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电气电子毕业设计论文
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毕业设计90离子渗氮用脉冲电源设计,电气电子毕业设计论文
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I 摘 要 本设计首先从脉冲电源的技术性能指标出发，设计了整流电路、滤波电路、斩波电路等主电路， 并阐述了高能脉冲电源的设计思想。根据主电路的特点，设计了控制电路的硬件和软件，控制电路核心采用 PIC16F877 单片机来实现。 控制单元主要完成对晶闸管触发角的控制、功率开关管 IGBT 的开关频率和占空比的控制，还有电流反馈的闭环控制。其中，电流反馈的闭环控制，采用数字 PID 控制算法。 电源是离子渗氮热处理系统最主要的组成部分，长期以来采用的直流电源供电系统具有损耗大、容易产生空心阴极效应等不足。 20世纪 80年代发展 起来的斩波型脉冲电源可以缓解这些方面的问题。本设计就是基于此背景进行的。 关键词 :离子渗氮，整流，斩波，脉冲电源 nts II Abstract The dosign starts from the target of technique capability of pulsed,power supply first .It contains commute circuit,chopping,cutting offsrc discharge circuit and other main circuits,moreover,it has expounded the indea of high energetic pulsing do power supply.According to the main circuits trait,it hasresearched herrdware and software of the control circuit which adopt the PIC16F877 single parcel machine. And the tasks of the control circuit are to control the thyristor s trigger angle ,and the switching frequency of the IGBT ,and the duty ratio,still and the closed loop control of the current feedback.The closed loop control of the current feedback adopts the digital PID control. The power supply is the most important part of plasma heat-treating. For a long time, do power supply has been widely used although it has the shortages as large power dissipation and serious effect of the hollow cathode soon. It is the background of which the design was carriedon originally. Key words:Plasma nitriding,Rectification,Chopping,Pulsed power supply nts III 目 录 第 1 章 引言 . 1 1.1 离子渗氮热处理对电源的要求 . 2 1.2 脉冲电源发展动态 . 3 1.3 单片机的发展 . 3 1.4 本论文研究内容和特点 . 6 1.5 任务来源与技术指标 . 6 第 2 章 系统总体设计 . 7 2.1 工艺对脉冲电源的技术要求 . 7 2.2 脉冲电源系统的主要部分 . 8 2.2.1 滤波电路 . 8 2.2.2 斩波电路 . 9 2.2.3 高频升压、整形 . 