電力電子課程設(shè)計報告書

1、 . . . 第 1 章 緒 論1.1 電力電子技術(shù)的容電力電子學(xué),又稱功率電子學(xué)(Power Electronics)。它主要研究各種電力電器件，以與由這些電力電子器件所構(gòu)成的各式各樣的電路或裝置，以完成對電能的變換和控制。它既是電子學(xué)在強(qiáng)電(高電壓、大電流)或電工領(lǐng)域的一個分支，又是電工學(xué)在弱電(低電壓、小電流)或電子領(lǐng)域的一個分支，或者說是強(qiáng)弱電相結(jié)合的新科學(xué)。電力電子學(xué)是橫跨“電子”、“電力”和“控制”三個領(lǐng)域的一個新興工程技術(shù)學(xué)科。電有直流(DC)和交流(AC)兩大類。前者有電壓幅值和極性的不同，后者除電壓幅值和極性外，還有頻率和相位的差別。實(shí)際應(yīng)用中，常常需要在兩種電能之間，或?qū)ν?/p>

2、種電能的一個或多個參數(shù)(如電壓，電流，頻率和功率因數(shù)等)進(jìn)行變變換器共有四種類型：交流-直流(AC-DC)變換：將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。直流-交流(DC-AC)變換：將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。這是與整流相反的變換，也稱為逆變。當(dāng)輸出接電網(wǎng)時，稱之為有源逆變；當(dāng)輸出接負(fù)載時，稱之為無源逆變。交-交(AC-AC)變換，將交流電能的參數(shù)(幅值或頻率)加以變換。其中：改變交流電壓有效值稱為交流調(diào)壓；將工頻交流電直接轉(zhuǎn)換成其他頻率的交流電，稱為交-交變頻。 直流-直流(DC-DC)變換，將恒定直流變成斷續(xù)脈沖輸出，以改變其平均值。1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展在有電力電子器件以前，電能轉(zhuǎn)換是依靠旋轉(zhuǎn)機(jī)組來實(shí)現(xiàn)的。

3、與這些旋轉(zhuǎn)式的交流機(jī)組比較,利用電力電子器件組成的靜止的電能變換器,具有體積小、重量輕、無機(jī)械噪聲和磨損、效率高、易于控制、響應(yīng)快與使用方便等優(yōu)點(diǎn)。1957年第一只晶閘管也稱可控硅(SCR)問世后，因此,自20世紀(jì)60年代開始進(jìn)入了晶閘管時代。70年代以后，出現(xiàn)了通和斷或開和關(guān)都能控制的全控型電力電子器件(亦稱自關(guān)斷型器件)，如：門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、雙極型功率晶體管(BJT/ GTR)、功率場效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等。控制電路經(jīng)歷了由分立元件到集成電路的發(fā)展階段?，F(xiàn)在已有專為各種控制功能設(shè)計的專用集成電路，使變換器的控制電路大為簡化。微處理器和微

4、型計算機(jī)的引入，特別是它們的位數(shù)成倍增加，運(yùn)算速度不斷提高，功能不斷完善，使控制技術(shù)發(fā)生了根本的變化，使控制不僅依賴硬件電路，而且可利用軟件編程，既方便又靈活。各種新穎、復(fù)雜的控制策略和方案得到實(shí)現(xiàn)，并具有自診斷功能，并具有智能化的功能。將新的控制理論和方法應(yīng)用在變換器中。綜上所述可以看出，微電子技術(shù)、電力電子器件和控制理論則是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展動力。1.3 電力電子技術(shù)的重要作用 (1) 優(yōu)化電能使用。通過電力電子技術(shù)對電能的處理，使電能的使用達(dá)到合理、高效和節(jié)約，實(shí)現(xiàn)了電能使用最佳化。例如，在節(jié)電方面，針對風(fēng)機(jī)水泵、電力牽引、軋機(jī)冶煉、輕工造紙、工業(yè)窯爐、感應(yīng)加熱、電焊、化工、電解等1

5、4個方面的調(diào)查，潛在節(jié)電總量相當(dāng)于1990年全國發(fā)電量的16%，所以推廣應(yīng)用電力電子技術(shù)是節(jié)能的一項戰(zhàn)略措施，一般節(jié)能效果可達(dá)10%-40%，我國已許多裝置列入節(jié)能的推廣應(yīng)用項目。(2) 改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和發(fā)展機(jī)電一體化等新興產(chǎn)業(yè)。據(jù)發(fā)達(dá)國家預(yù)測，今后將有95%的電能要經(jīng)電力電子技術(shù)處理后再使用，即工業(yè)和民用的各種機(jī)電設(shè)備中，有95%與電力電子產(chǎn)業(yè)有關(guān)，特別是，電力電子技術(shù)是弱電控制強(qiáng)電的媒體，是機(jī)電設(shè)備與計算機(jī)之間的重要接口，它為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)采用微電子技術(shù)創(chuàng)造了條件，成為發(fā)揮計算機(jī)作用的保證和基礎(chǔ)。(3) 電力電子技術(shù)高頻化和變頻技術(shù)的發(fā)展，將使機(jī)電設(shè)備突破工頻傳統(tǒng)，向高頻化方向發(fā)展。實(shí)現(xiàn)

