低温等离子电源毕业设计

低温等离子电源毕业设计 毕业设计任务书 一、课题名称:低温等离子体消毒灭菌设备的电源设计 二、指导老师: 三、设计内容与要求 1、课题概述 关于低温等离子体的消毒灭菌机理～迄今为止人们还不能够给出比较圆满的答案。大多数气体都能够放用混合气体激发等离子体～其消毒灭菌效果往往比单一中性气体好。 低温等离子体消毒灭菌技术的关键之一是其高压高频电源。 对高压高频电源的最重要的要求是体积小～重量轻～易于控制和高可靠性。传统的高压电源因其体积和重量都比较大～且可靠性较低～不能满足各种实际应用场合的要求。随着电力电子技术的发展～采用正弦波脉冲宽度,SPWM,调制的高压逆变电源可以达到上述要求～从而能较好的提高低温等离子体消毒灭菌技术的系统水平。 本课题就是设计一个SPWM调制的高压逆变电源～应用于低温等离子体消毒灭菌设备。 2、设计内容与要求 1)、设计内容 , 简单说明各种低温灭菌方法的优缺点～阐述等离子体低温灭菌的突出 优越性～然后稍加展开说明离子体低温消毒灭菌的原理。 , 阐述等离子体的物理效应和应用。 , 简单论述系统构成。 , 简单论述低温等离子体消毒灭菌系统对高压高频电源的要求。 , 高压高频电源的系统组成～进行系统论证、主要电路模块的功能 论证。 , 对高压高频的系统进行系统指标设计～对各部分电路进行设计计算。 , 设计并说明对高压高频电源的系统及各部分电路进行调试的方法和步 骤。 , 指明高压高频电源可能存在的问题～说明解决的方法与途径。 ,要求学生学习过电力电子技术, 2,、设计要点: a) 本设计是基于SPWM脉宽调制技术的全桥高频逆变电路的一整套高压高频电源。 b) 指标要求顺序:可靠、高精度、体积小、重量轻、简单、经济、低成本、低能耗、低电磁污染。 3,、系统组态: a) 服务对象——等离子体发生器, b) 市电整流和滤波电路～获得需要的直流电源, c) 直流斩波电路～获得可调的从0伏开始的直流电源, d) 基于SPWM脉宽调制技术的全桥高频逆变电路和低通滤波器～获得频率可变的高频电压。其中正弦波发生器的设计可以选用成熟电路,几片集成电路组合设计,或自行设计电路。SPWM控制电路可以自行设计或选用国外的专用芯片,例如LM4651,进行设计, e) 高频升压变压器～获得高频高压的正弦电压。 4,、系统主要技术指标:输出电压幅度变化范围,输出电压频率变化范围:-10?—40?,市电电源供电。 四、设计参考书与期刊杂志: 《等离子物理学》、《电力电子技术》、《电子技术》、《检测技术》、《电工手册》、《电子元件手册》、“物理学报”、“电力电子技术”、“自动化技术”等。 毕业设计任务书(小三、宋体、加粗、居中) 一、 课题名称:XXXXX(小四、宋体) 二、 指导老师:XXX(小四、宋体) 三、 设计内容与要求(小四、宋体) 课题概述,五号、宋体, 设计内容与要求,五号、宋体, 四、 设计参考书(小四、宋体) XXXXX,五号、宋体, 五、 设计说明书要求(小四、宋体) (以下五号、宋体, 封面 目录 内容摘要,200，400字左右～中英文, 引言 正文,设计比较与选择～设计方案原理、计算、分析、论证～设计结果 的说明及特点, 结束语 附录,参考文献、图纸、材料清单等, 六、毕业设计进程安排(小四、宋体) ,以下五号、宋体, 1、毕业设计答辩要求 答辩前三天～每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必 要资料交指导老师审阅～由指导老师写出审阅意见。 学生答辩时对自述部分应写出书面提纲～内容包括课题的任务、目的和意义～ 所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。 答辩小组质询课题的关键问题～质询与课题密切相关的基本理论、知识、设 计与计算方法、试验方法、测试方法～测试方法～鉴别学生独立工作能力、创新 能力。 2、毕业设计论文要求 文字要求:说明书要求打印,除图纸外,～不能手写。文字通顺～语言流畅～ 排版合理～无错别字～不允许抄袭。 图纸要求:按制图标准制图～图面整洁～布局合理～线条粗细均匀～圆 弧连接光滑～尺寸标注规范～文字注释必须使用工程字书写。 曲线图标要求:所有曲线、图标、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手 画～必须按国家的标准或工程要求绘制。 附3:毕业设计进程,8周时间, 暑假:前期准备～完成毕业设计相关资料的收集、设计方案的确定。 第1~2周:方案设计讨论～教师辅导, 第3周:分系统方案论证、设计初稿, 第4~5周:分系统方案设计初稿, 第6周:第一次检查～讨论并改写文稿, 第7周:第2次检查～完善文稿辅导答辩, 第8周:设计书成绩评定、答辩。 前 言 将等离子体技术用于消毒灭菌技术上具有极高的潜在应用价值。因而要求等离子体发生器具有体积小，重量轻，易于控制和高可靠性的特点。作为等离子体发生器中一个重要的组成部分—— 等离子体高压电源则起到关键作用。它的性能在很大程度上影响等离子体发生器的性能。传统的高压电源因体积和重量都大，且性能不好，满足不了实际应用的需要。随着电力电子技术和开关器件的发展，高压逆变电源的高频化及脉宽调制波形改善技术使得高压电源的性能成倍提高，体积成倍减小，应用范围越来越广。针对等离子体高压电源的特殊要求，本文将SPWM技术用于该电源控制中，它具有原理简单、控制和调节性能好，具有消除谐波、调节和稳定输出电压等诸多特点，研制了一台单相输出电压可调、频率连续可调的等离子体高压电源。 等离子体是由电子、离子等带电粒子构成的物质第四态，在等离子体高频电磁场中受带电粒子轰击以及紫外线辐照等作用，细菌病毒细胞上的电荷分布被彻底破坏并形成电击穿而迅速死亡。等离子体消毒灭菌技术是新一代的高科技灭菌技术，它能克服现有灭菌方法的一些局限性和不足之处，提高消毒灭菌效果。例如对于不适宜用高温蒸汽法和红外法消毒处理的塑胶、光纤、人工晶体及光学玻璃材料、不适合用微波法处理的金属物品，以及不易达到消毒效果的缝隙角落等地方，采用本技术，能在低温下很好地达到消菌灭菌处理而不会对被处理物品造成损坏。本技术采用的等离子体工作物质无毒无害。本技术还可应用到生产流水线上对产品进行消毒灭菌处理。 针对等离子体高压电源的特殊要求，本文将SPWM技术用于该电源控制中，它具有原理简单、控制和调节性能好，具有消除谐波、调节和稳定输出电压等诸多特点，研制了一台单相输出电压可调、频率连续可调的等离子体高压电源。 摘 要 低温等离子消毒技术因其具有快捷、安全和高效率等优点而受到国内外广泛研究。 本设计是利用介质阻挡放电产生等离子体原理，研制一种等离子消毒电源。是基于SPWM脉宽调制技术，利用LM4651驱动器的PWM控制能力的全桥高频逆变电路和低通滤波器，获得频率可调的高频电压。实现了对负载频率的可靠跟踪和对逆变状态的可靠控制。 关键词:低温等离子体;SPWM调制技术;电源 I Abstract The technology of the low-temperature sterilization has been researched by all over the world because of its many advantages such as fast, safe and high efficiency. The present design is the use of dielectric barrier discharge plasma principle, the development of a plasma sterilization power.This design is based on the SPWM pulse-duration modulation technology. And take advantage of the LM4651 drives PWM control’s entire bridge high frequency inversion electric circuit and the low pass filter, obtains the frequency adjustable voltage, the power supply can track the load resonant frequency rapidly and accurately. Key words: low-temperature plasma; SPWM modulation; power II 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 目 录 摘 要 ................................................................. I ABSTRACT .............................................................. II 第1章 低温等离子体消毒灭菌设备的概述 ............................ 1 1.1消毒的定义 ........................................................... 1 1.2 灭菌的定义 .......................................................... 1 1.3 低温等离子体的形成 .................................................. 2 1.4 低温等离子体灭菌器的应用 ............................................ 2 1.5 低温等离子体灭菌器的优势 ............................................ 3 第2章 离子体高压电源主电路的论证和设计.......................... 5 2.1 电源的系统结构 ...................................................... 5 2.2工频整流滤波电路 ..................................................... 5 ...... 6 2.2.1 单相桥式整流电路论证及设计................................ 2.2.2.方案的选择...................................................... 14 2.2.3 滤波电路的论证及设计............................................ 15 2.2.4 滤波电路的选择.................................................. 18 2.3 DC/AC逆变电路 ...................................................... 19 2.3.1 逆变电路的选择.................................................. 19 2.3.2 电压型逆变电路的原理............................................ 20 2.3.3 脉宽调制(PWM)型逆变电路...................................... 22 2.3.4 开关管的选择................................................... 26 第3章 控制保护电路的论证及设计 .................................. 