四层电梯毕业设计.docx
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四层电梯毕业设计
1绪论
电力电子技术是应用于电力技术领域的电子技术，是与电子、控制、电力紧密相关的科学。
其主要内容是：
应用电工理论和开发工具，利用电力电子器件构成变流电路，对电能进行变换和控制，其中包括电压、频率、电流和波形等电量的变换技术。
电能变换技术早已成为电工界的重要研究课题。
过去曾应用旋转式变流器、汞弧整流器和接触器等实现电能的变换和控制，因实施技术和经济性问题，有的未获应用，有的应用范围不大。
1957年晶闸管问世，带来了电力电子学的革命，电力电子技术得到了飞速发展，电能变换技术已日渐成熟，除晶闸管及其电路获广泛应用外，新一代电力电子器件不断出现，使电力电子技术的面貌日新月异。
由于三项交流正弦电压源是电能的主要形式，为适应各种负载对不同电能形式的需求，可以实现最高性能电能变换的电力电子装置必然成为供电电源与负载的中间耦合环节。
现在，电力电子技术的应用领域越来越广泛，以对国民经济产生了日益显著的技术效益和经济效益。
显然电力电子器件、电力电子电路及系统、电力电子装置应用是电力电子技术的主要研究内容。
电力电子器件是现代电力电子技术不断创新的基础，电力电子器件工作于开关工作状态，据其开关特性可划分为以下三类：
不控型器件：
为无控制端子的二端器件，即整流二极管。
不控制型器件具有不可控制的单向导电开关特征。
半控制型器件：
为有控制端子的三端器件，如晶闸管及其大部分派生器件。
半控型器件具有可控开通的单向导开关特性。
全控型器件：
也是具有控制端子的三端器件，如电力晶体管（GTR）、可关断晶闸管（GTO）、功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（IGBT）、MOS控制晶闸管、集成门极换向晶闸管（IGCT）等。
全控制器件具有可控开通、可控关断的单向导电开关特性，也称为自关断型器件。
由于器件的制造技术不断更新，电力电子器件得到了发展，其发展方向可概括为：
提高电力电子器件开关容量和动态性能，自关断化、复合化和模块化。
模块化器件是一种集成功率器件，构成电力电子电路时，可以减少电路接线和装置的体积。
复合器件是由双极型器件和多个导电的场控制器件集成起来的新型器件，绝缘栅晶体管（IGBT）、集成门极换晶闸管（IGCT）、MOS控制晶闸管（MCT）都是很有前途的复合器件，其开关容量、特性都会得到进一步提高。
从开关容量来看，普通晶闸管已为大容量直流电源奠定了良好的基础。
GTO技术也日趋完善，开关容量几乎与普通晶闸管持平。
在逆变器设计中，采用GTO、GTR、IGBT、IGCT取代晶闸管，可以大大简化主电路，现已获成功的应用。
MOSFET开拓了电力电子技术在更高频率范围的应用领域，但因通态电阻较大，其开关容量受到了限制。
采用电力电子电路可以实现电能的多种变换。
从实现电能变换的角度出发，电力电子电路也称为电力变换器，主要由以下几种基本类型：
整流器：
是用于将交流电能变换为直流电能的变换器。
输出整流电压完全决定于交流电源电压的称为不可控整流电路；输出整流电压可以控制的称为可控整流电路。
逆变器：
是用于将直流电能转换为交流电能的变换器。
交流侧为固定电压、频率的交流电源时，称为有源逆变器；交流输出侧为无源负载时，称为无源逆变器。
斩波器：
是用于将直流电压变换为可调的或稳定的直流电压的变换器。
输出电压低于电源电压时，称为降压型斩波器；输出电压高于电源电压时，称为升压型斩波器。
交流调压器：
是用于将交流电源电压变换为可调的获稳定的交流电压的变换器。
周波变换器：
是用于将一定频率和电压的交流电能变换为频率、电压可调的交流电能的变换器。
上述变换器均具有一种电力变换功能，称为基本的电力变换电路或基本电力变换器。
按一定的技术要求，使用多个基本电力变换器完成一定的电能变换功能时，称为组合电子变换电路或组合电力变换器。
例如，由整流器和无源逆变器可构成变频器；由逆变器和整流器可构成直流电压变换器。
有的变换器可以有两种变换功能，例如全控制整流器在一定条件下就成为有源逆变器。
为提高电力变换器的系统性能，多采用自动控制理论和技术实现有关技术要求。
对于不同变换功能的电力变换器，应当采用与之相适应的控制方式。
常用控制方式主要有以下三种类型：
相控方式：
用于交流电源的电力变换器，如可控整流器、有源逆变器、交流调压器、周波变换器等。
在该控制方式下，控制信号的变化结果体现为触发脉冲的移相。
频控方式：
用于由直流电源供电的无源变换器。
在该控制方式下，控制信号的变化结果体现为控制脉冲频率的变化。
斩控方式：
用于对斩波器和采用脉宽调制的变换器。
在该控制方式下，控制信号的变化结果体现为变流元件导通比的变化。
上述均为单一控制方式，实际中也可以配合应用。
例如周波变换器为相控和频控两种控制方式的配合应用；脉宽调制逆变器为频控和斩控两种控制方式的配合应用。
