升降壓直流斬波電路實驗裝置課程設(shè)計

PAGE遼寧工業(yè)大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計（論文）題目：升降壓直流斬波電路實驗裝置院（系）：電氣工程學(xué)院專業(yè)班級：學(xué)號：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：起止時間：本科生課程設(shè)計（論文）PAGEIII學(xué)號學(xué)生姓名專業(yè)班級課程設(shè)計升降壓直流斬波實驗裝置課程設(shè)計（論文）任務(wù)課題完成的設(shè)計任務(wù)及功能、要求、技術(shù)參數(shù)實現(xiàn)功能為了電力電子技術(shù)課程的教學(xué)實驗，設(shè)計此裝置，使學(xué)生通過該裝置測試、觀察升降壓直流斬波電路的各個參數(shù)及波形，應(yīng)用此裝置可驗證升降壓斬波的相關(guān)理論知識。設(shè)計任務(wù)1、方案的經(jīng)濟技術(shù)論證。2、整流電路設(shè)計。3、通過計算選擇整流器件的具體型號。4、斬波電路設(shè)計。5、驅(qū)動電路設(shè)計或選擇。6、繪制相關(guān)電路圖。要求文字在4000字左右。文中的理論分析與計算要正確。文中的圖表工整、規(guī)范。4、元器件的選擇符合要求。技術(shù)參數(shù)1、交流電源：單相220V。2、前級整流輸出電壓限制在50V以內(nèi)。3、斬波輸出電流最大值2A。4、負(fù)載：純電阻。5、斬波輸出直流電壓在10～100V左右可調(diào)。進度計劃第1天：集中學(xué)習(xí)；第2天：收集資料；第3天：方案論證；第4天：整流電路設(shè)計；第5天：斬波電路設(shè)計；第6天：驅(qū)動電路設(shè)計；第7天：元器件具體選擇；第8天：在實驗室調(diào)試；第9天：總結(jié)并撰寫說明書；第10天：答辯指導(dǎo)教師評語及成績平時：論文質(zhì)量：答辯：總成績：指導(dǎo)教師簽字：年月日課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）：電氣工程學(xué)院教研室：注：成績：平時20%論文質(zhì)量60%答辯20%以百分制計算摘要升降壓直流斬波實驗裝置電路主要分為三個部分，分別為整流電路模塊，驅(qū)動電路模塊，斬波電路模塊。整流電路:是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種。它的作用是將交流電源變?yōu)橹绷麟娸敵?。斬波電路：它的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷旱闹绷麟娀蚩烧{(diào)電壓的直流電。本裝置應(yīng)用升降壓斬波電路。通過控制占空比來實現(xiàn)電壓的升降。本實驗裝置操作簡單，安全系數(shù)高。此斬波電路中IGBT的驅(qū)動信號由集成脈寬調(diào)制控制器SG3525產(chǎn)生，由于它簡單可靠及使用方便靈活，大大簡化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計及調(diào)試。關(guān)鍵詞：整流電路；驅(qū)動電路；斬波電路；直流電目錄TOC\o"1-3"\f\h\z第1章緒論 11.1電力電子技術(shù)概況 11.2本文設(shè)計內(nèi)容 2第2章升降壓直流斬波實驗裝置總體設(shè)計方案 32.1升降壓直流斬波實驗裝置電路設(shè)計 32.2具體電路設(shè)計 32.2.1主電路設(shè)計 32.2.2整流電路設(shè)計 42.2.3驅(qū)動電路設(shè)計 62.2.4升降壓電路的設(shè)計 92.3元器件型號選擇 102.3.1整流電路的參數(shù)計算 102.3.2升降壓斬波電路的參數(shù)計算 11第3章元器件的型號選擇 12第4章系統(tǒng)調(diào)試及仿真 13第5章課設(shè)總結(jié) 15參考文獻 16PAGE17第1章緒論1.1電力電子技術(shù)概況電子技術(shù)是根據(jù)電子學(xué)的原理，運用電子器件設(shè)計和制造某種特定功能的電路以解決實際問題的科學(xué)，包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)二大分支。信息電子技術(shù)包括模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)。