24 3.1 整流逆变控制电路 .................................................. 25 3.2 RC串并联式正弦波振荡电路 ........................................... 28 3.3 相应的显示电路及辅助电路 .......................................... 32 3.4 辅助电源 .......................................................... 34 参考文献 .............................................................. 35 致 谢 ................................................................ 36 附 录 ................................................................ 37 系统总设计图 ......................................................... 38 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 第1章 低温等离子体消毒灭菌设备的概述 1.1消毒的定义 所谓消毒，就是用物理、化学等方法杀死病原微生物以防止传染病传播的措施。 利用物理、化学等方法杀死病原微生物以防止传染病传播的措施。常用的消毒法有物理的加热消毒法和化学的药剂消毒法。加热能使病原微生物细胞中的蛋白质凝固并使酶失活，因而能杀死微生物。煮沸是最常用的加热消毒法，一般不产芽孢的微生物经5分钟煮沸就可被杀死。用于消毒的化学药剂称消毒剂。常用的消毒剂种类很多，有75%酒精、碘酒、红溴汞(红药水)、龙胆紫(紫药水)、氯等。大多数消毒剂能使蛋白质凝固，碘酒中的碘能与蛋白质中的氨基酸结合，红溴汞中的汞能与蛋白质中的巯基结合，氯在与水作用时放出具有很强氧化能力的新生氧，使蛋白质氧化变性。消毒剂一般只对细菌的营养体有效，而对芽孢很少有杀死作用。 消毒在日常生活中应用于传染病的预防，如对饮水、食品、餐具等通过煮沸进行消毒。牛奶、饮料等食品可放在62,63?下处理30分钟进行消毒。这样既可将结核分枝杆菌、伤寒沙门氏菌等病原微生物杀死，又不影响牛奶、饮料等的风味。英国医生李斯特于1865年首先使用石炭酸对医生的双手、手术器械、包扎绷带、手术部位等进行消毒，其后外科手术的死亡率很快从45,80%下降为15%。这充分显示了消毒在临床应用上的重要作用和意义。 1.2 灭菌的定义 所谓灭菌，就是用理化方法杀死一定物质中的微生物的微生物学基本技术。灭菌的彻底程度受灭菌时间与灭菌剂强度的制约。微生物对灭菌剂的抵抗力取决于原始存在的群体密度、菌种或环境赋予菌种的抵抗力。灭菌是获得纯培养的必要条件，也是食品工业和医药领域中必需的技术。 热灭菌法 利用高温使微生物细胞内的一切蛋白质变性，酶活性消失，致使细胞死亡。通常有干热、湿热和间歇加热灭菌等法。 干热灭菌 直接利用火焰将微生物烧死(如烧接种环、载玻片和试管口等)。不能用火焰灭菌的物品则利用热空气灭菌,将物品放在烘箱中加热到160,170?,持续90分钟，此法适用于玻璃、金属和木质的器皿。 湿热灭菌 以沸水、蒸气和蒸气加压灭菌。巴氏灭菌法就是湿热灭菌，此法有两种方式，?低温长时间处理:在61.7,62.8?下处理30分钟;?高温短时间处理:在71.6?或略高温度下处理15分钟。在上述诸法中，以蒸气加压灭菌效果最好，可用常压蒸气灭菌，也可在高压蒸气锅中(一般使用1千克/厘米2)灭菌,其蒸气温度可达121?,能将耐热的芽孢在30分钟内全部杀死。但对某些易被高压破坏的物质，如某些糖或有机含氮 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 化合物，宜在0.6千克/厘米2压力下(110?)灭菌15,30分钟。 间歇灭菌 连续3天,每天进行一次蒸气灭菌的方法。此法适用于不能耐 100?以上温度的物质和一些糖类或蛋白质类物质。一般是在正常大气压下用蒸气灭菌 1小时。灭菌温度不超过100?,不致造成糖类等物质的破坏，而可将间歇培养期间萌发的孢子杀死，从而达到彻底灭菌的目的。 辐射灭菌 在一定条件下利用射线进行灭菌的方法。较常用的有紫外线，其他还有电离辐射(射线加快中子等)。波长在25000,80000纳米之间的激光也有强烈的杀菌能力,以波长26500纳米最有效。辐射灭菌法仅限于某一定材料，因所需设备复杂，难于广泛使用。 渗透压灭菌 利用高渗透压溶液进行灭菌的方法。在高浓度的食盐或糖溶液中细胞因脱水而发生质壁分离，不能进行正常的新陈代谢，结果导致微生物的死亡。 化学试剂灭菌 大多数化学药剂在低浓度下起抑菌作用,高浓度下起杀菌作用。常用5,石炭酸 70,乙醇和乙二醇等。化学灭菌剂必须有挥发性，以便清除灭菌后材料上残余的药物。 1.3 低温等离子体的形成及作用原理 等离子的形成: 等离子体属于物理概念，是自然界中存在的一种物质状态(即固体，液体和气体之外的第四太)。低温等离子体的产生通常是在真空环境下，利用特定的电磁场作用，使某些中性气体的分子产生连续不断的电离，形成带负电荷和等量正电荷的离子相互共存的物质状态，当电离率与复合率达到平衡的时候，这种稳定存在的物质状态就称之为等离子。H202等离子体能够在常温条件下实现快速，干燥灭菌的目的，是多种灭菌条件综合作用的结果。 等离子体灭菌器作用原理: (1)活性基团的作用，等离子体中含有大量活性氧离子，高能自由基团等成分，极易与细菌，霉菌，芽孢和病菌中蛋白质和核酸物质发生氧化反应而变性 ，从而使各类微生物死亡。 (2)高速粒子击穿作用，在灭菌实验后通过电镜观察，经等离子体作用后的细菌菌体作用后的细菌菌体与病毒颗粒图像 ，均呈现千疮百孔状，这是由具有高动能的电子和离子产生的蚀刻和击穿效应技术。 1.4 低温等离子体灭菌器的应用 低温等离子体灭菌器适用于大中小型医院的供应室，手术室，牙科，肛肠科，美容 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 科，急救中心，社区医疗，牙科门诊，消毒供应中心等企事业单位。 重点使用的科室:供应室，手术室，急救中心 其所适用的器械也较为广泛:电子器械类，硅橡胶类，金属类，非金属类，聚乙烯类。 如:光纤软硬式内窥镜，电子器械，金属手术器械，非金属手术器械，导联线，电极片，颅脑钻，呼吸面罩，探头，扩张器，电池，导联线，玻璃器皿，硅橡胶，聚乙烯，机电器械，实验室各类非耐热仪器等。 1.5 低温等离子体灭菌器的优势 全新的低温等离子灭菌器可取代传统的灭菌器，如:消毒液体浸泡、熏蒸，化学气体灭菌等。 a)、 其灭菌速度快，可大大提升被灭菌器械的利用率，方便于医院进行连台手术。 b)、 大幅度的减少对医疗器械伤害，有效的延长了器械的使用寿命。 c)、 同时，灭菌后的器械没有药物残留，对医护人员没有伤害。 d)、 由于其灭菌原理的更新，已经跨入绿色环保的行列。 常用灭菌设备的使用及优缺点对比: 灭菌技耗时间物品化学设备名称 配套设备 适用物品 废气排放 温度 术 能 效率 损耗 残留 等离子等离子灭220V或非液体类 少 较短 无 无 室温 无 体灭菌 菌器 380V 畏热畏湿高温蒸蒸汽灭菌有废蒸汽高温高(115,蒸汽锅炉 物品无法高 较短 无 汽灭菌 柜 排放 损耗 135?) 用 有EO/CFC环氧乙烷残留分解低(65?左非液体类 较少 很长 EO/CFC较少 有 灭菌 灭菌柜 装置 右) 废气 消毒液消毒清洗220V电不锈钢、有化学废化学少 较长 室温 有 浸泡 机 源 塑料 水 锈蚀 紫外线紫外/臭220V电物品面有臭氧产臭氧消少 较长 无 室温 无 氧消毒柜 源 消毒 生 毒 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 1.6 等离子体高压电源的要求 针对等离子体高压电源的特殊要求，将SPWM脉宽调制技术用于该电源控制中，具有原理简单、控制和调节性能好，可消除谐波，调节和稳定输出电压等诸多特点。本文分析了等离子体高压电源中需解决的关键问题;提出了有效的解决方法。在此基础上，成功研制了一台单相输出电压可调、频率连续可调的等离子体高压电源。样机实验证明了分析和设计的正确性。 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 第2章 离子体高压电源主电路的论证和设计 2.1 电源的系统结构 低温等离子体发生器电源主要有主电路和控制电路两部分组成，如图2-1所示。 其中，主电路由工频整流滤波电路、直流斩波电路、SPWM控制的DC/AC高频逆变电路、LC滤波电路及高频升压电路组成。 控制电路由SPWM产生的电路、隔离驱动电路、基准正弦波电路、频率调节电路、过流保护电路、过压保护电路以及相应的显示电路组成。 图2-1 电源系统结构图 2.2工频整流滤波电路 将交流电转换成直流电的变换称为整流，实现整流变换的装置称之为整流器。整流器的主开关元件一般采用整流为二极管或晶闸管。由整流二极管构成的整流器，由于其输出电压不可控的，称之为不可控整流;由晶闸管构成的整流器，其输出电压是可控的，故称为可控整流。可控整流的电路一般由整流器的主电路(常简称为整流电路)及其触发控制电路组成。在整流变换过程中，其平均功率(或能量)是从交流侧流向直流负载。 整流器主电路的结构形式繁多，分类方式也多种多。下面给出了电路的类别: 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 不控整流 按组成器件 半控整流 可控整流 全控整流 单相 按电源相数 三相 六相 „„ 零式 按电路结构 桥式 半波 按变压器绕组电流 全波 可控整流电路的主元件采用晶闸管时，其控制方式都采用相位控制，故这类整流电路又称为相控整流。随着电力电子学的发展，现在已经开始使用可关断的器件(例IGBT等)来构成斩波控制型的整流电路。 2.2.1 单相桥式整流电路论证及设计 单相桥式整流电路输出的直流电压、电流脉冲幅值比单相半波整流电路输出的直流电压、电流小，且可以改善变压器存在直流磁化的现象。单相桥式整流电路分为单相桥式不可控整流电路和单相桥式可控整流电路。其中单相桥式可控整流电路又可分为单相桥式半控整流电路和单相桥式全控整流电路。 1. 单相桥式不可控整流电路 图2-2 单相桥式不可控整流电路 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 1)、工作原理 设变压器，U为其有效值。 2 当u为正半周时，D和D管导通，D和D管截止，电流由A点流出，方向如图所示。21324 u=u，D和D管承受的反向电压为-u。 O2242 当u为负半周时，D和D管导通，D和D管截止，电流由B点流出，方向如图所示。22413 u=-u，D和D管承受的反向电压为u。 O2132 由于D、D和D、D两对二极管交替导通，致使负载电阻R上在u的整个周期内都1324L2有电流通过，而且方向不变，输出电压。如下图所示为其电压和电流的 波形，实现了全波整流。 图2-3 单相桥式不可控整流波形图 2)、输出电压平均值U和输出电流平均值I O(AV)O(AV) 根据波形图可知，输出电压平均值 解得 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 结论:在输入电压相同的情况下，全波整流输出电压平均值为半波整流电路的两倍。 负载电流的平均值 结论:在输入电压相同的情况下，全波整流输出电流平均值为半波整流电路的两倍。 整流输出电压的脉动系数S:桥式整 流电路的基波U的角频率是 OM u的2倍，即100Hz，。 2 结论:与半波整流电路相比，输出电压的脉动减小很多。 