按照负载要求，选用适当的电力变换器和控制方式，可以组成实用电力电子装置。
2电力电子及直流调速的发展
2.1直流调速的发展
现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。
电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整
流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。
八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。
整流器时代：
大功率的工业用电由工频（50Hz）交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解（有色金属和化工原料需要直流电解）、牵引（电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等）和直流传动（轧钢、造纸等）三大领域。
大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在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。
当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。
逆变器时代：
七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频调速因节能效果显著而迅速发展。
变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。
在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管（GTR）和门极可关断晶闸管（GT0）成为当时电力电子器件的主角。
类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。
这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。
变频器时代：
进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。
将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管（IGBT）的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。
MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。
据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域已成定论。
新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。
我国对节能技术也十分重视，电力电子技术在节能方面的应用已经开始。
今后应普及电力电子技术在节能上作用的认识，围绕节能加快电力电子技术的发展。
在电力电子装置方面，我国当前生产最多的是牵引、电化和电热冶金、直流传动、励磁四类装置，但正如其发展前景所估计的：
斩波调速、交流调速、直流输电、静止补偿等方面，也已有所发展或正在开始工作。
在控制技术方面，微电子技术已成为重要议题并有所采用。
现代控制理论也已为电力电子工作者所重视。
应特别指出的是：
电力电子技术对日用电器的发展具有重要影响。
实际上，电力半导体器件中大部分是中小型器件。
在国外，日用电器是电力电子技术的最大市场之一。
但由于作为发展阶段已经过去，故未列入发展前景的估计之内。
我国在发展过程中，一直未能重视小功率电力半导体器件及日用电器的生产，所以和国外差距很大。
当前正在大力发展日用机电产品，所以有必要强调电力电子技术为日用电器服务。
由于我国民用市场庞大，估计将有一个良好的应用前景。
从电力电子装置在实用系统中的功能来看，可划分为电源和开关两类装置。
这两类装置又可分为交流和直流两种。
下面举例说明电力电子装置在不同领域中的应用。
2.1.1．直流调速在电力控制系统中的应用
变流耦合供电的直流电动机调速系统中用晶闸管构成静态直流电源装置，为直流电动机供电。
由于该系统结构简单、技术成熟、动静态特性好、效率高，便于实现四象限运行和自动控制，已获广泛应用，正在逐渐取代电动机—发电机组供电的传统方式。
该系统已实现全数字化控制，调节精度高，性能好，调试简单，操作维修方便。
应用实例有矿井提升机、轧钢机、回转窑和龙门刨等电动设备的电控系统。
斩波器耦合供电的直流电动机调速系统：
对于直流电源供电的直流电动机，可通过斩波器供电进行控制，斩波器采用斩控方式调节直流电压，实现直流电动机脉冲调速。
