电力电子课程设计参考模板(共27页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上课程设计说明书 题目名称:1040V降压直流斩波电路实验装置系 部: 电力工程系 专业班级: 学生姓名: 学 号: 指导教师: 张海丽 完成日期: 专心-专注-专业新疆工程学院课程设计评定意见设计题目 1040V降压直流斩波电路实验装置 系 部 电力工程系 专业班级 学生姓名 学生学号 评定意见: 评定成绩: 指导教师(签名): 年 月 日评定意见参考提纲:1、学生完成的工作量与内容是否符合任务书的要求。2、学生的勤勉态度。3、设计或说明书的优缺点,包括:学生对理论知识的掌握程度、实践工作能力、表现出的创造性和综合应用能力等。新疆工程学院 电力工程 系(部)课程设计任
2、务书 学年 第 学期 年 月 日专业班级课程名称电力电子技术设计题目指导教师张海丽起止时间周数1周设计地点实验楼A305设计目的: 电力电子技术是利用电力电子器件、电路理论和控制技术实现对电能的控制、变换和传输的学科。通过电力电子技术的课程设计达到以下几个目的: 1.培养学生文献检索能力,特别是如何利用网络检索需要的文献资料。 2.培养学生综合运用所学电力电子技术相关知识的能力和工程设计解决问题的能力。 3.培养学生确立正确的设计和学科研究的思想,树立实事求是、严肃认真的科学工作态度。4.提高学生课程设计报告的撰写水平。设计任务或主要技术指标:1. 明确设计任务:对所要设计任务进行具体分析,充
3、分了解系统性能,指标要求。2. 制定设计方案。3. 进行具体设计:单元电路的设计;器件的选择;电路原理图。4. 撰写课程设计报告:对电力电子课程设计全过程进行系统总结。设计进度与要求:第1天:根据设计要求搜集资料,查阅相关设计要求;第2天:确定设计电路进行相关器件的选择;第3-4天:综合运用所学知识完成主电路及相关控制电路的设计;第5-6天:撰写课程设计报告,进行查缺补漏。第7天:修改报告,进行答辩。主要参考书及参考资料: 1 王楠,沈倪勇.电力电子应用技术M.4版.北京:机械工业出版社,20132 王兆安,黄俊.电力电子技术M.5版.北京:机械工业出版社,20093 叶斌.电力电子应用技术M
4、.北京:清华大学出版社,20064 陈伯时.电力拖动自动控制系统M.2版.北京:机械工业出版社,20055 陈哲.电力电子技术习题解答、实验与课程设计指导M.东北大学出版社,2007教研室主任(签名) 系(部)主任(签名) 摘 要 直流斩波电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的 DC-DC 变换器 ,在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用.随之出现了诸如降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波电路等多种方式的变换电路,直流斩波技术已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中,使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。全控型电力
5、电子器件IGBT在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波等领域得到了广泛的应用。 TDC-1型学习机是为了配合高等工科院校及高等专科技术学校的“电力电子”或“半导体变流技术”等课程中的直流斩波电路实验并根据当今电力电子技术的发展方向及应用而设计的新型实验装置。该学习机面板上画有原理图。各测试点均装有测试探头可以钩住的端子。测试电压及波形十分方便。使学生在实验课中安全、方便、直观地观察到各种电压、电流的波形及数据。关键词:直流 电力电子 变换电路 目 录1绪论1.1直流斩波电路的介绍 直流变换技术已被广泛的应用于开关电源及直流电动机驱动中,如不间断电源(UPS)、无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动