2. 单相桥式可控整流电路 可控整流电路的作用是把交流电转变为电压可调节的直流电。负载不同时，其工作特点不同。 1)、 电阻负载单相半控桥整流电路 可控整流电路的作用就是把交流电能变换成电压大小可调的直流电能，而且其输出电压可以根据需要进行调节。可控整流有多种电路形式，如单相半波、单相全波和单相桥式可控整流电路等。当功率比较大时，常常采用三相交流电源组成三相半波或三相桥式可控整流电路。本节主要以单相桥式电路为例来讨论其工作原理。 单相桥式可控电路如图2-4(a)所示，用晶闸管V、V代替了不可控整流电路中的12 u2二极管。在电源电压的正半周，V、V承受正向电压，若晶闸管的控制极不加脉冲，V141 uG不导通，此时负载中没有电流流过。当ωt=α时，控制极加上触发脉冲，V导通，电1 u,uRo2L流流经V、、V。由于晶闸管导通时管压降很小，所以负载上的电压。这时V142 u2和V因承受反向电压而处于阻断状态。当ωt=π时，降为零，V又变为阻断。 31 uuG2在的负半周，V、V承受正向电压，当ωt=π+α时，触发V而导通，电流流经232 u,uRo2LV、、V，负载上的电压仍然为。这时V和V因承受反向电压而处于阻断状态。2314 当ωt=2π时，V恢复阻断状态。 2 uR2L由以上分析可见，在的一个完整周期内，流过负载的电流方向是相同的，负载上的电压和电流波形如图2-4(b)所示。 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, u2 ,2uG,Ot, iOTrVV12uOuOuROLuui12OiO VV34,Ot,,uG ,tO a( )( )b 图2-4 单相桥式可控整流电路 图中α称为控制角，θ=π-α称为导电角，显而易见，当α愈小时，即θ愈大时， UO(AV)输出电压平均值愈大。由波形图进行分析，可得 π1221cos，,2sinωt d(ωt)UUU,,O(AV)22,αππ2 (2-2-1) 即 1cos，α0.9U,UO(AV)22 (2-2-2) UUUO(AV)O(AV)2由式可见，当固定时，只需改变α的大小，就可以调节输出电压，与 α的关系曲线如图2-5。 1.0U/UO2 0.8 0.6 0.4 0.2 0ooooooo0306090120150180 控制角α 图2-5 单相桥式可控整流电路的输出电压与α的关系 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, IO(AV)输出电流的平均值为 U221cosU，αO(AV)2I,,O(AV)π2RRLL (2-2-3) 流过二极管及晶闸管的平均电流为 1I,I,ITDL2 (2-2-4) 2U2晶闸管和二极管所承受的最大反向电压均为。 2)、 大电感负载单相半控桥整流电路 在实际应用中遇到较多的是电感性负载，例如各种电机的励磁绕组、各种电感线圈等，它们即含有电感，又含有电阻。电感性负载可用串联的电感元件L和电阻元件R表示，电路如图2-6所示。由于电感性元件的存在，电路中的电流不能发生跃变，因此，整流电路接电感性负载和接电阻性负载的情况大不相同。 uuG2在电源电压的正半周，V、V承受正向电压，当ωt=α时，控制极加上触发脉冲，14 令晶闸管V触发导通，续流二极管V承受反向电压而截止。电流流经V、L、R、V，输1514 u,uo2出电压。晶闸管刚触发导通时，由于电感元件产生阻碍电流变化的感应电动势，电路中的电流不能跃变，将由零逐渐上升。当电流到达最大值时，感应电动势为零，而 uu22后电流随沿正半周减小，电感感应电势改变极性，和相同。由于是大电感负载，所 io以负载电流连续并近似为一直线，这时V和V因承受反向电压而处于阻断状态。 23 iOuG TrVV12L Vu5uuO12 RLVV34 图2-6 大电感负载单相半控桥式整流电路 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, u2 2Ot uLuLiOiO Ot,,ug Ot 图2-7 单相半控桥感性负载电路的工作波形图 u2在过,进入负半周时，V承受正向电压而导通，V承受反向电压而截止。如果电34 路中没有接入二极管V，那么由于电感L感应电动势的作用，V仍将维持导通状态，负51 io载电流经V和V继续流通(续流)，形成一个不经过变压器二次绕组的自然续流回路，13 u2此时电感释放能量，如果是大电感负载，储能很多，晶闸管V将维持导通到进入下一1个周期的正半周，V承受正向电压而导通，V承受反向电压而截止。电流又流经V、L、R、431V，电感储能，如此不断循环下去，进而导致处于直通状态的晶闸管因过热而损坏。这种4 不需要外部触发脉冲，出现的一个晶闸管直通，另两个整流二极管轮流导通180:的异常工作状态称为失控现象。 u2为避免失控现象，在负载两端并联一个续流二极管V，这样在过,进入负半周时，5 io在电感感应电动势作用下，续流二极管承受正压导通，负载电流经过V流通，电感释5放能量，V上的压降不足以使V维持导通而令V阻断。如忽略V的压降，在续流期间负5115 u,0uo2载上的整流输出电压，这一续流过程一直持续到负半周期间触发V导通时为止。 2 uuG2当在的负半周ωt=π+α时，触发V导通，电流流经V、L、R、V，负载上得223 u,uo2到与正半周相同波形的整流输出电压。这时V和V因承受反向电压而处于阻断状14 u2态。当过2,进入正半周时，负载电流又经V形成续流，V恢复阻断状态。当ωt=α时，52 又触发V导通，如此不断循环下去。晶闸管和整流二极管的导通角为,,,,,，电路的工1 作波形如图2-7所示 参照电路工作波形图，可计算出如下数量关系: UO(AV)输出电压平均值 π21cos，,2sinωt d(ωt)0.9UUU,,，O(AV)22, α2π2 (2-2-5) 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, IIIIV1(AV)V2(AV)V1V2晶闸管与整流二极管电流的平均值、与有效值、 π1π,αI,I,Id(ωt),IV1(AV)V2(AV)OO, α2π2π (2-2-6) π1π,α2I,I,Id(ωt),IV1V2OO, α2π2π (2-2-7) IIV5(AV)V5续流二极管电流的平均值与有效值 α2αI,Id(ωt),IV5(AV)OO, 02ππ (2-2-8) α2α2I,Id(ωt),IV5OO, 02ππ (2-2-9) I2变压器二次绕组的有效值 π1π,α22I,[I，(,I)]d(ωt),I2OOO, α2ππ (2-2-10) 3、单相桥式全控整流电路 1)、带电阻负载的工作情况 单相桥式全控整流电路带电阻性负载时的电路及工作波形如图2-8所示。晶闸管VT1 和VT4为一组桥臂，而VT2和VT3组成了另一组桥臂。在交流电源的正半周区间内，即a 端为正，b端为负，晶闸管VT1和VT4会导通。此时，电流i从电源a端经VT1、负载d Rd及VT4回电源b端，负载上得到的电压ud为电源电压u2(忽略了VT1和VT4的导通 压降)，方向为上正下负，VT2和VT3则因为VT1和VT4的导通而承受反向的电源电压u2 不会导通。因为是电阻性负载，所以电流id也跟随电压的变化而变化。当电源电压u2 过零时，电流id也降低为零，也即两只晶闸管的阳极电流降低为零，故VT1和VT4会因 电流小于维持电流而关断。而在交流电源的负半周区间内，即a端为负，b端为正，晶闸 管VT2和VT3是承受正向电压的，仍在相当于控制角a的时刻给VT2和VT3同时加触发 脉冲，则VT2和VT3被触发导通。电流id从电源b端经VT2、负载Rd及VT3回电源a 端，负载上得到的电压ud仍为电源电压u2，方向也还为上正下负，与正半周一致，此时， VT1和VT4因为VT2和VT3的导通承受反向的电源电压u2而处于截止状态。直到电源电 压负半周结束，电压u2过零时，电流id也过零，使得VT2和VT3关断。下一周期重复 上述过程。 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 图2-8 单相桥式全控整流电阻性负载 (a) 电路图 (b) 波形图 由图2-8(b)可以看出，负载上得到的直流输出电压ud的波形与半波时相比多了一倍，负载电流id的波形与电压ud波形相似。由晶闸管所承受的电压ut可以看出，其导通角为，除在晶闸管导通期间不受电压外，当一组管子导通时，电源电压u2将全部加在未导通的晶闸管上，而在四只管子都不导通时，设其漏电阻都相同的话，则每只管子将承受电源电压的一半。 单相全控桥式整流电路带电阻性负载电路参数的计算: 输出电压平均值的计算公式 2)、 电感性负载 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 图2-9 单相桥式全控整流电感性负载 (a) 电路图 (b) 波形图 图2-9(a)单相桥式全控整流电路带电感性负载时的电路。假设电感很大，输出电流连续，且电路已处于稳态。 在电源u2正半周时，在相当于角的时刻给VT1和VT4同时加触发脉冲，则VT1和VT4会导通，输出电压仍为至电源过零变负时，由于电感产生的自感电动势会使VT1和VT4继续导通，而输出电压仍为，所以出现了负电压的输出。此时，晶闸管VT2和VT3虽然已承受正向电压，但还没有触发脉冲，所以不会导通。直到在负半周相当于角的时刻，给VT2和VT3同时加触发脉冲，则因VT2的阳极电位比VT1高，VT3的阴极电位比VT4的低，故VT2和VT3被触发导通，分别替换了VT1和VT4，而VT1和VT4将由于VT2和VT3的导通承受反压而关断，负载电流也改为经过VT2和VT3了。 根据上面分析可以看出，单相桥式全控整流电路属全波整流，负载在两个半波都有电流通过、输出电压脉动程度比半波时小、变压器利用率高、且不存在直流磁化问题;但需要同时触发两只晶闸管，线路较复杂。在一般中小容量场合中应用较多。 2.2.2.方案的选择 鉴于消毒灭菌设备应用广泛，既可以用于工业、医疗机构、餐饮业等地的消毒灭菌，也可用与普通家庭。因此选择单相电源会更加合适。 单相相控整流电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式相控流电路，它们所连接 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 的负载性质不同就会有不同的特点。下面分析各种单相相控整流电路在带电阻性负载、电感性负载和反电动势负载时的工作情况。 单相半控整流电路的优点是:线路简单、调整方便。弱点是:输出电压脉动冲大，负载电流脉冲大(电阻性负载时)，且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化，变压器不能充分利用。而单相全控式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。 单相全控式整流电路其输出平均电压是半波整流电路1.2倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小三分之一;且功率因数提高了一半。 根据以上的比较分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电路(负载为阻感性负载)。 2.2.3 滤波电路的论证及设计 1、滤波的基本概念 滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量，又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。 2、电容滤波电路 现以单相桥式整流电容滤波电路为例来说明。电容滤波电路如图2-9所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。 