電力電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、 湖南科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院 課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題 目： 為電鍍裝置設(shè)計(jì)一斬波器 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 五 班 姓 名： 杜 娜 學(xué) 號(hào)： 1204010241 指導(dǎo)教師： 郭小定 2015年 1 月 9 日信息與電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2014 2015 學(xué)年第 1 學(xué)期專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 班級(jí)：12電氣5Z 學(xué)號(hào)：1204010241 姓名：杜娜 課程設(shè)計(jì)名稱： 電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目： 為電鍍裝置設(shè)計(jì)一斬波器 完成期限：自 2015 年 1 月 5 日至 2015 年 1 月 9 日共 1 周設(shè)計(jì)依據(jù)、要求及主要內(nèi)容1、 設(shè)計(jì)依據(jù)電鍍裝置，要求提供Ud

2、=50V 、 Id=1000A的直流電源，現(xiàn)有變流器輸出電壓240V。二、要求及主要內(nèi)容1確定直流電動(dòng)機(jī)型號(hào)；    2主電路、保護(hù)電路、控制電路設(shè)計(jì)；    3主電路元件的參數(shù)計(jì)算與選擇；    4平波電抗器的參數(shù)計(jì)算與選擇；    5計(jì)算整流變壓器參數(shù)、選擇其容量和規(guī)格；    6主電路中過電壓過電流保護(hù)電路的選擇及相應(yīng)電路元件的計(jì)算與選擇；    7繪

3、制主電路、保護(hù)電路、控制電路設(shè)計(jì)電氣系統(tǒng)原理圖；8寫出課程設(shè)計(jì)報(bào)告。其中設(shè)計(jì)報(bào)告要包括有設(shè)計(jì)的目的，設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算，元器件選型，器件表，電路圖的設(shè)計(jì)說明以及設(shè)計(jì)的心得等；設(shè)計(jì)報(bào)告3000字以上；指導(dǎo)教師（簽字）： 郭小定 批準(zhǔn)日期：2015 年 1月 5日 摘 要 在電力電子應(yīng)用領(lǐng)域，直流斬波電路應(yīng)用廣泛，在電機(jī)調(diào)速里面起到至關(guān)重要的作用。它主要包括：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、Cuk電路、Sepic斬波電路Zeta斬波電路。直流傳動(dòng)是斬波電路應(yīng)用的傳統(tǒng)領(lǐng)域。調(diào)速體統(tǒng)中前兩者應(yīng)用廣泛。該設(shè)計(jì)是為電鍍裝置設(shè)計(jì)一斬波器，要求交流器輸出電壓為240V,經(jīng)過降壓斬波電路后輸出

4、電壓為50V，此時(shí)，要求電路中電流為1000A。設(shè)計(jì)主要通過控制電路控制PWM波形，然后通過驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)IGBT來觸發(fā)主電路的導(dǎo)通與關(guān)斷。主電路中采用的是降壓斬波電路，通過控制PWM波形的導(dǎo)通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間來得出輸出電壓的值，從而達(dá)到控制輸出電壓的目的。在設(shè)計(jì)過程中要重視設(shè)計(jì)計(jì)算、軟件編制及整體調(diào)試，設(shè)置元器件的參數(shù)，提高結(jié)果的準(zhǔn)確性，使仿真能夠精確地進(jìn)行。關(guān)鍵詞：降壓斬波 IGBT 控制 目 錄 1 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書1 2 摘要2 3 設(shè)計(jì)目的與意義4 4 設(shè)計(jì)原理4 a.原理論述 4 b.原理圖 5 主電路 5 控制電路 5 驅(qū)動(dòng)電路 5 5 器件選型6 a.主電路參數(shù)計(jì)算 6 b.芯片簡

5、述 6 c.器件表 7 6 仿真7 a.仿真平臺(tái)與過程 7 b.仿真中的問題與解決方案 7 c.仿真所得結(jié)論 7 d.仿真波形圖 8 7 心得體會(huì)9 8 參考文獻(xiàn)101設(shè)計(jì)目的及意義電力電子課程設(shè)計(jì)的目的在于進(jìn)一步鞏固和加深所學(xué)電力電子基本理論知識(shí)。使學(xué)生能綜合運(yùn)用相關(guān)關(guān)課程的基本知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生檢索文獻(xiàn)的能力，特別是利用網(wǎng)絡(luò)檢索需要的文獻(xiàn)資料，培養(yǎng)學(xué)生靈活應(yīng)用所學(xué)的電力電子技術(shù)知識(shí)并能創(chuàng)新。通過本課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。了解專業(yè)工程設(shè)計(jì)的特點(diǎn)、思路、以及具體的方法和步驟，掌握專業(yè)課程設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)計(jì)算、軟件編制，硬件設(shè)計(jì)及整體調(diào)試，培養(yǎng)學(xué)生

