单相正弦波变频电源设计开题报告

1、精选优质文档-倾情为你奉上 毕业设计（论文）开题报告单相正弦波变频电源设计系 部： 专 业： 学生姓名： 指导教师： 开题时间： 2012 年 3 月 26 日一、总体说明在开题报告中要求给出你对课题的理解，类似的研究在国内外的进展情况，你对系统设计的初步设想，主要需要解决的技术难题和解决思路，同时应给出课题的时间安排。二、开题报告内容1毕业设计（论文）课题的目的、意义、国内外现状及发展趋势2课题主要工作（设计思想、拟采用的方法及手段）3完成课题的实验条件、预计设计过程中可能遇到的问题以及解决的方法和措施4 毕业设计（论文）实施计划(进度安排)5 参考文献三、撰写要求1报告字数不少于3000字

2、2报告内容一律用A4纸打印3. 上交时间为毕业设计第三周周末。一、毕业设计（论文）课题的意义、国内外现状及发展趋势(可加附页)1选题的背景和研究意义自从人类有了电之后，各行各业都因为有了电而飞速发展，并出现了无数新型产业，直至今日，电已经成为我们的日常生活中不可或缺的一部分。而电源作为一种通用性很强的电子产品，在各个行业和日常生活中得到了广泛的应用。但是变电站输送给我们用户的是380/220V交流电，为了使人们的生活更加便利，电器都朝微型化发展，随着人类用电量的增加，电器又要功率低，所以将380/220V高压变成较小，并能安全可靠地提供给各类不同小电器的小电源已经受到电器行业的重视。近几年，小

3、电源的市场已经扩大，技术也将慢慢趋于成熟。如今，小电源还介入了单片机，使小电源智能化，数字化。电源是向电子设备提供功率的装置，也称电源供应器。我们的衣食住行离不开电源，科学研究、工农业生产、办公学习、文化娱乐、交通、医疗等等，哪一样也少不了电源。一般来说，电源可以分为三类：（1）电能由其他能量转换而来，如水力、火力、风力发电等，一般这种电源称为一次电源；（2）电能传输过程中，在电源和负载之间对电能进行变换或稳定处理，如整流、升压等，一般这种电源称为二次电源；（3）平时把能量以物理、化学形式储存起来，使用时再变成电能提供给负载，比如人们所常见的各种电池，一般称此为物理、化学电源。任何电子设备都离

4、不开电源，然而，种类繁多的各式用电设备对电能源的要求却迥异，很多并不是直接使用公用电网作为电源，而是通过各种形式对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式。由此可见，二次电源在电源当中起到了很重要的作用，因此，目前在电源技术领域中应用最为广泛，主要研究如何利用电子技术对电功率进行变换及控制，它广泛采用了电子、电磁、计算机和材料等技术与学科理论，具有很强的综合性。现在我们的经济活动已经到了已经到了工业经济时代，并正在转入高新技术产业迅猛发展时期。直流稳压电源是电子技术常用的仪器设备之一,广泛的应用于教学、科研等领域，是电子实验员、电子设计人员及电路开发部门进行实验作和科学研究所不可缺少的电子仪器。

5、在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源来供电。而整个稳压过程是由电源变压器、整流、滤波、稳压等四部分组成。现在传统的直流稳压电源已经不能满足现在需要，但是在各类电子设备和一些家用电器中，通常又都需要电压稳定的直流电源供电。而在我们实际生活中电源往往都是由220V 的交流电网供电，那么这就需要通过变压、整流、滤波、稳压电路将交流电转换成稳定的直流电。其中滤波器用于滤整流输出电压中的纹波，一般传统电路由滤波扼流圈和电容器组成，若由晶体管滤波器来替代，则可缩小直流电源的体积，减轻其重量，且晶体管滤波直流电源不需直流稳压器就能用作家用电器的电源，这既降低了家用电器的成本，又缩小了其体积，使家用电器