6、车辆的无级变速及20世纪80年代兴起的电动汽车的控制。从而使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。直流变换系统的结构如下图1.1所示。由于变速器的输入是电网电压经不可控整流而来的直流电压,所以直流斩波不仅能起到调压的作用,同时还能起到有效地抑制网侧谐波电流的作用。图1.1 直流变换系统结构1.2直流斩波电路的发展前景 直流传动是斩波电路应用的传统领域,而开关电源则是斩波电路应用的新领域,前者的应用是逐渐萎缩,而后者的应用方兴未艾、欣欣向荣,是电力电子领域的一大热点。DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为直流斩波。直流变换电路的用途非常广泛,包括直
7、流电动机传动、开关电源、单相功率因数校正,以及用于其他领域的交直流电源。斩波器的工作方式有:脉宽调制方式(不变,改变)和频率调制方式(不变,改变)两种。前者较为通用,后者容易产生干扰。当今世界软开关技术使得DC/DC变换器发生了质得变化和飞跃。美国VICOR公司设计制造得多种ECI软开关DC/DC变换器,最大输出功率有300W、600W、800W等,相应得功率密度为(6.2、10、17),效率为(8090)%。日本NemicLambda公司最新推出得一种采用软开关技术得高频开关电源模块RM系列,其开关频率为200300KHz,功率密度已达27,采用同步整流器(MOS-FET代替肖特基二极管),
8、使整个电路效率提高到90%。2降压直流斩波电路设计 2.1 降压斩波电路工作原理完整的降压斩波电路除起降压器作用的主电路之外还要有驱动电路,控制电路和保护电路。其结构框图如图2.1所示。图2.1 电路结构框图在图2.1结构框图中,控制电路是用来产生IGBT的控制信号的,控制电路产生的信号传到驱动电路,驱动电路把控制信号转换成电压信号加在IGBT的控制端跟公共端之间,使其开通或关断,达到控制主电路的目的。电路的原理图及工作波形如图2.2所示。 图2.2 降压斩波电路主电路及工作波形此电路使用一个全控型器件IGBT,图中为V,若采用晶闸管,需设置使晶闸管关断的辅助电路。并设置了续流二极管VD,在I
9、GBT关断时给负载中电感电流提供通道。主要用于电子电路的供电电源,也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等,后两种情况下负载中均会出现反电动势,如图2.2中Em所示。 工作原理:当时刻驱动IGBT导通,电源E向负载供电,负载电压,负载电流按指数曲线上升。当 时控制IGBT关断,二极管VD续流,负载电压近似为零,负载电流呈指数曲线下降,通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。 基于分时段线性电路这一思想,按IGBT处于通态和处于断态两个过程来分析,初始条件分电流连续和断续。 电流连续时得出:负载电压的平均值为: 式中为IGBT处于通态的时间,为IGBT处于断态的时间,为开关周期,为导通占空比,简称占
10、空比或导通比。负载电流平均值为。 ;。式中,,。把上式用泰勒级数近似,可得。平波电抗器L为无穷大,此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。从能量传递关系简单地推得,一个周期中,忽略电路中的损耗,则电源提供的能量与负载消耗的能量相等,即。则。假设电源电流平均值为,则有 其值小于等于负载电流电流断续的条件:。输出电压平均值为:负载电流平均值为:。电流断续时,负载电压平均值会被抬高,一般不希望出现电流断续的情况。 斩波电路有三种控制方式: (1)脉冲宽度调制:保持开关周期不变,调节开关导通时间(2)频率调制:保持开关导通时间不变,改变开关周期。 (3)混合型:和都可调,使占空比改变。 2.2 主电路
11、元器件参数选择 主电路中需要确定参数的元器件有直流电源、IGBT、二极管、电感、电容、电阻,其参数选择如下说明: 1、直流电源。由直流电源提供。 2、电阻R。取导通占空比,则,已知输出功率300W, 则 。3、IGBT。当时,取2倍裕量,。IGBT承受的最大截止电压为输入电压,取2倍裕量则。由此两数据选择IGBT型号为GT8Q101。 4、二极管VD。VD承受最大反相电压为100V,即为其最大工作电压。最大工作电流为由于需要瞬间导通,二极管的开关速度大,则选择续8A/200V型号SF84的快速恢复二极管。其开关频率为5KHZ。 5、电感L。选择大电感,使得电路能够续流。此时的临界电感为(设输出