该系统结构简单、操作灵活。
可实现启动、无级调速、制动等控制，节电效果显著。
主要用于由直流电源供电的场合，如地铁电机车、工矿电机车、城市电车、蓄电池电机车、电动自行车等的调速控制。
变频器耦合供电的交流电动机变频调速系统中用频率、电压配合控制的变频器为交流电动机供电，可构成变频调速系统，有较理想的调速性能。
变频调速具有高效节能的效果，有的系统还可以实现高功率因数。
交流电动机应用极为广泛，变频变频调速已成为电力电子技术开发应用的重要方面。
由于自关断型电力电子器件的发展和应用，近年来中小功率感应电动机变频调速获得广泛应用。
该系统主要用于采用交流电动机传动且需要调速的各类负载，如矿井提升机、胶带输送机、水泵、通风机等。
线绕式异步电动机串级调速系统：
线绕式异步电动机转子也可以进行功率传递，构成转差功率控制的调速系统。
电动机转子回路通过转子整流器、逆变器与交流电源耦合，可将转差功率回馈电网，实现采用转差功率控制的串级调速。
该系统结构简单、调速性能好、节能效果显著。
已在风机、水泵类负载的调速控制中或广泛应用，并取得显著效果。
新型调速点电动机的应用：
无换向电器电动机是一种自控式变频调速电动机，有与直流电动机相似的特性，兼有交、直流电动机的优点。
有点力电子变换器驱动的开关磁阻电动机具有结构简单、造价低廉、制动性能好、调速范围宽的有点。
这两种调速电动机都是与电力电子变换器结合的新型调速电动机，已形成机电一体化产品，很有发展前途。
2.2直流电在电力系统中的应用
发电机励磁装置：
由晶闸管构成静态电源装置，工发电机励磁。
由于结构简单、便于实现控制与保护、效率高，已获得广泛应用。
高压直流输电（HVDC）：
两端交流电源均由晶闸管变流器作为电能变换装置，既可以将交流侧电能变换为直流电能输出，又可以将直流侧电能变换为交流电能输入。
通过对变流器控制角的调整实现能量的变换、传递与调速。
近年来，直流电机的结构和控制方式都发生了很大变化。
随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（PulseWidthModulation，简称PWM）控制方式已成为主流。
同时，随着数字信号处理器DSP的出现，给直流调速控制提供了新的手段和方法。
这种控制方式很容易在DSP控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。
本文在深入分析直流脉宽调速系统的工作原理和数学模型的基础上，对其全数字化控制技术及其模糊控制策略进行了系统研究。
3电源设计方案
3.1电源设计原理
3.1.1材料选择
15V变压器，7824稳压块1个，二极管4个，1000µF电容与220µF电容各一个，导线若干，电路图如图1所示。
图1桥式整流稳压电路图
3.1.2设计思路
小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，如图2，图3所示。
+电源+整流+滤波+稳压+
u1u2u3uIU0
_变压器_电路_电路_电路_
图2稳压电源的组成框图
u1u2u3uIU0
0t0t0t0t0t
图3稳压电源的组成框图及整流与稳压过程
3.2整流与滤波
3.2.1二极管整流滤波原理及分析
半波整流中二极管半波整流电路实际上利用了二极管的单向导电特性。
当输入电压处于交流电压的正半周时，二极管导通，输出电压Vo=vi-Vd。
当输入电压处于交流电压的负半周时，二极管截止，输出电压Vo=0。
半波整流电路输入和输出电压的波形如图4所示。
图4二极管半波整流电路
对于使用直流电源的电动机等功率型的电气设备，半波整流输出的脉动电压就足够了。
但对于电子电路，这种电压则不能直接作为半导体器件的电源，还必须经过平滑（滤波）处理。
平滑处理电路实际上就是在半波整流的输出端接一个电容，在交流电压正半周时，交流电源在通过二极管向负载提供电源的同时对电容充电，在交流电压负半周时，电容通过负载电阻放电。
如图5所示。
图5电容输出的二极管半波整流电路
通过上述分析可以得到半波整流电路的基本特点如下：
半波整流输出的是一个直流脉动电压。
半波整流电路的交流利用率为50%。
电容输出半波整流电路中，二极管承担最大反向电压为2倍交流峰值电压（电容输出时电压叠加）。
实际电路中，半波整流电路二极管和电容的选择必须满足负载对电流的要求。
全波整流中当输入电压处于交流电压的正半周时，二极管D1导通，输出电压Vo=vi-VD1。
当输入电压处于交流电压的负半周时，二极管D2导通，输出电压Vo=vi-VD2。
如图6所示
图6二极管全波整流电路
由上述分析可知，二极管全波整流电路输出的仍然是一个方向不变的脉动电压，但脉动频率是半波整流的一倍。
通过与半波整流相类似的计算，可以得到全波整流输出电压有效值Vorsm=0.9Ursm。
全波整流输出的直流脉动电压仍然不能满足电子电路对直流电源的要求，必须经过平滑（滤波）处理。
