毕业设计.docx

毕业设计.docx

《毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

毕业设计

绪论

1.电力电子技术的内容

电力电子学,又称功率电子学（PowerElectronics）。

它主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换和控制。

它既是电子学在强电（高电压、大电流）或电工领域的一个分支，又是电工学在弱电（低电压、小电流）或电子领域的一个分支，或者说是强弱电相结合的新科学。

电力电子学是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。

电有直流（DC）和交流（AC）两大类。

前者有电压幅值和极性的不同，后者除电压幅值和极性外，还有频率和相位的差别。

实际应用中，常常需要在两种电能之间，或对同种电能的一个或多个参数（如电压，电流，频率和功率因数等）进行变换。

变换器共有四种类型：

交流-直流（AC-DC）变换：

将交流电转换为直流电。

直流-交流（DC-AC）变换：

将直流电转换为交流电。

这是与整流相反的变换，也称为逆变。

当输出接电网时，称之为有源逆变；当输出接负载时，称之为无源逆变。

交-交（AC-AC）变换，将交流电能的参数（幅值或频率）加以变换。

其中：

改变交流电压有效值称为交流调压；将工频交流电直接转换成其他频率的交流电，称为交-交变频。

直流-直流（DC-DC）变换，将恒定直流变成断续脉冲输出，以改变其平均值。

2.电力电子技术的发展

在有电力电子器件以前，电能转换是依靠旋转机组来实现的。

与这些旋转式的交流机组比较,利用电力电子器件组成的静止的电能变换器,具有体积小、重量轻、无机械噪声和磨损、效率高、易于控制、响应快及使用方便等优点。

1957年第一只晶闸管—也称可控硅（SCR）问世后，因此,自20世纪60年代开始进入了晶闸管时代。

70年代以后，出现了通和断或开和关都能控制的全控型电力电子器件（亦称自关断型器件），如：

门极可关断晶闸管（GTO）、双极型功率晶体管（BJT/GTR）、功率场效应晶体管（P-MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。

控制电路经历了由分立元件到集成电路的发展阶段。

现在已有专为各种控制功能设计的专用集成电路，使变换器的控制电路大为简化。

微处理器和微型计算机的引入，特别是它们的位数成倍增加，运算速度不断提高，功能不断完善，使控制技术发生了根本的变化，使控制不仅依赖硬件电路，而且可利用软件编程，既方便又灵活。

各种新颖、复杂的控制策略和方案得到实现，并具有自诊断功能，并具有智能化的功能。

将新的控制理论和方法应用在变换器中。

现代的各行各业中，多数的机械都有调速的要求，直流电机调速系统具有良好的控制特性，得到了广泛的应用。

20世纪80年代，以晶闸管为功率开关器件的斩波调压调速器以其无级、高效、节能而得到大力推广，但晶闸管斩波调速器不中之处是，晶闸管一旦被触发，其关断必须依赖换流电容和换流电感振荡产生反压来实现，增加了装置的成本和换流损耗；电源电压下降还会导致换流失败，使系统的可靠性降低；此外，由于晶闸管的开、关时间比较长，加上存在换流环节，使得斩波器的工作频率不能太高（一般在300以下），电机上的力矩脉动和电流脉动比较严重，并且在深调速下谐波含量很大，电磁兼容装置能够减小谐波对其他敏感设备的影响，但其体积相对较大。

随着现代电力电子技术的发展，以新型自关断电力电子器件为基础的现代直流传动系统可以较好的满足用户对系统提出的高技术要求，尤其在一些大功率、有特殊要求的使用环境，现代直流传动系统有更高的适应性。