图2-9 电容滤波电路 1)、滤波原理 若v处于正半周，二极管D、D导通，变压器次端电压v给电容器C充电。此时C2132 相当于并联在v上，所以输出波形同v ，是正弦波。 22 当v到达,t=,/2时，开始下降。先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负2 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 载,放电。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过,t=,/2时，正弦曲线下降的速率L 很慢。所以刚过,t=,/2时二极管仍然导通。在超过,t=,/2后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。所以在t到t时刻，23二极管导电，充电，按指数曲线,V=V按正弦规律变化;t到t时刻二极管关断，V=Vio12io下降，放电时间常数为RC。电容滤波过程见图2-10。 L 图2-10 电容滤波电路波形 需要指出的是，当放电时间常数RC增加时，t点要右移，t点要左移，二极管关断L12 时间加长，导通角减小;反之，RC减少时，导通角增加。显然。当,很小，即I很大LLL时，电容滤波的效果不好，见图2-11滤波曲线中的2。反之，当,很大，即I很小时，LL尽管C较小, RC仍很大,电容滤波的效果也很好，见滤波曲线中的3。所以电容滤波适合L 输出电流较小的场合。 图2-11 电容滤波的效果 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 2)、电容滤波电路参数的计算 电容滤波电路的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。工程上有详细的曲 线可供查阅，一般常采用以下近似估算法: 一种是用锯齿波近似表示，即 另一种是在RC=(3,5)的条件下，近似认为V=1.2V。 LO2 3)、外特性 整流滤波电路中，输出直流电压V随负载电流I的变化关系曲线如图2-12所示。 OO 图2-12 电容滤波外特性曲线 二极管反向最大名 称 V(空载) V(带载) 每管平均电流 OO电压 半波整流 I O 全波整流、电容滤* 1.2V 0.5I 2O波 桥式整流、电容滤* 1.2V 20.5I O波 桥式整流、电感滤 0.5I 0.9V O2波 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, *使用条件: 3、电感滤波电路 在大电流的情况下，由于负载电阻RL很小。若采用电容滤波电路，则电容容量势必很大，而且整流二极管的冲击电流也非常大，在此情况下应采用电感滤波。如图2-13所示，由于电感线圈的电感量要足够大，所以一般需要采用有铁心的线圈。滤波电路工作 图2-13 单相桥式整流电路 感滤波电路 原理 当流过电感的电流变化时，电感线圈中产生的感生电动势将阻止电流的变化。当通过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反，阻止电流的增加，同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中;当通过电感线圈的电流减小时，自感电动势与电流方向相同，阻止电流的减小，同时释放出存储的能量，以补偿电流的减小。因此经电感滤波后，不但负载电流及电压的脉动减小，波形变得平滑，而且整流二极管的导通角增大。 在电感线圈不变的情况下，负载电阻愈小，输出电压的交流分量愈小。只有在RL>>ωL时才能获得较好的滤波效果。L愈大，滤波效果愈好。 另外，由于滤波电感电动势的作用，可以使二极管的导通角接近π，减小了二极管的冲击电流，平滑了流过二极管的电流，从而延长了整流二极管的寿命。 2.2.4 滤波电路的选择 电容滤波电路有一下的优点:其适用于小电流负载;电容滤波电路的外特性比较软;且电路简单、体积小、成本低。但其缺点是采用它时，整流二极管中将流过较大的冲击电流。 电感滤波的优点有:整流二极管的导电角大，峰值电流小，输出特性较平坦。但其缺点是:存在铁心，笨重、体积大，易引起电磁干扰，一般只适应于低电压、大电流的场合。 综上所述，可知电容滤波器适用于大电压小电流负载，而电感滤波器适用于大电流 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 低电压负载。本设计中电源是要产生高频高压电源，因而易使用电容滤波。 2.3 DC/AC逆变电路 开关电源中的一个重要的能量转换环节是把工频整流后得到的直流电由电子开关变换成负载需要的交流电。实现这种变换可以有不同的电路结构。逆变器是将直流电变换成交流电的变换器直流变成交流的逆变过程可分为有源逆变和无源逆变。逆变器输出接到交流电网的逆变称为有源逆变;逆变器的输出直接接到交流负载的逆变称为无源逆变。本设计中所要用到的是无源逆变。 2.3.1 逆变电路的论证及设计 电源根据直流电源的性质不同，可以分为电流型、电压型逆变电路。 1、电压型逆变电路(电路图如图2-14所示) 图2-14 电压型逆变电路原理图 电压型逆变电路的基本特点: 1)直流侧并联大电容，直流电压基本无脉动。 2) 输出电压为矩形波，电流波形与负载有关。 3) 电感性负载时，需要提供无功功率。为了有无功功率通道，逆变桥臂需要并联二极管。 2、电流型逆变电路(电路图如图2-15所示) 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 图2-15 电流型逆变电路原理图 电流型逆变电路的主要特点是: 1)直流侧串联有大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。 2)电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。 3)当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流测电惑起缓冲无功能量的作用。因为反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。 从上述可得出直流边电压无脉动能输出稳定矩形波的电压型逆变电路更适合本设计的需求。 2.3.2 电压型逆变电路的原理 如图2-16所示，电压型逆变电路的特点有: 共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。 两对桥臂交替导通180?。 输出电压合电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, (a) 电压型逆变电路 (b) 电压型逆变电路波形图 图2-16 电压型逆变电路原理图 1)纯电阻负载时 同单相半桥逆变电路相比，在相同负载的情况下，其输出电压和输出电流的 幅值为单相半桥逆变电路的两倍。 2)电感负载时 0?t,T,4，T2?t?3 T,4期间，D、D导通起负载电流续流作 /sss14用，在此期间T、T均不导通。 14 2diIoomU,L,L dTdts2 RL3)阻感负载时 TTiTT0?θ?ωt期间，和有驱动信号，电流为负值，和不导通， 14O14DDuU、导通起负载电流续流作用， =+。 140d iTTθ?ωt?π期间，为正值，和才导通。 O14 TTiTTπ?ωt?π+θ期间，和有驱动信号，由于电流为负值，、不 23O23 DDuU导通，、导通起负载电流续流作用，=, 。 230d TTπ+θ?ωt?2π期间，和才导通。 23 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 2.3.3 脉宽调制(PWM)型逆变电路 逆变器是将直流变为定频定压或调频调压交流电的变换器，传统方法是利用晶闸管组成的方波逆变电路实现，但由于其含有较大成分低次谐波等缺点，近十余年来，由于电力电子技术的迅速发展，全控型快速半导体器件BJT，IGBT，GTO 等的发展和PWM 的控制技术的日趋完善，使SPWM 逆变器得以迅速发展并广泛使用。PWM 控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度和周期以达到变压目的或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术，SPWM 控制技术又有许多种，并且还在不断发展中，但从控制思想上可分为四类，即等脉宽PWM 法，正弦波PWM 法(SPWM 法)，磁链追踪型PWM 法和电流跟踪型PWM 法，其中利用SPWM 控制技术做成的SPWM 逆变器具有以下主要特点: (1)逆变器同时实现调频调压，系统的动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响。 (2)可获得比常规六拍阶梯波更接近正弦波的输出电压波形，低次谐波减少，在电气传动中，可使传动系统转矩脉冲的大大减少，扩大调速范围，提高系统性能。 (3)组成变频器时，主电路只有一组可控的功率环节，简化了结构，由于采用不可控整流器，使电网功率因数接近于1，且与输出电压大小无关。 1. PWM控制的基本原理 在采样控制理论中有一个重要的结论:冲量(脉冲的面积)相等而形状不同窄脉冲(如图2-17所示)，分别加在具有惯性环节的输入端，器输出响应波形基本相同，也就是说尽管脉冲形状不同，但只要脉冲的面积相等，其作用效果基本相同。这就是PWM控制的重要理论依据。如图2-18所示，一个正弦半波完全可以用等幅不等宽的脉冲列来等效，但必须做到正弦半波所等分的6块阴影面积与相对应的6个脉冲列的阴影面积相等， (b) (c) (a) 图2-17 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 其作用效果就基本相同，对于正弦波的负半周，用同样方法可得到PWM波形来取代正弦负半波。 在PWM波形中，各脉冲的幅值都是相等的，若要改变输出电压等效正弦波的幅值，只要安同一比例改变脉冲列中各脉冲的宽度即可。所以U直流电源采用不可控整流电路d 获得，不但使电路输入功率因数接近与1，而且整个装置控制简单，可靠性高。 (a) (b) 图2-18 PWM控制的基本原理示意图 下面分别介绍单相PWM型变频器电路的控制方法与工作原理。 电路如图2-19所示，采用IGBT作为逆变电路的自关断开关器件。设负载为电感性，控制方法可以有单极性与双极性两种。极性下面谨单PWM控制方式原理做介绍。 图2-19 单相桥式PWM变频电路 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 1) 单极性PWM控制方式工作原理 按照PWM控制的基本原理，如果给定了正弦波频率、幅值和半个周期内的脉冲个数，PWM波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确地计算出来。依据计算结果来控制逆变电路中各个开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形，但是这种计算很繁琐，较为实用的方法是采用调制控制，如图2-20所示，把所希望输出的正弦波作为调制信号u，把接受r调制的等腰三角波作为载波信号u。对逆变桥V1,V4的控制方法如下: c ?当ur正半周时，让V1一直保持通态，V2保持断态。在u与u正极性三角波交点rc处控制V4的通断，在u>u各区间，控制V4为通态，输出负载电压u=Ud。在uu各区rc0drc间，控制V3为断态，输出负载电压u=0，此时负载电流可以经过VD4与V2续流。 