PWM交流斬控技術(shù)的交流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)論文

1、課程設(shè)計(jì)名稱：電力電子技術(shù)設(shè)計(jì)論文 題 目： pwm交流斬控技術(shù)的交流穩(wěn)壓電源簡單設(shè)計(jì) 專 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目： pwm交流斬控技術(shù)的交流穩(wěn)壓電源簡單設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù) 三、設(shè)計(jì)計(jì)劃：第一天選擇課程設(shè)計(jì)題目,確定課程設(shè)計(jì)任務(wù) 第二天根據(jù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行查閱資料 第三天進(jìn)行整理資料及進(jìn)行設(shè)計(jì) 第四天進(jìn)行可行性分析 第五天進(jìn)行電腦錄入輸出四、設(shè)計(jì)要求指 導(dǎo) 教師：教研室主任：時(shí) 間： 年 月 日摘要近幾年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，通信設(shè)備和通信網(wǎng)點(diǎn)在全國各地迅速增長，通信手段越來越先進(jìn)。在各種程控?cái)?shù)字交換設(shè)備和數(shù)字傳輸網(wǎng)得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)

2、，對(duì)系統(tǒng)供電設(shè)施的要求也越來越高。目前，國內(nèi)的各類程控電源已相繼投入市場，通信電源系統(tǒng)正在逐步向集中監(jiān)控、少人職守或無人職守的方向發(fā)展1。早期的供電方式為集中供電，即供電設(shè)備集中和供電負(fù)載集中。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：整流器、蓄電池、監(jiān)控和配電設(shè)備都集中放置在配電室，各種電壓的電池組都放置在電池室，因而供電容量大，且無須考慮電池兼容問題，供電設(shè)備的干擾也不會(huì)影響主通信設(shè)備。但是此種方式也有很多缺點(diǎn)：設(shè)備體積和重量較大，供電線路笨重，系統(tǒng)擴(kuò)容困難。為改進(jìn)這些不足，分散供電方式逐漸得到廣泛的使用。所謂分散供電，就是指供電設(shè)備有獨(dú)立于其他供電設(shè)備的負(fù)載，即負(fù)載分散或電池與負(fù)載都分散。此種方式的優(yōu)點(diǎn)包括：占

3、地面積小，節(jié)省材料，較低的損耗，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，供電可靠性高等等。無論哪種方式供電，程控?cái)?shù)字交換設(shè)備一般都以直流電源供電為主。直流電源又由基礎(chǔ)電源和機(jī)架電源構(gòu)成?；A(chǔ)電源是指包括整流器、蓄電池、監(jiān)控和配電設(shè)備在內(nèi)的直流供電系統(tǒng)。機(jī)架電源則是指交換機(jī)上的插件電源。對(duì)于基礎(chǔ)電源來講，為產(chǎn)生所需要的各種直流電壓（一般為-48v，也有少量采用-24v），都需要將工頻電網(wǎng)的單相220v或三相380v交流電壓進(jìn)行ac/dc和dc/dc變換。因此，變換器性能的好壞直接關(guān)系到整個(gè)通信電源系統(tǒng)的供電質(zhì)量。本設(shè)計(jì)利用pwm交流斬控技術(shù),對(duì)傳統(tǒng)的交流穩(wěn)壓電源進(jìn)行了改進(jìn),性能照以往的穩(wěn)壓電源有了很大的提高。目錄1 宗

4、述12 系統(tǒng)校正中的基本問題12.1 被控對(duì)象12.2 性能指標(biāo)12.3 系統(tǒng)帶寬的確定23 串聯(lián)綜合法校正原理33.1 原理概述33.2 公式推導(dǎo)33.2.1 傳遞函數(shù)計(jì)算33.2.2 相角裕度計(jì)算53.3 總結(jié)求法74 校正實(shí)例84.1 設(shè)計(jì)要求84.2 設(shè)計(jì)步驟85 結(jié)論106 設(shè)計(jì)體會(huì)11參考文獻(xiàn)12第一章 前言11應(yīng)用背景和選題目意義隨著高新技術(shù)的發(fā)展，越來越多的高精密負(fù)載對(duì)輸入電源，特別是對(duì)交流輸入電源的穩(wěn)壓精度要求越來越高。但是，由于電力供求矛盾的存在，市電電網(wǎng)電壓的波動(dòng)較大，不能滿足高精密負(fù)載的要求，需要在市電電網(wǎng)與負(fù)載之間增設(shè)一臺(tái)高穩(wěn)壓精度的寬穩(wěn)壓范圍的交流穩(wěn)壓電源。交流穩(wěn)壓

