孙富勤专业课程设计

1、目 录第1章 绪 论及引言21.1 电力电子技术的介绍21.2 电力电子技术的应用及直流变化技术2第2章 系统总体方案及主电路设计22.1 系统的方案及其流程图22.2 主电路的设计32.3 参数的计算3第3章 控制和驱动电路的设计53.1 芯片SG3525简介53.2 控制和驱动电路原理图63.3 保护电路6第4章 系统仿真与实测74.1 仿真软件Matlab简介74.2 仿真模型的建立84.3 系统仿真结果及分析8设计心得体会11参考文献11第1章 绪论及引言1.1 电力电子技术的介绍电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电

2、能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。 现已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。 1.2 电力电子技术的应用电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而成的，在电气自动化专业中已成为一门专业基础性强且与生产紧密联系的不可缺少的专业基础课。本课程体现了弱电对强电的控制，又具有很强的实践性。能够理论联

3、系实际，在培养自动化专业人才中占有重要地位。它包括了晶闸管的结构和分类、晶闸管的过电压和过电流保护方法、可控整流电路、晶闸管有源逆变电路、晶闸管无源逆变电路、PWM控制技术、交流调压、直流斩波以及变频电路的工作原理。直流变换技术已被广泛的应用于开关电源及直流电动机(本设计中卷板机)驱动中，如不间断电源（UPS）、无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆的无级变速及20世纪80年代兴起的电动汽车的控制。从而使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。由于变速器的输入是电网电压经不可控整流而来的直流电压，所以直流斩波不仅能起到调压的作用，同时还能起到有效地抑制网侧谐波电流的作

4、用。第2章 系统总体方案及主电路设计2.1 系统的方案及其流程图 电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路，保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断。来完成整个系统的功能。因此，一个完整的电力电子电路也应包括主电路，控制电路，驱动电路和保护电路这些环节。直流斩波电路一般主要可分为主电路模块，控制电路模块和驱动电路模块三部分组成。主电路模块， 主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和直流斩波电路组成，其中主要由全控器件IGBT的开通与关断的时间占空比来决定输出电压

5、u。的大小。控制电路模块，可用直接产生PWM的专用芯片SG3525来控制IGBT的开通与关断。驱动电路模块，驱动电路把控制信号转换为加在IGBT控制端和公共端之间，用来驱动IGBT的开通与关断。系统总体流程图如图2-1图2-1 系统总体流程图2.2 主电路的设计按照设计要求，要求输出电压可以可以连续调节，稳态精度小于1%，可以选择升压斩波电路完成相应的设计。升压斩波电路工作原理图及其波形图2-2所示图2-2 升压斩波电路工作原理图及其波形图2.3 参数的计算根据设计要求，我选择选大小为110V的直流电压源，选取升压斩波电路的占空比为。因此，输出电压220V，输出功率。又因为要求输出的额度电流为

6、10A，可计算出负载电阻。电压控制电压源和脉冲电压源可组成功率开关的驱动电路。在控制开关开通期间，电流从电源正极流出，经过电感从开关流回电源负极。电容向供电，输出电压上正下负。电源电压全部加到电感两端，在该电压作用下，电感电流线性增长。在导通之间内，电感电流增量为： （2-1）在控制开关关断期间，经二极管流出，电感电压极性将变成左负右正，认为电感很大，不变。这样，电源和电感同时给电容和负载供电，负载两端电压仍是上正下负。电感电压，电感电流线性减小。在关断时间内，电感电流减小量的绝对值为： （2-2）当电路工作在稳态时，电感电流波形必然周期性重复，开关导通期间电感电流的增量等于开关断开时电感电流

7、的减少量，即联立（1）（2）式可得输出电压 （2-3）由上式可知，输出电压比输入电压大。从能量守恒角度分析（假设电感足够大，电流平直），电路达到稳态时，电感在开关开通期间吸收的能量（）与开关关断期间释放的能量（）相等。列出等式： （2-4）解得 （2-5）下面确定电流连续的临界条件：如果在时刻电感电流刚好降到0。则为电流连续与断续的临界工作状态。此时，升压斩波电路的输入输出功率分别为： 、忽略损耗，有，于是 （2-6）联立式（1）（4）（5）得临界电感值为 （2-7）确定电容的计算电容在关断期间释放的能量与开通期间吸收的电荷相等，则电压变化量 （2-8） 则 （2-9）可决定脉动率。计算：由式

8、（2-7），周期可由开关频率得出为，把相应的数值代入上式得出，当时，工作在连续状态下。电感越大时，电感电流越平直。可适当取较大的电感值。计算：由式（8），取脉动率，计算，代入上式计算出，滤波电容越大，输出电压越平直，可适当取较大的电容值。第3章 控制和驱动电路的设计3.1 芯片SG3525简介PWM控制芯片SG3525 具体的引脚结构图和内部框图如图3-1及图3-2所示。其中，脚16 为SG3525 的基准电压源输出，精度可以达到（5.1±1）V，采用了温度补偿，而且设有过流保护电路。脚5、脚6、脚7 内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG352

9、5 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1 及脚2 分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器，直流开环增益为70dB 左右。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9 和脚1 之间一般要添加适当的反馈补偿网。图3-1 SG3525引脚图图3-2 SG3525的内部框图3.2 控制和驱动电路原理图此电路主要用来驱动IGBT斩波。产生PWM信号有很多方法，但归根到底不外乎直接产生PWM的专用芯片、单片机、PLC、可编程逻辑控制器等本电路采用直接产生PWM的专用芯片SG3525.该芯片的外围电路只需简单的连接几个电阻电容，就能产生特定频率的P

