PWM交流斬控技術(shù)的交流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)2

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)名稱：電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 題 目： PWM交流斬控技術(shù)的交流穩(wěn)壓電源簡(jiǎn)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(jiǎn)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(zhǎng)，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

2、網(wǎng)得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)，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(chǎng)，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

3、種方式的優(yōu)點(diǎn)包括：占地面積小，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。基礎(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

4、大的提高。目錄1 宗述················································&

5、#183;············12 系統(tǒng)校正中的基本問題···································

6、·······12.1 被控對(duì)象·········································

7、83;···········12.2 性能指標(biāo)·····································

8、···············12.3 系統(tǒng)帶寬的確定·································

9、·············23 串聯(lián)綜合法校正原理···································

10、·········33.1 原理概述·······································

11、83;·············33.2 公式推導(dǎo)···································

12、··················33.2.1 傳遞函數(shù)計(jì)算······························

13、;················33.2.2 相角裕度計(jì)算·······························

14、3;··············53.3 總結(jié)求法··································&

15、#183;···················74 校正實(shí)例·····························

16、···························84.1 設(shè)計(jì)要求·····················

17、83;·······························84.2 設(shè)計(jì)步驟·················

18、····································85 結(jié)論·············&

19、#183;·············································106 設(shè)計(jì)體會(huì)···

20、;··················································

21、;··11參考文獻(xiàn)···············································

22、;··········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(chǎng)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）

23、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(shì)。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

24、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(jiǎn)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)

25、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?，因此脈沖既是等幅的，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(jiǎn)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

26、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

27、(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

28、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P

29、WM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S

30、PWM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

31、=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)

32、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(cè)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(cè)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

33、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)U>0時(shí)，U=1；當(dāng)U<0時(shí)，U=0;同理當(dāng)>0和>0時(shí)，=1，=1；當(dāng)<0和<0時(shí)，=0，=0。圖6為保證電源滿足負(fù)載特性的要求及運(yùn)行可靠性,本設(shè)計(jì)采用了圖7所示的控制電路結(jié)構(gòu)。圖724 補(bǔ)償穩(wěn)壓原理及控制圖8示出補(bǔ)償穩(wěn)壓電路。圖8中電網(wǎng)電壓u，補(bǔ)償電壓uc，輸出電壓uo均為工頻。當(dāng)u與uc相位差a=0°時(shí)，uo=uuc；當(dāng)a=180°時(shí)，uo=uuc。因

34、此，當(dāng)電網(wǎng)電壓u變化時(shí)調(diào)節(jié)uc的大小以及與u的相對(duì)極性即可保證uo的恒定。圖81 對(duì)市電電壓波動(dòng)的補(bǔ)償與Tr容量當(dāng)市電電壓us波動(dòng)時(shí)，將會(huì)引起負(fù)載電壓uL的波動(dòng)。為了保持uL穩(wěn)定不變，必須用補(bǔ)償電壓uco對(duì)市電電壓的波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)Us>Ur時(shí)須進(jìn)行負(fù)補(bǔ)償，使UsUco=UL=Ur；當(dāng)Us<Ur時(shí)須進(jìn)行正補(bǔ)償，使UsUco=UL=Ur，所以UL=US±Uco=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，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（1