5、技術(shù)的發(fā)展一直倍受廣大用戶和生產(chǎn)廠商的關(guān)注，其原因在于我國市場上現(xiàn)有的各種交流電力穩(wěn)壓產(chǎn)品，在技術(shù)性能上都有不盡人意之處。在我國應(yīng)用較早，且用戶最廣的交流電力穩(wěn)壓電源當(dāng)屬柱式（或盤式）交流穩(wěn)壓器，雖然這種穩(wěn)壓電源有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于它是用機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)碳刷（或滾輪）以調(diào)節(jié)自耦變壓器抽頭位置的方法進(jìn)行穩(wěn)壓，所以存在工作壽命短，可靠性差，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢等難以克服的缺陷。近年來不少生產(chǎn)廠家針對(duì)柱式交流電力穩(wěn)壓器所存在的缺點(diǎn)，紛紛推出無觸點(diǎn)補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓器，大有取代柱式穩(wěn)壓器之勢。這種電源實(shí)質(zhì)上仍然是采用自耦方式進(jìn)行調(diào)壓，所不同的只是通過控制若干個(gè)晶閘管的通斷，改變自耦變壓器多個(gè)固定抽頭的組合方式，來

6、代替通過機(jī)械傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)碳刷改變自耦變壓器抽頭位置的一種調(diào)壓方法。這種方法固然提高了穩(wěn)壓電源的可靠性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，但卻失去了一個(gè)重要的調(diào)節(jié)特性平滑性，即調(diào)節(jié)是有級(jí)的，其必然結(jié)果是穩(wěn)壓精度低（一般只有35），并且在調(diào)節(jié)過程中，當(dāng)負(fù)載電流很大時(shí)會(huì)沖擊電網(wǎng)并產(chǎn)生低頻次諧波分量，對(duì)負(fù)載也會(huì)產(chǎn)生沖擊；另外采用這種方法所用變壓器較多（一相至少需二臺(tái)，即一臺(tái)自耦變壓器，一臺(tái)補(bǔ)償變壓器），這就增加了電源的自重和空載損耗。12 pwm控制技術(shù)簡介pwm (pulse width modulation)控制就是脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。pwm控制的思想

7、源于通信技術(shù)，全控型器件的發(fā)展使得實(shí)現(xiàn)pwm控制變得十分容易。pwm技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，它使電力電子裝置的性能大大提高，因此它在電力電子技術(shù)的發(fā)展史上占有十分重要的地位。pwm控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的成功應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。pwm控制電路把直流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需的輸出電壓，改變脈沖的占空比就是對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，只是因?yàn)檩斎腚妷汉退枰妮敵鲭妷憾际侵绷麟妷海虼嗣}沖既是等幅的，也是等寬的，僅僅是對(duì)脈沖的占空比進(jìn)行控制，著是pwm控制中最簡單的一種情況。第二章 pwm交流斬控技術(shù)的的交流穩(wěn)壓電源總體設(shè)計(jì)21 pwm控制的基本原理在

8、采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí),其效果基本相同.沖量即指窄脈沖的面積.這里所說的效果基本相同,是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同.如果把各輸出波形用傅里葉變換分析,則其低頻段非常相近,僅在高頻段略有差異.例如圖1a,b,c所示的三個(gè)窄脈沖形狀不同,其中圖1a為矩形脈沖,圖1b為三角形脈沖,1c為正弦半波脈沖,但它們的面積(即沖量)都等于1,那么,當(dāng)它們分別加在具有慣性的同一個(gè)環(huán)節(jié)上時(shí),其輸出響應(yīng)基本相同.當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳D1的單位脈沖函數(shù)(t)時(shí),環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過度函數(shù).圖1圖2a的電路是一個(gè)具體的例子.圖中e(t)為電壓窄脈沖,其形狀和面

9、積分別如圖1的a,b,c,d所示,為電路的輸入.該輸入加在可以看成慣性環(huán)節(jié)的r-l電路上,設(shè)其電流i(t)為電路的輸出.圖2b給出了不同窄脈沖時(shí)i(t)的響應(yīng)波形.從波形可以看出,在i(t)的上升段,脈沖形狀不同時(shí)i(t)的形狀也略有不同,但其下降段則幾乎完全相同.脈沖越窄,各i(t)波形的差異也越小.如果周期性地施加上述脈沖,則響應(yīng)i(t)也是周期性的.用傅里葉級(jí)數(shù)分解后將可看出,各i(t)在低頻段的特性將非常接近,僅在高頻段有所不同.上述原理可以稱之為面積等效原理,它是pwm控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ).下面分析如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波.把圖3a的正弦半波分成n等份,就可以