0 逆变电路输出的u为PWM波形，如图2-20所示，u为u的基波分量。由于在这种00f0 控制方式中的PWM波形只能在一个方向变化，故称为单极性PWM控制方式。 图2-20 单极性PWM控制方式原理波形 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 2、PWM变频电路的调制控制方式 在PWM变频器中，载波频率fc与调制信号频率fr之比称为载波比，即N=fc/fr。根据载波和调制信号波是否同步，PWM逆变电路有异步和同步调制两种控制方式，现在分别介绍如下: (1) 异步调制控制方式 当载波比N不是3的整数倍时，载波与调制信号波就存在不同步的调制，就是异步调制三相PWM，如fc=10fr，载波比N=10，不是3的整倍数。在异步调制控制方式中，通常fc固定不变，逆变输出电压频率的调节是通过改变fr的大小来实现的，所以载波比N也随时跟着变化，就难以同步。 异步调制控制方式的特点是: ? 控制相对简单。 ? 在调制信号的半个周期内，输出脉冲的个数不固定，脉冲相位也不固定，正负半周的脉冲不对称，而且半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称，输出波形就偏离了正弦波。 ?载波比N愈大，半周期内调制的PWM波形脉冲数就愈多，正负半周不对称和半周内前后1/4周期脉冲不对称的影响就愈大，输出波形愈接近正弦波。所以在采用异步调制控制方式时，要尽量提高载波频率fc，使不对称的影响尽量减少，输出波形接近正弦波。 (2) 同步调制控制方式 在同步调制控制方式中，通常保持载波比N不变，保持同步调制不变。 同步调制控制方式的特点是: ?控制相对较复杂，通常采用微机控制。 ?在调制信号的半个周期内，输出脉冲的个数是固定不变的，脉冲相位也是固定的。正负半周的脉冲对称，而且半个周期脉冲排列其左右也是对称的，输出波形等效于正弦波。 但是，当逆变电路要求输出频率fo很低时，由于半周期内输出脉冲的个数不变，所以由PWM调制而产生fo附近的谐波频率也相应很低，这种低频谐波通常不易滤波，而对三相异步电动机造成不利影响，例如电动机噪声变大、震动加大等。 为了克服同步调制控制方式低频段的缺点，通常采用“分段同步调制”的方法，即把逆变电路的输出频率范围划分成若干个频率段，每个频率段内都保持载波比为恒定，而不同频率段所取的载波比不同: 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, ? 在输出高频段时，取较小的载波比，这样载波频率不致过高，能在功率开关器件所允许的频率范围内。 ? 在输出频率为低频率段时，取较大的载波比，这样载波频率不致过低，谐波频率也较高且幅值也小，也易滤波，从而减小了对异步电动机的不利影响。 综上所述，同步调制方式效果比异步调制方式好，但同步调制控制方式较复杂，一般要用微机进行控制。也有的电路在输出低频率段时采用异步调制方式，而在输出高频率段时换成同步调制控制方式。这种综合调制控制方式，其效果与分段同步调制方式相接近。 3、SPWM波形的生成 SPWM的控制就是根据三角波载波和正弦调制波用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对功率开关器件的通断进行控制。这个任务可以用模拟电子电路、数字电路或专用的大规模集成电路芯片等硬件电路来完成，也可以用计算机通过软件生成SPWM波形。在计算机控制SPWM变频器中，SPWM信号一般由软件加接口电路生成。如何计算SPWM的开关点，是SPWM信号生成中的一个难点，也是当前人们研究的一个热门课题。感兴趣的读者可参阅有关资料及专著。 随着全控型快速半导体器件性能价格比的提高和PWM 技术的日渐完善和新技术新工艺新材料的使用，SPWM 技术将在电气传动及电力系统中得到更广泛的运用。 2.3.4 开关管的选择 1、GTO的结构及工作原理 可关断晶闸管也称门极可关断晶闸管。它是主要特点是，既可用门极正向触发信号使其触发导通，又可向门极加负向触发电压使其关断。 可关断晶闸管与普通晶闸管一样，也是PNPN四层三端器件，图2-21所示为可关断晶闸管的外形图。GTO是多元的功率集成器件，它内部包含了数十个甚至是数百个共阳极的GTO元，这些小的GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起，且每个GTO元阴极和门极距离很短，有效的减小了横向电阻因此我们可以从门极抽出电流而使它关断。 图2-21 GTO的外形 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, GTO的触发导通原理与普通晶闸管相似，阳极加正电压，门极加正促发信号后，使得GTO导通。但要关断GTO时，给门极加上足够大的负电压，可以使GTO关断。 2、大功率晶体管GTR的结构和工作原理 通常把集电极最大允许耗散功率在1W以上，或最大集电极电流在1A以上的晶体管称为大功率晶体管，其结构和工作原理都和小功率晶体管非常相似。由三层半导体、两个PN结组成，有PNP和NPN两种结构，其电流由两种载流子(电子和空穴)的运动形成，所以称为双极性晶体管。大功率晶体管的外形如图2-22所示，从图可见，大功率晶体管的外形除体积较大外，其外壳上都有安装孔或安装螺钉，便于将晶体管安装在外加的散热器上。因为对大功率晶体管来说，单靠外壳散热是远远不够的。 图2-22 GTR外形图 在电力电子中，GTR主要工作在开关状态。晶体管通常连接成共发射极电路，NPN型GTR通常工作在正偏(I> 0)时大电流导通;反偏(I< 0)时处于截止高电压状态。因此，b b 给GTR的基极施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关工作状态。 3、功率MOSFET的结构及工作原理 功率场效应晶体管是压控型器件，其门极控制信号是电压。它的三个极分别是:栅极G、源极S、漏极D。功率场效晶体管有N沟道和P沟道两种。N沟道中载流子是电子，P沟道中载流子是空穴，都是多数载流子。其中每一类又可分为增强型和耗尽型两种。耗尽型就是当栅极件电压U , 0时存在导电沟道，漏极电流I ? 0;增强型就是当U , GSDGS 图2-23 MOSFET外形图 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 0时没有导电沟道，ID , 0,只有当UGS > 0(N沟道)或UGS < 0(P沟道)才开始有ID。功率MOSFET绝大多数是N沟道增强型。这是因为电子作用比空穴大的多。MOSFET的外形如图2-23所示。 功率场效应管与小功率晶体管原理基本相同，但是为了提高电流容量和耐压能力，在芯片结构上却又很大的不同:电力场效晶体管采用小单元集成结构来提高电流容量和耐压能力，并且采用垂直导电排列来提高耐压能力。 工作原理为，D、S加正电压(漏极为正，源极为负)，U,0时，P体区和N漏极区GS 的PN反偏，D、S之间无电流通过;如果在G、S之间加一正电压U，由于栅极是绝缘的，GS 所以不会有电流流过，但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的P区表面。当U大于某一电压U时，栅极下P区表面的GST 电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型半导体反型成N型半导体而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。电压U称开启电压或阀值电压，UTGS超过U越多，导电能力越强，漏极电流越大。 T 4、绝缘门极晶体管IGBT IGBT也是三端器件，它的三个极为漏极、栅极和源极。有时也将IGBT的漏极称为集电极，源极称为发射极。IGBT比功率MOSFET多一层P+注入区，因而形成一个大面积的P+N+结J1，这样使得IGBT导通时有P+注入区向N基区发射少数载流子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。可见，IGBT是以GTR为主导器件，MOSFET为驱动器件的复合管，图2-24所示为IGBT的外形图。 图2-24 IGBT外形图 IGBT的驱动原理与功率MOSFET基本相同，它是一种呀控型器件。其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的，当UGE为正且大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流使其导通。当栅极与发射极之间加反向电压或不加电压时，MOSFET内的沟道消失，晶体管无基极电流，IGBT关断。 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 5、 开关管的选择 晶闸管具有电压高(单管可达7000V)，电流大(单管可达6000A)，可靠性高(耐过压、过流能力是目前所有电力电子器件中最强的)，没有放大区，技术成熟经济、廉价等优点，但缺点是不能通过门极(控制极)自关断，如果作为开关工作，必须在主极两端施以反压，技术上较为困难。门极可关断晶闸管GTO，解决了普通晶闸管的这些缺点。但是，GTO在解决关断问题的同时，技术上又产生新的问题，除了关断电流大，控制复杂之外，关断时产生的电流分布不均匀问题将导致器件局部剧烈发热而损坏，使GTO的可靠性降低，加之触发功率大，因此GTO一直没有得到广泛应用。 大功率三极管突出的优点是关断性好，但是，由于大功率的条件限制，问题就远没有这样简单了。大功率三极管目前普遍存在的缺点是:过电压和过电流能力差，易损坏;存在放大区，开关损耗大;存在擎住(自锁)现象，一旦发生导致器件损坏;点状芯片结构，多片并联，不能作成大面积芯片，可靠性和散热性差。因此在大功率的斩波应用中暴露出很多问题。大功率三极管GTR，曾经在早期的变频调速中应用，由于存在二次击穿等问题，很快被淘汰。 功率场效晶体管MOSFET与GTR相比，功率MOSFET具有开关速度快、损耗低、驱动电流小、无二次击穿现象等优点。它的缺点是电压还不能太高、电流容量也不能太大。所以目前只适用于小功率电力电子变流装置。 绝缘门极晶体管IGBT，是一种复合型电力电子器件。由于它结合了MOSFET和GTR的特点，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有输入通态电压低，耐压高和承受电流大的优点，这些都使IGBT比GTR有更大的吸引力。在变频器驱动电机，中频和开关电源以及要求快速、低损耗的领域。IGBT有着主导地位。 因此在本设计中是采用了综合性能比较好的IGBT，但是因为它的价钱较其它元件要高，因此增加了设备的成本。 无源逆变电压计算 Fc>>Fr Fr=10KHz Fc=150 KHz Uo=Uo1 Uo1=UdMsinαk (AV) 令M=0.9 Uo1=Mud/?2 =168V 所以改变整流控制角αUd=0,264V Uo1=0~168V 逆变电流的计算 I=U/R 01 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, =168/34.1 =4.9A IGBT转移特性 IGBT输出特性波形 IGBT型号和参数 系列 型号 Uce Ic Ic Uce(satEoff R Ir If 25Tc80) To125kw Tc25Tc c c Tc80c c 6 X11E1-pack MVI45-12T6K 12043 31 1.9 3.4 0.8 45 32 0 MVI60-12T6K 58 41 1.1 4.8 0.645 32 2 MIV80-12T6K 80 56 2.0 6.5 0.480 51 6 X113E3-pacMWI75-12T8T 1201025 1.7 9.5 0.3150 100 k 0 0 5 MWI100-12T814100 1 12 0.2200 130 T 0 5 MWI100-12T820180 1 17 0.1Thd Th T 0 8 d X130a/b/c MII130-12E4 12028200 2 20 0.1300 190 0 0 1 MII400-12E4 42300 2.2 30 0.0450 290 0 8 MID400-12ES 42300 2.2 30 0.0450 290 0 8 结论 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 说以本设计选用X111E1-PACK系列，MVI45-12T6K型号的IGBT。