真與實測4.1 仿真軟件Matlab簡介在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中，往往要進行大量的數(shù)學(xué)計算，其中包括矩陣運算。這些運算一般來說難以用手工精確和快捷地進行，而要借助計算機編

12、制相應(yīng)的程序做近似計算。目前流行用Basic、Fortran和c語言編制計算程序, 既需要對有關(guān)算法有深刻的了解，還需要熟練地掌握所用語言的語法及編程技巧。對多數(shù)科學(xué)工作者而言，同時具備這兩方面技能有一定困難。通常，編制程序也是繁雜的，不僅消耗人力與物力,而且影響工作進程和效率。為克服上述困難，美國Mathwork公司于1967年推出了“Matrix Laboratory”（縮寫為Matlab）軟件包，并不斷更新和擴充。目前最新的5.x版本（windows環(huán)境）是一種功能強、效率高便于進行科學(xué)和工程計算的交互式軟件包。其中包括：一般數(shù)值分析、矩陣運算、數(shù)字信號處理、建模和系統(tǒng)控制和優(yōu)化等應(yīng)用程

13、序，并集應(yīng)用程序和圖形于一便于使用的集成環(huán)境中。在此環(huán)境下所解問題的Matlab語言表述形式和其數(shù)學(xué)表達形式相同，不需要按傳統(tǒng)的方法編程。不過，Matlab作為一種新的計算機語言，要想運用自如，充分發(fā)揮它的威力，也需先系統(tǒng)地學(xué)習(xí)它。但由于使用Matlab編程運算與人進行科學(xué)計算的思路和表達方式完全一致，所以不象學(xué)習(xí)其它高級語言-如Basic、Fortran和C等那樣難于掌握。實踐證明，你可在幾十分鐘的時間內(nèi)學(xué)會Matlab的基礎(chǔ)知識，在短短幾個小時的使用中就能初步掌握它.從而使你能夠進行高效率和富有創(chuàng)造性的計算。 Matlab大大降低了對使用者的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和計算機語言知識的要求，而且編程效率和計

14、算效率極高，還可在計算機上直接輸出結(jié)果和精美的圖形拷貝，所以它的確為一高效的科研助手。自推出后即風行美國，流傳世界。4.2 仿真模型的建立 IGBT升壓斬波電路模型主要由直流電源、同步觸發(fā)脈沖、IGBT、電阻、電感、電容以及電流表、電壓表、示波器等部分組成。采用MATLAB面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖方法構(gòu)成的IGBT升壓斬波電路模型如圖4-1所示 圖4-1IGBT升壓斬波電路模型4.3 仿真結(jié)果及其分析 按照本設(shè)計的要求，可以知理論的輸出電壓為直流電壓，其大小為220V，仿真如下：4.31 流過電感的電流和兩端的電壓波形從圖中可以看出電感的電流的上升時間和下降時間占一半，一半處于充電階段，另一半出去放

15、電階段。4.32 負載兩端的電壓（輸出電壓）波形由圖可以清晰的看出，輸出電壓是波動的直流電壓，理論值是220V，仿真其大小值接近220V，符合設(shè)計的要求。4.33IGBT觸發(fā)脈沖的波形從圖中看出可以看出占空比為50%。4.34電源電壓的波形從圖中看出電源電壓為一直流電壓，大小為110V。設(shè)計心得及體會 回顧起此次的專業(yè)課程設(shè)計，感慨頗多，它使我有了很多的心得體會。在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。通過查閱大量有關(guān)資料，并與同課題同學(xué)互相討論，交流經(jīng)驗和自學(xué)，若遇到實在搞不明白的問題就會及時請教老師，使自己經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大，學(xué)到了

16、不少知識。通過本次課程設(shè)計讓我更加的深刻的理解了斬波器的原理，從而由斬波器這個小小的器件體會到了電力電子這門學(xué)科的重要性。課程設(shè)計不僅需要靈活的運用書本上以及課堂上的知識，還需要自己運用電腦上網(wǎng)搜索相關(guān)信心和操作相關(guān)的軟件來更好的達到設(shè)計的目的。這讓我不僅鞏固了老師所傳授的書本上的知識，而且鍛煉了自己解決實際問題的能力。通過課程設(shè)計還拓寬了知識面，學(xué)到了很多課本上沒有的知識，報告只有自己去做能加深對知識的理解，任何困難只有自己通過努力去克服才能收獲成功的喜悅。在此次電力電力課程設(shè)計，我用了Matlab軟件。通過對電路圖的研究，也增強了自己的思考能力。另外，在使用Matlab軟件繪制電路圖的過程中，我學(xué)到了很