電子技術(shù)是對電子信號進行處理的技術(shù)，處理的方式主要有：信號的發(fā)生、放大、濾波和轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué)，向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù)起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時代，逆變器時代和變頻器時代，并促進了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的，以功率MOSFET和IGBT為代表的，集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件，表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進入現(xiàn)代電力電子時代。半導(dǎo)體的出現(xiàn)成為20世紀(jì)現(xiàn)代物理學(xué)的一項最重大的突破，標(biāo)志著電子技術(shù)的誕生。而由于不同領(lǐng)域的實際需要，促使半導(dǎo)體器件自此分別向兩個分支快速發(fā)展，其中一個分支即是以集成電路為代表的微電子器件，而另一類就是電力電子器件，特點是功率大、快速化。自20世紀(jì)五十年代末第一只晶閘管問世以來，電力電子技術(shù)開始登上現(xiàn)代電氣傳動技術(shù)舞臺，以此為基礎(chǔ)開發(fā)的可控硅整流裝置，是電氣傳動領(lǐng)域的一次革命，使電能的變換和控制從旋轉(zhuǎn)交流機組和靜止離子變流器進入由電力電子器件構(gòu)成的變流器時代，這標(biāo)志著電力電子的誕生。電力電子技術(shù)包括電力電子器件、變流電路和控制電路3部分，是以電力為處理對象并集電力、電子、控制三大電氣工程技術(shù)領(lǐng)域之間的綜合性學(xué)科。電力技術(shù)涉及發(fā)電、輸電、配電及電力應(yīng)用，電子技術(shù)涉及電子器件和由各種電子電路所組成的電子設(shè)備和系統(tǒng)，控制技術(shù)是指利用外加的設(shè)備或裝置使機器設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)按照預(yù)定的規(guī)律運行。電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，電力電子器件對電能進行控制和轉(zhuǎn)換就是電力電子技術(shù)的應(yīng)用。在21世紀(jì)已經(jīng)成為一種高新技術(shù)，影響著人們生活的各種領(lǐng)域，因此對電力電子技術(shù)的研究具有時代意義。電力電子技術(shù)的核心是電源變換技術(shù)，由于能源短缺和環(huán)境問題，現(xiàn)在發(fā)展火熱的電動汽車和各種新能源發(fā)電技術(shù)等方向都需要大量新型高效的電力電子變換器。其在電氣工程領(lǐng)域具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ浒l(fā)展趨勢不外乎在原有的基本變換器基礎(chǔ)之上追求更高的電能轉(zhuǎn)換效率、更廉價的生產(chǎn)成本以及可靠性更高的拓?fù)浜涂刂品椒?。電力電子涉及由半?dǎo)體開關(guān)啟動裝置進行電源的控制于轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。半導(dǎo)體整流控制、半導(dǎo)體硅整流的小型化等的出現(xiàn)，產(chǎn)生一個新的電力電子應(yīng)用領(lǐng)域。半導(dǎo)體硅整流，汞弧整流器應(yīng)用于控制電源，但是這樣的整流回路只是工業(yè)電子的一部分，對于汞弧整流器應(yīng)用范圍而言是有局限的。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，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)本專業(yè)人才中占有重要地位。1.2本文設(shè)計內(nèi)容升降壓直流斬波電路的功能是講直流電變?yōu)榱硪环N可調(diào)的直流電，也稱為直流—直流變換器。