（控制科学与工程专业论文）电力电子技术教学实验设备的研制.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 一 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 及睫曲师( 签名瓣。彳日期 ( 注：此页内容装订在论文扉页) 摘要 电力电子技术作为一门新兴的集电子技术、控制技术和电力技术为一体的 交叉学科，在生产生活中发挥着越来越重要的作用，已被广泛地应用于高品质 交流电源和直流电源，电力系统、变频调速、新能源发生及各种工业与民用电 器等领域，成为现代高科技领域的支撑技术，电力电子技术在电气领域具有的 重要作用，也使其成为高校电气与自动化专业的一门非常重要的专业基础课程。 电力电子技术课程涉及电力半导体技术、电路理论、电机学、电力控 制技术、模拟和数字电子技术、控制理论和微机控制技术等，知识面广，信息 量大，不易理解。随着电力电子技术的迅猛发展，教学内容越来越丰富，对课 堂教学的要求也越来越高。传统单纯的理论教学已经不适应电力电子技术 课程教学的要求，为了提高教学效果，迫切需要研制一套用于课堂演示的电力 电子技术教学实验设备。 本文针对课堂实验演示教学，设计开放式和模块化实验设备，包括电源模 块、开关模块、负载模块、控制模块等。在演示内容上，涵盖电力电子开关变 换实验、控制技术和组合系统实验，以弥补现有电力电子实验设备实验项目上 的不足。可使学生直接观察电路和测量点，使之更好地理解电路运行的原理和 控制过程。 本文重点论述实验设备中的的全桥正弦波逆变电路、全桥开关电源电路和 全桥直流斩波电路的研制本文对这三个电路进行了深入的研究和设计，讨论 了其主电路设计、辅助电源设计、控制电路设计和软件控制设计等，并对系统 进行了调试，得出了实验结果。从实验结果来看，实验设备的研制基本达到了 设计要求。 关键词：正弦波逆变，开关电源，直流斩波，实验设备 a b s t r a c t p o w e re l e c t r o n i c si sa l le m e r g i n gt e c h n o l o g yw h i c hc o n t a i n se l e c t r o n i c s c o n t r o l t e c h n o l o g ya n de l e c t r i cp o w e r , b e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti np r o d u c t i o na n d l i v i n g i th a sb e e na p p l i e di nm a n yf i e l d ss u c ha sh i 。g hq u a l i t yd c a cp o w e rs u p p l y , p o w e rs y s t e m ，f r e q u e n c yc o n t r o l ，n e we n e r g ea n ds oo n p o w e re l e c t r o n i c sh a d b e e n s u p p o r tt e c h n o l o g yi nh i g h - t e c ha n da nv e r yi m p o r t a n tc o u r s c p o w e re l e c t r o n i c si n v o l v e dp o w e rs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y , c i r c u i tt h e o r y , e l e c t r i c a lm a c h i n e r y , p o w e re o n t r o lt e c h n o l o g y , a n a l o ge l e c t r o n i c s d i g i t a le l e c t r o n i c s c o m p u t e rc e n t r e lt e c h n o l o g ya n ds oo n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e r e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h e r ew i l lb em o r ea n dm o r et e a c h i n gc o n t e n tw i t hi n e r e a s i n g d e m a n d sf o rc l a s s r o o mt e a c h i n g t r a d i t i o n a ls i m p l et h e o r yt e a c h i n gd o e sn o tm e e tt h e 。