低温等离子体消毒灭菌设备的电源设计

1、毕业设计任务书一、课题名称：低温等离子体消毒灭菌设备的电源设计二、指导老师：林波三、设计内容与要求1、课题概述关于低温等离子体的消毒灭菌机理，迄今为止人们还不能够给出比较圆满的答案。大多数气体都能够放用混合气体激发等离子体，其消毒灭菌效果往往比单一中性气体好。低温等离子体消毒灭菌技术的关键之一是其高压高频电源。 对高压高频电源的最重要的要求是体积小，重量轻，易于控制和高可靠性。传统的高压电源因其体积和重量都比较大，且可靠性较低，不能满足各种实际应用场合的要求。随着电力电子技术的发展，采用正弦波脉冲宽度（SPWM）调制的高压逆变电源可以达到上述要求，从而能较好的提高低温等离子体消毒灭菌技术的系统

2、水平。本课题就是设计一个 SPWM 调制的高压逆变电源，应用于低温等离子体消毒灭菌设备。2、设计内容与要求1)、设计内容 简单说明各种低温灭菌方法的优缺点，阐述等离子体低温灭菌的突出优越性，然后稍加展开说明离子体低温消毒灭菌的原理。 阐述等离子体的物理效应和应用。 简单论述系统构成。 简单论述低温等离子体消毒灭菌系统对高压高频电源的要求。 分析高压高频电源的系统组成，进行系统论证、主要电路模块的功能论证。 对高压高频的系统进行系统指标设计，对各部分电路进行设计计算。 设计并说明对高压高频电源的系统及各部分电路进行调试的方法和步骤。 指明高压高频电源可能存在的问题，说明解决的方法与途径。（要求学

3、生学习过电力电子技术）2） 、设计要点： a) 本设计是基于 SPWM 脉宽调制技术的全桥高频逆变电路的一整套高压高频电源。 b) 指标要求顺序：可靠、高精度、体积小、重量轻、简单、经济、低成本、低能耗、低电磁污染。3） 、系统组态：a) 服务对象等离子体发生器；b) 市电整流和滤波电路，获得需要的直流电源；c) 直流斩波电路，获得可调的从 0 伏开始的直流电源；d) 基于 SPWM 脉宽调制技术的全桥高频逆变电路和低通滤波器，获得频率可变的高频电压。其中正弦波发生器的设计可以选用成熟电路（几片集成电路组合设计）或自行设计电路。SPWM 控制电路可以自行设计或选用国外的专用芯片（例如 LM46

4、51）进行设计；e) 高频升压变压器，获得高频高压的正弦电压。4） 、系统主要技术指标：输出电压幅度变化范围；输出电压频率变化范围：-1040；市电电源供电。四、设计参考书与期刊杂志： 等离子物理学 、 电力电子技术 、 电子技术 、 检测技术 、 电工手册 、 电子元件手册 、 “物理学报” 、 “电力电子技术” 、 “自动化技术”等。毕业设计任务书(小三、宋体、加粗、居中)一、 课题名称：XXXXX（小四、宋体）二、 指导老师：XXX(小四、宋体)三、 设计内容与要求（小四、宋体）课题概述（五号、宋体）设计内容与要求（五号、宋体）四、 设计参考书（小四、宋体）XXXXX（五号、宋体）五、

5、设计说明书要求（小四、宋体） （以下五号、宋体）封面目录内容摘要（200400 字左右，中英文）引言正文（设计方案比较与选择，设计方案原理、计算、分析、论证，设计结果的说明及特点）结束语附录（参考文献、图纸、材料清单等）六、毕业设计进程安排（小四、宋体）（以下五号、宋体）1、毕业设计答辩要求答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导老师审阅，由指导老师写出审阅意见。学生答辩时对自述部分应写出书面提纲，内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、

6、知识、设计与计算方法、试验方法、测试方法，测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。2、毕业设计论文要求 文字要求：说明书要求打印（除图纸外） ，不能手写。文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。 图纸要求：按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。 曲线图标要求：所有曲线、图标、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。附 3：毕业设计进程（8 周时间）暑假：前期准备，完成毕业设计相关资料的收集、设计方案的确定。第 12 周：方案设计讨论，教师辅导；第 3 周：分系统方案论证、设

7、计初稿；第 45 周：分系统方案设计初稿；第 6 周：第一次检查，讨论并改写文稿；第 7 周：第 2 次检查，完善文稿辅导答辩；第 8 周：设计书成绩评定、答辩。前 言将等离子体技术用于消毒灭菌技术上具有极高的潜在应用价值。因而要求等离子体发生器具有体积小，重量轻，易于控制和高可靠性的特点。作为等离子体发生器中一个重要的组成部分 等离子体高压电源则起到关键作用。它的性能在很大程度上影响等离子体发生器的性能。传统的高压电源因体积和重量都大，且性能不好，满足不了实际应用的需要。随着电力电子技术和开关器件的发展，高压逆变电源的高频化及脉宽调制波形改善技术使得高压电源的性能成倍提高，体积成倍减小，应用