9 2.2.4 控制电路 . 9 2.2.5 可控整流模块 . 9 2.3 脉冲电源工作原理和系统组成 . 9 2.4 各功能模块的设计指标 . 9 2.4.1 可控整流模块设计指标 . 9 2.4.2 升压斩波电路 . 10 2.4.3 控制模块设计指标 . 10 2.4.4 总体要求 . 11 第 3 章 可控整流电路设计 . 12 3.1 相控整流主电路设计与计算 . 12 3.1.1 三相可控整流电路 . 12 3 1 2 可控整流电源系统的发展与现状 . 12 3 1.3 直流稳压电源的设计 . 14 3.1.4 主回路理论分析 . 15 3.1.5 整流变压器的设计 . 18 3. 1.6 中间滤波器设计 . 20 3 2 斩波电路 . 23 3.3 晶闸管的选择和保护电路设计 . 25 3.3. 1 晶闸管的选择 . 25 3.3.2 晶闸管的保护 . 26 nts IV 3. 3. 3 晶闸管的过电压保护 . 26 3.3.4 晶闸管的过电流保护 . 30 3.4 晶闸管驱动电路的设 计 . 30 3.4. 1 移相控制原理 . 30 3.4.2 晶闸管驱动信号要求 . 32 3.5 吸收电路工作原理 . 33 3.5.1 吸收电路参数计算 . 33 第 4 章 驱动电路设计 . 35 4.1 绝缘栅双极晶体管（ IGBT） . 35 4.1.1 IGBT 的工作原理 . 35 4.1.2 IGBT 对驱动电路的要求 . 36 4 2 IGBT 的保护 . 37 4.2.1 IGBT 的过压保护 . 38 4.2.2 IGBT 的过电流保护 . 40 4.3 IGBT 驱动保护 . 41 4.4 驱动模块 EXB851 . 41 4.4.1 IGBT 驱动电路的设计 . 42 4.5 辅助电源的设计 . 46 第 5 章 控制电路设计 . 47 5.1 实现控制原理的硬件设计要求和软件设计要求 . 47 5 2 整流电路电压闭环控制 . 48 5.3 比例积分调节器 . 48 5.3.1 PID 控制 . 50 5 4 触发电路的设计 . 51 总 结 . 58 参考文献和技术资料： . 59 英文原始资料翻译： . 60 致 谢 . 82 附录 1 . 83 附录 2 . 100 nts 1 第 1 章 引言 热处理行业的发展与机械工业的发展密不可分，并对机械工业的发展起着积极的推动作用。制造业要发展，就必须要重视产品的内在质量和表面质量。作为主要提高机械产品内在质量的热处理工序，理应对提高产 品质量水平和质量稳定做出更多的贡献。从目前看，我国热处理行业先进热处理工艺的普及程度较低，关键机械零件的热处理质量不高、不稳定，从而影响零件的使用寿命和可靠性。 我国热处理业内人士认为，在激烈的市场竞争中，热处理行业要加快专业化生产的步伐，对国内己有较好基础、需求量较大的先进热处理设备，如真空热处理炉、各类密封多用炉等加以重点发展，使产品上升到一个新档次，以利于赢得国内外市场的竞争。 离子渗氮、离子氮碳共渗等这类等离子热处理工艺具有渗透快、渗层质量好、变形小、无公害、节能节气等优点，能显著提高 零部件的表面硬度、增强抗磨损力和咬合力、提高疲劳强度，从而提高零部件、工模具的质量和使用寿命。 辉光离子氮化炉的常用电源是三相可控桥式整流电路，其输出为 0 1000伏可调的直流电压，直接向氮化炉体内供电。这种供电方式叫做离子氮化炉直流型电源直接供电方式。其中可控整流元件采用晶闸管。晶闸管是一种新型的电力半导体电子器件。它具有重量轻、体积小、功率大、效率高、无转动部分和便于实现自动控制等优点。其广泛应用于离子氮化炉可控直流电源中。但是，离子氮化炉采用直流型电源直接供电方式会存在某些不足之处。因为需要氮化的工件 表面不可避免地会有油污等挥发性物质、氧化皮或者一些碱性金属氧化物，所以这些地方电子发射比较集中，使得在刚接通电源的一段时间内，氮化过程很容易由辉光放电过渡到弧光放电 (打弧 )。如果不及时采取措施灭弧或限制打弧电流，将会使工件表面烧伤造成麻点甚至报废，可控直流电源本身也因为打弧产生过载甚至有损坏晶闸管整流模块的危险。因此，为了减少电弧的产生，除了在装炉前将工件进行清洗，除去油污等措施外，还需要在直流型直接供电系统中采取必要的灭弧措施，以保护工件和电源设备的安全。