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1、第1 章概述 21.1 课题设计目的及意义 21.2 优势 3第2章设计总体思路 42.1 系统总体方案确定 42.2 交流斩波调压的基本原理 82.3 3 章主电路设计与分析 93.1 主要技术条件及要求 93.2 开关器件的选择 93.2.1 开关管IGBT的选择93.2.2 续流二极管的选择 93.2.3 具体参数计算 103.3 主电路结构设计113.5 主电路保护设计 12第4 章控制及驱动电路设计 144.1 主控制芯片的详细说明 144.1.1 芯片的选择 144.1.2 芯片的详细介绍 144.1.3 芯片的工作原理 164.2 驱动电路设计 17第 5 章 保护电路及设计19
2、5.1 过零检测及续流触发电路 195.2 输出限流电路 205.3 输入过压电路205.4 结果分析 21第 6 章 总结与体会 24附录25参考文献26#第 1 章 概述1.1 课题设计目的及意义单相交流电源的应用是非常广泛的。 比如在农村、轻工业、家用电器等小功率传动领域以及电力机车供电系统。 对于单相交流电源， 调压和稳压是最为普遍的要求。目前能够实现这一要求的调压器有下面三种：1）磁饱和式调压器该调压器通过控制主电路中电感的饱和程度， 以改变电抗值以及其上的电压， 实现对输出电压的调节。 这种调压器具有一定的动态性能，但输出电压的调节范围小，体积和重量较大。2）机械式调压器机械式调压
3、器由电动机带动碳刷实现输出电压的调节。这种调压器输出波形较好，但体积、重量大，动态性能差。3）电子式调压器这种调压器采用电力电子器件实现。 目前有晶闸管凋压器和逆变式调压器两种。 晶闸管调压器采用的是相控方式， 因此其输出波形差； 逆变式调压器采用的是斩波控制方式， 其输出波形和动态响应较好。在工业生产及日用电气设备中， 有不少交流供电的设备采用控制交流电压来调节设备的工作状态， 如加热炉的温度、电源亮度、小型交流电机的转速等。 这样就需要设计一种交流调压电路来控制， 其基本原理是把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中 ,通过对晶闸管的控制就可以控制交流电力。 在每一个周波内通过对晶闸管开通相位
4、的控制， 可以方便地调节输出电压的有效值， 这种电路称为交流调压电路。 用在电热控制、交流电动机速度控制、 灯光控制和交流稳压器等场合。 采用晶闸管作为开关元件的典型单相交流调压电路如图 1 所示。 常用通断控制或相位控制方法来调节输出电压。Ill图1晶闸管交流调压电路交流调压电路也广泛用于灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）及异步电动机的软起动，也用于异步电动机调速。在供用电系统中，这种电路还常用于对无功功率的连续调节。止匕外，在高压小电流或低压大电流中， 也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。如采用晶闸管相控整流电 路，高电压小电流可控直流电源就需要很多品闸管串联，同时，低电压大 电流直
5、流电源需要很多品闸管并联。 这都是十分不合理的。采用交流调压 电路在变压器一次侧调压，其电压电流值都不太大也不太小， 在变压器二 次侧只要用二极管整流就可以了。 这样的电路体积小、成本低、易于设计 制造。1.2 优势交流调压是指把一种交流电变成另一种同频率， 不同电压交流电的变 换。按所变换的相数不同交流调压电路可分为单相交流调压电路和三相交 流调压电路。前者是后者的基础。与自耦变压器调压方法相比，交流调压电路控制方便，调节速度快，装置的重量轻、体积小，有色金属消耗也少。第2章设计总体思路2.1 系统总体方案确定交流调压的控制方式有三种：1磁饱和式调压器；2机械式调压器； 3电子式调压器。整周