d e m a n do fp o w e re l e c t r o n i c s i no r d e rt o i m p r o v e t h e t e a c h i n ge f f e c t ，t h e d e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i ct e a c h i n gl a b o r a t o r ye q u i p m e n ti su r g e n t i no r d e rt os e r v ec l a s s r o o mb e t t e r , t h ee q u i p m e n tw i l lb eo p e nd e s i g n i ta l l o w s s t u d e n t st od i r e c t l yo b s e r v et h ec i r c u i ta n dt h em e a s u r i n gp o i n t s s ot h a tt h es t u d e n t s c a nb e t t e ru n d e r s t a n dt h ec i r c u i to p e r a t i o np r i n c i p l ea n dc o n t r o lp r o c e s s o n l yi nt h i s w a y , g o o dt e a c h i n gr e s u l t sc a nb ea c h i e v e d c o n s i d e r i n gt h ec o n v e n i e n c eo fc a r r y i n g a n ds c a l a b i l i t y , t h ee q u i p m e n tw i l lb ea d o p t e dm o d u l a ra r c h i t e c t u r e t h e r ew i l lb e m o d u l a ro fp o w e r , s w i t c h ，c o n t r o l ，l o r de t c t h ee q u i p m e n tw h i c hw i l ld e v e l o p e x p e r i m e n t s o fp o w e re l e c t r o n i cs w i t c ht r a n s f o r m a t i o n 。 c o n t r o la n ds y s t e m e x p e r i m e n ti st om a k eu pt h es h o r t f a l lo fe x i s t i n gl a b o m t o r ye q u i p m e n t s t u d yo ft h i se q u i p m e n tc a nb ed i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ：s i n ew a v ei n v e r t e r , s w i t h i n gp o w e rs u p p l ya n dd cc h o p p e r t h e r eb ed e e p l yr e s e r c ha n dd e s i g nm e t h o d s o ft h et h r e ec u r c u i t si nt h i sd i s s e r t a t i o n i n v o l v i n gm a i nc i r c u i td e s i g n , a u x i l i a r y p o w e rs u p p l yd e s i g n , c o n t r o lc i r c u i td e s i g na n ds o r w a r ec o n t r o ld e s i g n t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s w i l lb ep e r s e n t e d 功ee q u i p m e n tm e e tt h ed e s i g nt a r g e t a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d s ：s i n ew a v ei n v e r t e r , s w i t h i n gp o w e rs u p p l y , d cc h o p p e r , l a b o r a t o r y e q u i p m e n t l i 目录 摘j l j - 1 a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 引言一1 1 2 国内外高校电力电子实验设备的现状。