保护电路用IN4007 的二极管。 2.4 LC滤波电路 图2-25 滤波器电路图 滤波器输出设计,如图2-25所示 设:F为逆变器输出频率(10KHz).Fk最低次谐波电压频率(30 KHz)。 Fc滤波器的截至频率。 BO-BOFc=2Fk/(EE) Bo=lnUkim/Ukom Ukim:滤波器输入端最低次谐波的电压幅值 Ukom:滤波器输出端最低次谐波的电压幅值 F=10KHz Fk=30KHz (Fc《FK) 设Ukim=10V Ukom=3V Bo=lnUkim/Ukom =1.204 BO-BOE=E=3.333+0.2999 =3.6329 Fc=2×30/3.6329 =16.5KHz 元件的计算 2 LoCo=1/(2πf) 2 Lo/Co=(0.5,0.8R) 2 选择Lo/Co(0.6R) Lo=0.6R/22πf 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, Uo1=168V 令150V K=150/1000 =0.15 2R=KRL 2=0.15×100MΩ =2.25MΩ 3 Lo=0.6×2.25K/2π×16.5×10 =13mH 2 Co/Lo=1/(0.6R) Co=0.07uf 滤波器输出电压 设CoR并联谐振为Z2 Z=Z+Z12 =JWLo+Z2 Z=R*1/JWCo/R+1/JWCo 2LL 将R=37Ω Co=0.43uf L 解:Z=33.5(1-J0.999148) L 4-3Z=J2π*10*0.214*10 1 =J13.446 U=Z/(Z+Z)*U22121 Z/(Z+Z)=33.5(1-50.999148)/J13.446+33.5(1-J0.999148) 212 =33.5(1-J0.999148)/33.5+J(1-33.5*0.999148) =33.5(1-J0.999148)/33.5-J20.025 =1-J0.999148/1-J0.5977612 =1-J0.999148/1-J0.59777 =(1-J0.999148)(1+J0.5977)/(1-J0.59777)(1+J0.5977) =1+0.597190-J0.401448/1.35733 =1.59719-J0.401448/1.35733 Z/(Z+Z)=1.21331 212 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, U=1.21331*168=201V 2 结论 电容选择CY22/23-4，电感选择SDCL2012-D TYPE。 2.5 高频升压电路 2.5.1 变压器的概述 变压器的最基本型式，包括两组绕有导线之线圈，并且彼此以电感方式称合一起。当一交流电流(具有某一已知频率)流于其中之一组线圈时，于另一组线圈中将应出具有相同频率之交流电压，而感应的电压大小取决于两线圈耦合及磁交链之程度。 一般指连接交流电源的线圈称之为「一次线圈」(Primamary coil);而跨于此线圈的电压称之为「一次电压」。在二次线圈的感应电压可能大于或小于一次电压，是由一次线圈与二次线圈问的「匝数比」所决定的。因此，变压器区分为升压与降压变压器两种。 大部份的变压器均有固定的铁心，其上绕有一次与二次的线圈。基于铁材的高导磁性，大部份磁通量局限在铁心里，因此，两组线圈藉此可以获得相当高程度之磁耦合。在一些变压器中，线圈与铁心二者间紧密地结合，其一次与二次电压的比值几乎与二者之线圈匝数比相同。因此，变压器之匝数比，一般可作为变压器升压或降压的参考指标。由于此项升压与降压的功能，使得变压器已成为现代化电力系统之一重要附屑物，提升输电电压使得长途输 送电力更为经济，至于降压变压器，它使得电力运用方面更加多元化，吾人可以如是说，倘无变压器，则现代工业实无法达到目前发展的现况。 2.5.2 变压器的原理 1.变压器的制作原理: 图2-26是电源变压器的原理图，当一个交流电压U1 加在初级线圈两端时，导线中就有交变电流I1并产生交变磁通ф1，它沿着铁心穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路，在次级线圈中感应出互感电势U2，同时ф1 也会在初级线圈上感应出一个自感电势E1，E1 的方向与所加电压U1 方向相反而幅度相近，从而限制了I1的大小。为了保持磁通ф1 的存在就需要有一定的电能消耗，并且电源变压器本身也有一定的损耗，尽管此时次级没接负载，初级线圈中仍有一定的电流，这个电流我们称为“空载电流”。如果次级接上负载，次级线圈就产生电流I2，并因此而产生磁通ф2，ф2 的方向与ф1相反，起了互相抵消的作用，使铁心中总的磁通量有所减少，从而使初级自感电压E1 减少，其结果使I1增大，可见初级电流与次级负载有密切关系。当次级负载电流加大时I1 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 增加，ф1 也增加，并且ф1 增加部分正好补充了被ф2 所抵消的那部分磁通，以保持 铁心里总磁通量不变。 图2-26 变压器原理图 2.5.3 变压器的设计 根据“电力电子设备设计和应用手册”，王兆安、张明勋主编，进行高频升压变压器 的设计。 1. 变压器设计的前提 根据图2.53可得以下公式: 1RL，jwc0 1RL，jwc0U, 01RL，jwc0jwL，01RL，jwc0 U,180V 0 U,150V i 2. 变压器的设计 1)、输入给定 Ii,7AU,180V i f,10kHz 0 U,10kVI,7A 00 ,,0.5 ,,1,,,，P1P 36 t0,,,,, 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 2)、计算变压器总功率 其中:变压器效率η=0.8 输出功率 P,1KW0 P,2250Wt 3)、确定工作磁感应强度 ,Bm(T) 选择E、E型磁芯材料(R2KB);选双极性变压器 ,Bm=0.4T 4)、确定电流密度系数Kj 查表18-18，得允许温升25?，Kj=366 5)、确定窗口填充系数αT 一般在0.2,0.4之间，选α=0.3 6)、计算乘积 AP 按式18-128计算 4,,,P，101t,, A,，p,,f，,T，Kj，,B1，,,, χ:由磁芯决定的常数，见表18-18，χ=-0.12 4,,0.5，225，101,,A,，p4,,1,0.1210，0.3，366，0.4,, ,39.86 4,40cm 查表18-15得到磁芯尺寸，如图2-27所示 02.40 L,85l,55l,28,,1.63.40 1.20H,42 h,29B,28,01.6 l,187.9A,7.74 A,7.217A,55.86euzP 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 图2-27 双E型磁芯图 7).计算原、副线圈的匝数 8)、计算电流有效值 I,7A1 I,0.1A2 9)、电流密度计算J 依照18-127 xJ,kjAp 0.122,,366，56Acm 2,225Acm 2,2.25Amm 10)、导线面积计算 I721A,,,3.1mm 11J2.25 I0.1222A,,,0.044mm,0.1mm 12J2.25 11)、取导线直径,,0.3mm ,22A,,,0.076mm 4 12)、计算导线根数 A3.111n,,,43根,45根 1A0.0706 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, A0.04422n,,,0.6根,1根 2A0.07.6 13)、平均匝数 L，B85，28 l,，4,，4,226mm1122 14)、导线长度 l,N，l,30，226,6780mm,7m1111 l,Nl,Nl,1700，226,384m2221211 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 第3章 控制保护电路的论证及设计 3.1 整流逆变控制电路 3.1.1 单结晶体管触发电路 要使晶闸管导通，除了加上正向阳极电压外，还必须在门极和阴极之间加上适当的正向触发电压与电流。为门极提供触发电压与电流的电路称为触发电路。对晶闸管触发电路来说，首先触发信号应该具有足够的触发功率(触发电压和触发电流)，以保证晶闸管可靠导通;其次触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿要陡峭;最后触发脉冲必须与主电路晶闸管的阳极电压同步并能根据电路要求在一定的移相范围内移相。 图3-1所示为全控整流中的单结晶体管触发电路，其方式采用了单结晶体管同步触发电路，其中单结晶体管的型号为BT33。 图3-1 全控整流中的单结晶体管触发电路 当把单结晶体管触发电路用于可控整流电路时，主电路中的晶闸管在每次承受正向电压的半周内， 接受第一个触发脉冲的时刻应该相同。如果在电源电压每个正半周的控制角α不同，输出电压平均值就会不稳定，使发出触发脉冲的时间与电源电压互相配合，称为触发电路与主电路同步。 在图3-1中，主电路和触发电路通过变压器都取自同一个交流电源，这样就保证了两者电压的频率相同，而且同相。在触发电路中，变压器副边电压经单相桥式整流后得到电压u，再经电阻R1和稳压管D2组成的稳压电路，在稳压管D2两端得到一个近似的 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 梯形波Uz。梯形电压供给RC电路充电。当uc上升到单结晶体管的峰点电压Up时，单结晶体管导通，使电容器上的电荷经R1迅速放电，而在R1两端产生第一个尖脉冲电压。当uc低于谷点电压Uv时，单结晶体管回复截止。电容器再次充、放电，产生第二个尖脉冲电压，当因此在一个梯形波内产生一组脉冲，并在梯形波电压降到零时，电容器上的电荷也放完。这一组脉冲中的第一个用于触发晶闸管。当第二个梯形波开始后，又从头开始产生第二组脉冲。显然每组脉冲的第一个脉冲发出的时间都相同，，即α1=α2=α3=„。因此负载RL上得到可控全波电压uo。电路中各处的电压波形如图3-2所示。 下面说明图3-1电路中的几个元件的作用。 (1) 稳压管的削波作用:稳压管将整流所得的全波电压u削去顶上一块，得到近似的梯形波uz。顶部稳定的电压uz使单结晶体管输出的脉冲幅度和每半周产生第一个脉冲的时间不受电网电压波动的影响。 图3-2 电路中各处的电压波形 (2) 变压器的同步作用:通过变压器将触发电路与主电路接在同一电源上，每当主电路的交流电源电压过零值时，稳压管上的电压uz也过零值，两者同步。因此变压器又称为同步变压器。在uz过零值时，单结晶体管两基极间的电压UBB也为零。这时电容C上如果还有电荷，它将向R1很快放掉，保证电容C在每一个半波开始时从零开始充电，使每个半周产生第一个脉冲的时间保持不变，从而使晶闸管的导通角和输出电压平均值保持不变。 