6、波控制调压一一适用于负载热时间常数较大的电热 控制系统。电子式调压器这种调压器采用电力电子器件实现。目前有品闸管凋压器和逆变式调压器两种。晶闸管调压器采用的是相控方式， 因此其 输出波形差；逆变式调压器采用的是斩波控制方式， 其输出波形和动态响 应较好。品闸管导通时间与关断时间之比，使交流开关在某几个周波连续 导通，某几个周波连续关断，如此反复循环地运行， 具输出电压的波形如 图2所示。改变导通的周波数和控制周期的周波数之比即可改变输出电 压。为了提高输出电压的分辨率，必须增加控制周期的周波数。为了减少对周围通信设备的干扰，晶闸管在电源电压过零时开始导通。 在负载容量 很大时，开关的通断将引起
7、对电网的冲击， 产生由控制周期决定的分数次 谐波，这些分数次谐波引起电网电压闪变。这是其缺陷。m2 周波控剌的电压残外相位控制调压 电一利用控制触发滞后角a的方法，控制输出电压。晶闸管承受正向电压开始到触发点之间的电角度称为触发滞后角a。在有效移相 范围内改变触发滞后角，即能改变输出电压。有效移相范围随负载功率因数不同而不同，电阻性负载最大，纯感性负载最小。图3是阻性负载时相 控方式的交流调压电路的输出电压波形。 相控交流调压电路输出电压包含 较多的谐波分量，当负载是电动机时，会使电动机产生脉动转矩和附加谐 波损耗。另外它还会引起电源电压畸变。为减少对电源和负载的谐波影响, 可在电源侧和负载侧
8、分别加滤波网络。斩波控制调压一一使开关在一个电源周期中多次通断， 将输入电压切成几 个小段，用改变小段的宽度或开关通断的周期来调节输出电压。斩控调压 电路输出电压的质量较高，对电源的影响也较小。图4是斩波控制的交流 调压电路的输出电压波形。在斩波控制的交流调压电路中，为了在感性负载下提供续流通路，除了申 联的双向开关S外，还须与负载并联一只双向开关 S2o当开关S1导通， 4关断时，输出电压等于输入电压；开关 &关断，4导通时，输出电压为 零。控制开关导通时间与关断时间之比即能控制交流调压器的输出电压。开关Si、&动作的频率称斩波频率。斩波频率越高，输出电压中的谐波电 压频率越高，滤波较容易。
9、当斩波频率不是输入电源频率的整数倍时，输出电压中会产生分数次谐波。当斩波频率较低时，分数次谐波较大，对负 载产生恶劣的影响。将斩波信号与电源电压锁相，可消除分数次谐波。斩波控制的交流调压电路的功率开关元件必须采用功率晶体管或其他自关 断元件，所以成本较高。图4第意控制交流调压电路的单由电压祓拶斩波控制方式时，品闸管要带有强迫关断电路或采用IGBT、MOSFIT 等可自关断器件，在每个电压周波中，开关元件多次通断，使电压斩波成多个脉冲，改变导通比即可实现调压。本次课程设计采用斩波控式制单相 交流调压。图5晶闸管斩控式调压电路斩控式交流调压电路的原理图如图 5所示，一般采用全控型器件作 为开关器件
10、。其基本原理和直流斩波电路有类似之处， 只是直流斩波电路 的输入是直流电压，而斩控式交流调压电路的输入是正弦交流电压。在交流电源ui的正半周，用V1进行斩波控制，用V3给负载电流提供续流通 道；在ui的负半周，用V2进行斩波控制，用V4给负载电流提供续流通 道。设载波器件（V1或V2）导通时间为ton,开关周期为T,则导通比 a=ton/T。和直流斩波电路一样，也可以通过改变 a来调节输出电压。图5给出了电阻性负载时负载电压U0和电源电流i1（也就是负载电流） 的波形。可以看出，电源电流的基波分量是和电源电压同相位的，即位移 因数为1。另外，通过傅里叶分析可知，电源电流中不含低次谐波，只含 和