2 1 3 多功能电力电子实验设备研制的背景、原则和研究内容5 1 3 1 实验设备研究背景和意义5 1 3 2 实验设备设计原则6 1 3 3 实验设备研究内容7 第2 章实验设备的总体设计8 2 1 课程教学实验演示模式8 2 2 实验电路内容的确定一9 2 3 实验设备设计的技术方案l o 2 3 1 模块化设计方案1 0 2 3 2 电路设计方案1 l 本章小结1 3 第3 章实验设备主电路设计1 4 3 1 直流电源设计1 4 3 2 开关电路设计1 5 3 3 负载电路设计1 6 3 3 1l c 滤波电路设计1 7 3 3 2 高频整流电路设计1 8 3 3 3 储能滤波电感设计2 3 本章小结2 4 第4 章辅助电源设计2 5 4 1 辅助电源主电路设计2 5 n l 4 2 辅助电源控制电路设计2 6 4 3 变压器的设计2 6 本章小结2 9 第5 章实验设备控制电路与软件设计3 0 5 1 驱动电路设计3 0 5 2 数字信号控制器选择3 2 5 3 采样电路设计3 3 5 4 控制软件设计3 6 5 4 1 全桥正弦波逆变电路控制软件设计3 6 5 4 2 全桥开关电源控制软件设计。4 0 5 4 3 全桥直流斩波控制软件设计4 l 本章小结。4 3 第6 章实验设备调试与演示实例4 4 6 1 全桥正弦波逆变电路调试与演示4 4 6 2 全桥开关电源电路调试与演示4 7 6 3 全桥直流斩波电路调试5l 本章小结5 4 第7 章总结与展望5 5 致谢5 8 参考文献。5 8 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文6 0 附：录6 l i v 武汉理【：大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 电力电子技术作为一门新兴的集电子技术、控制技术和电力技术为一体的 交叉学科，在生产生活中发挥着越来越重要的作用，已被广泛地应用于高品质 交、直流电源，电力系统、变频调速、新能源发生及各种工业与民用电器等领 域，成为现代高科技领域的支撑技术，同时也是高校自动化专业一门非常重要 的专业基础课。 学生通过：电力电子技术的学习，不仅可掌握本课程的基本理论、基本 概念和基本分析方法，为后续专业课程的学习打下良好基础，也可以培养应用 本课程知识独立分析、解决实际工程技术问题的能力。 电力电子技术课程涉及电力半导体技术、电路理论、电机学、电力控 制技术、模拟和数字电子技术、控制理论和微机控制技术等，知识面广，信息 量大，不易理解。随着电力电子技术的迅猛发展，教学内容越来越丰富，对课 堂教学的要求也越来越高。多年来，：电力电子技术课程的教学仍然是教师逐 章逐节不厌其烦地讲授，且讲得过多、过细，目的是求得“当堂弄懂 、“课上 解决 。这只是知识的传授，学生总是处于被动接受的地位，不仅枯燥无味且极 大地妨碍了学生学习的主动性和积极性，同时：电力电子技术是一门工程实 践性很强的课程，单纯的理论讲解不利于学生素质和综合能力的提高传统的 课堂教学模式已经不再适合，因此对电力电子技术课程的教学方法和教学 手段等进行改革势在必行。 这就需要建立一套包含多媒体辅助理论传授、课堂实践验证及综合设计等 在内的全方位的课程教学新体系。课堂上通过开放性实验平台的实践演示辅以 理论讲解，使学生直观地理解电路的拓扑结构、控制原理和控制方法。只有这 样理论与实践相结合的教学方式，才能激发学生学习的积极性和主观能动性， 从而在有限学时的课堂学习中尽可能多地掌握和了解本课程的知识，提高课程 的教学质量和效果。本文要讨论的电力电子技术教学实验设备的研制正是为了 适应电力电子技术课程教学改革的要求而提出的。 武汉理r 大学硕士学位论文 1 2 国内外高校电力电子实验设备的现状 目前，国内外高校进行电力电子技术实验的组织方式主要有两种，一种是基 于电力电子实验台和实验箱的常规实验室，另一种是基于网络的电力电子实验 室。前者是目前大部分高校普遍采用的电力电子技术实验的解决方案，也有部 分高校两者兼而有之。如浙江大学电气工程学院开发了一组基于实际对象的电 力电子网络实验室，该网络实验室是浙大电工电子网络实验室n e t l a b 的一个 重要组成部分。