8、范围越来越广。针对等离子体高压电源的特殊要求，本文将 SPWM 技术用于该电源控制中，它具有原理简单、控制和调节性能好，具有消除谐波、调节和稳定输出电压等诸多特点，研制了一台单相输出电压可调、频率连续可调的等离子体高压电源。等离子体是由电子、离子等带电粒子构成的物质第四态，在等离子体高频电磁场中受带电粒子轰击以及紫外线辐照等作用，细菌病毒细胞上的电荷分布被彻底破坏并形成电击穿而迅速死亡。等离子体消毒灭菌技术是新一代的高科技灭菌技术，它能克服现有灭菌方法的一些局限性和不足之处，提高消毒灭菌效果。例如对于不适宜用高温蒸汽法和红外法消毒处理的塑胶、光纤、人工晶体及光学玻璃材料、不适合用微波法处理的金

9、属物品，以及不易达到消毒效果的缝隙角落等地方，采用本技术，能在低温下很好地达到消菌灭菌处理而不会对被处理物品造成损坏。本技术采用的等离子体工作物质无毒无害。本技术还可应用到生产流水线上对产品进行消毒灭菌处理。针对等离子体高压电源的特殊要求，本文将 SPWM 技术用于该电源控制中，它具有原理简单、控制和调节性能好，具有消除谐波、调节和稳定输出电压等诸多特点，研制了一台单相输出电压可调、频率连续可调的等离子体高压电源。I摘 要低温等离子消毒技术因其具有快捷、安全和高效率等优点而受到国内外广泛研究。本设计是利用介质阻挡放电产生等离子体原理，研制一种等离子消毒电源。是基于SPWM 脉宽调制技术，利用

10、LM4651 驱动器的 PWM 控制能力的全桥高频逆变电路和低通滤波器，获得频率可调的高频电压。实现了对负载频率的可靠跟踪和对逆变状态的可靠控制。关键词关键词：低温等离子体；SPWM 调制技术；电源 IIAbstractThe technology of the low-temperature sterilization has been researched by all over the world because of its many advantages such as fast, safe and high efficiency. The present design is the

11、 use of dielectric barrier discharge plasma principle, the development of a plasma sterilization power.This design is based on the SPWM pulse-duration modulation technology. And take advantage of the LM4651 drives PWM controls entire bridge high frequency inversion electric circuit and the low pass

12、filter, obtains the frequency adjustable voltage, the power supply can track the load resonant frequency rapidly and accurately.Key words: low-temperature plasma; SPWM modulation; power湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）目 录摘 要.IABSTRACT.II第 1 章 低温等离子体消毒灭菌设备的概述.11.1 消毒的定义 .11.2 灭菌的定义.11.3 低温等离子体的形成.21.4 低温等离子体灭菌器的应

13、用.21.5 低温等离子体灭菌器的优势.3第 2 章 离子体高压电源主电路的论证和设计.52.1 电源的系统结构.52.2 工频整流滤波电路 .5单相桥式整流电路论证及设计.6方案的选择.14滤波电路的论证及设计.15滤波电路的选择.182.3 DC/AC 逆变电路 .19逆变电路的选择.19电压型逆变电路的原理.20脉宽调制（PWM）型逆变电路.22开关管的选择.26第 3 章 控制保护电路的论证及设计.243.1 整流逆变控制电路.253.2 RC 串并联式正弦波振荡电路 .283.3 相应的显示电路及辅助电路.323.4 辅助电源.34参考文献.35致 谢.36附 录.37系统总设计图.

14、38湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）36第 1 章 低温等离子体消毒灭菌设备的概述1.1 消毒的定义所谓消毒，就是用物理、化学等方法杀死病原微生物以防止传染病传播的措施。利用物理、化学等方法杀死病原微生物以防止传染病传播的措施。常用的消毒法有物理的加热消毒法和化学的药剂消毒法。加热能使病原微生物细胞中的蛋白质凝固并使酶失活，因而能杀死微生物。煮沸是最常用的加热消毒法，一般不产芽孢的微生物经 5分钟煮沸就可被杀死。用于消毒的化学药剂称消毒剂。常用的消毒剂种类很多，有 75%酒精、碘酒、红溴汞（红药水）、龙胆紫（紫药水）、氯等。大多数消毒剂能使蛋白质

15、凝固，碘酒中的碘能与蛋白质中的氨基酸结合，红溴汞中的汞能与蛋白质中的巯基结合，氯在与水作用时放出具有很强氧化能力的新生氧，使蛋白质氧化变性。消毒剂一般只对细菌的营养体有效，而对芽孢很少有杀死作用。消毒在日常生活中应用于传染病的预防，如对饮水、食品、餐具等通过煮沸进行消毒。牛奶、饮料等食品可放在 6263下处理 30 分钟进行消毒。这样既可将结核分枝杆菌、伤寒沙门氏菌等病原微生物杀死，又不影响牛奶、饮料等的风味。英国医生李斯特于 1865 年首先使用石炭酸对医生的双手、手术器械、包扎绷带、手术部位等进行消毒，其后外科手术的死亡率很快从 4580%下降为 15%。这充分显示了消毒在临床应用上的重要

16、作用和意义。1.2 灭菌的定义所谓灭菌，就是用理化方法杀死一定物质中的微生物的微生物学基本技术。灭菌的彻底程度受灭菌时间与灭菌剂强度的制约。微生物对灭菌剂的抵抗力取决于原始存在的群体密度、菌种或环境赋予菌种的抵抗力。灭菌是获得纯培养的必要条件，也是食品工业和医药领域中必需的技术。 热灭菌法 利用高温使微生物细胞内的一切蛋白质变性，酶活性消失，致使细胞死亡。通常有干热、湿热和间歇加热灭菌等法。 干热灭菌 直接利用火焰将微生物烧死（如烧接种环、载玻片和试管口等）。不能用火焰灭菌的物品则利用热空气灭菌,将物品放在烘箱中加热到 160170,持续 90分钟，此法适用于玻璃、金属和木质的器皿。 湿热灭菌