10、把正弦半波看成是由n個(gè)彼此相連的脈沖序列所組成的波形.這些脈沖寬度相等,都等于/n,但幅值不等,且脈沖頂部不是水平直線,而是曲線,各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化.如果把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替,使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合,且使矩形脈沖和圖2相應(yīng)的正弦波部分面積(沖量)相等,就得到圖3b所示的脈沖序列.這就是pwm波形.可以看出,各脈沖的幅值相等,而寬度是按正弦規(guī)律變化的.根據(jù)面積等效原理,pwm波形和正弦半波是等效的.對(duì)于正弦波的負(fù)半周,也可以用同樣的方法得到pwm波形.像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的pwm波形,也稱spwm波形.圖3要改

11、變等效輸出正弦波的幅值是,只要按照同一比例系數(shù)改變上述各脈沖的寬度即可.pwm波形可分為等幅pwm波和不等幅pwm波兩種.由直流電源產(chǎn)生的pwm波通常是等幅pwm波.如直流斬波電路及pwm逆變電路,其pwm波都是由直流電源產(chǎn)生,由于直流電源電壓幅值基本恒定,因此pwm波是等幅的.不管是等幅pwm波還是不等幅pwm波,都是基于面積等效原理來進(jìn)行控制的,因此其本質(zhì)是相同的.上面所列舉的pwm波都是由pwm電壓波.除此之外,也還有pwm電流波.例如,電流逆變電路的直流側(cè)是電流源,如對(duì)其進(jìn)行pwm控制,所得到的pwm波就是pwm電流波.直流斬波電路得到的pwm波是等效直流波形,spwm波得到的是等效正

12、弦波形.這些都是應(yīng)用十分廣泛的pwm波.pwm控制技術(shù)實(shí)際上主要是spwm控制技術(shù).除此之外, pwm波形還可以等效成其他所需要的波形,如等效成所需要的非正弦交流波形等,其基本原理和spwm控制相同,也是基于等效面積原理.22 pwm交流斬控調(diào)壓原理圖4圖4（a）所示，假定電路中各部分都是理想狀態(tài)。開關(guān)s1為斬波開關(guān)，s2為考慮負(fù)載電感續(xù)流的開關(guān)，二者均為全控開關(guān)器件與二極管串聯(lián)組成的單相開關(guān)見圖4（b）。s1及s2不允許同時(shí)導(dǎo)通，通常二者在開關(guān)時(shí)序上互補(bǔ)。定義輸入電源電壓u的周期t與開關(guān)周期ts之比為電路工作載波比kc，（kc=t/ts）。圖4（c）表示主電路在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的輸出電壓波形。顯然

13、輸出電壓uo為： (1)式中：e（t）為開關(guān)函數(shù)，其波形示于圖4（c），函數(shù)由式（2）定義。 (2)在圖4（a）電路條件下，則 (3)e（t）函數(shù)經(jīng)傅立葉級(jí)數(shù)展開，可得 (4)式中：d=ton1/ts，s=2/ts，n=n/ts；d為s1的占空比；ton1為一個(gè)開關(guān)周期中s1的導(dǎo)通時(shí)間。將式（4）代入式（3）可得： (5)式（5）表明，uo含有基波及各次諧波。諧波頻率在開關(guān)頻率及其整數(shù)倍兩側(cè)處分布，開關(guān)頻率越高，諧波與基波距離越遠(yuǎn)，越容易濾掉。在經(jīng)lc濾波后，則有： (6)把輸出電壓基波幅值與輸入電壓基波幅值之比定義為調(diào)壓電壓增益，即： (7)由此可見電壓增益等于占空比d，因此改變占空比就可以

14、達(dá)到調(diào)壓的目的。23 控制方案設(shè)計(jì)與工作原理一般情況下，pwm交流斬控調(diào)壓器的控制方式與主電路模型、電路結(jié)構(gòu)及相數(shù)有關(guān)。若采用互補(bǔ)控制，斬波開關(guān)和續(xù)流開關(guān)在換流過程中會(huì)出現(xiàn)短路，產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊電流；如設(shè)置換相死區(qū)時(shí)間，又可能造成換相死區(qū)時(shí)間內(nèi)二個(gè)開關(guān)都不導(dǎo)通使負(fù)載開路，在有電感存在的情況下，會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)電壓沖擊。本方案采用有電壓、電流相位檢測的非互補(bǔ)控制方式，如圖5所示。對(duì)相數(shù)而言本方案采用三相四線制，即用三個(gè)單相電路，組合成三相電源，這樣可以避免相間干擾，保持各相電壓輸出穩(wěn)定。圖5由圖6可見，v1，vd1與v2，vd2構(gòu)成雙向斬波開關(guān)，vf1，vdf2與vf2，vdf1構(gòu)成雙向續(xù)流開關(guān)；lof及

