中频电源的设计开题报告

毕业设计开题书学院名称：自动化学院专业名称：电气工程及其自动化专业班级：电气1101班学生姓名：报告日期：2014年12月31日课题名称：中频电源的设计一．中频电源的发展中频电源主要在感应加热、感应熔炼等领域有广泛的应用，首先查询资料对中频电源的应用进行学习。（一） 中频感应加热中频感应加热具有加热速度快、节约能量、不氧化脱碳、不污染环境以及生产效率高等多方面优点，这些优越性被热处理工作者一致认同，因而近十几年来发展很快。　　50年代初、中期随着“一汽”和“一拖”的建设，从苏联引进一批中频热处理设备，总共20台左右，另有极少数的捷克设备。国人从此认识了感应热处理。50年代末期国内有几家工厂先后开发了中频电源设备，还了解到比如天津广播器材厂和北京广播器材厂开发了电子管高频设备；湘潭电机厂和锦州电机厂开发了机械式中频发电机；大约60年代中期天津劳动局技工学校开始生产简易的淬火机床。他们开启了我国自行研发和生产感应热处理设备的先河。　　中频电源设备是中频感应加热的关键设备。目前我国热处理行业除最古老的火花间隙式高频电源没有使用外，其他几种电源都在使用，其中机式中频发电机和电子管式高频电源尽管落后，在某些地区或工厂，仍是主力生产设备。（二）中频电源相关应用：中频电炉随着我国钢铁工业的发展，炼钢企业陆续开始采用大功率的中频炉炼钢，中频电源作为其生产装置的主要组成部分而得到了广泛的应用。中频冶炼技术主要应用于炼钢行业，其一方面减少了钢铁行业的污染和能源损耗，可以改善了钢铁工人的工作环境，能够产生了较高的经济效益和社会效益；而一方面，由于中频电源整流和逆变设备的非线性，使电网中出现了大量的谐波，使用电设备和电网本身的安全都受到威胁，电力用户的经济效益也会受到影响。（三）中频电路的发展中频感应炉主要电路为AC-DC-AC变频结构，由整流电路、滤波、逆变电路和保护电路组成。其工作原理是将三相50Hz工频交流电经过三相全控整流桥整流成电压可调的中频电源脉动直流，再通过电容将脉动的直流电滤波变成光滑平稳的直流电送到单相逆变桥，最后通过逆变桥将直流电变成单相频率可调的中频交流电供给负载。二．课题初步2.1本课题要具备的知识储备（1）熟悉开关电源原理（2）常用电子器件的基本功能（3）单片机编程能力（4）硬件和软件设计能力2.2相关知识背景资料2.2.1开关电源原理开关电源就是利用电子开关器件，如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等，通过控制电路，使电子开关器件不停地“接通”和“关断”，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现DC/AC、DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。　　开关电源一般有三种工作模式：频率、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式，频率、脉冲宽度可变模式。前一种工作模式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作模式多用于开关稳压电源。另外，开关电源输出电压也有三种工作方式：直接输出电压方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压方式。同样，前一种工作方式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作方式多用于开关稳压电源。　　根据开关器件在电路中连接的方式，目前，比较广泛使用的开关电源，大体上可分为：串联式开关电源、并联式开关电源、变压器式开关电源等三大类。其中，变压器式开关电源还可以进一步分成：推挽式、半桥式、全桥式等多种；根据变压器的激励和输出电压的相位，又可以分成：正激式、反激式、单激式和双激式等多种；如果从用途上来分，还可以分成更多种类。开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。 与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组数。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。 控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。