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, (3) 改变Rp的移相作用:如欲调节输出电压的大小，可以通过改变Rp的大小，即改变电容器充电时间常数来实现。若使电位器Rp阻值减小，C的充电变快，因而每半周出现一个脉冲的时间前移，即α角减小，θ角增大，输出电压的平均值随之变大。所以，改变Rp可以移相，调整输出电压。 3.1.2 SPWM产生电路 1. LM4651的引脚功能 图3-3 28脚DIP封装的LM4651 LM4651是美国国家半导体公司推出的新型集成电路芯片, LM4651采用28脚塑料封装,图3-3为LM4651封装顶视图。 LM4651是一种PWM控制/驱动器IC,内置振荡器、PWM比较器、误差放大器、反馈测量放大器、数字逻辑与保护电路及驱动器等,表1列出了LM4651的引脚功能。 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 表1 LM4651的引脚功能 脚号 引脚符号 功 能 描 述 1 OUT1 输出到功率MOSFET栅极驱动电路的基准脚 1,27 BS1,BS2 为驱动上面的栅极HG1、HG2提供额外偏置的自举脚 3 HG1 半桥中#1高端栅极驱动输出 4 HG2 半桥中#2高端栅极驱动输出 5,15 GND 模拟地 6 +6VBYP 模拟电路内部调节正电压输出,该脚仅用作内部调整器旁路 7 +Vcc IC正电源电压输入 8 -6VBYP 模拟电路内部调节负电压输出,该脚仅用作内部调整器旁路 9 FBKVo 反馈测量放大器输出脚 10 ERRIN 误差放大器反相输入脚。该脚上的输入音频信号与反馈信号相加 11 ERRVo 误差放大器输出脚 12 TSD 热关闭输入脚,连接LM4652的热关闭输出 13 STBY 待机功能输入脚 14 FBK1 反馈测量放大器,该脚必须连接到来自VO1(LM4652脚15)的反馈滤 波器 16 OSC 开关频率振荡脚,调节电阻从15.5kΩ到0Ω变化,开关频率从75kHz 到225kHz变化 17 Delay 延迟时间调整脚 18 SCKT 短路设定脚,最小设定值是10A 19 FBK2 反馈测量放大器脚,该脚必须连接到来知VO2(LM4652的脚7)的反馈 滤波器 20,21 -VDDBYP 供数字单元电路使用的调整器输出,该脚仅作旁路用 22,23 -VEE IC负电源电压 24 START 启动电容输入脚。可调节调制器的诊断时序启动时间 25 LG1 半桥中#1低端栅极驱动器输出 26 LG2 半桥中#2低端栅极驱动器输出 28 OUT2 输出到功率MOSFET栅极驱动器电路的基准脚 2、主要参数及特点 1)、主要参数 a.极限参数 LM4651的最高电源电压为?22V,其功耗为1.5W,最高结温为150?,工作温度范围为 -40,+85?。 b.电气特性 LM4651的总静态电流为36mA,待机状态时的输入电压(典型值)为2V,开关频率范围 (在Rosc从15kΩ变为0Ω时)为65,200kHz,死区时间为27ns,调制保护时间(典型 值)为310ns。 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 2)、主要特点 LM4651的主要特点如下: ?具有常规的脉冲宽度调制(LM46451); ?开关频率外部可控,范围为75,200kHz; ?内含集成误差放大器和反馈放大器; ?可导通软启动和欠电压闭锁; ?具有过调制保护(软削波)功能; 3、原理和应用电路 1)、待机(Standby)功能 LM4651的CMOS兼容性允许通过关闭脉冲宽度波形去关断所有功率MOSFET。由于待机状态关闭了脉冲宽度波形,其音东衰减大于120dB,因 而EMI被限制到最小限度,当脚13不逻辑“1”功5V时,待机功能有效;脚13为逻辑“0”或0V时,待机无效,允许利用输入信号调制。 2)、启动程序和定时 LM4651具有内部软启动功能,该软启动功能可保证系统的可靠和协调启动,从而使导通喇叭声(thump)或彭彭声(pop)减到最小。在启动周期内,系统保持待机模式。启动时间的调节可通过连接到START脚的电容(CSTSRT)来控制。 3)、过调制保护 当输入信号幅值高于内部三角波时,过调制条件发生,如果缺少过调制,将导致功率MOSFET永久性毁坏。在正统波顶部,过调制保护还提供一个软削波(soft clip)型响应。对于给定的相同的电压和负载,这种限幅将使输出功率降低。 4)、反馈放大器和滤波器 反馈放大器用来进行差动取样输出信号并为误差放大器提供一个单端反馈信号,反馈信号直接取自LC滤波器之前的开关输出,从而避免了输出滤波器引起的相移。来源于桥式输出的差动信号经单极点或双极点的RC滤波器进入到作为反馈放大器使用的高输入阻抗测量放大。反馈测量放大器的内部固定增益为1。 5)、电流限制和短路保护 连接在SCKT脚与GND之间电阻RSCKT用来决定最大输出电流。一旦输出电流高于设定限制,短路保护将关断所有功率MOSFET。 电流限制最小设备在10A,但调节RSCKT数值可以适当使电流增大,在输出端短路或场声器失效(出现短路)的情况下,IC将执行安全保护功能。 6)、死区时间设定 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, LM4651上的DELAY脚可用来设定系统死区时间。所谓死区时间是指LM4652中一对MOSFET在另一对MOSFET导通前被关断的时间间隔。增加死区时间将减小贯通(Shoot through)电流,但同时也会增大THD。随着所希望的工作带的增加,死区时间应当减小。调节电阻RDLY,可改变死区时间,关系如下: TDLY=1.7×10 12(500+RDLY) 通常RDLY的推荐值为5kΩ。TDLY的单位为秒。 7). 误差放大器 音频输入信号与来自输出的反馈信号在误差放大器上相加。放大器增益由外部电阻RF和R1决定。并联反馈电容CF和电阻RF组成低通滤器,可用于限制输入音频信号和反馈信号的频率含量。 图3-4 LM4651的原理图 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 4)、 逆变计算原理 调制比M: M=Urm/Ucm Urm:调制正弦波的幅值 Ucm:调制三角波(载波)幅值 输出原理 输出电压Uo的基波频率F1等于正弦波(调制)的频率Fr，输出电压的大小，由调制比M决定，是一个半波对称的齐函数，用傅立叶级数展开 Uo=?BnSinNωt n=1.3.5„„ πBn=2/π?UoSinNωtd(ωt) 0 =2Ud/Nπ(cosNσ-cosNσ„„+cosNσ cosNσ) 121314 基波有效值 Uo1=?2Ud/Nπ(cosNσ-cosNσ„„+cosNσ cosNσ) 121314 N次谐波的有效值 Uon=?2Ud/Nπ(cosNσ-cosNσ„„+cosNσ cosNσ) 121314 平均值模型分析法 当Fc>>Fr时，输出电压Uo在一个周期Tc中的平均值，可以近似的看成输出电压基波电量的瞬时值。Uo= Uo1 当Fc>>Fr (AV) 图3-5 SPWM波形图 如图所示，每个载波周期Tc有一个脉冲电压，其宽度为τ。则脉冲电压在一个载波周期中的平均值为Ud/Tc。因为脉冲数是很多的，在一个载波周期正弦波的Ur=Ursinωt，变比很小，设其中心点αK的相位角为αK，则在一个载波中可以认为Ur为恒值，即Ur=Urmsinωt可得 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, τ/2/Tc/2=ED/EB =Ur/Ucm =Urmsinω/ Ucm 周期比K个脉冲电压的平均值: Udτ/ Tc= Urmsinω/ Ucm 由Uo=U01 (Fc>>Fr)和M=Urm/Ucm (AV) 瞬时值 U01=Udτ/Tc =Ud *Urm/Ucm*sinαk = UdM sinαk 在SPWM调制方式下逆变输出电压的基波的有效值 U01=M Ud/?2 改变调制比M，即改变正弦波的调制信号的幅值Urm就可以调控输出基波电压值。当调制比M大于或等于1时输出电压基波的幅值与调制比成正比，呈现严格的线性关系，此时SPWM控制的单相逆变电路输出的最大电压幅值为Ud，最大有效值为Ud/?2=0.707ud. 由U01=Udτ/Tc =Ud *Urm/Ucm*sinαk = UdM sinαk 可以看出输出电压的频率相位就是由正弦波调制信号来调控的。 方案论证 (1)结构简单紧凑，可在一个功率级内产生峰值高于或低于输入直流电压的交流电压。 (2)实现了所有开关的零电流开通和辅助开关的零电流关断，降低了开关损耗，提高了逆变效率。 (3)所提的改进SPWM控制，消除了传统的SPWM方法由于线性近似所带来的波形畸变 3.2 RC串并联式正弦波振荡电路 3.2.1. RC串并联网络的选频特性 RC串并联网络由R2和C2并联后与R1和C1串联组成, 如图3-6 所示。 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, ， R1Z1 C.1 U1， .ZRC222 U2 ,, 图 3-6 RC串并联网络 设R1、 C1的串联阻抗用Z1表示, R2和C2的并联阻抗用Z2表示, 那么 1Z,R，11,jC1 R2Z,21，j,CR22 ，，，输出电压与输入电压之比为RC串并联网络传输系数, 记为F, 则 UU21 R2,,,UZ1，jCR2222F,,, ,1RZ，Z212UR，，11j,C1，j,CR122 1,RC112,(1，，)，j(RC,) 12RC,RC2121 在实际电路中取C1=C2=C, R1=R2=R, 则上式可简化为 ,1F, 1,3，j(RC,),RC 1,,,2f,00RC令 1,f02,RC 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, ,11FF,,, 幅频特性 ,,122220,RC3，(,)3，(,)RC,,,0 ,,10,,RC,,,,RC0arctanarctan 相频特性 ,,,,,F33 1由上式可得:当时，, F,,,,,,0:0F3 当时， ,,,,F,0,,,90:0F 当时， ,,,,F,0,,,90:0F 幅频特性和相步进特性曲线如图3-7所示: 图3-7 幅频特性和相步进特性曲线 3.2.2 RC串并联式正弦波振荡电路 1) 电路组成 图3-8为集成运放构成的RC桥式正弦波振荡电路， 其中的放大电路是由集成运放 构成的同相比例电路。 RC串并联网络的输出端接在集成运放的同相输入端， 将反馈信 号送给放大电路。 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 图3-8 集成运放构成的RC桥式正弦波振荡电路 2)振荡频率 3)起振条件 当R2 = 2R1 时， A = 3，则AF=3 ×1/3 =1 ，满足自激振荡的幅值条件。若R2 > 2R1 ，则AF >1，可以满足自激振荡的起振条件。 4)常用的稳幅措施 (1)采用热敏电阻 (2)利用二极管的非线性实现自动稳幅，如图3-9所示 集成运放A:R放大网络 C ? RC串并联网络:， 正反馈、选频网络，uAo, V1RC R2 Rf VV:1、2R1V稳幅环节2 图3-9 采用二极管的非线性实现自动稳幅 (3)采用场效应管进行自动稳幅 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 图3-10 采用场效应管进行自动稳幅的RC串并联式正弦波振荡电路 -123 设C=1000P F ，f=10kHz，R=1/(2π*1000*10*10*10)=16kΩ K=RF/Rf=3， RF =10 kΩ，Rf=R3+RG， R3=2.2 kΩ 令RG=0.5,1 kΩ，W4=500 kΩ，R5=470 kΩ，R=1 kΩ。 