6、小型化。然而传统的直流稳压电源通常采用电位器和波段开关来实现电压的调节,并由电压表指示电压值的大小. 因此,电压的调整精度不高,读数欠直观,电位器也易磨损。而基于单片机控制的直流稳压电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足，并且数控直流电源与传统稳压电源相比，具有作方便、电压稳定度高的特点。它的纹波电压低，电压调节精确，输出电压大小采用数字显示，直观易读。电路大部分使用集成电路，从而使调试简单、性能优良、故障率低、使用寿命长。 现代电源技术是应用电力电子半导体器件，综合自动控制、计算机(微处理器)技术和电磁技术的多边缘交叉技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键的作用，是现代电子电力技术

7、的具体应用。六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。而在七十年代到八十年代之间，随着变频调速装置的普及，这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变，但是工作频率较低，仅局限在中低频化发展，为大中型功率电源向高频发展带来机遇，相信在不久的将来，电力电子将使电源技术更加成熟、经济、实用，实现高效率和高品质用电相结合。通过整流和逆变组合电路实现的软开关变频变压技术，是当今电力电子学领域最为活跃的研究内容之一，应用十分广泛，主要应用在交流电机调速和供电电源等领域。电源在任何电子设备中都有着极其重要的地位，然而各种用电设备所需要的电能形式却不同，因此，对变频变压电源的研究具有十

8、分重要的理论意义和工程实用价值。随着电力电子技术的飞速发展，正弦波输出变频电源已经被广泛应用于各个领域中，在实验室和工业部门，单相正弦波变频电源常用于各种测量和控制电路中，产生单相正弦波信号作为基准信号，对于一个良好的正弦波信号源，要求其输出的基准正弦波信号幅值、频率高度稳定、失真度小，带负载能力强、幅值可调。变频电源主要用于交流电机的变频调速，其在电气传动系统中占据的地位日趋重要，已获得巨大的节能效果。变频电源主要电路均采用ACDCAC方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压，然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器，将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出，电源输出波形近似于正

9、弦波，主要用于驱动交流异步电机实现无级调速。本课题所做的变频变压电源即属此类。变频变压电源，是将市电通过功率变换电路转变为所需要的电压和频率的一种电源，如今已在国民经济的各行各业中得到了广泛的应用，比如：（1）各种进口设备。各国的工频电形式不同，如美国采用120V60Hz交流电，同本采用110V60Hz交流，台湾110V60Hz，英国240V50Hz，这使得进口设备在国内运行必须通过变频变压供电；（2）交流电机调速。交流电机变频调速具有调速平滑、调速范围宽、效率高、特性好、结构简单、机械特性硬、保护功能齐全、运行平稳安全可靠、在生产过程中能获得最佳速度参数等优点，是理想的调速方式。且有数据表明

10、，交流电机用于风机、水泵全额运行时，采用变频调速能节电30，因此这也是国家重点推广的技术；（3）风力发电。直驱型风力发电机组的发电机轴直接连接到风轮上，其转子转速随风速而改变，所产生的交流电频率也随之变化。需采用大功率电力电子变流器，将其整流为直流电，再逆变成与电网频率相同的交流电输出。通过中间电力电子环节，可对系统有功功率和无功功率进行控制，实现最大功率跟踪，最大效率的利用风能；（4）实验室、航空、军事、铁路等特殊场合。变频电源以其低损耗、高效率、电路简洁等显著优点而受到人们的青睐。近年来随着工业自动化产业的高速发展，人们对变频电源的需求与日剧增，变频电源的研发、生产已发展成为前景十分诱人的

11、新兴产业。2. 国内外现状及发展趋势变频电源是在国内一般的称呼，更准确的说，应该叫交流电力频率转换器，即Ac power Frequency Converter，一般用缩写AFC来称呼。变频电源的整个发展史基本是随着电子器件的发展而发展的。1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管标志着电力电子学的诞生；到上世纪70年代后期，功率场效应管(power MOSFET)开始进入实用阶段，标志着电力半导体器件在高频化进程中的一次重要进展；在80年代后期，以绝缘栅双极性晶体管(IBGT)为代表的复合型器件异军突起，它把MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点集于