11、开关周期T有关的高次谐波。这些高次谐波用很小的滤波器即可滤除。 这时电路的功率因数接近1。本次课程设计所用的斩控式单相交流调压电路的结构框图如图6所示，首先是交流输入电压为220V,经滤波后用全控型开关器件进行斩波， 输出电压为0160 V,然后在其输出取样电流，进行过压检测保护。时 钟震荡器及脉宽PWM调制均由芯片形成控制部分。输入音阶功率转换音阶/输出音阶一交流输入4铺助电源“*驱动电路#控制部分时钟震荡器电压,脉宽*梅电路+过流过压保护图6电路的结构框图2.2 交流斩波调压的基本原理交流斩波调压的原理波形如图7所示。由图可知，它是用一组频率包 定、占空比可调的脉冲，对正弦波电压进行调制后
12、，得到边缘为正弦波、 占空比可调的电压波形。该电压的调制频率f与其基本谐波频率为土 50Hz。 改变占空比，即可改变输出电压。利用具有自关断能力的电力半导体器件就可方便地构成交流斩波调压电路。4口EPWM 飒制辆源开Xi常同磔贸即FTJi图7交流斩波调压原理波形第3章主电路设计与分析3.1 主要技术条件及要求要求用斩波控制的方式实现单相交流调压，功率因数好，谐波小，输出的波形要好。输入电压是交流 220V,输出电压要求是0160 V,最大 输出电流为200A,功率因数大于或等于0.7。能同时实现电压电流的检测 及过压过流等一些故障的保护。3.2 开关器件的选择3.2.1 开关管IGBT的选择开
13、关管IGBT的耐压值，当开关管截止时，续流二极管导通，稳压电源的全部输入电压都加在开关管的集射极间，因此，开关管的耐压值Vcbo必须大于交流电路的输出电压 4,考虑到其他因素的影响，开关管集射 级间电压U按下式选取：U 2.5Uwi -500V当开关管导通时，负载电流及电容充电电流都通过开关管， 因此开关管的 集电极电流必须大于负载电流，开关管的最大集电极 Ib可由下式求得， 取开关管的截止时间为2S:| B = | 0 +-WLtoff =21A2L式中I。为负载的电流，Ui为整流输出电压，toff为开关管的截止时间。3.2.2 续流二极管的选择当开关管截止时，续流二极管导通，通过续流二极管
14、传输到负载.由此可知，续流二极管的正向额定电流必须大于开关管的最大集电极电流.当开关管饱和时，集电极间的电压可以忽略不记，续流二极管的耐压值必须大于前级整流电路的输出电压Uwi。本实验续流管仍然选用的是IGBT。电感的选取电感可以由下式求得:UoL = 122小UlU7(1.4)式中U0为输出电压，U是输入电压，I omin为电感续流的临界负荷电流输出电容可以按照经验值取1000叱F/A3.2.3 具体参数计算给定参数为U1=200V,Id=18A1、U0的计算U0最小值为0,最大值为220V。这里选取200V。则电阻为 R=U0/Id=10J功率因素=U0/U1=0.992、二极管参数计算二
15、极管承受反向最大电压Udm=1.414U1=282V考虑2倍裕量，则Uvd=2*282=564V 取 600MVD1、VD2的有效电流Ivt=0.5*I d=9A,考虑2倍裕量，因此取Id=18A。VD3、VD4的有效电流为0,因为VD3 VD4属于续流部分，此部分输出 电压为0,固电流也为004、IGBT及续流管的选择因为U1=200V取3倍裕量，选耐压为 600V以上的IGBT。由于IGBT 是以最大标注且稳定电流与峰值电流间大致为四倍关系，故应选用大于 4 倍额定负载电流的IGBT为宜，因此选用72A,额定电压600V左右的IGBT。因为续流管也是IGBT,固可以同上。3.3 主电路结构设计在考虑到减少电路误差的情况下，我们采用了如图 8 所示的主电路， 主回路由Ql Q3三个VMOS管和D1 D3三个二极管组成的全控整流电 路实现对交流输入电压的斩波调压。 当交流输入电压在正半周时， 电