国内外已经把直流斩波器广泛的应用在电力牵引机上，例如地铁、电力机车、城市无轨电车、升降机等等。

利用直流斩波器能够比较容易的实现平稳起动，无级调速以及再生制动，电能损耗可大为减少。

电机车通常采用串激式直流电动机传动，这是由于串激式直流电动机具有起动转矩大、过载能力强、机械特性软、有空载车速行、重载慢行的自然特点，并适用于多机并联运行。

某些电机，处在经常频繁起动、变速、制动和停车的运行工作状态下。

为了提高工作效率节能省电，可采用斩波器调速，实行再生制动，把部分能量回馈给电网，节约电能将是非常可观的。

目前许多直流调速大都采用晶闸管（SCR）斩波器调速。

SCR斩波器调速，可以做到平稳起动、无级调速、损耗小、效率高。

但SCR斩波器属于强迫换流电路，有出现换流失败，即出现“失控”现象的可能，会给生产和人身安全带来威胁。

SCR斩波器的工作频率低（一般在150~300HZ左右），滤波器体积大，SCR的开关时间受元件本身和换流电路参数的限制，一般导通率不能过低，否则在轻载时电流将出现断续，使电机附加损耗增大。

将大功率晶体管（GTR）引入斩波调速系统，可大大改善斩波器的性能。

GTR具有自关断能力，不需强迫换流电路，简化了主电路，体积也减小，它是一个电流控制元件，不存在换流失败问题；GTR工作频率（可高于1000HZ）供电给串激电动机可大大减少滤波器的容量，调速范围宽。

但它受耐压和电流定额（目前可购到最大为400A、1200V的GTR元件）等应用范围受到限制，用在矿山井下及地面的运输设备上及蓄电池型电动车上。

门极可关断晶闸管（GTO）是一种可自行关断的大功率开关元器件，GTO耐压高，电流大，开关工作频率可达1000HZ，且电流变化率di/dt和电压变化率du/dt值也较高。

不过GTO为了获得良好的开关特性，对其门电路驱动电流要求是很高的。

使GTO导通的门极正向驱动电流较小，与SCR类似；但使GTO关断的负向门极电流，其幅值、斜率，维持时间都有严格要求。

配置不当，轻则增大关断损耗或影响工作频率，重则会损坏GTO元件，这是它应用范围受到限制的主要方面。

新型高速大功率绝缘栅晶体管（IGBT）开关元件的问世和应用，使大功率变换器又上一个新的台阶。

IGBT开关工作频率可超过音频（大于1000HZ）。

耐压高，电流大，输入阻抗高（基本上是电压控制元件），导通压降低，它集功率场效应管（PowerMOSFET）和大功率晶体管（GTR）的特点于一身，而且关断速度高于GTR，是目前较理想的功率开关元件。

综上所述可以看出，微电子技术、电力电子器件和控制理论则是现代电力电子技术的发展动

力。

3.电力电子技术的重要作用

（1）优化电能使用。

通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效和节约，实现了电能使用最佳化。

例如，在节电方面，针对风机水泵、电力牵引、轧机冶炼、轻工造纸、工业窑炉、感应加热、电焊、化工、电解等14个方面的调查，潜在节电总量相当于1990年全国发电量的16%，所以推广应用电力电子技术是节能的一项战略措施，一般节能效果可达10%-40%，我国已许多装置列入节能的推广应用项目。

（2）改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。

据发达国家预测，今后将有95%的电能要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用的各种机电设备中，有95%与电力电子产业有关，特别是，电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口，它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件，成为发挥计算机作用的保证和基础。

（3）电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传统，向高频化方向发展。

实现最佳工作效率，将使机电设备的体积减小几倍、几十倍，响应速度达到高速化，并能适应任何基准信号，实现无噪音且具有全新的功能和用途。

（4）电力电子智能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技术与电力电子技术一体化，其发展有可能引起电子技术的重大改革。

有人甚至提出，电子学的下一项革命将发生在以工业设备和电网为对象的电子技术应用领域，电力电子技术将把人们带到第二次电子革命的边缘。

4.电力电子技术课程的学习要求

（1）熟悉和掌握常用电力电子器件的工作机理、特性和参数，能正确选择和使用它们。

（2）熟悉和掌握各种基本变换器的工作原理，特别是各种基本电路中的电磁过程，掌握其分析方法、工作波形分析和变换器电路的初步设计计算。

（3）了解各种开关元件的控制电路、缓冲电路和保护电路。

（4）了解各种变换器的特点、性能指标和使用场合。

（5）掌握基本实验方法与训练基本实验技能。

摘要

长期以来，直流电机以其良好的线性特性、优异的控制性能等特点成为大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择。