常用的方法是用限流电阻灭弧、 LC振荡灭弧等 。 这些灭 弧电路的灭弧效果都不是很理想的。因为串联限流电阻灭弧能耗大， LC振荡灭弧时间长，能耗也大，而且存在故障率高、可靠性差等缺点。要克服直流型电源直接供电方式中的缺点，较好的办法是将直流型电源直接供电方式改为脉冲型电源供电方式。实践证明脉冲型电源具有明显的节能效果。 nts 2 脉冲型离子氮化炉电源的优点：脉冲型电源是在传统的直流型电源的基础上发展起来的新一代离子氮化炉电源。其实际是在传统的直流型电源与负载之间串联一个斩波器，并将原有的灭弧电路取消。实践证明，这种脉冲型电源能较好地改善空心阴极效应，能抑制在工件小孔、窄缝等处 产生的弧光放电。因此适用于工件型状比较复杂、摆放难以保证一致的场合，也适用于离子渗碳，离子渗金属等由于高温易产生工件变形的场合。 1.1 离子渗氮热处理对电源的要求 离子渗氮热处理是一种在等离子环境中将 N离子扩散到工件表面使工件表面硬化的处理技术。当氮化炉中的气体压力减小时，炉内的两个不同电位的电极之间在不高的电位差时就会产生辉光放电，将氮气电离产生活性 N离子， N离子轰击并加热，工件表面发生化学反应，生成核化物，从而实现工件硬化。一般采用高压直流电源产生辉光放电，激发离子。但是，采用直流电源的离子渗氮技术存在 一系列的问题和一些难以克服的缺点。 1、离子渗氮过程中既要防止大电弧的形成，降低电弧能量，又要利用微弧清洗净化工件，一般的电路除设计一 LC振荡灭弧、电流截止灭弧以外，都串联有限流电阻 R，不利于工艺控制的同时增加了损耗。 2、在离子渗氮过程中，炉内电压、电流必须处于异常辉光放电区的范围，这样才能保证工件均匀地被辉光覆盖，一般当离子功率密度大于 0.4W/cm时才足以产生辉光放电。有时由升温阶段转向保温阶段，为了维持一定的辉光功率并保持温度只有增大冷却水流量。严重时冷却水带走的能量占总功率的 40%之多。 3、工 件上的小孔、深孔、沟槽部分常常产生空心阴极效应，造成局部温度过高、硬度下降，对于复杂的工件，如模具等难以获得均匀的渗氮层。如果是采用脉冲电源进行离子渗氮，可以克服以上不足之处。所以， 20世纪 80年代后期，西德、法国等先后把脉冲电源辉光放电技术应用于热处理，取得了较好的效果。采用脉冲电源进行离子渗氮的优点包括 : 1、在脉冲电压的作用下，炉内气体放电受高频功率器件的开关通断控制，电流电压自然过零，自身具有灭弧的功能。由于采用自关断器件，灭弧速度可达微秒级，因而去掉了限流电阻，可大幅度节能。 2、在提供大的瞬时能 量的同时，可以保持较小的平均能量。可将工件升温、保温所需的离子能量借助于导通比调节来实现，从而将辉光放电的物理参数与控制温度的参数分开，实现独立调整，提高渗氮质量。 3、空心阴极效应的产生是由于离子与电子的相互作用，产生雪崩效应，引起载流子的聚集所造成的，采用脉冲电源后载流子的聚集被脉冲间隙中断，从而抑制了空心阴极效应，改善了复杂零件的温度均匀性。另外，对于原来需要堵nts 3 孔屏蔽的某些零件可直接装炉渗氮，简化了工序。 离子渗氮热处理用脉冲电源有两种类型 : 一是逆变型脉冲电源。逆变型脉冲电源脉冲频率高，动态响应快， 省去了体积庞大、笨重的工频变压器及其损耗，提高了离子渗氮的灭弧速度。是离子渗氮热处理用电源的发展方向。 二是斩波型脉冲电源。铁道部金化所 1992年在国内首先研制成功 GTO斩波型脉冲电源，现场实践证明斩波型脉冲电源与直流电源相比，不仅节电 30%左右，而且能迅速可靠灭弧，可减弱或抑制空心阴极效应，利于带深孔、沟槽等复杂零部件及齿轮根部的渗氮处理，能提高工件温度均匀性和渗氮质量。 1.2 脉冲电源发展动态 脉冲电源的形式和用途有多种，其主要的应用领域包括 :脉冲电镀、极性相和非极性相的相分离、工业废气处理、脉冲电解污 水处理、高频脉冲感应加热、高功率激光泵、产生高功率带电粒子束、电弧焊接、电火花加工、静电除尘、臭氧的制取和表面热处理等。在军事上，脉冲电源还用于电磁轨道炮、电磁脉冲模拟、粒子束武器、液电爆炸等领域。不同的应用场合，对电源的输出电压、输出电流及开关频率的要求不同。按照输出特性的不同，可以将脉冲电源分为能量密度型、时间间隔型和组合型三类。表面热处理用脉冲电源属于组合型，它对能量密度和时间都有要求。 脉冲电源的发展在促进开关器件发展的同时受制于开关器件的发展，尤其是大功率脉冲电源更是依赖于开关器件的发展。