升降壓直流斬波廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)生活中，按技術(shù)分類有：嵌入式（ARM技術(shù)）、單片機、DPS、EDA、系統(tǒng)管理器件、模擬技術(shù)、專用芯片技術(shù)、電源技術(shù)、傳感技術(shù)、光技術(shù)、開關(guān)技術(shù)、通信于網(wǎng)絡(luò)、PCB技術(shù)和集成電路等，本文主要講的是升降壓直流斬波實驗裝置。文章先后分析了整流電路、驅(qū)動電路和升降壓直流斬波電路的工作原理，介紹了集成芯片SG3525的應(yīng)用特點，并對SG3525控制，從而實現(xiàn)驗證升降壓斬波的相關(guān)理論知識，使同學(xué)可以更好的學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)這門課程。本課題給出的參數(shù)是：1、交流電源：單相220V。2、前級整流輸出電壓限制在50V以內(nèi)。3、斬波輸出電流最大值2A。4、負(fù)載：純電阻。5、斬波輸出直流電壓在10～100V左右可調(diào)。第2章升降壓直流斬波實驗裝置總體設(shè)計方案2.1升降壓直流斬波實驗裝置電路設(shè)計斬波電路包括：降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路，Cuk斬波電路，Sepic斬波電路和Zeta斬波電路。為了電力電子技術(shù)課程的教學(xué)實驗，本實驗設(shè)計升降壓直流斬波實驗裝置，使學(xué)生通過該裝置測試、觀察升降壓直流斬波電路的各個參數(shù)及波形，應(yīng)用此裝置可驗證升降壓斬波的相關(guān)理論知識。此裝置應(yīng)滿足操作簡單，廉價可靠，安全系數(shù)高。因為此裝置應(yīng)用于實驗室，其電源電壓為單相交流電220V，所以需通過整流電路將交流電變換為直流電后，再通過斬波電路調(diào)節(jié)其電壓。而實驗裝置中還需要加入驅(qū)動電路，并進行元器件的選擇，繪制出合理的電路圖，最終在實驗室用EWB進行仿真并更正2.2具體電路設(shè)計2.2.1主電路設(shè)計整流電路驅(qū)動電路斬波電路交流直流圖2.1總電路圖構(gòu)成此實驗裝置的總電路圖主要分為三大部分（如圖2.1所示），分別為整流電路、驅(qū)動電路和斬波電路。整流電路將交流電變?yōu)橹绷麟?，利用?qū)動電路將直流電發(fā)送給斬波電路，然后進行升降壓的選擇，使輸出直流電壓為整流電路驅(qū)動電路斬波電路交流直流圖2.1總電路圖2.2.2整流電路設(shè)計斬波電路的輸入直流電壓U由低壓單相交流電源經(jīng)單相橋式二極管整流及電感電容濾波后得到。升降壓斬波電路由電阻替代，由于二極管不可控，調(diào)節(jié)變壓器的變比，即可控制電阻兩端的電壓U。電阻兩端的電壓U即是升降壓斬波電路的輸入電壓，U的大小必須控制在50V以內(nèi)。在單相橋式二極管整流電路中，每一個導(dǎo)電回路中有兩個二極管，即用兩個二極管圖2.2整流電路圖圖2.2整流電路圖圖2.3整流電路仿真圖2.3整流電路仿真2.2.3驅(qū)動電路設(shè)計161514131211109161514131211109圖2.4驅(qū)動電路及SG3525圖2.4驅(qū)動電路及SG3525引腳1：誤差放大器反向輸入端。引腳2：誤差放大器同相輸入端。引腳3:振蕩器外接同步信號輸入端。引腳4：振蕩器輸出端。引腳5：振蕩器定時電容接入端。引腳6：振蕩器定時電阻接入端。引腳7：振蕩器放電端。引腳8：軟啟動電容接入端。引腳9：PWM信號輸入端。引腳10：外部關(guān)斷信號輸入端。引腳11：輸出端A引腳12：信號地引腳13：輸出級偏置電壓接入端引腳14：輸出端B引腳15：偏置電源接入端引腳16：基準(zhǔn)電源輸出端SG3525芯片特點如下：1．工作電壓范圍8-35v。2．5.1V微調(diào)基準(zhǔn)電源3．振蕩器頻率工作范圍100Hz-500kHz。4．具有振蕩器外部同步功能5．死區(qū)時間可調(diào)。6．內(nèi)置軟啟動電路。7．具有輸入欠電壓鎖定功能。8．具有PWM鎖存功能禁止多脈沖。9．逐個脈沖關(guān)斷。10．雙路輸出灌電流/拉電流Ma(峰值)其11和14腳輸出兩個等幅、等頻、相位互補、占空比可調(diào)的PWM信號。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SG3525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。