放大器选用结型场效应管为输入端的运算放大器CA3140。整流二极管用1N34A，稳压管用2CW21C。电容器为0.01F。作交流动态电阻用的结型场效应管为3DJ2E。这是一个N沟道耗尽型器件。其特性如图3-11所示: 图3-11 结型场效应管的动态电阻特性 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 3.3 相应的显示电路及辅助电路 3.3.1 频率表的选择 CSF-400 4位数字式频率表 , 测量频率 , 精度: ?0.05% , 位 数字显示: 9999 , 容易接线, 螺丝固定端子 , 稳定性高 & 可靠度佳 , 外型尺寸欧规标准 1/8 DIN (96x48mm) 测量数据: 测量范围 分辨率 输入阻抗 频率 9999Hz 1Hz ?1 MΩ 技术规格 测量精度 ?0.05% F.S.?1 digit 测量范围 通过选择PCBA板后面的焊点短接设定 最高点校正 不可调校 零点校正 不可调校 取样时间 大约1次/秒 反向显示 “ 0 ”指示 过载输入能力 电压:1.2倍额定输入(连续)讯号 1.5倍额定输入(连续)讯号 10秒 小数点 订购时请指定 操作温度 0 , 60 ? 操作相对湿度 20 , 95 % RH 温度系数 ?100 PPM/? (0,50?) ?50 PPM/? (23?3?) 库存温度 -10 , 70 ? 工作电源 AC:115/230V?10%, 50/60Hz 特殊规格: DC 12V,24V,48V ?10%(隔离) 消耗功率 DC: 3W , AC: 4.5VA 隔离强度 AC 2.0KV for 1 分钟(介于电源/输入) AC 3.0KV for 1 分钟 (介于螺丝端子/机壳) 重量 大约350g 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 3.3.2 输出电压显示仪的选择 CS149-20A 型数字高压表: 电压、电流为4 1/2 数显 真有效值测量 测量精度高且稳定 适合各波形测量 技术指标: 测量范围输入电阻 准确度 外形尺寸 型号Model MeasuringVoltageRangeInput ResistanceAccuracyDimension LxHxW(mm) ?(1%+5 CS149-20A 1000~20000V(AC/DC) 1000MΩ 310x130x350 digits) 3.4 辅助电源 设计电路如图3-12所示 图3-12 辅助电源原理图 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 图3-13 LM7815 变压器的计算 用100VA的IE铁心.0.51的漆包线，220V的市电一次绕组是584匝.已知二次电压 40V计算N。 2. 1、变压器匝数的计算 U/U=N/N 1212 220V* N=40V*584 2 =106 2、变压器电流的计算 I/I=N/N1212 I=1.3A 2 整流后电压 Uo=0.9U2 =36v 整流后电流 I=0.9 U/R 2L =0.16mA 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 表2 LM7815参数 结论 变压器选择的二次电压为40V，二次绕组106匝的变压器。整流二极管是IN4001，整流后36V。电源选用LM7815，输出电压15V。 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 系统总设计图 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 元器件清单 序号 名称 符号 型号 数量 1 二极管 VD1-VD4 IN4007 4 2 二极管 VD5-VD8 IN4001 4 3 二极管 VD10 IN34A 1 4 二极管 VD12-VD15 IN4007 4 5 稳压管 VD9 2CW64 1 6 稳压管 VD11 2CW21C 1 7 晶闸管 VT1-VT4 KP50 4 8 IGBT V1-V4 MVI45-12T6K 4 9 单结晶体管 V5 BT35 1 10 单结晶体管 V6 3DJ2E 1 SDCL2012-D 11 电感 L 1 12 电容 C1 CY22/23-6 1 13 电容 C2 CY22/23-4 1 14 电容 C3 0.15μF 1 15 电容 C4 1000pF 2 16 电容 C5 0.01μF 1 17 电容 C 0.1μF 1 BT 18 电容 C 0.1μF 5 B1 19 电容 C 0.001μF 1 B3 20 电容 C 470pF 1 F 21 电容 C 1μF 1 IN 22 电容 C 1.5μF 1 START 23 电容 C 330pF 2 FL1 24 电容 C 100pF 2 FL2 25 电阻 R1 2.25kΩ 1 26 电阻 R2 2kΩ 1 27 电阻 R3 510Ω 1 28 电阻 R4 100Ω 1 29 电阻 R5 200kΩ 1 30 电阻 R6 16kΩ 1 31 电阻 R7 10kΩ 1 32 电阻 R8 2.2kΩ 1 33 电阻 R9 470kΩ 1 34 电阻 R10 500kΩ 1 35 电阻 R12 61kΩ 1 36 电阻 R13 25kΩ 1 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 序号 名称 符号 型号 数量 37 电阻 R14 25kΩ 1 38 电阻 R 18MΩ 1 OFFSET 39 电阻 R 100kΩ 1 F 40 电阻 R 39kΩ 1 SCKT 41 电阻 R 5kΩ 1 DLY 42 电阻 R 4kΩ 1 OSC 43 电阻 R 620kΩ 2 FL1 44 电阻 R 62kΩ 2 FL2 45 集成电路 LM4651 1 46 集成电路 LM7815 1 47 集成电路 CA3140 1 48 数字频率表 CSF-400 1 49 数字高压表 CS149-20 1 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 参考文献 [1] 王兆安，黄俊。电力电子技术第四版。北京:机械工业出版社，2000 [2] 王维平,现代电力电子技术及应用。南京:东南大学出版社，1999 [3] 叶斌,电力电子应用技术及装置。北京:铁道出版社，1999 [4] 郑宏婕,电力电子技术。北京:科学普及出版社，1993 [5] 赵炳良,现代电力电子技术基础。北京:清华大学出版社，1995 [6] 南本一幸编;耿连发等译，电力电子学。北京:科学出版社，2001 [7] 陈渝光，电气自动控制原理与系统。北京:机械工业出版社，2000 [8] 张莹，电力电子技术。北京:高等教育出版社，2006 [9] 莫正康，半导体变流技术，2版。北京:机械工业出版社，2003 [10] 曲学基、王增福、曲敬铠，新编高频开关稳压电源。北京:机械工业出版社， 2005 [11] 陈梓城，模拟电子技术基础。北京:高等教育出版社，2003 [12] 张润和，电力电子技术及应用。北京:北京大学出版社，2005 [13] 电力电子技术，2006第40卷第4期 [14] 王兆安、张明勋，电力电子设备设计和应用手册，-2版。北京，机械工业出版 社，2006 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 致 谢 经过一个学期的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个在校专科生的毕业设计，由于缺乏理论知识和各方面经验的，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有各位老师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。在这里首先要感谢我的指导老师邓久山老师。邓老师年事已高且平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从开始的查阅资料到设计草案的确定，中期的检查和修改，后期总体设计等整个过程中都给予了我悉心的指导。这次我的设计较为复杂烦琐，设计过程中遇到了不少困难，邓老师还是耐心的指导我解除困难。除了敬佩邓老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。另外，我还要感谢那些曾给我教过课的每一位老师，是你们教会我专业知识，这不仅仅对我的毕业设计有很大的帮助。在将来的工作中会有着更重大的意义。在此，我再说一次谢谢～谢谢大家～～～ 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 附 录 一、CSF-400 4位数字式频率表 测量数据 测量范围 分辨率 输入阻抗 99.99 Hz 0.01 Hz ?1 MΩ 频999.9 Hz 0.1 Hz ?1 MΩ 率 9999 Hz 1 Hz ?1 MΩ 技术规格 测量精度 ?0.05% F.S.?1 digit 测量范围 通过选择PCBA板后面的焊点短接设定 最高点校正 不可调校 零点校正 不可调校 取样时间 大约1次/秒 反向显示 “ 0 ”指示 过载输入能力 电压:1.2倍额定输入(连续)讯号 1.5倍额定输入(连续)讯号 10秒 小数点 订购时请指定 操作温度 0 , 60 ? 操作相对湿度 20 , 95 % RH 温度系数 ?100 PPM/? (0,50?) ?50 PPM/? (23?3?) 库存温度 -10 , 70 ? 工作电源 AC:115/230V?10%, 50/60Hz 特殊规格: DC 12V,24V,48V ?10%(隔离) 消耗功率 DC: 3W , AC: 4.5VA 隔离强度 AC 2.0KV for 1 分钟(介于电源/输入) AC 3.0KV for 1 分钟 (介于螺丝端子/机壳) 重量 大约350g 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, 选型资料 CSF-400 输入规格-输入振幅-工作电源 输入规格 输入振幅 工作电源 CODE 输入规格 CODE 输入范围 CODE 工作电源 A 0,99.99 1 AC 2,200 A AC Hz V 115/230V B 0,999.9 2 AC 30,D12 DC 12V Hz 600 V C 0,9999 Hz 3 AC 5 V D24 DC 24V O 特殊规格 4 AC 12 V D48 DC 48V 5 AC 24 V O 特殊规格 0 特殊规格 二、CS149-20A型高压电表介绍: 技术指标: 型号Model CS1940 CS149-20A CS149-30A 测量范围500~10000V(AC/D1000~20000V(AC/D1000~30000V(AC/DMeasuringVoltageRange C) C) C) 输入电阻 1000MΩ 1000MΩ 1000MΩ Input Resistance 准确度 ?(1%+5 digits) ?(1%+5 digits) ?(1%+5 digits) Accuracy 外形尺寸 240x180x140 310x130x350 310x130x350 Dimension LxHxW(mm) 结束 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, ….o---o…..o Aqwsedbg 36 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计,论文, word 36