6、最佳工作效率，將使機(jī)電設(shè)備的體積減小幾倍、幾十倍，響應(yīng)速度達(dá)到高速化，并能適應(yīng)任何基準(zhǔn)信號，實(shí)現(xiàn)無噪音且具有全新的功能和用途。(4) 電力電子智能化的進(jìn)展，在一定程度上將信息處理與功率處理合一，使微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)一體化，其發(fā)展有可能引起電子技術(shù)的重大改革。有人甚至提出，電子學(xué)的下一項革命將發(fā)生在以工業(yè)設(shè)備和電網(wǎng)為對象的電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，電力電子技術(shù)將把人們帶到第二次電子革命的邊緣。1.4 本人的主要工作在這次課程設(shè)計中，我主要完成了三件事。第一，直流升壓電路原理圖的設(shè)計繪制；包括控制電路、驅(qū)動電路、主電路、過流保護(hù)電路、過壓保護(hù)電路。第二：用MATLAB對設(shè)計出來的電路仿真，即運(yùn)用SI

7、MULINK工具箱對電路建模仿真，得到預(yù)期的電壓輸出波形。最后，文檔的制作。通過這次課程設(shè)計，使我更好的掌握了課本的知識和熟悉了軟件的使用，并且掌握了SG3525芯片的應(yīng)用，更了解了升壓斬波電路性能指標(biāo)要求與分析計算，同時也掌握了文檔的制作。第2章 設(shè)計方案和方案實(shí)施2.1 設(shè)計方案選擇斬波電路有三種控制方式（1）脈沖寬度調(diào)制（PWM）：開關(guān)周期T不變，改變開關(guān)導(dǎo)通時間ton。（2）頻率調(diào)制：開關(guān)導(dǎo)通時間ton不變，改變開關(guān)周期T。（3）混合型：開關(guān)導(dǎo)通時間ton和開關(guān)周期T都可調(diào)，改變占空比。本次設(shè)計采用的是脈寬調(diào)制的方法，開關(guān)選用全控型器件IGBT，它集中了電力MOSFET和GTR得優(yōu)點(diǎn)。

8、2.2 升壓斬波電路的設(shè)計原理原理圖如圖3-5所示：假設(shè)L值、C值很大，V通時，E向L充電，充電電流恒為I1，同時C的電壓向負(fù)載供電，因C值很大，輸出電壓為恒值,記為。設(shè)V通的時間為，此階段L上積蓄的能量為V斷時，E和L共同向C充電并向負(fù)載R供電。設(shè)V斷的時間為，則此期間電感L釋放能量為 （2-1）穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等化簡得： （2-2） （2-3），輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路。也稱之為boost chooper變換器。升壓比，調(diào)節(jié)其即可改變。將升壓比的倒數(shù)記作，即。和導(dǎo)通占空比，有如下關(guān)系： （2-4）因此，式（2-2）可表示為（2-5）升壓斬波電路能使輸

9、出電壓高于電源電壓的原因：L儲能之后具有使電壓泵升的作用電容C可將輸出電壓保持住2.3 IGBT驅(qū)動電路選擇對IGBT驅(qū)動電路提出以下要求和條件：(1)由于是容性輸出輸出阻抗；因此IBGT對門極電荷集聚很敏感，驅(qū)動電路必須可靠，要保證有一條低阻抗的放電回路。(2)用低阻的驅(qū)動源對門極電容充放電，以保證門與控制電壓有足夠陡峭的前、后沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。另外，IGBT開通后，門極驅(qū)動源應(yīng)提供足夠的功率，使IGBT不至退出飽和而損壞。(3)門極電路中的正偏壓應(yīng)為+12+15V；負(fù)偏壓應(yīng)為-2V-10V。(4)IGBT 驅(qū)動電路中的電阻對工作性能有較大的影響，RG較大，有利于抑制IGBT