n e t l a b 目前包含四大类实验：控制类、电工电子类、电力电 子类和电机类实验电力电子类实验主要包括整流及有源逆变电路实验、零电 压转移b o o s t 电路实验、多种p w m 控制方式的单相逆变电路实验等，用户可 以任意组合、设计电路，通过实验获得实际波形。n e t l a b 的电力电子实验通 过网络控制真实的电力电子实验装置，对于部分实验系统提供视频监控，如图 1 1 所示，n e t l a b 客户端操作界面的左下方即为视频监控窗口，实验者可以直 接观看实验过程，提高了实验效果。 ，# # 劈女嚣糍曩謦唐驴钰# 麓静* 鑫暂g j 劳矿；稚缸鬻孳：霜曹，醪罄譬，嚣 唠 9 算瑶= 耘毽啦两上葶耘鬣 ：i i 壤锸箍鞲旗i 黪孵秀嚣 一；锄薜嚣赣孵毵雏麓 敏锄黝 缓 案释糍臻移：毽g 喾肇簿孵梦霉警觏辫豁 罐槲獬g ；= = 餮铭穆镌m 黪缀器黟 移- 劈癌韶矿i i i 棚黯$ 饕矗i 眵l 瞎节群碡巷l 蹲l 瓣豺嘲f 霉鼍碉绉囊霉j 醪i l 露量蝴黼7 l 豢孰蠢# 撬礴2黼叠簟蠢拦糊鋈 嘲斯# 嚆| 雅嗡嚷礴唠霉糍馕囊4i 铺 a 移移a 燃； “ _ 孽# 娜嚣鞠，p 艮磊一材 张捌 i潮穗i。n 尊黉孵鞴静蝴i舅秘 孽吃警伊埽瘁蝴、* 4 尊魄黝t 锄， ，一| 撇l il 一孺鬟燃纛一一 ：1 1 1 = 耋= 譬r t 二静# 绷 j 簟豁鹰苷亳自k ， 瓣崎秽燃嗤锻蕞翻翻酗 ，嬲孰， l；il 爝蕊删蕊 ! 警。 罐确 移私聱q 缮棚戳纛影静 i 辨罄囊 蜂锥鳓靠雾k 嘲j 嘲# 勰 鞫隧删徽煳一_ r，+ ，q1 1 0 量，璧哆曼：l 苎 _ # 。”飞 一”，甜l _ l _ i“，。i糯一糕糕溅l 黼l 戮缀貉燃2 一 t 4 一 ? ”c * p _ 一? ， ， l ”? 一l壤鬻壤缓l 麓够l旗缪ll 羹：+ ：；j 一棚 “匕墓磁一，镄黝i 躜 _ 泽霉罄：二奠量墨兰兰警0 j 麓二 武汉理l ：人学硕士学位论文 而且n e t l a b 是一个开放的系统，所有的实验都是一个独立的模块，可以 单独开发、安装和卸载，实验可以拓展。在n e t l a b 中，如图1 2 ，所示所有 的实验均被置于统掌握。 图1 2 浙江大学网络实验室拓扑结构 另外香港理工大学也开发出了基于网络的电力电子技术虚拟实验室 ( v p e l ) ，有开关模式功率变换器、准谐振变换器和p f c 整流等几大类实验可 供选择。在实验过程中，学生通过网络控制电源、示波器、信号发生器等实验 设备，通过视频监控监视各实验设备的运行情况，学生可以在线获得实验中的 数据和实验结果，同时利用计算机直接对实验结果进行分析。通过v p e l 学生 可以观测到功率器件在开关过程中发生的高频振荡、过冲、开关损耗等在仿真 中较难准确复现的现象 美国明尼苏达大学将b u i l d i n gb l o c k 引入了实验教学，设计了b u i l d i n gb l o c k 电路板，所谓b u i l d i n gb l o c k ，是一个双1 2 1 开关模块( s w i t c h i n gp o l e ) ，如图1 3 所示。该模块可以作为各种不同结构、功能的变换器的基本组成部分。利用 b u i l d i n gb l o c k 可以构成b u c k 、b o o s t 、b u e k b o o s t 、f l y b a c k 、f o r w a r d 等变换 器，三个这样的模块还可以构成用于控制三相交流电机的开关模式逆变器。明 尼苏达大学设计的实验电路板包含了b u i l d i n gb l o c k 模块电路，隔离驱动电路， p w m 发生器、故障保护电路、输出滤波电路和开关负载等几个部分。利用该电 路板可以搭建其他变换器电路，如b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 变换器，包括隔离 3 武汉理i ：人学硕+ 学位论文 + 弘l + 式变换器，如f l y b a c k 、f o r w a r d 变换器。既可以采用传统的模拟控制方式，也 可以采用数字控制方式。这种用b u i l d i n gb l o c k 电路板组合变换器的实验形式灵 活性大，既便于学生验证课程中的内容，也便于学生验证自行设计的电路，并 强调将理论、仿真与实验紧密结合，通过实验验证理论分析结果和仿真结果 总的来说，基于网络的电力电子实验室具有安全可靠、开放性和可扩展性高 等优点，但基于网络的电力电子实验从根本上还是远程的网络操作，而 电力 电子技术作为- - f - j 实践性很强的课程，现实的实验操作所带来的动手能力的 提高是不能由远程的网络操作所能代替的另外有专家认为，网络实验室需要 针对不同的实验开发实验装置，投资大；且不允许多人同时进行同一项实验， 这种不允许资源共享的严重缺陷是与网络的开放性和共享性相违背的，因此网 络电力电子实验室的发展前景不被看好。 