17、 以沸水、蒸气和蒸气加压灭菌。巴氏灭菌法就是湿热灭菌，此法有两种方式，低温长时间处理：在 61.762.8下处理 30 分钟；高温短时间处理：在71.6或略高温度下处理 15 分钟。在上述诸法中，以蒸气加压灭菌效果最好，可用常压蒸气灭菌，也可在高压蒸气锅中（一般使用 1 千克/厘米 2）灭菌,其蒸气温度可达121,能将耐热的芽孢在 30 分钟内全部杀死。但对某些易被高压破坏的物质，如某些湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）36糖或有机含氮化合物，宜在 0.6 千克/厘米 2 压力下(110)灭菌 1530 分钟。 间歇灭菌 连续 3 天,每天进行一次蒸气灭菌的方法。此法适用于不能耐 100

18、以上温度的物质和一些糖类或蛋白质类物质。一般是在正常大气压下用蒸气灭菌 1 小时。灭菌温度不超过 100,不致造成糖类等物质的破坏，而可将间歇培养期间萌发的孢子杀死，从而达到彻底灭菌的目的。 辐射灭菌 在一定条件下利用射线进行灭菌的方法。较常用的有紫外线，其他还有电离辐射（射线加快中子等）。波长在 2500080000 纳米之间的激光也有强烈的杀菌能力,以波长 26500 纳米最有效。辐射灭菌法仅限于某一定材料，因所需设备复杂，难于广泛使用。 渗透压灭菌 利用高渗透压溶液进行灭菌的方法。在高浓度的食盐或糖溶液中细胞因脱水而发生质壁分离，不能进行正常的新陈代谢，结果导致微生物的死亡。 化学试剂灭

19、菌 大多数化学药剂在低浓度下起抑菌作用,高浓度下起杀菌作用。常用 5石炭酸 70乙醇和乙二醇等。化学灭菌剂必须有挥发性，以便清除灭菌后材料上残余的药物。1.3 低温等离子体的形成及作用原理等离子的形成：等离子体属于物理概念，是自然界中存在的一种物质状态（即固体，液体和气体之外的第四太）。低温等离子体的产生通常是在真空环境下，利用特定的电磁场作用，使某些中性气体的分子产生连续不断的电离，形成带负电荷和等量正电荷的离子相互共存的物质状态，当电离率与复合率达到平衡的时候，这种稳定存在的物质状态就称之为等离子。H202 等离子体能够在常温条件下实现快速，干燥灭菌的目的，是多种灭菌条件综合作用的结果。等

20、离子体灭菌器作用原理：（1）活性基团的作用，等离子体中含有大量活性氧离子，高能自由基团等成分，极易与细菌，霉菌，芽孢和病菌中蛋白质和核酸物质发生氧化反应而变性 ，从而使各类微生物死亡。（2）高速粒子击穿作用，在灭菌实验后通过电镜观察，经等离子体作用后的细菌菌体作用后的细菌菌体与病毒颗粒图像 ，均呈现千疮百孔状，这是由具有高动能的电子和离子产生的蚀刻和击穿效应技术。1.4 低温等离子体灭菌器的应用 低温等离子体灭菌器适用于大中小型医院的供应室，手术室，牙科，肛肠科，美容湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）36科，急救中心，社区医疗，牙科门诊，消毒供应中心等企事业单位。重点使用的科室：供应室，

21、手术室，急救中心其所适用的器械也较为广泛：电子器械类，硅橡胶类，金属类，非金属类，聚乙烯类。如：光纤软硬式内窥镜，电子器械，金属手术器械，非金属手术器械，导联线，电极片，颅脑钻，呼吸面罩，探头，扩张器，电池，导联线，玻璃器皿，硅橡胶，聚乙烯，机电器械，实验室各类非耐热仪器等。1.5 低温等离子体灭菌器的优势全新的低温等离子灭菌器可取代传统的灭菌器，如：消毒液体浸泡、熏蒸，化学气体灭菌等。a)、 其灭菌速度快，可大大提升被灭菌器械的利用率，方便于医院进行连台手术。b)、 大幅度的减少对医疗器械伤害，有效的延长了器械的使用寿命。c)、 同时，灭菌后的器械没有药物残留，对医护人员没有伤害。d)、 由

22、于其灭菌原理的更新，已经跨入绿色环保的行列。常用灭菌设备的使用及优缺点对比：灭菌技灭菌技术术设备名称设备名称配套设备配套设备适用物品适用物品耗能耗能时间时间效率效率废气排放废气排放物品物品损耗损耗温度温度化学化学残留残留等离子体灭菌等离子灭菌器220V 或380V非液体类少较短无无室温无高温蒸汽灭菌蒸汽灭菌柜蒸汽锅炉畏热畏湿物品无法用高较短有废蒸汽排放高温损耗高(115135)无EO/CFC灭菌环氧乙烷灭菌柜残留分解装置非液体类较少很长有EO/CFC废气较少低（65左右）有消毒液浸泡消毒清洗机220V 电源不锈钢、塑料少较长有化学废水化学锈蚀室温有紫外线臭氧消毒紫外/臭氧消毒柜220V 电源物