熟悉开关电源的基本原理是基本要求。2.2.2常用电子器件及其功能电子元器件是元件和器件的总称。电子元件：指在工厂生产加工时不改变分子成分 的成品。如电阻器、电容器、电感器。因为它本身不产生电子，它对电压、电流无控制和变换作用，所以又称无源器件。电子器件：指在工厂生产加工时改变了分子结构的成品。例如晶体管、电子管、集成电路。因为它本身能产生电子，对电压、电流有控制、变换作用（放大、开关、整流、检波、振荡和调制等），所以又称有源器件。按分类标准，电子器件可分为12个大类，可归纳为真空电子器件和半导体器件两大块。电子元器件发展史其实就是一部浓缩的电子发展史。电子技术是十九世纪末、二十世纪初开始发展起来的新兴技术，二十世纪发展最迅速，应用最广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。电子元器件行业主要由电子元件业、半导体分立器件和集成电路业等部分组成。电子元器件包括：电阻、电容器、电位器、电子管、散热器、机电元件、连接器、半导体分立器件、电声器件、激光器件、电子显示器件、光电器件、传感器、电源、开关、微特电机、电子变压器、继电器、印制电路板、集成电路、各类电路、压电、晶体、石英、陶瓷磁性材料、印刷电路用基材基板、电子功能工艺专用材料、电子胶（带）制品、电子化学材料及部品等。电子元器件在质量方面现在国际上面有中国的CQC认证，美国的UL和CUL认证，德国的VDE和TUV以及欧盟的CE等国内外认证，来保证元器件的合格。几种常见的电子器件常用电子元器件介绍（一）电阻　　电阻在电路中用“R”加数字示，如：R15表示编号为15的电阻。电阻在电路中的主要作用为分流、限流、分压、偏置、滤波（与电容器组合使用）和阻抗匹配等。　　1、参数识别：电阻的单位为欧姆（Ω），倍率单位有：千欧（KΩ），兆欧（MΩ）等。换算方法是：1兆欧=1000千欧=1000000欧电阻的参数标注方法有3种，即直标法、色标法和数标法。　　a、数标法主要用于贴片等小体积的电路，如：472表示47×102Ω（即4.7K）；104则表示100K　　b、色环标注法使用最多，现举例如下：　　四色环电阻五色环电阻（精密电阻）　　2、电阻的色标位置和倍率关系如下表所示：颜色有效数字倍率允许偏差（%）　　银色/10-2±10　　金色/10-1±5　　黑色0100/　　棕色1101±1　　红色2102±2　　橙色3103/　　黄色4104/　　绿色5105±0.5　　蓝色6106±0.2　　紫色7107±0.1　　灰色8108/　　白色9109+5至-20　　无色//±20（二）电容　　1、电容在电路中一般用“C”加数字表示（如C25表示编号为25的电容）。电容是由两片金属膜紧靠，中间用绝缘材料隔开而组成的元件。电容的特性主要是隔直流通交流。　　电容容量的大小就是表示能贮存电能的大小，电容对交流信号的阻碍作用称为容抗，它与交流信号的频率和电容量有关。　　容抗XC=1/2πfc(f表示交流信号的频率，C表示电容容量)电话机中常用电容的种类有电解电容、瓷片电容、贴片电容、独石电容、钽电容和涤纶电容等。　　2、识别方法：电容的识别方法与电阻的识别方法基本相同，分直标法、色标法和数标法3种。电容的基本单位用法拉（F）表示，其它单位还有：毫法（mF）、微法（uF）、纳法（nF）、皮法（pF）。　　其中：1法拉=103毫法=106微法=109纳法=1012皮法　　容量大的电容其容量值在电容上直接标明，如10uF/16V　　容量小的电容其容量值在电容上用字母表示或数字表示　　字母表示法：1m=1000uF1P2=1.2PF1n=1000PF　　数字表示法：一般用三位数字表示容量大小，前两位表示有效数字，第三位数字是倍率。　　如：102表示10×102PF=1000PF224表示22×104PF=0.22uF　　3、电容容量误差表符号FGJKLM　　允许误差±1%±2%±5%±10%±15%±20%　　如：一瓷片电容为104J表示容量为0.1uF、误差为±5%。　　4、故障特点　　在实际维修中，电容器的故障主要表现为：　　（1）引脚腐蚀致断的开路故障。　　（2）脱焊和虚焊的开路故障。　　（3）漏液后造成容量小或开路故障。　　（4）漏电、严重漏电和击穿故障。（三）晶体二极管　　晶体二极管在电路中常用“D”加数字表示，如：D5表示编号为5的二极管。　　1、作用：二极管的主要特性是单向导电性，也就是在正向电压的作用下，导通电阻很小；而在反向电压作用下导通电阻极大或无穷大。