10、的電流上升率與電壓上升率，但會增加IGBT 的開關(guān)時間和開關(guān)損耗；RG較小，會引起電流上升率增大，使IGBT 誤導(dǎo)通或損壞。RG的具體數(shù)據(jù)與驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)與IGBT 的容量有關(guān)，一般在幾歐幾十歐，小容量的IGBT 其RG值較大。(5)驅(qū)動電路應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力與對IGBT 的自保護(hù)功能。IGBT 的控制、驅(qū)動與保護(hù)電路等應(yīng)與其高速開關(guān)特性相匹配，另外，在未采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施情況下，IGBT的GE極之間不能為開路。一般數(shù)字信號處理器構(gòu)成的控制系統(tǒng)， IGBT驅(qū)動信號由處理器集成的PWM模塊產(chǎn)生的。而PWM接口驅(qū)動能力與其與IGBT的接口電路的設(shè)計直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性。因此本文采用SG

11、3525設(shè)計出了一種可靠的IGBT驅(qū)動方案。第3章 單元電路的設(shè)計3.1 直流供電電路生活中現(xiàn)有的都為交流電，所以斬波電路的輸入電壓需由交流電經(jīng)整流得到。本設(shè)計采用橋式電路整流：由四個二極管組成一個全橋整流電路.由整流電路出來的電壓含有較大的紋波，電壓質(zhì)量不太好，故需要進(jìn)行濾波。本電路采用RL低通濾波器（通過串聯(lián)一個電感，濾除電流的高次諧波，并聯(lián)一個電容濾除電壓的高次諧波），以減小紋波。protell原理圖如下圖3-1所示：圖 3-1 直流供電電路輸入端接220V、50Hz的市電，進(jìn)過變壓器T1（原線圈/副線圈為4/1）后輸出55V、50Hz。當(dāng)同名端為正時D2、D5導(dǎo)通，D3、D4截止，電壓

12、上正下負(fù)。當(dāng)同名端為負(fù)時D2、D5截止，D3、D4導(dǎo)通，電壓同樣是上正下負(fù)，從而實(shí)現(xiàn)整流。電感具有電流不能突變，通直流阻交流特性，因此串聯(lián)一個電感可以提高直流電壓品質(zhì)。而電容具有電壓不能突變，通交流阻直流特性，因此并聯(lián)一個大電容可以濾除雜波，減小紋波。結(jié)合兩種元器件的特性，組成上圖整流電路，可以得到比較理想的直流電壓（幅值為50V左右）。3.2 升壓斬波主電路本設(shè)計為直流升壓斬波（boost chopper）電路，該電路是本系統(tǒng)的核心。應(yīng)為輸出電壓比較大，故斬波器件選用能夠承受大電壓和導(dǎo)通阻小，開關(guān)頻率高，開關(guān)時間小的大功率IGBT管。主電路圖如下圖3-2所示：圖3-2 升壓斬波主電路原理圖左

13、邊接經(jīng)整流之后的50V電壓。右邊為斬波電壓輸出，J2為測試點(diǎn)。V-G為SG3525輸出的PWM斬波信號。G1為IGBT，D1為電力二極管，L2為電感，C1為電容，R1為負(fù)載。3.3 控制和驅(qū)動電路3.3.1 芯片SG3525簡介PWM控制芯片SG3525 具體的部引腳結(jié)構(gòu)如圖3-3與圖3-4所示。其中，腳16 為SG3525 的基準(zhǔn)電壓源輸出，精度可以達(dá)到（5.1±1）V，采用了溫度補(bǔ)償，而且設(shè)有過流保護(hù)電路。腳5、腳6、腳7 有一個雙門限比較器，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SG3525 的振蕩器。振蕩器還設(shè)有外同步輸入端(腳3)。腳1 與腳2 分別為芯片部誤差放

14、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(dāng)?shù)姆答佈a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。圖3-3 SG3525的引腳圖3-4 SG3525的部框圖3.3.2 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(jī)、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PWM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

15、調(diào)電阻就能實(shí)現(xiàn)PWM控制。為了提高安全性，該芯片部還設(shè)有保護(hù)電路。它還具有高抗干擾能力，是一款性價比相當(dāng)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3-5所示：圖3-5 控制和驅(qū)動電路原理圖工作原理：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)R7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(jìn)行放大。放大后的電壓可以直接驅(qū)動IGBT。此電路具有信號穩(wěn)定，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。因此他適用于中小容量的

16、PWM斬波電路。3.4 保護(hù)電路升壓斬波電路需同時具有過壓和過流保護(hù)功能，分別如圖3-6，3-7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(hù)作用。同時芯片SG3525也可完成一定的保護(hù)功能，例如，腳8軟起動功能，避免了開關(guān)電源在開機(jī)瞬間的電流沖擊，可能造成的末級功率開關(guān)管的損壞。 圖3-6 過壓保護(hù)電路圖3-7 過壓保護(hù)電路3.5 參數(shù)計算由設(shè)計要求可取直流輸入電壓=50V, =340V, 則:(1) 占空比=1-50/340=0.85.(2) 交流側(cè)二次電壓有效值=/1.2=41.7V;取交流一次電壓有效值=220V變壓器變比K=/=220/41.7=5