23、品表面消毒少较长有臭氧产生无室温无湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）361.6 等离子体高压电源的要求针对等离子体高压电源的特殊要求，将 SPWM 脉宽调制技术用于该电源控制中，具有原理简单、控制和调节性能好，可消除谐波，调节和稳定输出电压等诸多特点。本文分析了等离子体高压电源中需解决的关键问题；提出了有效的解决方法。在此基础上，成功研制了一台单相输出电压可调、频率连续可调的等离子体高压电源。样机实验证明了分析和设计的正确性。湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）36第 2 章 离子体高压电源主电路的论证和设计2.1 电源的系统结构低温等离子体发生器电源主要有主电路和控制电路两部分组成

24、，如图 2-1 所示。其中，主电路由工频整流滤波电路、直流斩波电路、SPWM 控制的 DC/AC 高频逆变电路、LC 滤波电路及高频升压电路组成。控制电路由 SPWM 产生的电路、隔离驱动电路、基准正弦波电路、频率调节电路、过流保护电路、过压保护电路以及相应的显示电路组成。图 2-1 电源系统结构图2.2 工频整流滤波电路将交流电转换成直流电的变换称为整流，实现整流变换的装置称之为整流器。整流器的主开关元件一般采用整流为二极管或晶闸管。由整流二极管构成的整流器，由于其输出电压不可控的，称之为不可控整流；由晶闸管构成的整流器，其输出电压是可控的，故称为可控整流。可控整流的电路一般由整流器的主电路

25、（常简称为整流电路）及其触发控制电路组成。在整流变换过程中，其平均功率（或能量）是从交流侧流向直流负载。整流器主电路的结构形式繁多，分类方式也多种多。下面给出了电路的类别：湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）36 不控整流按组成器件 半控整流 可控整流 全控整流单相 按电源相数 三相 六相 零式按电路结构桥式半波按变压器绕组电流全波可控整流电路的主元件采用晶闸管时，其控制方式都采用相位控制，故这类整流电路又称为相控整流。随着电力电子学的发展，现在已经开始使用可关断的器件（例 IGBT等）来构成斩波控制型的整流电路。 单相桥式整流电路论证及设计单相桥式整流电路输出的直流电压、电流脉冲幅值比单

26、相半波整流电路输出的直流电压、电流小，且可以改善变压器存在直流磁化的现象。单相桥式整流电路分为单相桥式不可控整流电路和单相桥式可控整流电路。其中单相桥式可控整流电路又可分为单相桥式半控整流电路和单相桥式全控整流电路。1. 单相桥式不可控整流电路 图 2-2 单相桥式不可控整流电路湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）361）、工作原理设变压器 ，U2为其有效值。当 u2为正半周时，D1和 D3管导通，D2和 D4管截止，电流由 A 点流出，方向如图所示。uO=u2，D2和 D4管承受的反向电压为-u2。当 u2为负半周时，D2和 D4管导通，D1和 D3管截止，电流由 B 点流出，方向如图所

27、示。uO=-u2，D1和 D3管承受的反向电压为 u2。由于 D1、D3和 D2、D4两对二极管交替导通，致使负载电阻 RL上在 u2的整个周期内都有电流通过，而且方向不变，输出电压 。如下图所示为其电压和电流的波形，实现了全波整流。图 2-3 单相桥式不可控整流波形图2）、输出电压平均值 UO(AV)和输出电流平均值 IO(AV)根据波形图可知，输出电压平均值解得湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）36结论：在输入电压相同的情况下，全波整流输出电压平均值为半波整流电路的两倍。负载电流的平均值结论：在输入电压相同的情况下，全波整流输出电流平均值为半波整流电路的两倍。整流输出电压的脉动系数

28、S：桥式整 流电路的基波 UOM的角频率是u2的 2 倍，即 100Hz， 。 结论：与半波整流电路相比，输出电压的脉动减小很多。 2. 单相桥式可控整流电路可控整流电路的作用是把交流电转变为电压可调节的直流电。负载不同时，其工作特点不同。1)、 电阻负载单相半控桥整流电路可控整流电路的作用就是把交流电能变换成电压大小可调的直流电能，而且其输出电压可以根据需要进行调节。可控整流有多种电路形式，如单相半波、单相全波和单相桥式可控整流电路等。当功率比较大时，常常采用三相交流电源组成三相半波或三相桥式可控整流电路。本节主要以单相桥式电路为例来讨论其工作原理。单相桥式可控电路如图 2-4（a）所示，用

29、晶闸管 V1、V2代替了不可控整流电路中的二极管。在电源电压2u的正半周，V1、V4承受正向电压，若晶闸管的控制极不加脉冲，V1不导通，此时负载中没有电流流过。当 t= 时，控制极加上触发脉冲Gu，V1导通，电流流经 V1、LR、V4。由于晶闸管导通时管压降很小，所以负载上的电压2ouu 。这时 V2和 V3因承受反向电压而处于阻断状态。当 t= 时，2u降为零，V1又变为阻断。在2u的负半周，V2、V3承受正向电压，当t=+ 时，Gu触发 V2而导通，电流流经 V2、LR、V3，负载上的电压仍然为2ouu 。这时 V1和 V4因承受反向电压而处于阻断状态。当 t=2 时，V2恢复阻断状态。湖