正因为二极管具有上述特性，无绳电话机中常把它用在整流、隔离、稳压、极性保护、编码控制、调频调制和静噪等电路中。　　电话机里使用的晶体二极管按作用可分为：整流二极管（如1N4004）、隔离二极管（如1N4148）、肖特基二极管（如BAT85）、发光二极管、稳压二极管等。　　2、识别方法：二极管的识别很简单，小功率二极管的N极（负极），在二极管外表大多采用一种色圈标出来，有些二极管也用二极管专用符号来表示P极（正极）或N极（负极），也有采用符号标志为“P”、“N”来确定二极管极性的。发光二极管的正负极可从引脚长短来识别，长脚为正，短脚为负。　　3、测试注意事项：用数字式万用表去测二极管时，红表笔接二极管的正极，黑表笔接二极管的负极，此时测得的阻值才是二极管的正向导通阻值，这与指针式万用表的表笔接法刚好相反。　　4、常用的1N4000系列二极管耐压比较如下：　　型号1N40011N40021N40031N40041N40051N40061N4007　　耐压（V）501002004006008001000电流（A）均为1（四）稳压二极管　　稳压二极管在电路中常用“ZD”加数字表示，如：ZD5表示编号为5的稳压管。　　1、稳压二极管的稳压原理：稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。　　2、故障特点：稳压二极管的故障主要表现在开路、短路和稳压值不稳定。在这3种故障中，前一种故障表现出电源电压升高；后2种故障表现为电源电压变低到零伏或输出不稳定。　　常用稳压二极管的型号及稳压值如下表：　　型号1N47281N47291N47301N47321N47331N47341N47351N47441N47501N47511N4761　　稳压值3.3V3.6V3.9V4.7V5.1V5.6V6.2V15V27V30V75V（五）电感　　电感在电路中常用“L”加数字表示，如：L6表示编号为6的电感。　　电感线圈是将绝缘的导线在绝缘的骨架上绕一定的圈数制成。　　直流可通过线圈，直流电阻就是导线本身的电阻，压降很小；当交流信号通过线圈时，线圈两端将会产生自感电动势，自感电动势的方向与外加电压的方向相反，阻碍交流的通过，所以电感的特性是通直流阻交流，频率越高，线圈阻抗越大。电感在电路中可与电容组成振荡电路。　　电感一般有直标法和色标法，色标法与电阻类似。如：棕、黑、金、金表示1uH（误差5%）的电感。　　电感的基本单位为：亨（H）换算单位有：1H=103mH=106uH。（六）变容二极管　　变容二极管是根据普通二极管内部“PN结”的结电容能随外加反向电压的变化而变化这一原理专门设计出来的一种特殊二极管。　　变容二极管在无绳电话机中主要用在手机或座机的高频调制电路上，实现低频信号调制到高频信号上，并发射出去。在工作状态，变容二极管调制电压一般加到负极上，使变容二极管的内部结电容容量随调制电压的变化而变化。　　变容二极管发生故障，主要表现为漏电或性能变差：　　（1）发生漏电现象时，高频调制电路将不工作或调制性能变差。　　（2）变容性能变差时，高频调制电路的工作不稳定，使调制后的高频信号发送到对方被对方接收后产生失真。出现上述情况之一时，就应该更换同型号的变容二极管。（七）晶体三极管　　晶体三极管在电路中常用“Q”加数字表示，如：Q17表示编号为17的三极管。　　1、特点：晶体三极管（简称三极管）是内部含有2个PN结，并且具有放大能力的特殊器件。它分NPN型和PNP型两种类型，这两种类型的三极管从工作特性上可互相弥补，所谓OTL电路中的对管就是由PNP型和NPN型配对使用。　　电话机中常用的PNP型三极管有：A92、9015等型号；NPN型三极管有：A42、9014、9018、9013、9012等型号。　　2、晶体三极管主要用于放大电路中起放大作用，在常见电路中有三种接法。为了便于比较，将晶体管三种接法电路所具有的特点列于下表，供大家参考。　　