特别随着计算机在控制领域和高开关频率、全控型第二代电力半导体器件的发展，以及直流斩波调速技术的应用，直流电机得到广泛的应用。

目前，市场上用的最多的IGBT直流斩波器，它是属于全控型斩波器，它的主导器件采用国际上先进的电力电子器件IGBT，由门极电压控制，从根本上克服了晶闸管斩波器及GTR斩波器的缺点。

基于IGBT的直流斩波控制实现直流电机的调速，与可控硅脉冲调速方式和电阻调速方式相比，具有明显的优点，应用也是十分广泛的。

一、设计思路

1-2、斩波电路的种类、组成及原理

（1）降压斩波电路（BuckChopper）

降压斩波电路的原理图及工作波形如图1-1所示。

图中V为全控型器件，选用IGBT。

D为续流二极管。

当V处于通态时，电源Ui向负载供电，UD=Ui。

当V处于断态时，负载电流经二极管D续流，电压UD近似为零，至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。

负载电压的平均值为：

式中ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期，α为导通占空比，简称占空比或导通比。

由此可知，输出到负载的电压平均值Uo最大为Ui。

若减小占空比α，则Uo随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。

图1-1降压斩波电路的原理图及波形图

（2）升压斩波电路（BoostChopper）

升压斩波电路的原理图及工作波形如图1-2所示。

电路也使用一个全控型器件V。

当V处于通态时，电源Ui向电感L1充电，充电电流基本恒定为I1，同时电容C1上的电压向负载供电，因C1值很大，基本保持输出电压Uo为恒值。

设V处于通态的时间为ton，此阶段电感L1上积累的能量为UiI1ton。

当V处于断态时Ui和L1共同向电容C1充电，并向负载提供能量。

设V处于断态的时间为toff，则在此期间电感L1释放的能量为（Uo—Ui）I1toff。

当电路工作于稳态时，一个周期T内电感L1积蓄的能量与释放的能量相等，即

上式中的T/toff≥1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。

图1-2升压斩波电路的原理图及波形图

（3）升降压斩波电路（Boost-BuckChopper）

升降压斩波电路的原理图及工作波形如图1-3所示。

电路的基本工作原理是：

当可控开

V处于通态时，电源Ui经V向电感L1供电使其储存能量，同时C1维持输出电压Uo基本恒定并向负载供电。

此后V关断，电感L1中储存的能量向负载释放。

可见负载电压为上负下正，与电源电压极性相反。

输出电压为：

若改变导通比α，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。

当0<α<0.5时为降压，当0.50<α<1时为升压。

图1-3升降压斩波电路的原理图及波形

（4）Cuk斩波电路

Cuk斩波电路的原理图如图1-4所示。

电路的基本工作原理是：

当可控开关V处于通态时，Ui-Ll-V回路和负载R-L2-C2-V回路分别流过电流。

当V处于断态时，Ui-Ll-C2-D回路和负载R-L2-D回路分别流过电流，输出电压的极性与电源电压极性相反，输出电压为：

若改变导通比α，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。

当0<α<0.5时为降压，当0.50<α<1时为升压。

图1-4Cuk斩波电路的原理图

（5）Sepic斩波电路

Sepic斩波电路的原理图如图1-5所示。

电路的基本工作原理是：

可控开关V处于通态时，Ui-Ll-V回路和C2-V-L2回路同时导电，Ll和L2贮能。

当V处于断态时，Ui-Ll-C2-D-R回路和L2-D-R回路同时导电，此阶段Ui和Ll既向R供电，同时也向C2充电，C2贮存的能量在V处于通态时向L2转移，输出电压为：

若改变导通比α，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。

当0<α<0.5时为降压，当0.50<α<1时为升压。

图1-5Sepic斩波电路原理图

（6）Zeta斩波电路

Zeta斩波电路的原理图如图1-6所示。

电路的基本工作原理是：

当可控开关V处于通态时电源Ui经开关V向电感Ll贮能。

当V处于断态后，Ll经D与C2构成振荡回路，其贮存的能量转至C2，至振荡回路电流过零，Ll上的能量全部转移至C2上之后，D关断，C2经L2向负载R供电。

输出电压为：

若改变导通比α，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。

当0<α<0.5时为降压，当0.50<α<1时为升压。

图1-6Sepic斩波电路原理图