与半波整流相同，平滑处理电路是在全波整流的输出端接一个电容。
电容在脉动电压的两个峰值之间向负载放电，使输出电压得到相应的平滑。
图7电容输出的二极管半波整流电路
通过上述分析可以得到半波整流电路的基本特点如下：
半波整流输出的是一个直流脉动电压。
半波整流电路的交流利用率为50%。
电容输出半波整流电路中，二极管承担最大反向电压为2倍交流峰值电压（电容输出时电压叠加）。
实际电路中，半波整流电路二极管和电容的选择必须满足负载对电流的要求。
如图7所示。
全波整流中当输入电压处于交流电压的正半周时，二极管D1导通，输出电压Vo=vi-VD1。
当输入电压处于交流电压的负半周时，二极管D2导通，输出电压Vo=vi-VD2。
其结构及波形如图9所示。
图8二极管全波整流电路
由上述分析可知，二极管全波整流电路输出的仍然是一个方向不变的脉动电压，但脉动频率是半波整流的一倍。
如图8所示。
通过与半波整流相类似的计算，可以得到全波整流输出电压有效值Vorsm=0.9Ursm。
全波整流输出的直流脉动电压仍然不能满足电子电路对直流电源的要求，必须经过平滑（滤波）处理。
与半波整流相同，平滑处理电路是在全波整流的输出端接一个电容。
电容在脉动电压的两个峰值之间向负载放电，使输出电压得到相应的平滑。
如图9所示
图9电容输出的二极管全波整流电路及波形图
通过上述分析可以得到全波整流电路的基本特点如下：
全波整流输出的是一个直流脉动电压。
全波整流电路的交流利用率为100%。
电容输出全波整流电路，二极管承担的最大反向电压为2倍交流峰值电压（电容输出时电压叠加）。
实际电路中，全波整流电路中二极管和电容的选择必须满足负载对电流的要求。
桥式整流：
所谓桥式整流电路，就是用二极管组成一个整流电桥。
当输入电压处于交流电压正半周时，二极管D1、负载电阻RL、D3构成一个回路（图5中虚线所示），输出电压Vo=vi-VD1-VD3。
输入电压处于交流电压负半周时，二极管D2、负载电阻RL、D4构成一个回路，输出电压Vo=vi-VD2-VD4。
如图10中所示滤波电容的工作状态。
图10二极管桥式整流电路及波形图
由上述分析可知，二极管桥式整流电路输出的也是一个方向不变的脉动电压，但脉动频率是半波整流的一倍。
与半波整流输出电压有效值计算相类似，可以得到桥式整流输出电压有效值Vorsm=0.9Ursm。
通过上述分析，可以得到桥式整流电路的基本特点如下：
桥式整流输出的是一个直流脉动电压。
桥式整流电路的交流利用率为100%。
电容输出桥式整流电路，二极管承担的最大反向电压为2倍的交流峰值电压（电容输出时电压叠加）。
桥式整流电路二极管的负载电流仅为半波整流的一半。
实际电路中，桥式整流电路中二极管和电容的选择必须满足负载对电流的要求
选材标准：
在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压U2变换成脉动的直流电压u3。
滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压u3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压UI。
UI与交流电压u2的有效值U2的关系为：
（3-2-1）
在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为：
（3-2-2）
流过每只二极管的平均电流为：
（3-2-3）
其中：
R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，放电时间常数RC应满足：
（3-2-4）
其中：
T=20ms是50Hz交流电压的周期。
稳压电路中由于输入电压u1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。
因此，为了维持输出电压UI稳定不变，还需加一级稳压电路。
稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。
稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。
采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。
稳压电源的设计可以分为以下三个步骤：
根据稳压电源的输出电压Uo、最大输出电流Iomax，确定稳压器的型号及电路形式。
根据稳压器的输入电压UI，确定电源变压器副边电压u2的有效值U2；根据稳压电源的最大输出电流I0max，确定流过电源变压器副边的电流I2和电源变压器副边的功率P2；根据P2，查出变压器的效率η，从而确定电源变压器原边的功率P1。
然后根据所确定的参数，选择电源变压器。
确定整流二极管的正向平均电流ID、整流二极管的最大反向电压URM和滤波电容的电容值和耐压值。