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償網(wǎng)絡(luò)另外當(dāng)10腳的電壓為高電平時11和14腳的電壓變?yōu)?0輸出。圖2.5電路內(nèi)部圖2.5電路內(nèi)部主電路和控制電路之間，用來對控制電路的信號進行放大的中間電路（即放大控制電路的信號使其能夠驅(qū)動功率晶體管），稱為驅(qū)動電路。驅(qū)動電路的基本任務(wù)，就是將信息電子電路傳來的信號按照其控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號。對半控型器件只需提供開通控制信號，對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關(guān)斷控制信號，以保證器件按要求可靠導(dǎo)通或關(guān)斷。2.2.4升降壓電路的設(shè)計升降壓斬波電路的原理圖如圖所示。設(shè)電路中電感L值很大，電容C值也很大。使電感電流和電容電壓即負(fù)載電壓基本為恒值。圖2.6升降壓斬波電路圖2.6升降壓斬波電路圖2.7升降壓斬波電路波形圖圖2.7升降壓斬波電路波形圖該電路的基本工作原理是：當(dāng)可控開關(guān)V處于通態(tài)時，電源E經(jīng)V向電感L供電使其儲存能量，此時電流為i1。同時，電容C維持輸出電壓基本恒定并向負(fù)載R供電。此后，使V關(guān)斷，電感L中儲存的能量向負(fù)載釋放，電流為i2?？梢?，負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，因此該電路也稱作反極性斬波電路。穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)電感L兩端電壓U對時間的積分為零，即當(dāng)V處于通態(tài)期間，；而當(dāng)V處于斷態(tài)期間，。于是（2-1）所以輸出電壓為（2-2）改變占空比，輸出電壓既可比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)0＜＜時為降壓，當(dāng)＜＜1時為升壓，因此該電路稱為升降壓斬波電路。也有文獻直接按英文稱之為buck-boost變換器（Buck-boostConverter）。第3章元器件型號選擇3.1整流電路的參數(shù)計算由于任務(wù)書中要求前級整流輸出電壓限制在50V以內(nèi)，通過計算變壓器匝數(shù)比應(yīng)控制在4：1左右。（2-3），（2-4）考慮到二極管的安全裕量，額定電壓范圍是283~424V，額定電流的范圍是6~8A。3.2升降壓斬波電路的參數(shù)計算（1）由于斬波輸出最大電流為2A，斬波電路通過控制占空比來實現(xiàn)升降壓，根據(jù)公式（2-5）（2-6）已知電源E最大值為50V，輸出電壓的范圍是10V至100V，代入公式，經(jīng)計算占空比應(yīng)控制在16.7％至66.7%。另外，續(xù)流二極管允許通過的最大電流為2A。當(dāng)直流斬波輸出電壓為10V時，IGBT兩端的電壓為40V；當(dāng)直流斬波輸出電壓為100V時，IGBT兩端的電壓為-50V；表3.1器件參數(shù)表3.3元器件的型號選擇表3.1器件參數(shù)表器件符號器件符號變壓器N1：N2=4：1電容C二極管VD1電阻R1二極管VD2電阻R2二極管VD3續(xù)流二極管VD二極管VD4電力MOSFETV芯片SG3525電感L第4章系統(tǒng)調(diào)試及仿真圖2.8仿真電路圖圖2.8仿真電路圖圖2.9占空比為圖2.9占空比為16.6%圖2.10占空比為76.6%圖2.10占空比為76.6%第5章課設(shè)總結(jié)升降壓直流斬波實驗裝置是一種將固定電壓的交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)的直流電能的高效節(jié)能電力電子裝置。自晶閘管問世以來，直流斬波器已經(jīng)在工業(yè)部門的很多領(lǐng)域獲得了成功的應(yīng)用。盡管如此，適合電力電子課程實驗教學(xué)需要的直流斬波裝置卻不多見。為了滿足教學(xué)需要，我們研制了10～100V升降壓直流斬波實驗裝置。此裝置運用了整流電路，驅(qū)動電路和斬波電路三大部分，可將單相220V交流電源變換成10至100V不等的直流電，并在示波器中給予顯示?？勺寣W(xué)生客觀的了解電力變換的形式，更加強了學(xué)生的動手動腦能力。本裝置缺點在于沒有考慮電路中電力電子