15、cof分別為濾波電感、電容；u1為補(bǔ)償變壓器初級(jí)繞組兩端電壓，u2為向主電路補(bǔ)償?shù)碾妷骸１痉桨覆捎昧擞须妷?、電流相位檢測的非互補(bǔ)控制方式。圖6為在rl負(fù)載下，這種非互補(bǔ)的斬波開關(guān)和續(xù)流開關(guān)門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序配合及一個(gè)電源周期中輸出電壓的理想波形。由圖6可見根據(jù)負(fù)載電壓電流相位，一個(gè)電源工作周期可分為4個(gè)區(qū)間.上述工作狀態(tài)，可用邏輯表達(dá)式表示為： （8）當(dāng)u0時(shí)，u=1；當(dāng)u0和0時(shí)，=1，=1；當(dāng)0和ur時(shí)須進(jìn)行負(fù)補(bǔ)償，使usuco=ul=ur；當(dāng)usur時(shí)須進(jìn)行正補(bǔ)償，使usuco=ul=ur，所以u(píng)l=usuco=ur （9）正補(bǔ)償時(shí)取正號(hào)，負(fù)補(bǔ)償時(shí)取負(fù)號(hào)。假定補(bǔ)償變壓器tr的變比為：1，

16、橋式斬波器的輸出電壓基波為uab1=dumsint則 uco=(uab1/) （10）將式（10）代入式（18）得ul=us(1/)uab1 （11）橋式斬波器的基波輸出電壓uab1=dul （12）將式（14）代入式（11）得ul=us(d/)ul （13）或ur=ul(d/)ul=us，ul(1d/)=usul=(us)/(1d/) （14）正補(bǔ)償時(shí)取正號(hào)，負(fù)補(bǔ)償時(shí)取負(fù)號(hào)。當(dāng)占空比d=1時(shí)，最大正、負(fù)補(bǔ)償電壓由式（10）得uco,max=(ul/)（因?yàn)榇藭r(shí)uab1=dul=ul）。當(dāng)市電電壓的波動(dòng)范圍為15時(shí)，最大補(bǔ)償電壓uco,max=0.15ul=(ul/) （15）由于補(bǔ)償變壓器t

17、r初次級(jí)匝比為=1/0.15=6.667 （16）而補(bǔ)償變壓器次級(jí)電流，即市電輸入電流is=p/us （17）式中：p為市電輸入功率。補(bǔ)償變壓器初級(jí)電流，即橋式斬波器輸出電流ich=is/ （18）即橋式斬波器的斬波開關(guān)管的額定電流，只有市電輸入電流is的1/。因而補(bǔ)償功率pco=uab1ich=dul(is/)=(dpul)/us （19）當(dāng)us=ul時(shí)，d=0，補(bǔ)償功率pco,min=0；當(dāng)us,min=(10.15)ul=0.85ul時(shí)，d=1，則補(bǔ)償功率： （20）u與uc相對(duì)極性變換的控制如圖9所示。其輸出uq接雙向晶閘管的過零觸發(fā)電路。采樣信號(hào)取自u(píng)o經(jīng)整流濾波后的輸出。電位器rp

18、用于調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的門檻電壓，其傳輸特性如圖9（b）所示。圖9第三章 結(jié)論通過近期的研究設(shè)計(jì)，最終使本系統(tǒng)能夠正常的運(yùn)行起來，并且基本上達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在設(shè)計(jì)過程中學(xué)到了不少知識(shí)和積累了不少經(jīng)驗(yàn)，鍛煉了自己的獨(dú)立科研能力和實(shí)際動(dòng)手能力，學(xué)會(huì)了如何綜合設(shè)計(jì)一個(gè)電力電子系統(tǒng)?，F(xiàn)將所作工作總結(jié)如下：1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)前的前期工作，該部分工作包括對(duì)穩(wěn)壓電源發(fā)展現(xiàn)狀的了解，以及課題研究的意義。2、完成了系統(tǒng)的總體方案的研制，并清楚給出了系統(tǒng)的工作原理，控制任務(wù)、總體結(jié)構(gòu)、工作流程以及完成系統(tǒng)所需要的相關(guān)硬件。3、悉了pwm控制技術(shù)的工作原理，完成了系統(tǒng)的開發(fā)，成功實(shí)現(xiàn)了pwm交流斬控技術(shù)在交流穩(wěn)壓電源上的應(yīng)用。致謝在這段課程設(shè)計(jì)期間，本人在設(shè)計(jì)過程中，得到了電氣工程系王巍老師的耐心指導(dǎo)，王老師平日授課學(xué)時(shí)較多，但他還在百忙之中抽時(shí)間來指導(dǎo)我們，讓我知道設(shè)計(jì)中的不足之處，并及時(shí)得到了改正，同時(shí)，我的設(shè)計(jì)也得益于同組的幾個(gè)同學(xué)，我們共同探討問題、互相學(xué)習(xí)，使我在分析問題、解決問題方面有了很大進(jìn)步。在此，我也十分感謝參加評(píng)閱本設(shè)