30、南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）36由以上分析可见，在2u的一个完整周期内，流过负载LR的电流方向是相同的，负载上的电压和电流波形如图 2-4（b）所示。u2uGOOtt2iOuOOtuOiORLiOu1u2TrV3V4V1V2uOuG( )b( )a图 2-4 单相桥式可控整流电路图中 称为控制角，=- 称为导电角，显而易见，当 愈小时，即 愈大时，输出电压平均值O(AV)U愈大。由波形图进行分析，可得2cos122t)d( tsin2122O(AV)UUU (2-2-1)即2cos19 . 02O(AV)UU (2-2-2)由式可见，当2U固定时，只需改变 的大小，就可以调节输出电压

31、O(AV)U，O(AV)U与 的关系曲线如图 2-5。1.00.80.60.40.200306090120150180ooooooo控制角UO/U2图 2-5 单相桥式可控整流电路的输出电压与 的关系湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）36输出电流的平均值O(AV)I为2cos122L2LO(AV)O(AV)RURUI (2-2-3)流过二极管及晶闸管的平均电流为LDT21III (2-2-4)晶闸管和二极管所承受的最大反向电压均为22U。2)、 大电感负载单相半控桥整流电路在实际应用中遇到较多的是电感性负载，例如各种电机的励磁绕组、各种电感线圈等，它们即含有电感，又含有电阻。电感性负载可

32、用串联的电感元件 L 和电阻元件 R 表示，电路如图 2-6 所示。由于电感性元件的存在，电路中的电流不能发生跃变，因此，整流电路接电感性负载和接电阻性负载的情况大不相同。在电源电压2u的正半周，V1、V4承受正向电压，当 t= 时，控制极加上触发脉冲Gu，令晶闸管 V1触发导通，续流二极管 V5承受反向电压而截止。电流流经V1、L、R、V4，输出电压2ouu 。晶闸管刚触发导通时，由于电感元件产生阻碍电流变化的感应电动势，电路中的电流不能跃变，将由零逐渐上升。当电流到达最大值时，感应电动势为零，而后电流随2u沿正半周减小，电感感应电势改变极性，和2u相同。由于是大电感负载，所以负载电流oi连

33、续并近似为一直线，这时 V2和 V3因承受反向电压而处于阻断状态。 图 2-6 大电感负载单相半控桥式整流电路RLiOu1u2TrV3V4V1V2uOuGLV5湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）36u2ugOOtt2iOuLOtuLiO 图 2-7 单相半控桥感性负载电路的工作波形图 在2u过进入负半周时，V3承受正向电压而导通，V4承受反向电压而截止。如果电路中没有接入二极管 V5，那么由于电感L感应电动势的作用，V1仍将维持导通状态，负载电流oi经 V1和 V3继续流通（续流），形成一个不经过变压器二次绕组的自然续流回路，此时电感释放能量，如果是大电感负载，储能很多，晶闸管 V1将维

34、持导通到2u进入下一个周期的正半周，V4承受正向电压而导通，V3承受反向电压而截止。电流又流经V1、L、R、V4，电感储能，如此不断循环下去，进而导致处于直通状态的晶闸管因过热而损坏。这种不需要外部触发脉冲，出现的一个晶闸管直通，另两个整流二极管轮流导通 180的异常工作状态称为失控现象。为避免失控现象，在负载两端并联一个续流二极管 V5，这样在2u过进入负半周时，在电感感应电动势作用下，续流二极管承受正压导通，负载电流oi经过 V5流通，电感释放能量，V5上的压降不足以使 V1维持导通而令 V1阻断。如忽略 V5的压降，在续流期间负载上的整流输出电压0ou，这一续流过程一直持续到2u负半周期

35、间触发 V2导通时为止。当在2u的负半周t=+ 时，Gu触发 V2导通，电流流经 V2、L、R、V3，负载上得到与正半周相同波形的整流输出电压2ouu 。这时 V1和 V4因承受反向电压而处于阻断状态。当2u过 2进入正半周时，负载电流又经 V5形成续流，V2恢复阻断状态。当t= 时，又触发 V1导通，如此不断循环下去。晶闸管和整流二极管的导通角为，电路的工作波形如图 2-7 所示参照电路工作波形图，可计算出如下数量关系：输出电压平均值O(AV)U湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）362cos19 . 0t)d( tsin2222 2O(AV)UUU (2-2-5)晶闸管与整流二极管电流

36、的平均值1(AV)VI、(AV)2VI与有效值1VI、2VIO O(AV)2V1(AV)V2t)d(21IIII (2-2-6)O 2O2V1V2t)d(21IIII (2-2-7)续流二极管电流的平均值5(AV)VI与有效值5VIO0 O(AV)5Vt)d(22III (2-2-8)O0 2O5Vt)d(22III (2-2-9)变压器二次绕组的有效值2IO2O 2O2t)d()(21IIII (2-2-10)3、单相桥式全控整流电路1）、带电阻负载的工作情况单相桥式全控整流电路带电阻性负载时的电路及工作波形如图 2-8 所示。晶闸管VT1 和 VT4 为一组桥臂，而 VT2 和 VT3 组