12、一身，性能十分优越，为实现变频电源的高频化和高性能提供了物质基础；随着软开关技术的成熟，工业用的高速数字信号处理器(DSP)的发展，作为变频器核心的正弦波逆变器的控制技术方案也正在由传统的模拟控制向现代数字化控制的方向发展。 80年代前后，电子式变频电源多以日本的小型仪器电源为主，该类仪器电源多采用晶体放大的方式制作，80年代后通过台湾传入中国大陆。该时期的电源特点为：功率小，精度好，效率低。 80年代，中国大陆走上了改革开放的道路，在此阶段，中国大陆的进出口设备逐渐加大，尤其以微波炉及空调为代表性的电器出口份额增加，因此需求大功率变频电源进行测试。对于该部分市场应用的需求，原有的产品功率已不

13、能满足，所以，电源厂家寻求新的技术来扩大电源的功率。根据当时的技术条件及电子器件，主要向两条路发展，一方面是保持晶体式的方式不变，采用多机并联的方式进行扩容；另一种方式是采用功率晶体模组。 晶体式多级串联的方式，需要解决环流问题，而且效率低，在工业生产过程中，消耗太大；功率晶体模组变频方式反应慢，功率有限，工作电压低，耐压在600V左右，输出采用PAM滤波方式（为单方波加低次滤波），输出波形失真较大。这两种方式制作的电源产品功率依旧不能满足日益增长的需求，所以大功率的负载需要变频测试时，多采用电机后拖动发电机的方式（M+G）来满足。 电机后拖动发电机的方式（M+G）在使用过程中，存在磨损，以及

14、效率转换问题。后来参考美国技术，采用SCR来做逆变器，该方式制作的电源，功率大，能满足客户使用，比较好的用于取代电机后拖动发电机的方式（M+G），但是该系列的产品有一个较大的缺点，机器在转换的过程中，噪音非常大，达到70dB1m 随着半导体技术的发展，在80年代末，富士生产出了第一代的IGBT，该电子器件的特性集成了GTR及MOSFET的优点，开关速度快，通流能力强，故很快就被应用到逆变领域。随着实力强大的三菱、西门康、英飞凌等厂家在IGBT领域的加入，使得IGBT的发展速度日新月异，更新换代的速度加快，IGBT的开关速度及通流能力得到进一步的加强，这样，就使得大功率的变频电源的制作得以实现。

15、目前，变频电源正朝着以下几个方向发展：（1）高频化电气设备的变压器、电容和电感的体积、重量与供电频率的平方根战反比，当我们把频率提高，设备的体积、重量将显著下降。因此提高电子器件工作频率能带来显著的节能、节水、节约成本的经济效益。（2）模块化由于频率的不断提高，导致引线寄生电感、寄生电容的影响越发严重，产生过电压、过电流毛刺等问题61。为增强系统的可靠性，许多厂商开发了用户专用功率模块，将一台整机以集成芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间不再由传统的引线连接，以达到优化的效果。（3）数字化随着数字信号处理技术的日趋完善，基于数字技术的电力电子技术逐渐取代了原来基于模拟电路的技术，并显示出其

16、优势：便于计算机处理控制、减小杂散信号的干扰、避免模拟信号的畸变失真，也便于自诊断、容错技术的植入。（4）绿色化许多功率电子节电设备，常常容易形成对电网的污染，向电网注入严重的高次谐波电流，从而降低总功率因子，使电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变。因此电源系统的绿色化不仅是要显著节电，减少对环境的污染，还应规定该电源不能(或少)对电网产生污染，国际电工委员会(IEC)对此已制定了一系列标准，如IEC555、IECl000、IEC917等。二、课题预期目标及主要工作（设计思想、拟采用的方法及手段）1设计目标 本课题设计一个单相正弦波变频电源，研究的是电源的变频变压技术，其核心内容为逆变