名称共发射极电路共集电极电路（射极输出器）共基极电路　　输入阻抗中（几百欧～几千欧）大（几十千欧以上）小（几欧～几十欧）　　输出阻抗中（几千欧～几十千欧）小（几欧～几十欧）大（几十千欧～几百千欧）　　电压放大倍数大小（小于1并接近于1）大　　电流放大倍数大（几十）大（几十）小（小于1并接近于1）　　功率放大倍数大（约30～40分贝）小（约10分贝）中（约15～20分贝）　　频率特性高频差好好　　续表　　应用多级放大器中间级，低频放大输入级、输出级或作阻抗匹配用高频或宽频带电路及恒流源电路　　3、在线工作测量　　在实际维修中，三极管都已经安装在线路板上，要每只拆下来测量实在是一件麻烦事，并且很容易损坏电路板，根据实际维修，本人出一种在电路上带电测量三极管工作状态来判断故障所在的方法，供大家参考：　　类别故障发生部位测试要点　　e-b极开路Ved>1vVed=V+　　e-b极短路Veb=0vVcd=0vVbd升高　　Re开路Ved=0v　　Rb2开路Vbd=Ved=V+　　Rb2短路Ved约为0.7V　　Rb1增值很多，开路Vec<0.5vVcd升高　　e-c极间开路Veb=0.7vVec=0vVcd升高　　b-c极间开路Veb=0.7vVed=0v　　b-c极间短路Vbc=0vVcd很低　　Rc开路Vbc=0vVcd升高Vbd不变　　Rb2阻值增大很多Ved约为V+Vcd约为0V　　Ved电压不稳三极管和周围元件有虚焊　　类别故障发生部位测试要点　　Rb1开路Vbe=0Vcd=V+Ved=0　　Rb1短路Vbe约为1vVed=V-Vbe　　Rb2短路Vbd=0vVbe=0vVcd=V+　　Re开路Vbd升高Vce=0vVbe=0v　　Re短路Vbd=0.7vVbe=0.7v　　Rc开路Vce=0vVbe=0.7vVed约为0v　　c-e极短路Vce=0vVbe=0.7vVed升高　　b-e极开路Vbe>1vVed=0vVcd=V+　　b-e极短路Vce约为V+Vbe=0vVcd约为0v　　c-b极开路Vce=V+Vbe=0.7vVed=0v　　c-b极短路Vcb=0vVbe=0.7vVcd=0v（八）场效应晶体管放大器　　1、场效应晶体管具有较高输入阻抗和低噪声等优点，因而也被广泛应用于各种电子设备中。尤其用场效管做整个电子设备的输入级，可以获得一般晶体管很难达到的性能。　　2、场效应管分成结型和绝缘栅型两大类，其控制原理都是一样的。如图1-1-1是两种型号的表示符号：　　3、场效应管与晶体管的比较　　（1）场效应管是电压控制元件，而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下，应选用场效应管；而在信号电压较低，又允许从信号源取较多电流的条件下，应选用晶体管。　　（2）场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件，而晶体管是即有多数载流子，也利用少数载流子导电。被称之为双极型器件。　　（3）有些场效应管的源极和漏极可以互换使用，栅压也可正可负，灵活性比晶体管好。　　（4）场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作，而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上，因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用三．能力储备完成课题需要开关电源原理基础知识储备、单片机编程能力、软件设计能力、硬件调试能力以及完成论文所需要的文档编辑能力等。选择此课题基于所基础知识进行拓展和进一步深究，相信只要始终坚持实事求是，一步一步进行学习，最终能完美完成此课题。西安邮电大学自动化学院(系)科研训练过程考核表学生姓名杨欢班级/学号电气1101/06114003承担任务实验室（单位）自动化实验室所在部门自动化学院实施时间12月15日-12月26日具体内容第一周确定课题，查找相关资料，设定自己科研训练任务及。按照课题计划进行课题设计。第二周撰写科研训练文档并进行完善。指导教师（师傅）姓名王玲芝职务或职称讲师指导教师（师傅）对学生的评价学习态度□认真□一般□不认真学习纪律□全勤□偶尔缺勤□经常缺勤实践能力□很强□一般□较差指导教师（师傅）对学生专业知识或社会实践能力等情况的意见指导教师（师傅）签字年月日西安邮电大学自动化学院(系)科研训练成绩鉴定表学生姓名杨欢班级/学号06114003进行时间12月15日-12月26日成绩鉴定学习内容（20分）与教学任务计划结合程度（10分）与专业培养结合程度（6分）其它（4分）接受单位评价（20分）实践能力（10分）学习态度（6分）学习纪律（4分）报告鉴定（60分）报告内容与实践过程紧密结合（15分）报告内容与教学计划内容紧密结合（15分）报告质量(主题、结构、观点、逻辑、资料、字数30分)评阅教师姓名王玲芝职称讲师成绩评语评阅教师签字年月日