而相对基于网络的电力电子实验室而言，传统的电力电子实验台和实验箱具 有投资小，操作简单直接，允许多人同时实验等优点。但是就国内高校现有的 电力电子实验设备来看，其缺点也很明显。首先，大部分高校使用的电力电子 实验平台开放性差，不管是实验台还是实验箱都是工业化的生产模块，因为安 全性和成本等因素的考虑都采用密闭结构，不能观察电路结构和实际测量点， 不利于学生对电路工作原理的直观理解。其次，从目前大部分高校所开设的电 力电子实验的项目来看，由于实验平台的限制，不论是网络实验室还是传统实 验室，实验项目还比较少，普遍缺乏电力电子开关变换实验、控制技术和系统 实验，而这些实验涉及的知识内容正是电力电子技术的核心和灵魂，是迫切需 要学生理解并掌握的，这些实验的缺乏对于电力电子技术课程不能不说是 一个巨大的遗憾。如浙大的n e t l a b 电力电子实验室目前只能开展整流及有源 逆变电路实验、零电压转移b o o s t 电路实验、单相逆变电路实验这几个实验， 并且不允许用户编程进行控制操作。而南京航空航天大学电气工程系下属的电 力电子实验室采用了南航大自主研制的d d s x - 1 型开放性电力电子技术实验台， 4 武汉理i ：大学硕士学位论文 其可开设的实验数量和种类都达到了国内高校先进水平，但依然不能进行上述 的3 类实验。明尼苏达大学的基于b u i l d i n gb l o c k 的实验教学方法虽然很值得我 们借鉴，但是由于设计的原因，该实验设备并不适合课堂演示。 1 3 多功能电力电子实验设备研制的背景、原则和研究内容 1 3 1 实验设备研究背景和意义 鉴于电力电子技术课程的重要性和特殊性，针对目前电力电子实验设 备的不足，武汉理工大学自动化学院作为重点教学研究项目启动了电力电子技 术教学实验设备的研制工作。本实验设备研制成功后不仅可以满足本科教学课 堂演示和实验的要求，研究生还可在此实验平台的基础上进行一些高级课题的 研究工作。为了更好地服务课堂教学，本实验设备采用了开放式设计，可使学 生直接观察电路和测量点，使之更好地理解电路运行的原理和控制过程，从而 达到良好的教学效果考虑到携带的便利性和可扩展性，结构上本实验设备采 用模块化的架构，如分为电源模块、开关模块、负载模块、控制模块等，如图 1 3 所示，用户可以任意组合，实现不同电路功能，为教学提供一个综合性的创 新设计和演示平台。实验设备的演示直接采用了摄像头监控投影的方式，这样 可以最大限度地利用教室现有的多媒体设施。除此之外，本实验设备在实验的 5 武汉理：r ：大学硕+ 学位论文 内容上开发了电力电子开关变换实验、控制技术和系统实验等相关实验，以弥 补现有电力电子实验设备实验项目的不足。 1 3 2 实验设备设计原则 多功能电力电子实验设备主要用于电力电子技术课堂教学演示，因此除 了满足电力电子制作的一般原则外，还应尽可能考虑以下几个方面： ( 1 ) 安全性 安全性的含义包含两个方面：一个是人身的安全，另一个是设备的安全。人 身安全无疑是第一位的，设备的安全使设备正常运行也是必不可少的。安全性 能具体对于电力电子实验装置而言，应该可靠的接地，有快速的短路保护，有 高过载能力和过载保护 ( 2 ) 开放性 传统的电力电子实验装置大都是工业化封装好的模块，学生只是按照老师 要求将各个模块连接在一起。这样的实验不能直观地观察电路，而且实验功能 受限。作为一个开放性的开发环境，系统应该能够根据实验者的配置实现不同 的功能。开放性的设计不仅可以使学生直观了解电路工作原理和过程，并且可 以观察关键波形的测量点，从而更好地理解电力电子技术 ( 3 ) 模块化 实验设备硬件采用模块化设计，可以使实验电路的组合灵活多变，为学生 提供更多的实验项目，满足设计性和开放性实验教学的要求，而且便于携带。 同时软件系统采用模块化设计也利于各种控制策略算法的补充和软件的升级。 ( 4 ) 可拓展性 由于全桥式电路只需要对4 个开关管的通断进行一定的组合，就能够得到 不同的拓扑，实现不同电力形式的转换，如逆变、斩波等。因此，在实验系统 设计时候，应充分考虑如何让系统能够更容易地实现拓展。 ( 5 ) 波形便于观察 设计时应该尽量将实验电路中的关键测试点引出来，这样不仅方便制作过 程调试和故障的维修，也方便学习者观察波形。 6 武汉理：r 人学硕十学位论文 1 3 3 实验设备研究内容 本实验设备的研制可规划成三个部分的设计工作：全桥正弦波逆变电源电路 设计、全桥直流斩波电路设计和全桥开关电源电路设计。在此三个电路的基础 上可开展全桥二极管整流、四象限直流斩波、b u c k 变换器、b o o s t 变换器、 正弦波逆变、方波逆变、单相p w m 整流、电流可逆斩波电路、高频整流器、隔 离高频开关电源等十几项电力电子实验，基本可满足 电力电子技术课程的 教学和实验要求。 