37、成了另一组桥臂。在交流电源的正半周区间内，即 a 端为正，b 端为负，晶闸管 VT1 和 VT4 会导通。此时，电流 id从电源 a 端经 VT1、负载 Rd 及 VT4 回电源 b 端，负载上得到的电压 ud 为电源电压 u2（忽略了 VT1 和 VT4 的导通压降），方向为上正下负，VT2 和 VT3 则因为 VT1 和 VT4 的导通而承受反向的电源电压 u2 不会导通。因为是电阻性负载，所以电流 id 也跟随电压的变化而变化。当电源电压 u2 过零时，电流 id 也降低为零，也即两只晶闸管的阳极电流降低为零，故 VT1 和VT4 会因电流小于维持电流而关断。而在交流电源的负半周区间内，

38、即 a 端为负，b 端为正，晶闸管 VT2 和 VT3 是承受正向电压的，仍在相当于控制角 a 的时刻给 VT2 和 VT3同时加触发脉冲，则 VT2 和 VT3 被触发导通。电流 id 从电源 b 端经 VT2、负载 Rd 及VT3 回电源 a 端，负载上得到的电压 ud 仍为电源电压 u2，方向也还为上正下负，与正半周一致，此时，VT1 和 VT4 因为 VT2 和 VT3 的导通承受反向的电源电压 u2 而处于截止状态。直到电源电压负半周结束，电压 u2 过零时，电流 id 也过零，使得 VT2 和 VT3 关断。下一周期重复上述过程。湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）36图 2-

39、8 单相桥式全控整流电阻性负载(a) 电路图 （b） 波形图由图 2-8（b）可以看出，负载上得到的直流输出电压 ud 的波形与半波时相比多了一倍，负载电流 id 的波形与电压 ud 波形相似。由晶闸管所承受的电压 ut 可以看出，其导通角为，除在晶闸管导通期间不受电压外，当一组管子导通时，电源电压 u2 将全部加在未导通的晶闸管上，而在四只管子都不导通时，设其漏电阻都相同的话，则每只管子将承受电源电压的一半。单相全控桥式整流电路带电阻性负载电路参数的计算：输出电压平均值的计算公式2）、 电感性负载湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）36图 2-9 单相桥式全控整流电感性负载(a) 电路图

40、 （b） 波形图图 2-9（a）单相桥式全控整流电路带电感性负载时的电路。假设电感很大，输出电流连续，且电路已处于稳态。在电源 u2 正半周时，在相当于角的时刻给 VT1 和 VT4 同时加触发脉冲，则 VT1和 VT4 会导通，输出电压仍为至电源过零变负时，由于电感产生的自感电动势会使 VT1 和 VT4 继续导通，而输出电压仍为，所以出现了负电压的输出。此时，晶闸管 VT2 和 VT3 虽然已承受正向电压，但还没有触发脉冲，所以不会导通。直到在负半周相当于角的时刻，给 VT2 和 VT3 同时加触发脉冲，则因 VT2 的阳极电位比 VT1 高，VT3 的阴极电位比 VT4 的低，故 VT2

41、 和 VT3 被触发导通，分别替换了 VT1 和 VT4，而 VT1和 VT4 将由于 VT2 和 VT3 的导通承受反压而关断，负载电流也改为经过 VT2 和 VT3 了。根据上面分析可以看出，单相桥式全控整流电路属全波整流，负载在两个半波都有电流通过、输出电压脉动程度比半波时小、变压器利用率高、且不存在直流磁化问题；但需要同时触发两只晶闸管，线路较复杂。在一般中小容量场合中应用较多。2.2.2.方案的选择 鉴于消毒灭菌设备应用广泛，既可以用于工业、医疗机构、餐饮业等地的消毒灭菌，也可用与普通家庭。因此选择单相电源会更加合适。单相相控整流电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式相控流电路，它们

42、所连接湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）36的负载性质不同就会有不同的特点。下面分析各种单相相控整流电路在带电阻性负载、电感性负载和反电动势负载时的工作情况。 单相半控整流电路的优点是：线路简单、调整方便。弱点是：输出电压脉动冲大，负载电流脉冲大（电阻性负载时），且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化，变压器不能充分利用。而单相全控式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。 单相全控式整流电路其输出平均电压是半波整流电路 1.2 倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小三分之一；且功率因数提高了一半。

43、根据以上的比较分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为阻感性负载）。 滤波电路的论证及设计 1、滤波的基本概念 滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量，又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。 2、电容滤波电路 现以单相桥式整流电容滤波电路为例来说明。电容滤波电路如图 2-9 所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。图 2-9 电容滤波电路 1）、滤波原理 若v2处于正半周

44、，二极管 D1、D3导通，变压器次端电压v2给电容器C充电。此时C相当于并联在v2上，所以输出波形同v2 ，是正弦波。当v2到达t=/2 时，开始下降。先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）36载L放电。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过t=/2 时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过t=/2 时二极管仍然导通。在超过t=/2 后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。所以在t2到t3时刻，二极管导电，充电，Vi=Vo按正弦规律变化；t1到t2时刻二极管关断，Vi=Vo按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。电

45、容滤波过程见图 2-10。 图 2-10 电容滤波电路波形需要指出的是，当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移，t2点要左移，二极管关断时间加长，导通角减小；反之，RLC减少时，导通角增加。显然。当L很小，即IL很大时，电容滤波的效果不好，见图 2-11 滤波曲线中的 2。反之，当L很大，即IL很小时，尽管C较小, RLC仍很大,电容滤波的效果也很好，见滤波曲线中的 3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。 图 2-11 电容滤波的效果湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）36 2）、电容滤波电路参数的计算 电容滤波电路的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。工程上有详细的曲线可供查阅