根据所确定的参数，选择整流二极管和滤波电容。
3.3稳压的原理
现在常用的稳压管的主要材料是半导体硅。
在硅稳压管的反向电压击穿区内，电流变化很大，而其电压基本不变。
在小于5V的稳压管，主要是齐纳击穿，大于7V的稳压管，主要是雪崩击穿，在5—7V间，两种击穿同时存在。
要理解稳压二极管的工作原理，只要了解二极管的反向特性就行了。
所有的晶体二极管,其基本特性是单向导通。
就是说，正向加压导通，反向加压不通。
这里有个条件就是反向加压不超过管子的反向耐压值。
那么超过耐压值后是什么结果呢？
一个简单的答案就是管子烧毁。
但这不是全部答案。
试验发现，只要限制反向电流值（例如，在管子与电源之间串联一个电阻），管子虽然被击穿却不会烧毁。
而且还发现，管子反向击穿后，电流从大往小变，电压只有很微小的下降，一直降到某个电流值后电压才随电流的下降急剧下降。
正是利用了这个特性人们才造出了稳压二极管。
使用稳压二极管的关键是设计好它的电流值。
稳压二极管（齐纳二极管,Zenerdiode）：
是一种专门工作于反向（崩溃，Breakdown）区域的二极管，如有一适量的电流流经此二极管，则其两端点间产生固定不变的电压，名为：
”稳压电压”，由于其电压稳定，故被广泛用于稳压电路或用作参考电压源。
崩溃现象：
在PN结上，加以反向电压时，反向电流很小，叫反向饱和电流，当反向电压加大到一定值时，反向电流会突然增加，这现象叫PN结的击穿。
稳压二极管工作原理：
稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。
这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。
稳压二极管在电路中常用“ZD”加数字表示，如：
ZD5表示编号为5的稳压管。
故障特点：
稳压二极管的故障主要表现在开路、短路和稳压值不稳定。
在这3种故障中，前一种故障表现出电源电压升高；后2种故障表现为电源电压变低到零伏或输出不稳定。
常用稳压二极管的型号及稳压值如下表：
型号1N47281N47291N47301N47321N47331N47341N47351N47441N47501N47511N4761
稳压值3.3V3.6V3.9V4.7V5.1V5.6V6.2V15V27V30V75V
稳压管也是一种晶体二极管，它是利用PN结的击穿区具有稳定电压的特性来工作的。
稳压管在稳压设备和一些电子电路中获得广泛的应用。
我们把这种类型的二极管称为稳压管，以区别用在整流、检波和其他单向导电场合的二极管。
图11画出了稳压管的伏安特性及其符号。
图11稳压管福安特性
选择稳压管时应注意：
流过稳压管的电流IZ不能过大，应使IZ≤IZmax，否则会超过稳压管的允许功耗，IZ也不能太小，应使IZ≥IZmin，否则不能稳定输出电压，这样使输入电压和负载电流的变化范围都受到一定限制。
选择二极管的基本原则：
要求导通电压低时选锗管;要求反向电流小时选硅管。
导通电流大时选面结合型;要求工作频率高时选点接触型。
反向击穿电压高时选硅管。
耐高温时选硅管。
3.3.1．稳压电路设计
集成稳压器的类型很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。
按输出电压类型可分为固定式和可调式，此外又可分为正电压输出或负电压输出两种类型。
固定电压输出稳压器：
常见的有CW78
（LM78
）系列三端固定式正电压输出集成稳压器；CW79
（LM79
）系列三端固定式负电压输出集成稳压器。
三端是指稳压电路只有输入、输出和接地三个接地端子。
型号中最后两位数字表示输出电压的稳定值，有5V、6V、9V、15V、18V和24V。
稳压器使用时，要求输入电压UI与输出电压Uo的电压差UI-Uo≥2V。
稳压器的静态电流Io=8mA。
当Uo=5~18V时，UI的最大值UImax=35V；当Uo=18~24V时，UI的最大值UImax=40V。
2、可调式三端集成稳压器：
可调式三端集成稳压器是指输出电压可以连续调节的稳压器，有输出正电压的CW317系列（LM317）三端稳压器；有输出负电压的CW337系列（LM337）三端稳压器。
在可调式三端集成稳压器中，稳压器的三个端是指输入端、输出端和调节端。
稳压器输出电压的可调范围为Uo=1.2~37V，最大输出电流Iomax=1.5A。
输入电压与输出电压差的允许范围为：
UI-Uo=3~40V。
4调速设计方案
4.1材料及原理图
主要材料：
MOS管开关1个，555定时器1个，二极管6个，电阻7个，电容3个，开关1个，变电阻1个，导线若干。
控制电路图如图12所示。
图12控制电路原理图
4.2直流斩波及MOS管开关工作原理
4.2.1Mos管开关简介
图13Mos管结构图
MOS管
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