随着 GTO等自关断器件的出现，产生了斩波型脉冲电源。斩波型脉冲电源的原理是将前级的直流经过大功率开关器件控制后，输出周期和占空比由开关器件控制脉冲决定的大功率脉冲输出。这类型电源的最突出缺点是输出与输入不隔离，对电网的污染太严重。如果增加输入隔离变压器，由于电源功率太大，使得变压器的体积巨大。另外的一个缺点就是由于开关器件工作频率的限制，使得脉冲电源输出的频率很低。随后出现的开关器件 IGBT由于它本身的优点，使得研制逆变型脉冲电源成为可能。 IGBT的高工作频率可以使隔离变压器体积大大减小，同时可以提高脉冲输出的频率 。 就目前国内外发展来看，等离子热处理用脉冲电源的主要发展方向是逆变 型的大功率脉冲电源，一些新的器件的出现，会提高脉冲电源系统的性能，但 不会改变电源系统的逆变主回路拓扑。 1 3 单片机的发展 单片机是单片微计算机 （ Single-chip Microcomputer） 的简称 ， 也称为nts 4 微处理器或微控制器 ， 通常统称为微处理部件 (MCU:Micro Unit)。它是微电子技术和集成电路 IC技术迅速发展的结晶 ， 是在一篇硅片上集成 CPU、 RAM、 ROM、定时器 /计数器、中断处理器和多种 I/O端口完整的数字处理器系统 。在电子技术应用中，由于单片机的诞生，电子应用进入了“智能化”的时代。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、面向控制及价格低廉等一系列优点，牢固地树立了其在嵌入式微控系统中的“霸主”地位，在工业控制、智能化仪器仪表、计算机通信、家电、汽车、玩具等领域得到了广泛的应用。在 PC机以 286、 386、Pentium 、 PII高速更新换代的同时，单片机却始终保持旺盛的生命力。随着电子技术的迅猛发展，单片机将更广泛地应用于军事、工业、通信、家用电器、智能玩具、便携式智能仪表等领域，使产品功能、精度和质量大幅度提高，而电路 设计却更简单、故障率更低、可靠性更高且成本低廉。 第一款单片机是 Intel公司 1971年生产的，命名为 Intel-4004。此时， Intel公司就给单片机取名为嵌入式微控制器（ Embedded micro-control）， 1976年 Intel公司生产出 MCS-48单片机，从此单片机及其周边应用技术得到迅猛发展。纵观各系列单片机各阶段的特性和发展方向，从最初的准确地体现单片形态微计算机的内容发展到突破微计算机的传统内涵，着力扩展各种控制功能，单片机大致经历了三个发展阶段：第一阶段以 MCS-48系列为代表，它 将 CPU和外围电路集成到一个芯片上，构成新型工业微控制器，取得很大的成功。第二阶段以 MCS系列中的 8031为代表，它将单片机配置了完整的外部并行总线和多机识别功能的串行通信接口，规范了功能单元的特殊功能寄存器（ SFR）控制模式及适应控制器特点的布尔处理器系统和指令系统，为发展具有较好兼容性的新一代单片机奠定了良好的基础。第三阶段以 80C51系列为代表，它扩展的外部接口电路，在总线方面配置了芯片间的串行总线，为单片机应用系统设计提供了更加灵活的手段。 随着现代微电子技术、超大规模集成电路的发展，单片机技术日趋 成熟，单片机向单片机系统及单片机应用系统不断扩展其功能，从而无论是在较复杂的总线方式应用系统，如工控系统、智能仪表、检测系统或满足这些应用而构成的多机与网络系统中，还是在规模较小的非总线方式应用系统，如小型控制器、测控单元、单元仪表中，发展了形形色色、具有不同功能的单片机品种。从当前各系列单片机产品的特性可以看出，单片机正朝着两个方向发展。一方面，单片机的性能不断提高，功能越来越强，如带有 A/D、 PWM、 PCA、 WDT或带有大量高速 I/O口、增强型通信接口等，其内部结构、指令系统及开发工具均较为完善、复杂。 该类产品以 Intel公司的 MCS-96系列、 MOTOROLA公司系列为代表，它们可以满足各种复杂应用系统的需求。另一方面，单片机朝着超小型、超低功耗、低成本、多品种等方向发展。它们不搞单纯的功能堆积，而是从实nts 5 际出发，重视产品的性能价格比，发展多种型号来满足各种中小型智能化产品，尤其是消费类电子产品的应用，这些产品以美国的 MICROCHIP公司的 PIC系列、ZILOG公司的 CCP系列为代表，而 PIC系列以推出低价格一次性用户可编程 OTP单片机而构成了单片机家族中后起之秀。