17、.3。(3) 輸出功率為100W,所以負(fù)載電阻R=1156，取1200；負(fù)載電流=/ =0.28,電源電流=()/=1.59 A。二極管承受反向最大電壓 =1.414=1.414×41.759V(4) 考慮3倍裕量，則 =3×59V=177V; 平均電流=0.5×I2=0.14, 選取 1N4003，其參數(shù)為最大反向峰值電壓為200V，平均電流為1A.(5) 濾波電容選擇一般根據(jù)放電的時間常數(shù)計算，負(fù)載越大，要求紋波系數(shù)越小，一般不做嚴(yán)格計算，多取2000 F以上。因該系統(tǒng)負(fù)載不大，故取=2200 F，耐1.5=1.5×78.6=117.9V取120V即

18、選用2200uF、120V電容器。(6) 電感值一般選擇極大值，以保證電流連續(xù)且脈動很小，所以取= 0.3mH， =50m H。(7) IGBT的選擇 因?yàn)?41.7V，取3倍裕量，選耐壓為150V以上的IGBT。由于IGBT是以最大標(biāo)注且穩(wěn)定電流與峰值電流間大致為4倍關(guān)系，故應(yīng)選用大于4倍額定負(fù)載電流的IGBT為宜，因此選用7A,額定電壓600V左右的IGBT，選GT8Q101，其參數(shù)為最高耐壓為1200V,最大電流為8A.第4章 實(shí)驗(yàn)仿真與分析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(jìn)行大量的數(shù)學(xué)計算，其中包括矩陣運(yùn)算。這些運(yùn)算一般來說難以用手工精確和快捷地進(jìn)行，而要

19、借助計算機(jī)編制相應(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與編程技巧。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(jìn)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(kuò)充。目前最新的5.x版本（windows環(huán)境）是一種功能強(qiáng)、效率高便于進(jìn)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(yùn)算、數(shù)字信號處理、建模和系統(tǒng)控制和

20、優(yōu)化等應(yīng)用程序，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(dá)形式一樣，不需要按傳統(tǒng)的方法編程。不過，Matlab作為一種新的計算機(jī)語言，要想運(yùn)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(yùn)算與人進(jìn)行科學(xué)計算的思路和表達(dá)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(shí)踐證明，你可在幾十分鐘的時間學(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(jìn)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(jī)語言知識的要求，而且編

21、程效率和計算效率極高，還可在計算機(jī)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(fēng)行美國，流傳世界。4.2 仿真電路打開仿真參數(shù)窗口，選擇ode23tb算法，按圖4-1連接好仿真電路圖。相對誤差設(shè)置為1e-03，開始仿真時間設(shè)置為O，停止仿真時間設(shè)置為O.02 s，控制脈沖周期設(shè)置為O.0001 s(頻率為1 0000Hz)，控制脈沖占空比為85。各元器件參數(shù)按計算出來的參數(shù)設(shè)置。4-1 升壓斬波電路仿真電路圖4.3 仿真結(jié)果與誤差分析參數(shù)設(shè)置完畢后，啟動仿真，得到圖4-2的仿真結(jié)果，輸出電壓為340V。圖4-2 升壓斬波電路占空比85%時仿真結(jié)果在原電路的基礎(chǔ)上，改

22、變占空比為50%時的仿真結(jié)果如圖4-3所示,理論輸出電壓為100V.圖4-3 升壓斬波電路占空比50%時仿真結(jié)果通過以上的仿真過程分析，仿真結(jié)果基本符合理論計算值，本次設(shè)計取得成功。可以得到下列結(jié)論：(1)直流變換電路主要以全控型電力電子器件作為開關(guān)器件，通過控制主電路的接通與斷開，將恒定的直流斬成斷續(xù)的方波，經(jīng)濾波后變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)的直流輸出電壓。利用Simulink對升降壓斬波的仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，與采用常規(guī)電路分析方法所得到的輸出電壓波形進(jìn)行比較，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。存在誤差，但在誤差允許圍之類，分析誤差原因有以下兩點(diǎn)：第一，電感值和電容值取不到無窮大，造成電流電壓脈動。第二，

23、整流濾波出來的電壓并沒完全消除高次諧波，這些諧波會影響仿真結(jié)果。第5章 設(shè)計體會和致回顧起此次電力電子課程設(shè)計，至今我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實(shí)踐，在整整一星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設(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，通過這次課程設(shè)計之后，一定把以前所學(xué)過的知識重新溫故。這次課程設(shè)計終于順利完成了，在設(shè)計中遇到了很多編程問題，在老師和同學(xué)們的一一解答下度過重重難關(guān)取得成功！在此，對給過我?guī)椭乃型瑢W(xué)和陸老師表示忠心的感，通過這一周的電力電子課程設(shè)計，我