12、电压为60V):,考虑裕量后取.6、电容 C。由输出电压脉率要求小于10%,选择电容(输出电压为60V),所以选择常用电容。7、整流桥二极管的选择。在桥式整流电路中,每只二极管只在输入电压的半个周期内导通,因此二极管的平均电流只有负载电阻上平均电流的一半,即。在二极管不导通期间,承受反压的最大值就是变压器二次测电压的最大值,即 ,根据上面的选择原则可知选择二极管的最大整流电流,最大反向电压。 8、滤波电容的选择: 3 驱动电路的设计3.1 IGBT驱动电路选择PWM控制信号由于强度不够,不能够直接去驱动IGBT,因此需要信号放大的电路。另外直流斩波电路会产生很大的电磁干扰,会影响控制电路的正常
13、工作,甚至导致电力电子器件的损坏。因而设计中还需要有带电器隔离的部分。所以我采用光电耦合式驱动电路。 一、驱动电路原理 如图3.1所示,IGBT降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成,封装在一个外壳内。本电路中采用的隔离方法是,先加一级光耦隔离,再加一级推挽电路进行放大。采用推挽电路进行放大的原因是因为驱动IGBT的电压叫高,约为12V左右,而SG3525芯片提供的电压只有5V左右,直接连入无法驱动IGBT。并且推挽式电路简单实用,故用推挽式进行电压放大。IGBT是电压控制型器件,在它的栅极-发射极间施加十几V的直流电压,只有级的漏电流流过,基本上不消耗功
14、率。但IGBT的栅极-发射极间存在着较大的寄生电容(几千至上万),在驱动脉冲电压的上升及下降沿需要提供数安电流,才能满足开通和关断的动态要求,这使得它的驱动电路也必须输出一定的峰值电流。图3.1 IGBT驱动电路二、IGBT的门极驱动条件密切地关系到他的静态和动态特性。门极电路的正偏压、负偏压和门极电阻RG的大小,对IGBT的通态电压、开关、开关损耗、承受短路能力及电流等参数有不同程度的影响。其中门极正电压的变化对IGBT的开通特性,负载短路能力和电流有较大的影响,而门极负偏压对关断特性的影响较大。同时,门极电路设计中也必须注意开通特性,负载短路能力和由电流引起的误触发等问题。根据上述分析,对
15、IGBT驱动电路提出以下要求和条件: 由于是容性输出输出阻抗;因此IBGT对门极电荷集聚很敏感,驱动电路必须可靠,要保证有一条低阻抗的放电回路。 (2)用低内阻的驱动源对门极电容充放电,以保证门及控制电压有足够陡峭的前、后沿,使IGBT的开关损耗尽量小。另外,IGBT开通后,门极驱动源应提供足够的功率,使IGBT不至退出饱和而损坏。 (3)门极电路中的正偏压应为+12+15V;负偏压应为-2V-10V。 (4)IGBT 驱动电路中的电阻对工作性能有较大的影响,较大,有利于抑制IGBT 的电流上升率及电压上升率,但会增加IGBT 的开关时间和开关损耗;较小,会引起电流上升率增大,使IGBT 误导
16、通或损坏。的具体数据与驱动电路的结构及IGBT 的容量有关,一般在几欧几十欧,小容量的IGBT 其值较大。 (5)驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT 的自保护功能。IGBT 的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配,另外,在未采取适当的防静电措施情况下,IGBT的GE极之间不能为开路。 IGBT驱动电路分类驱动电路分为:分立插脚式元件的驱动电路;光耦驱动电路;厚膜驱动电路;专用集成块驱动电路。本文设计的电路采用的是专用集成块驱动电路。 IGBT驱动电路分析随着微处理技术的发展(包括处理器、系统结构和存储器件),数字信号处理器以其优越的性能在交流调速、运动控制领域得到了广泛的应用
17、。一般数字信号处理器构成的控制系统,IGBT驱动信号由处理器集成的PWM模块产生的。而PWM接口驱动能力及其与IGBT的接口电路的设计直接影响到系统工作的可靠性。为此,目前已经研制出多种专用的IGBT集成驱动电路。这些集成块速度快,为了提高安全性,内部设有保护电路。它还具有高抗干扰能力,可实现IGBT的最优驱动。4 整流电路的设计4.1 整流电路整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和组成。20世纪70年代以后,主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。接
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