近年来，它像旋风一样横扫全球，将单片机 的应用扩大到电子产品的每一个领域。 从技术上看，单片机的进步反映在内部结构、功率消耗、外部电压等级、制造工艺以及高可靠性设计上。在内部结构方面，单片机集成了越来越多的部件，这些部件包括一般常用的电路（例如：定时器，比较器， A/D转换器， D/A转换器，串行通信接口， Watchdog电路， LCD控制器等）外，还包括一些专用的部件，如局域网络控制模块 CAN和脉宽调制控制电路。通过 CAN模块，连接到Internet上或自构成一个控制网络，通过标准网络浏览器进行过程控制。这类产品有 Motorola公司的 68HC08AZ系列和 Infineon公司的 C505C、 C515C、 C167CR、C167CS-32FM和 81C90等。为了能在变频控制中方便使用单片机，形成最具经济效益的嵌入式控制系统，有的单片机内部设置了专门用于变频控制的功能模块，这些单片机有 Fujitsu公司的 MB89850系列、 MB89860系列； Motorola公司的 MC68HC08MR16、 MR24等。特别引人注目的是：现在有的单片机已经采用所谓的三核（ TnCore）结构，这是一种建立在系统级芯片（ System on a chip）概念上的结构。这种单片机有 三个核组成：一个是微控制器和一个 DSP核，一个是数据和程序存储器核，最后一个是外围专用集成电路（ ASIC）。这种单片机的最大特点在于把 DSP和微控制器同时做在一个芯片上。虽然从结构定义上讲，DSP是单片机的一种类型，但其作用主要反映在高速计算和特殊处理如快速处理傅立叶变换等上面。把它和传统单片机结合集成大大提高了单片机的功能。这是单片机目前最大的进步之一。这种单片机最典型的有 Infineon公司的TC10GP； Hitachi公司的 SH7410， SH7612等。这些单片机都是高档单片机， MCU都是 32位的，而 DSP采用 16或 32位结构，工作频率一般在 60MHz以上。 纵观单片机的发展过程，单片机目前的发展表现出几大趋势：网络化，单片机作为工业控制器的主力军，直接和互联网连接已是一个必然的发展方向；集成化，集成越来越多的功能模块，如语音处理功能，图象处理功能，网络管理功能等，使得单片机的功能越来越强大；低功耗和宽电压，追求低功耗是每个电子产品的发展方向之一；数字 模拟化，将数字技术和模拟技术融为一体，形成功能独特的单片机；多种数据总线单片机共同发展，单片机的数据总线实现多种并存，有 4位、 8位、 16位和 32位等，它们适应不同领域的要求。 nts 6 1.4 本论文研究内容和特点 本课题主要进行以下几方面的工作 (I)硬件电路制作和实验研究 完成主电路、控制电路、驱动电路和保护电路的制作，进行实验装置的实验研究，取得有关的实验数据和波形，验证设计的正确性。 (2)软件设计 针对所采用的控制算法，设计出控制软件，完成控制电路其他辅助功能的程序。 1.5 技术指标 离子渗氮热处理用脉冲电源设计课题的主要技术指标为 : 设计的主要技术指标： 1输入参数 电压： 3AC 380V 50HZ 2输出参数 脉冲电压 频率： 800 1000HZ 连续可调 脉冲电压幅值： 0 1000V 连续可调 电流峰值： 100A 占空比： 10% 90%连续可调 频率误差： 0.5% 脉宽误差： 1% 幅值误差： 0.3% 3控制系统以美国 Mirochip 公司生产的 PIC 系列单片机作为控制核心； 4采用三相全控桥式整流电路，整流桥选用 SCR 作为功率元件； 5采用 Boost 型 DC/DC 变换器，变换器开关功率元件用 IGBT。 nts 7 第 2 章 系统总体设计 根据系统的运行环境选择合理的方案、设计有效 可靠的电路和先进的系统控制算法是系统总体设计的主要任务，本文首先简单介绍离子渗氮热处理用脉冲电源的工艺要求，进而分析斩波型脉冲电源系统的组成和工作原理，最后重点给出系统各个组成部分的设计指标。 三相整流电路将三相交流电经三相全控整流桥后变为电压可控的直流脉动 电压，在经直流滤波器之后变为平直的直流电压。 