46、，一般常采用以下近似估算法：一种是用锯齿波近似表示，即 另一种是在RLC=（35） 的条件下，近似认为 VO=1.2V2。 3）、外特性 整流滤波电路中，输出直流电压VO随负载电流IO的变化关系曲线如图 2-12 所示。 图 2-12 电容滤波外特性曲线名 称VO(空载)VO(带载)二极管反向最大电压每管平均电流半波整流IO全波整流、电容滤波1.2V2*0.5IO桥式整流、电容滤波1.2V2*0.5IO湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）36桥式整流、电感滤波0.9V20.5IO*使用条件： 3、电感滤波电路在大电流的情况下，由于负载电阻 RL 很小。若采用电容滤波电路，则电容容量势必很大

47、，而且整流二极管的冲击电流也非常大，在此情况下应采用电感滤波。如图 2-13 所示，由于电感线圈的电感量要足够大，所以一般需要采用有铁心的线圈。滤波电路工作原理 当流过电感的电流变化时，电感线圈中产生的感生电动势将阻止电流的变化。当通过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反，阻止电流的增加，同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中；当通过电感线圈的电流减小时，自感电动势与电流方向相同，阻止电流的减小，同时释放出存储的能量，以补偿电流的减小。因此经电感滤波后，不但负载电流及电压的脉动减小，波形变得平滑，而且整流二极管的导通角增大。 在电感线圈不变的情况下，负载电阻愈小，输

48、出电压的交流分量愈小。只有在RLL 时才能获得较好的滤波效果。L 愈大，滤波效果愈好。 另外，由于滤波电感电动势的作用，可以使二极管的导通角接近 ，减小了二极管的冲击电流，平滑了流过二极管的电流，从而延长了整流二极管的寿命。 滤波电路的选择电容滤波电路有一下的优点：其适用于小电流负载；电容滤波电路的外特性比较软；且电路简单、体积小、成本低。但其缺点是采用它时，整流二极管中将流过较大的冲击电流。电感滤波的优点有：整流二极管的导电角大，峰值电流小，输出特性较平坦。但其缺点是：存在铁心，笨重、体积大，易引起电磁干扰，一般只适应于低电压、大电流的图 2-13 单相桥式整流电路感滤波电路电路湖南铁道职业

49、技术学院学生毕业设计（论文）36场合。综上所述，可知电容滤波器适用于大电压小电流负载，而电感滤波器适用于大电流低电压负载。本设计中电源是要产生高频高压电源，因而易使用电容滤波。2.3 DC/AC 逆变电路开关电源中的一个重要的能量转换环节是把工频整流后得到的直流电由电子开关变换成负载需要的交流电。实现这种变换可以有不同的电路结构。逆变器是将直流电变换成交流电的变换器直流变成交流的逆变过程可分为有源逆变和无源逆变。逆变器输出接到交流电网的逆变称为有源逆变；逆变器的输出直接接到交流负载的逆变称为无源逆变。本设计中所要用到的是无源逆变。 逆变电路的论证及设计电源根据直流电源的性质不同，可以分为电流型

50、、电压型逆变电路。1、电压型逆变电路（电路图如图 2-14 所示） 电压型逆变电路的基本特点:1）直流侧并联大电容，直流电压基本无脉动。2) 输出电压为矩形波，电流波形与负载有关。3） 电感性负载时，需要提供无功功率。为了有无功功率通道，逆变桥臂需要并联二极管。2、电流型逆变电路（电路图如图 2-15 所示）图 2-14 电压型逆变电路原理图图湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）36电流型逆变电路的主要特点是:1）直流侧串联有大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。2）电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。

51、而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流测电惑起缓冲无功能量的作用。因为反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。从上述可得出直流边电压无脉动能输出稳定矩形波的电压型逆变电路更适合本设计的需求。 电压型逆变电路的原理如图 2-16 所示，电压型逆变电路的特点有：共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。两对桥臂交替导通 180。输出电压合电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。图 2-15 电流型逆变电路原理图湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）361）纯电阻负载时同单相半桥逆变电路相

52、比，在相同负载的情况下，其输出电压和输出电流的幅值为单相半桥逆变电路的两倍。2）电感负载时0t4， /2t3 4 期间，、导通起负载电流续流作sTsTsT1D4D用，在此期间、均不导通。1T4T 22somodTILdtdiLU3）阻感负载时RL0t 期间，和有驱动信号，电流为负值，和不导通，1T4TOi1T4T、导通起负载电流续流作用， =+。1D4D0udUt 期间，为正值，和才导通。Oi1T4Tt+ 期间，和有驱动信号，由于电流为负值，、不2T3TOi2T3T导通，、导通起负载电流续流作用，= 。2D3D0udU+t2 期间，和才导通。2T3T 脉宽调制（PWM）型逆变电路图 2-16

53、电压型逆变电路原理图（a） 电压型逆变电路（b） 电压型逆变电路波形图湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）36逆变器是将直流变为定频定压或调频调压交流电的变换器，传统方法是利用晶闸管组成的方波逆变电路实现，但由于其含有较大成分低次谐波等缺点，近十余年来，由于电力电子技术的迅速发展，全控型快速半导体器件 BJT，IGBT，GTO 等的发展和 PWM 的控制技术的日趋完善，使 SPWM 逆变器得以迅速发展并广泛使用。PWM 控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度和周期以达到变压目的或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技