本课题主要研究以下内容： 1 ) 总体方案的选择：包括演示模式的选择、电路模块设计、电路实现方案 的确定。 2 ) 主电路设计：包括输入整流电路设计、全桥开关模块设计以及辅助电路 设计。 3 ) 控制电路和控制方法设计：包括控制芯片选择，采样及调理电路设计， 保护电路设计，数字处理信号电路设计和控制程序设计 4 ) 辅助电源的设计，主要是反激式电源电路设计和变压器的设计。 5 ) 实验设备的调试检测，实验结果的测量，及对实验设备的评价。 7 武汉理1 ：人学硕+ 学位论文 第2 章实验设备的总体设计 本次电力电子技术教学实验设备的研制目的主要是用于电子电子技术 课程课堂教学的演示。为了更好地适应课堂教学需求，提高教学效果，本设备 采用了多媒体视频监控的演示模式、开放式模块化的架构，并且专门设置了测 量点用以测量和显示关键波形。 2 1 课程教学实验演示模式 上面提到，本实验设备主要应用于课堂演示，以服务课堂教学，提高教学效 果。好的演示模式不仅可以使学生加深对实验涉及的理论内容的理解，还可以 提供对实验操作的感性认识，对实践能力和动手能力的提高有很大的帮助为 了节约设计成本同时充分利用现有的多媒体教室资源，本实验设备采取的演示 方式是将示波器测得的关键波形通过视频监控的方式直接投影到大屏幕上。如 图2 1 所示。电力电子技术教学实验设备为图中虚线包围的部分，在实验设备 图2 1 电力电子技术教学实验设备架构图 武汉理i ：人学硕士学位论文 的主电路上设置了若干关键电压的测量点，如在直流母线、开关管控制极、负 载输出端等地方，考虑到不影响电路的电气性能，测量点设置时将尽量采用电 气隔离措施。 电路演示的时候，首先用摄像头拍摄教师进行电路实验的操作步骤，等操 作完成后，再将摄像头监控示波器所测量到的关键电压波形。摄像头通过电脑 与多媒体教室的投影仪相连，这样教室里全体学生不仅可以清楚地看到电路组 装接连并下载控制程序等的一系列电路实验操作过程，还可以直观地观察到输 入电压、p w m 驱动电压、输出电压等关键电压波形，加深对电路理论和工程实 践的理解，从而提高学习效果。 还有一种演示方案可将摄像头和示波器省去，即直接将计算机与实验设备 相连，计算机通过内置数据采集卡将采集到的实验设备的输出电压波形直接投 影到大屏幕上相对于前者，这种方案的优点是减少了操作设备，有利于实验 演示操作的简化，但是由计算机直接显示的波形没有示波器显示的波形直观生 动，且不能给学生示波器操作的认知和感受，不利于动手能力的培养权衡利 弊后，最终选择前者作为实验设备的演示模式。 2 2 实验电路内容的确定 根据电力电子技术课程教学大纲的要求，结合目前电力电子实验设备的 不足，本电力电子教学实验设备的研制从内容上可规划成全桥正弦波逆变电路、 全桥开关电源电路、全桥直流斩波电路等三个实验电路的设计在此三个电路 的基础上可开展全桥二极管整流、四象限直流斩波、b u c k 变换器、b o o s t 变 换器、正弦波逆变、方波逆变、单相p w m 整流、电流可逆斩波电路、高频整流 器、隔离高频开关电源等十几项电力电子单元和系统电路实验，基本可满足电 力电子技术课程的教学和实验要求。 在单元电路实验中，实验设备的演示是为了让学生更好的理解电路工作原 理和作用。如利用实验设备的整流电路部分可进行不可控二极管全桥整流实验， 该实验目的是为了让学生直观地观察正弦波电压经二极管全桥整流后的输出波 形，使学生更好地理解全桥整流的原理、作用以及经电容滤波的波形变化状况。 为了方便测量波形，在电路设计的时候应设置相应的测量点。在这里，整流滤 波电路输出端设置了引线端口方便测量。 9 武汉理一r ：大学硕士学位论文 而在系统电路实验中，实验演示的主要目的不仅让学生理解电路拓扑结构 和工作原理，更重要的是使其更好地理解并掌握控制电路的工作原理和p w m 或 s p w m 控制波形产生方法以及系统测试的流程，积累工程经验。如利用实验设 备进行全桥正弦波逆变系统实验演示时，学生不仅可以通过投影看到控制源程 序，还可以观看到编译烧写控制程序的过程以及系统实验的组织方法和步骤等。 此外，通过在整流电路输出端、开关管控制极和主电路输出端等地方设置测量 点，学生可以直观观察到直流输入波形、s p w m 的控制波形和逆变输出波形， 使其加深对如何通过p w m 驱动波形控制开关管通断实现d c a c 变换过程的理 解。 2 3 实验设备设计的技术方案 2 3 1 模块化设计方案 实验设备的结构采用模块化设计，可以使实验电路的组合灵活多变，为学 生提供更多的实验项目，满足设计性和开放性实验教学的要求，而且便于携带。 ( 1 ) 电路模块的确定 上节中提到，本电力电子教学实验设备的研制可规划成全桥正弦波逆变电 路、全桥开关电源电路、全桥直流斩波电路等三个综合实验电路的设计。