控制电路是整个系统的核 心。 同时，通过控制开关元件的导通与关断时间来控制输出脉冲的脉宽与周期，这样就得到了脉宽与频率可调的期望脉冲电源；通过整流电路的触发驱动电路改变触发角，以实现对输出脉冲电压幅值的控制。通过开关 元件将低压直流电源和高压脉冲电源串联连接，便可使脉宽、周期、幅值均可调。 2.1 工艺对脉冲电源的技术要求 应用于离子渗氮热处理的脉冲电源系统为非标准工业产品，除了脉冲电源本身的设计外，还要根据离子渗氮热处理的工艺要求做特别设计。因此本设计的脉冲电源必须结合离子渗氮热处理工艺的要求在主回路和控制系统方面做特 别的设计。 离子氮化及等离子表面处理用脉冲电源不仅工作电压高 (l000V)、工作频 率比较高 (800Hz一 1000HZ )，其主要的特点在于它以辉光放电为负载。辉光 放电负载的等效阻抗变化急剧，频率产生辉光 弧光转变，此时阻抗呈负阻 性特性，负载近似短路，阴阳极间电压从几百伏、近千伏突然降到几十伏，电 流急剧增大，因此设计的脉冲电源必须有迅速可靠的抑制弧光电流增长的措施。辉光 弧光转变的本质特征是极间电压从几百伏、近千伏迅速降到几十伏。 对脉冲电源来说不仅弧光放电时极间电压要下降，在正常情况下每一秒种极间 电压有 1000次幅值从工作电压下降到零 (假设系统工作频率在 1000Hz)。正确区分是弧光放电导致的电压下降，还是脉冲电压本身具有的周期性电压下降是 检测弧光放电的关键。 由于弧光放电是必然要产生的，特别是在初期阶段还 要用散弧来清洗工件，应该检测出可能发展为大弧的弧光信号，而对微弧必须予以通过，以利于清洗 工件和时间利用率。所以必须设计适当的检测与控制电路，正确而又恰当地检测出弧光信号，及时封锁脉冲输出。当炉内的气体压力很小时，电极之间产生弧光放电，气体离子轰击工件表面 而使炉内温度升高，在这段时间内根据工件的不同要控制电极之间产生弧光放电的强度和次数，同时控制炉内的温nts 8 度。 工作曲线如图 2.1,离子渗氮热处理工艺过程包括三个阶段 : 升温阶段 :在脉冲峰值电压 600V左右 ,通过自动与手动控制使炉内温度在 8到 10小时内升到 600 C。 恒温阶段 :通过系统的自动控制系统 和人为参与，调节脉冲频率、占空比 和电 压峰值实现炉温的恒定。 冷却阶段 :氮化炉自然冷却。 图 2.1 氮化炉工作曲线略图 2.2 脉冲电源系统的主要部分 根据离子渗氮工艺的要求 ,脉冲电源的工作频率为 800 1000Hz ,最高工作电压为 1000V ,电流幅值约为 100A。在电源的控制电路中 ,对脉冲的占空比要进行调节 ,对炉内温度要实现 PID控制 ,对打弧能进行检测与保护。对于主回路的 实现 ,可以有多种方式 (如直流斩波方式、逆变方式等 ),可选用的开关元件也很多。考虑到成本及电路的简洁可靠 ,利用老式直流电源进行改造 ,增加斩波部分及控制部分 。 2.2.1 滤波电路 整流电路虽然可以把交流电转换为直流电，但是所得到的输出电压中含有较大的脉动成分。当用于电子设备的电源时，会引起谐波干扰。为此，整流电路中需加接滤波电容器，以保留整流后输出电压的直流成分，滤去脉动成分，使输出电压接近于理想的直流电压。 nts 9 2.2.2 斩波电路 利用电力电子开关器件周期性地开通与关断来改变输出电压的大小 ,因此称为开关型 DC/DC变换电路或称斩波电路。它能将直流电变成另一固定电压或大小可调的直流电压的变换电路称为直流变换电路。直流变换电路多以全控型电力电子器件 (如 GTO、 GTR、 VDMOS和 IGBT等 )作为开关器件 ,控制输出电压的大小。其开关频率高 ,变换效率也高。 斩波电路的关键是功率器件的驱动、应力吸收电路、功率回路布线和 各种快速完善的保护功能。 2.2.3 高频升压、整形 利用大功率脉冲变压器，对逆变后的脉冲进行高频升压，然后采用桥式电路整形。在此过程中，应防止产生高的尖峰电压、高频振荡等问题，同时还要解决变压器效率的问题。 2.2.4 控制电路 设计的脉冲电源系统要真正应用于实践，必须解决好系统的快速性和稳定性之间的矛盾。同时要解决控制系统的抗干扰问题，以保证系统的正常运行 。 2.2.5 可控整流模块 可控整流采用三相全桥晶闸管整流，晶闸管驱动信号由控制模块提供，本章主要讲述整流电路设计计算、晶闸管的选择与保护电路设计和晶闸管的驱动电路设计。 