54、术，SPWM 控制技术又有许多种，并且还在不断发展中，但从控制思想上可分为四类，即等脉宽 PWM 法，正弦波 PWM 法（SPWM 法），磁链追踪型 PWM 法和电流跟踪型PWM 法，其中利用 SPWM 控制技术做成的 SPWM 逆变器具有以下主要特点：（1）逆变器同时实现调频调压，系统的动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响。（2）可获得比常规六拍阶梯波更接近正弦波的输出电压波形，低次谐波减少，在电气传动中，可使传动系统转矩脉冲的大大减少，扩大调速范围，提高系统性能。（3）组成变频器时，主电路只有一组可控的功率环节，简化了结构，由于采用不可控整流器，使电网功率因数接近于 1，且与输出电压大

55、小无关。1. PWM 控制的基本原理在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量（脉冲的面积）相等而形状不同窄脉冲（如图 2-17 所示），分别加在具有惯性环节的输入端，器输出响应波形基本相同，也就是说尽管脉冲形状不同，但只要脉冲的面积相等，其作用效果基本相同。这就是 PWM控制的重要理论依据。如图 2-18 所示，一个正弦半波完全可以用等幅不等宽的脉冲列来等效，但必须做到正弦半波所等分的 6 块阴影面积与相对应的 6 个脉冲列的阴影面积相等，图 2-17 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲(a)(b)(c)湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）36其作用效果就基本相同，对于正弦波的负半周，用同样方法

56、可得到 PWM 波形来取代正弦负半波。在 PWM 波形中，各脉冲的幅值都是相等的，若要改变输出电压等效正弦波的幅值，只要安同一比例改变脉冲列中各脉冲的宽度即可。所以 Ud直流电源采用不可控整流电路获得，不但使电路输入功率因数接近与 1，而且整个装置控制简单，可靠性高。下面分别介绍单相 PWM 型变频器电路的控制方法与工作原理。电路如图 2-19 所示，采用 IGBT 作为逆变电路的自关断开关器件。设负载为电感性，控制方法可以有单极性与双极性两种。极性下面谨单 PWM 控制方式原理做介绍。图 2-18 PWM 控制的基本原理示意图(a)(b)图 2-19 单相桥式 PWM 变频电路湖南铁道职业技

57、术学院学生毕业设计（论文）361) 单极性 PWM 控制方式工作原理按照 PWM 控制的基本原理，如果给定了正弦波频率、幅值和半个周期内的脉冲个数，PWM 波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确地计算出来。依据计算结果来控制逆变电路中各个开关器件的通断，就可以得到所需要的 PWM 波形，但是这种计算很繁琐，较为实用的方法是采用调制控制，如图 2-20 所示，把所希望输出的正弦波作为调制信号 ur，把接受调制的等腰三角波作为载波信号 uc。对逆变桥 V1V4 的控制方法如下：当 ur 正半周时，让 V1 一直保持通态，V2 保持断态。在 ur与 uc正极性三角波交点处控制 V4 的通断，在 uruc各

58、区间，控制 V4 为通态，输出负载电压 u0=Ud。在 uruc区间，控制 V4 为断态，输出负载电压 u0=0，此时负载电流可以经过 VD3 与 V1 续流。当 ur负半周时，让 V2 一直保持通态，V1 保持断态。在 ur与 uc负极性三角波交点处控制 V3 的通断。在 uruc各区间，控制 V3 为断态，输出负载电压 u0=0，此时负载电流可以经过 VD4 与 V2 续流。逆变电路输出的 u0为 PWM 波形，如图 2-20 所示，u0f为 u0的基波分量。由于在这种控制方式中的 PWM 波形只能在一个方向变化，故称为单极性 PWM 控制方式。图 2-20 单极性 PWM 控制方式原理波

59、形湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）362、PWM 变频电路的调制控制方式在 PWM 变频器中，载波频率 fc 与调制信号频率 fr 之比称为载波比，即 N=fc/fr。根据载波和调制信号波是否同步，PWM 逆变电路有异步和同步调制两种控制方式，现在分别介绍如下：（1） 异步调制控制方式当载波比 N 不是 3 的整数倍时，载波与调制信号波就存在不同步的调制，就是异步调制三相 PWM，如 fc=10fr，载波比 N=10，不是 3 的整倍数。在异步调制控制方式中，通常 fc 固定不变，逆变输出电压频率的调节是通过改变 fr 的大小来实现的，所以载波比 N 也随时跟着变化，就难以同步。异步调

60、制控制方式的特点是： 控制相对简单。 在调制信号的半个周期内，输出脉冲的个数不固定，脉冲相位也不固定，正负半周的脉冲不对称，而且半周期内前后 1/4 周期的脉冲也不对称，输出波形就偏离了正弦波。载波比 N 愈大，半周期内调制的 PWM 波形脉冲数就愈多，正负半周不对称和半周内前后 1/4 周期脉冲不对称的影响就愈大，输出波形愈接近正弦波。所以在采用异步调制控制方式时，要尽量提高载波频率 fc，使不对称的影响尽量减少，输出波形接近正弦波。（2） 同步调制控制方式在同步调制控制方式中，通常保持载波比 N 不变，保持同步调制不变。同步调制控制方式的特点是：控制相对较复杂，通常采用微机控制。在调制信号