根据 这三个电路拓扑结构和特点，为使模块利用最大化、节约设计成本等综合考虑 各方面因素，本实验设备从电路结构上大致分为电源模块、开关模块、负载模 块、控制模块等4 大模块。如图2 2 所示 图2 2 实验设备电路模块框图 图2 - 2 中，电源模块包括直流电源和辅助电源，其中直流电源的输出电压做 1 0 武汉理：大学硕十学位论文 为开关模块的直流输入，这里采用整流滤波电路实现；辅助电源则负责为控制 模块中的驱动电路和控制器供电，控制模块以数字处理芯片d s p 为核心，包括 外围的采样电路和驱动电路，在进行不同实验时烧写不同控制程序即可；负载 模块不仅包括电阻负载、电机负载等一般负载还包括辅助电路如l c 滤波电路、 高频整流电路和储能滤波电感等实现电路功能的负载，比如全桥开关模块后接 l c 滤波电路就可实现正弦波逆变电路，加储能滤波电感就能实现直流斩波电路， 加高频整流电路就可以实现开关电源电路。开关模块是由4 个全控开关管形成 的桥式电路，可根据后面接入不同负载和相应控制波形实现不同电路功能，达 到了实验设备灵活性、开放性、可扩展性设计的要求。模块与电路硬件电路的 对应关系如图2 - 3 所示。 控制模块 图2 3 模块与硬件电路关系图 模块设计时应统一大小，制作成型以后，考虑依据模块的尺寸大小设计一 个可滑动的固定支架，方便根据实验选择不同的模块安装连接。 2 3 2 电路设计方案 实验设备的电路设计主要包括硬件设计和软件设计。硬件电路可分为主电 路、控制电路和辅助电源，其中，主电路主要包括直流电源、开关电路和负载 电路。硬件电路与模块的对应关系如图2 - 3 所示。控制电路包括驱动电路、控 制器及外围电路、采样电路等。控制软件设计主要考虑控制算法和p w m 控制程 序的实现。下面将依次确定各个硬件电路及软件的设计方案。 ( 1 ) 直流电源设计 武汉理一上：人学硕十学位论文 直流电源设计一般有两种方案，一种是传统的整流滤波方式，一种是正激 变换器方式。整流滤波电路优点是电路拓扑结构简单，易于实现，缺点是不可 控，输出直流电压有纹波。而相对于整流滤波电路，正激变换器特点是可控， 电压精度较高，但不容易实现。由于本设备主要应用于课堂演示，对电压精度 无特殊要求，综合考虑选择整流滤波电路来实现开关模块的直流输入。 ( 2 ) 开关电路设计 开关电路模块选择单相全桥拓扑结构，方便实现多种电路功能。而三相全 桥的拓扑结构，由于控制实现比较复杂，并没有采用，这是下一步工作的方向。 ( 3 ) 负载电路设计 负载电路包括辅助电路和一般负载，其中辅助电路包括l c 滤波电路、高频 整流电路、平滑电感电路等，它们与开关电路组合可形成不同的电路功能，一 般负载主要有电阻、风扇、直流电机和小灯泡等 ( 4 ) 辅助电源设计 辅助电源主要给给控制电路和驱动电路供电，这里采用u c 3 8 4 4 制作的反激 电源制作辅助电源。 ( 5 ) 驱动电路设计 驱动电路并没有采用常见的互补输出的如i r 2 1 1 0 做为驱动芯片，是由于有 的桥式电路如工作在升压斩波和降压斩波时，4 个开关管需要独立控制，故互补 输出的驱动芯片不能适用。这里采用高速光耦t l p 2 5 0 作为驱动芯片驱动开关管 工作。 ( 6 ) 控制器选择 电力电子电路的控制器选择一般有单片机微控制器( m c u ) ，数字信号处理器 ( d s p ) 和现场可编程逻辑阵歹j j ( f p g a ) 。本次电力电子实验设备尝试以微芯公司 d s c 芯片中的d s p i c 3 3 f j l 6 g s 5 0 4 为完成系统的控制。 ( 7 ) 采样电路设计 采样电路根据不同电路特点设计不同的采样电路，如正弦波逆变电路由于 输出信号为正弦波交流信号，故采样电路采用电压互感器实现，而直流斩波电 路和开关电源电路的输出是直流故可直接使用电阻分压电路采样。 ( 8 ) 控制软件设计 控制软件设计主要包括控制算法选择和控制程序设计。本实验设备的控制 算法采用增量式p i d 控制算法，控制程序结构上分为主程序和中断程序，核心 1 2 武汉理：f ：人学硕士学位论文 是s p l l m p 1 j l m 控制算法的实现。 本章小结 本章对实验设备的总体设计进行了阐述，包括演示模式选择、实验电路内 容确定和实验设备设计方案的确定。第一节中针对课堂演示设备的特点和要求， 及学生培养的目标，对比了两套演示方案，最终确定了实验设备的演示模式。 第二节中根据电力电子技术课程教学大纲，确定了实验设备的研究内容， 举例说明了电路实验演示中的需要加深理解的关键技术点以及说明的问题第 三节阐述了实验设备设计的方案，确定了将设备分为电源模块、开关模块、控 制模块和负载模块这4 个模块，并说明了模块与硬件电路的对应关系，从而确 定实验设备的硬件电路设计和软件设计方案。 