2.3 脉冲电源工作原理和系统组成 在一般全桥或者半桥直流电源中 ,都是将电网电压不控整流后的直流电压经 过逆变、变压器升压或者降压，然后再整流得到隔离的直流输出电压。本设计的斩波型脉冲电 源可以在上述直流电源的基础上实现，电路方框图如图 2.2所示。设计斩波型脉冲电源系统由三大部分组成 :(一 )任务书要求输出的脉冲电压连续可调 ,所 以第一步必须采取可控整流。 (二 )与全桥直流电源不同的是，不把变压器的输出经过整流滤波变为直 流，而是通过整形电路输出脉冲。控制电路是系统的核心， 它包括主回路功率器件需要的驱动脉冲生成、控制算法、信号采样及处理等。 2.4 各功能模块的设计指标 2.4.1 可控整流模块设计指标 可控整流模块的输入电压为误差 15，根据电源系统要求，输出 电压为430V，电流为 200A的可调直 流电压。 nts 10 为了保证脉冲电源系统主回路的平稳启动，可控整流模块还要设计软启动功能，不管外部设置的整流输出电压有多高，整流输出电压都从 0V逐渐增加。 为了保证脉冲电源系统的正常工作，可控整流模块还要设计三相交流输入过压、欠压和过流保护。只要这些故障信号出现，控制模块马上发出封锁信号将可控整流模块的功率器件封锁。 2.2 脉冲电源系统电路方框图 2.4.2 升压斩波电路 升压斩波电路是输出电压的平均值高于输入电压的电路。 它可用于直流稳压电源和直流电动机的再生制动。 2.4.3 控制模块设计指标 控制模块是电源系统的核心，它与脉冲电源的其他部分之间都存在直接关系。 控制模块与可控整流模块的关系是提供六路移相控制驱动脉冲信号 ;实现可控整流的电压闭环控制 ;采集各类故障信号经过运算后控制可控整流模块的输出 ;此外还要实现可控整流的软启动功能。 控制模块与斩波模块的关系是提供两路占空比和频率可调的驱动脉冲信号 ;采集功率器件的故障信号经过运算后禁止可控整流模块的输出 ;检测脉冲峰值电流和脉冲电压，通过运算控制氮化炉打弧次数并且要求控制时间 在 l0 s之内。 三相交流电 可 控 整 流 控 制 电 路 斩 波 电 路 离 子 氮 化 滤波电路 nts 11 2.4.4 总体要求 由于电源工作在脉冲方式，大功率的应用增加了系统的高频干扰源，为了增加控制系统的抗干扰能力，各个系统模块必须采取的措施包括 : 在各模块之间传输的信号都经过快速光电藕合器隔离传输，减少干扰信 号通过线间传导对系统造成的影响；所有的控制信号与主回路之间的连接都 通过变压器或者光电藕合器隔离传输 ;采取模拟器件滤波和数字滤波技术， 增强控制模块的抗干扰能力 ;对可控整流模块和斩波模块中的功率器件，设 计合适的吸收电路抑制高频振荡，减少于扰源 . nts 12 第 3 章 可控整流电路设计 可控整流采用三相全桥晶闸管整流，晶闸管驱动信号由控制模块提供，本章主要讲述整流电路设计计算、晶闸管的选择与保护电路设计和晶闸管的驱动电路设计。可控整流模块设计指标如下 : 输入 主回路输入三相 380V 电压 , 50HZ； 输出 电压 :0一 430V直流可调； 电流 :200A； 3.1 相控整流主电路设计与计算 3.1.1 三相可控整流电路 高压脉冲电路由两部分组成，直流基压电源与脉冲电压产生电路。直流基压电源主要是三相整流电路，它可以把经过变压器的三相交流电变 成直流电；脉冲电压产生电路即斩波电路，将直流电变为脉动的电压。整流元件应设计合适的过电压与过电流保护电路，整流元件也应该如此。系统原理图如下所示 图 3.1 脉冲电源系统原理图 整流电压形成部分，拟采用电压闭环系统，主电路采用模块装置，减少了设计工作量，提高了系统的可靠性，只要设计合适的控制参数，就能提供稳定的整流电压，控制电路采用比例积分 (PI)调节器，使得系统技术指标更优。 脉冲形成部分，选用单片机进行脉冲宽度数字调制，脉宽与输出电压幅值分别可调， 主电路选用智能化器件 IGBT，选用多种保护策略，以提高器件的安全程度。 3 1 2 可控整流电源系统的发展与现状 晶闸管可控整流电源与早期的水银整流器及锗整流器相比具有效率高(98%-99%)、允许工作温度范围大、寿命长、体积小、重量轻、辅助设备少、整流 滤波 斩波 负载 斩波控制电路 整流控制电路 nts 13 噪音小、无污染、维护简单、操作方便等优点，已广泛应用于大功率工业控制领域。