17、技术。研制的电源主要功能是为各种设备提供电源，具有恒压输出、过热保护、过流保护等功能，且体积应尽可能小，稳定性好，可靠性高。内容包括变频电源整体结构框图设计、系统主电路模块、驱动和外围模块、控制模块等。详细说明了各部分的软硬件设计原则，然后给出实验结果并对输出波形和效率进行了分析。最后经实验证明，本设计切实可行，指标基本达到要求。目标参数：（1）. 输入单相交流电220V，50HZ，输出单相正弦波交流电;（2）. 输出频率范围400HZ； （3）. 输出电压有效值220V，最大负载电流有效值10A; （4）. 计算机绘制电路图及PCB版图。 2设计方案（研究/设计方法、理论分析、计算、实验方法

18、和步骤等）：本设计方案的设计思路如下：变频电源整体结构框图本设计主电路包括输入电路、逆变电路、输出滤波电路、缓冲电路以及继电器控制电路。具体工作原理如下：（1）输入AC/DC电路输入AC/DC电路，把交流电转换为直流电，这个过程主要是通过整流电路完成的，整流电路是一个单相ACDC变换电路，功能是把220V50Hz的市电进行整流滤波后转换成稳定直流电输入到直流母线上，这主要是通过一个整流桥得以实现的，这样每半个周期都有两个二极管处于工作状态。（2）DCAC逆变电路逆变电路与整流电路相对应，把直流电又变成交流电，这个过程主要通过晶闸管完成。逆变电路是通用变频电源核心部件之一，起着非常重要的作用。它

19、的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。（3）输出滤波电路由于逆变电路所产生的交流电存在高频谐波，因此为得到波形良好的正弦波，低通滤波器必不可少。（4）辅助电源该电路给单片机控制单元提供稳定的+5V电源，给驱动电路提供+12V电源，并保证该电压稳定，避免造成控制单元不稳定或开关器件的误操作。（5）驱动电路 开关器件基极(门极、栅极)驱动电路是电力电子电路和控制电路间的接口，是变频变压电源的重要环节。采用性能优异的驱动电路，可缩短开关器件的开关时间，减小开关损耗，使其工作在较为理想的开关状态，这对提高电源的效率、可靠性、安全性都有重要意义。

20、（6）反馈电路对于具有良好稳压特性的变频变压电源而言，必须从负载端采样电压值，反馈给控制器以形成闭环控制从而稳定输出电压，同时还需测量负载电流以调节输出和保护器件，因此一种精度高、可靠性高、响应时间短、功耗低、体积小的检测电路则显得尤为重要。本设计同时对过电流、欠电压、过热信号进行反馈处理，具有一定自我保护功能。（7）控制电路控制电路是变频变压电源的核心电路。该电路采用单片机作为控制器实现智能数字控制，其主要功能为：产生高频SPWM调制信号给功率变换电路；对采样来的电压值进行计算并调整输出脉冲调制深度以达到稳压效果；对过流、欠压、过热等故障信号进行处理以保护本身器件以及人身安全；操作人机接口，

21、获取人为设定的频率和电压信息，同时显示当前波形信息及温度信息。（8）人机接口由LCD显示输出组成， LCD显示动态的显示当前电压情况以及电源本身的温度情况，可以时时掌握其工作状态，避免出现故障。三、预计设计过程中可能遇到的问题以及解决的方法和措施在设计过程中往往会遇到各种不可预见的因素，有可能会导致输出变压器存在直流分量，引起单向偏磁现象。偏磁可以说是桥式逆变器中的一种通病，只是在不同的场合严重程度不同而已。变压器的偏磁，轻则会使变压器和功率半导体模块的功耗增加，温升加剧，变压器机械噪音大（变换器开关频率或调制频率在音频范围内时），严重时还会损坏功率模块，直接威胁到系统的正常运行。（1）是功率器件的选择，尽量选择同一批次的功率管。要留有足够的电流余量，防止电流过大。增大了散热面积，有利于降低管子的温升。（2）适当在变压器磁路中留有气隙，使之在电路不平衡的状态下，磁通不至于饱和。在设置气