1 3 武汉理i ：大学硕士学位论文 第3 章实验设备主电路设计 本电力电子技术教学实验设备在硬件设计上可分为主电路设计、控制电路 设计和辅助电源设计，在第2 章中已经阐明。实验设备的主电路包括直流电源、 开关电路和负载电路，本章将讨论实验设备的主电路设计。 3 1 直流电源设计 直流电源在主电路中作为开关电路的直流电压输入，输入为工频电压 2 2 0 v 5 0 h z ，输出为2 4 v 直流电压本实验设备的直流电源采取整流滤波电路实 现，为了保证输出电压为2 4 v ，输入端需加一个降压变压器。另外，该电路可作 为不可控全桥整流电路进行实验，对实验设备的实验内容是一个补充 ( 1 ) 整流滤波电路设计 目前广泛采用的工频电压整流滤波电路原理图如图3 1 所示图中f 1 为输 入交流侧的快速熔断器，熔断电流为3 a ，当系统出现短路或严重过载时，f 1 迅 速熔断，起到保护作用。c 1 为交流滤波电容，l l 为共模抑制感桥式整流的4 个整流二极管选择的是耐压为1 0 0 0 v 额定电流为3 a 的1 n 5 4 0 8 ，c 2 、c 3 是输 入滤波电容，选择电容时要特别注意耐压值，否则会造成电容击穿，产生严重 n 爱r 1 、：o l l 人= = $ 3 0 f l g r舷 【l o 强 贼 c l= = 需y 0 脚 r1 c 2 一= 3 3 锵l 土涨一 盯 的后果。这里采用两个2 5 0 v 耐压的电解电容串联，并通过两个1 0 0 k 的电阻实 现电压钳位，这样每个电容上的电压值仅有1 5 0 v 左右，能够保证其安全工作。 1 4 武汉理1 ：大学硕士学位论文 电阻r l 和r 2 在系统断电时还可以充当电容的放电电阻，将电容两端的残压通 过电阻释放。r t 是为了抑制输入浪涌电流而设置的热敏电阻，常温下阻值为1 5 欧姆，随着温度升高阻值迅速下降。上电时，电容两端电压为0 ，如果没有热敏 电阻，电容在这一瞬间的充电电流将高达数十乃至上百安培，整流二极管将瞬 间击穿。图中输出电压的正负端将通过引线的方式设置测量端。 ( 2 ) 变压器的设计 由于经过全波整流的输出直流电压将达到3 1 0 v ，而输出电压要求为2 4 v ， 故须在工频电压输入端串联一个降压变压器。由于是工频小功率变压器，市面 上有成熟的工频变压器，价格便宜，为节约设计成本和时间，本电压器将直接 采购。 3 2 开关电路设计 开关电路采取单相桥式开关电路，拓扑结构如图3 2 所示。 图3 2 单相桥式开关电路拓扑 图3 2 中，4 个m o s f e t 管q l 、q 2 、q 3 、q 4 形成桥式结构，在上一章中 提到，只要2 桥臂中间加不同的辅助电路就能实现不同的电路功能，单刀双掷 开关s 1 和开关s 2 的设置是为了实现直流斩波而设置的，q 1 、q 2 、q 3 、q 4 的 栅极将用引线设置测量点，另外在2 个桥臂中间设置测量点。 桥式逆变电路中，为了防止m o s f e t 在开通与关断过程中产生过电压而损 1 5 武汉理r ：大学硕+ 学位论文 坏开关管，需要采取缓冲电路对开关管进行保护，抑制关断时候的过电压。本 实验设备采用续流二极管和缓压电容来抑制开关管关断时候的a u l d t ，缓冲电路 如图3 2 中所示，通过在m o s f e t 漏源两端并联关断缓冲电路，利用电容两端 电压不能突变的特性，来现实开关管两端的电压上升率d u a c t ，使开关二极管工 作在安全区域。当功率开关管由导通状态转换到关断状态时，电路通过二极管d 向电容c 进行充电，使得功率开关管两端电压的d 叫优降低，在功率开关管由关 断转换到导通时电容c 上所充电能通过功率开关管向外电路放电。由于缓冲电 路只在功率开关管关断时限制两端电压，故称作关断缓冲电路。关断缓冲电路 是有能耗的，缓压电容c 在功率开关管导通期间通过外部电路放完，即w c = w r ， 电容储能为： w c = 三c 奉u 冬f c 若电容储能为2 w ，u d s = 3 2 0 v , 开关频率为2 5 6 k h z ，则计算得到的电容为 c = i 5 2 r t f 。选取耐压为1 k v ，大小为2 2 n f 的瓷片电容。由于缓压电容c 储能 通过放电电阻r 在功率开关管导通期间放完，即放电时间常数t = r c t o n m i n ， 开关管开关频率为2 5 6 k h z ，综合考虑，r 取额定功率2 w ，5 1 0 欧的线绕电阻。 二极管v d 主要负责在功率开关管关断时电路通过其向缓压电容c 充电并对功 率开关管两端电压钳位，减小充电时间常数在短时间内承受大电流冲击，而 在功率开关管导通后，承受缓压电容两端高反压作用，故选择时就综合考虑， 本实验系统选用快恢复二极管h e r l 0 7 ，反向耐压达1 0 0 0 v ，最大正向平均电流 i a v = l a ，峰值电流为3 0 a 。 本实验设备输入直流电压为2 4 v ，