例如 :作为蓄电池的充电器、电解电镀的低压大电流整流电源、直流电弧炉电极调节的直流电源等，大力推广晶闸管可控整流电源的应用对于国民经济的发展具有重大的意义。 一般来说，可控整流电源系 统有如图 1-1所示的通用电路结构形式 : 电压、电流给定值与负载电压、电流检测值进行比较，为了消除给定值与检测值的误差，由调节器产生的控制信号来调整晶闸管触发脉冲延迟角的大小，以实现电压、电流闭环控制，无差调节。可控整流电源系统具有复杂性、非线性、时变性等特点，其中的核心控制环节触发器和调节器一直是电力电子领域的研究热点，如何合理地设计系统的各个控制环节以达到最优的控制效果具有重大的理论意义和实际价值。 触发电路是晶闸管电力变流的核心控制技术，其可靠性是电力电子装置能够正常有效工作的关键。 对于早期由分离元件构成的模拟触发器，由于元件参数的分散性和零点漂移等因素，触发脉冲的严格对称是很难保证的。即使是后来发展起来的由中小规模集成电路构成的 KC、 KJ系列模拟触发器，由于其触发脉冲是通过同步变压器送来的同步信号转换成锯齿波信号，再与给定的直流电压相比较来取得移相信号的，因此抗干扰能力和触发脉冲的对称度均不理想，而且对于不同相序的输入电源，同步变压器及触发脉冲所对应的晶闸管也需用示波器严格查对，诸如缺相保护、软起停等附属电路亦需另外设计电路解决，整个电路系统在设计和调试时相当复杂。另外，由于基于微机 控制的数字触发器，它的不足之处是存在相位抖动、抗干扰能力差、控制精度较低等问题。目前在国内外得到成功应用的是以美国 ENERPRO公司为代表的数字触发器，它以CMOS大规模数字集成电路为核心，在调节器与大功率主电路之间是一个很好的缓冲接口。另外，随着 EDA技术和可编程逻辑器件的发展，出现了基于 CPLD的新型数字触发电路，它充分利用 CPLD强大的数字逻辑处理能力和在系统编程(ISP)功能，大大提高了触发电路的可靠性和灵活性。 调节器 整流装置 滤波环节 负载 检测环节 输出值 给定值 图 3.2 可控整流电源系统电路结构图 nts 14 在工程上， PID调节仍是应用最广泛的控制规律，原因是调节器结构简单而且能满足大 量工业过程的要求，具有一定的鲁棒性。然而，可控整流电源系统的被控对象机理复杂，不仅表现在控制系统具有参数时变性和严重的非线性特性，更突出的是从系统所能获得的知识信息量相对减少而对控制性能的要求却日益提高。在这种情况下，采用常规的 PID调节器很难达到满意的控制效果。与美国 ENERPRO公司大规模晶闸管触发器相配套的调节器，集电压、电流调节，过压、过流保护等功能于一身，以其可靠性高、功能完善等优点在国内外得到了普遍应用，但它不能“通用”， PID参数需现场人工整定。近几年来，基于智能控制方法的新型调节器引起了人们 的普遍关注和极大兴趣，并已得到较为广泛的应用，它具有不依赖系统精确数学型的特点，对系统的参数变化具有较好的鲁棒性，模糊调节器和神经网络调节器是其中研究最为活跃的领域。模糊控制系统是以模糊数学，模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规划推理为理论基础，采用计算机控制技术构成的具有反馈通道的数字控制系统。作为其核心的具有智能性的模糊调节器不要求掌握受控对象的精确数学模型，而根据人工控制经验创建控制决策表，由该表决定控制量的大小，其适应性和灵活性均很强。以非线性大规模并行处理为主要特征的神经网络，模拟人的形象思维以及学习和获取知识的能力，它具有学习记忆，联想，容错，并行处理等种种能力。神经网络调节器无需系统建模，对于具有不确定性因素的系统，其控制品质明显优于常规 PID调节器。另外，将智能控制与常规 PID调节相结合形成的智能 PID调节器 (如模糊 PID，神经网络 PID等 )兼顾了智能控制灵活，适应性强与常规 PID调节精度高的优点，在工业控制过程中广泛应用。此外，随着单片机和数字信号处理器 (DSP)等具有强大数据与信号处理能力的微处理器技术在工业控制领域的广泛应用，基于单片机和 DSP的各类调节器在实时控制领域的应用日益普遍。 为了减小输出整流电压的交流成分，一般采用 LC滤波器做平滑
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