10、WM波，通过改变IN+输入电阻就能改变输出PWM波的占空比，故在IN+端接个可调电阻就能实现PWM控制。为了提高安全性，该芯片内部还设有保护电路。它还具有高抗干扰能力，是一款性价比相当不错的工业级芯片。为了减少不同电源之间的相互干扰，SG3525输出的PWM经过光电耦合之后才送至驱动电路。其电路图如下图 3-3所示：图3-3 控制和驱动电路工作原理：通过R2、R3、C3结合SG3525产生锯齿波输入到SG3525的振荡器。其产生的PWM信号由OUTA、OUTB输出，调节R5可以改变占空比。输出的PWM信号通过二极管D6、D7送至光电耦合器U2，光耦后通过驱动电路对信号进行放大。放大后的电压可以

11、直接驱动IGBT。此电路具有信号稳定，安全可靠等优点。因此他适用于中小容量的PWM斩波电路。3.3 保护电路 升压斩波电路需同时具有过压和过流保护功能，分别如图3-4所示，均采用反馈控制,将过流过压信号反馈到芯片SG3525的输入，从而起到调节保护作用。同时芯片SG3525也可完成一定的保护功能，例如，脚8软起动功能，避免了开关电源在开机瞬间的电流冲击，可能造成的末级功率开关管的损坏。 图3-4 电压和电流保护电路第4章 系统仿真与实测4.1 仿真软件Matlab简介在科学研究和工程应用中，往往要进行大量的数学计算，其中包括矩阵运算。这些运算一般来说难以用手工精确和快捷地进行，而要借助计算机编

12、制相应的程序做近似计算。目前流行用Basic、Fortran和c语言编制计算程序, 既需要对有关算法有深刻的了解，还需要熟练地掌握所用语言的语法及编程技巧。对多数科学工作者而言，同时具备这两方面技能有一定困难。通常，编制程序也是繁杂的，不仅消耗人力与物力,而且影响工作进程和效率。为克服上述困难，美国Mathwork公司于1967年推出了“Matrix Laboratory”（缩写为Matlab）软件包，并不断更新和扩充。目前最新的5.x版本（windows环境）是一种功能强、效率高便于进行科学和工程计算的交互式软件包。其中包括：一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建模和系统控制和优化等应用程

13、序，并集应用程序和图形于一便于使用的集成环境中。在此环境下所解问题的Matlab语言表述形式和其数学表达形式相同，不需要按传统的方法编程。不过，Matlab作为一种新的计算机语言，要想运用自如，充分发挥它的威力，也需先系统地学习它。但由于使用Matlab编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以不象学习其它高级语言-如Basic、Fortran和C等那样难于掌握。实践证明，你可在几十分钟的时间内学会Matlab的基础知识，在短短几个小时的使用中就能初步掌握它.从而使你能够进行高效率和富有创造性的计算。 Matlab大大降低了对使用者的数学基础和计算机语言知识的要求，而且编程效率和计

14、算效率极高，还可在计算机上直接输出结果和精美的图形拷贝，所以它的确为一高效的科研助手。自推出后即风行美国，流传世界。4.2 仿真模型的建立 IGBT升压斩波电路模型主要由直流电源、同步触发脉冲、IGBT、电阻、电感、电容以及电流表、电压表、示波器等部分组成。采用MATLAB面向电气原理结构图方法构成的IGBT升压斩波电路模型如图4-1所示 图4-1IGBT升压斩波电路模型4.3 仿真结果及其分析 按照本设计的要求，可以知理论的输出电压为直流电压，其大小为220V，仿真如下：4.31 流过电感的电流和两端的电压波形从图中可以看出电感的电流的上升时间和下降时间占一半，一半处于充电阶段，另一半出去放

15、电阶段。4.32 负载两端的电压（输出电压）波形由图可以清晰的看出，输出电压是波动的直流电压，理论值是220V，仿真其大小值接近220V，符合设计的要求。4.33IGBT触发脉冲的波形从图中看出可以看出占空比为50%。4.34电源电压的波形从图中看出电源电压为一直流电压，大小为110V。设计心得及体会 回顾起此次的专业课程设计，感慨颇多，它使我有了很多的心得体会。在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。通过查阅大量有关资料，并与同课题同学互相讨论，交流经验和自学，若遇到实在搞不明白的问题就会及时请教老师，使自己经历了不少艰辛，但收获同样巨大，学到了

16、不少知识。通过本次课程设计让我更加的深刻的理解了斩波器的原理，从而由斩波器这个小小的器件体会到了电力电子这门学科的重要性。课程设计不仅需要灵活的运用书本上以及课堂上的知识，还需要自己运用电脑上网搜索相关信心和操作相关的软件来更好的达到设计的目的。这让我不仅巩固了老师所传授的书本上的知识，而且锻炼了自己解决实际问题的能力。通过课程设计还拓宽了知识面，学到了很多课本上没有的知识，报告只有自己去做能加深对知识的理解，任何困难只有自己通过努力去克服才能收获成功的喜悦。在此次电力电力课程设计，我用了Matlab软件。通过对电路图的研究，也增强了自己的思考能力。另外，在使用Matlab软件绘制电路图的过程中，我学到了很