6、在電力電子技術(shù)領(lǐng)域的工程設(shè)計(jì)能力以及培養(yǎng)對電力電子裝置各個(gè)參數(shù)的計(jì)算。通過課程設(shè)計(jì)教育學(xué)生認(rèn)識(shí)理論與實(shí)際相結(jié)合的重要性，只靠從書本上學(xué)到的知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，現(xiàn)實(shí)的生活中需要更為豐富的知識(shí)，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過程中會(huì)遇到各式各樣的問題，可以發(fā)現(xiàn)自己在哪個(gè)方面缺乏知識(shí)，從而加強(qiáng)這個(gè)方面的知識(shí)。在課程設(shè)計(jì)過程中查閱資料，了解查閱資料的重要性，鼓勵(lì)他們克服心理上的不良情緒，不斷的學(xué)習(xí)和解決難題，不斷磨練學(xué)生意志的過程。通過課程設(shè)計(jì)使學(xué)生所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)得到鞏固，并使學(xué)生可以運(yùn)用所學(xué)理論

7、知識(shí)解決實(shí)際問題的初步訓(xùn)練；進(jìn)一步提高學(xué)生的分析、綜合能力以及工程設(shè)計(jì)中分析設(shè)計(jì)的基本能力，為今后的畢業(yè)設(shè)計(jì)做必要的準(zhǔn)備，并為畢業(yè)后的工作學(xué)習(xí)打下了很好的基礎(chǔ)。2. 設(shè)計(jì)原理2.1原理論述 該設(shè)計(jì)是為電鍍裝置設(shè)計(jì)一斬波器，要求交流器輸出電壓為240V,經(jīng)過降壓斬波電路后輸出電壓為50V，此時(shí)，要求電路中電流為1000A。設(shè)計(jì)主要通過控制電路控制PWM波形，然后通過驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)IGBT來觸發(fā)主電路的導(dǎo)通與關(guān)斷。主電路中采用的是降壓斬波電路，通過控制PWM波形的導(dǎo)通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間來得出輸出電壓的值，從而達(dá)到控制輸出電壓的目的。2.2原理圖（1）主電路 由于交流器輸出的電壓為240V而要求的電壓為

8、50V，因此我們采用降壓斬波電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。直流電壓送入降壓斬波電路，通過脈寬調(diào)制控制調(diào)節(jié)輸出電壓平均值，再經(jīng)過LC濾波電路使電壓穩(wěn)定。脈寬調(diào)制控制信號(hào)由V驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出；RCD保護(hù)電路用以緩沖V在高頻工作環(huán)境下關(guān)斷時(shí)因?yàn)檎螂娏餮杆俳档投删€路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。 在一個(gè)控制周期內(nèi)，讓V導(dǎo)通一點(diǎn)時(shí)間ton，由電源向L1，R1.C2供電，在此期間U0=E。然后使V關(guān)斷一段時(shí)間toff，此時(shí)電感L1,電容C2通過D1向R供電，U0=0。則一個(gè)周期內(nèi)電流連續(xù)的的平均電壓為 式中，ton為V處于通態(tài)的時(shí)間，toff為V處于斷態(tài)的時(shí)間，T為開關(guān)周期，a為導(dǎo)通占空比，簡稱占空比或?qū)ū?。?fù)載電流平

9、均值為 （2） 控制電路 該控制電路用了NE555，它是一種應(yīng)用特別廣泛作用很大的的集成電路，屬于小規(guī)模集成電路，它是用內(nèi)部的定時(shí)器來構(gòu)成時(shí)基電路，給驅(qū)動(dòng)電路提供時(shí)序脈沖。（3） 驅(qū)動(dòng)電路 該電路使用了IR2112芯片作為驅(qū)動(dòng)，它是高電壓、高放大率MOSFET和帶獨(dú)立的推挽放大器，為自舉工作方式，門驅(qū)動(dòng)器供電范圍從10V到20V。3. 器件選型3.1主電路參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)輸入電流為頻率50Hz的三相240V交流電，其脈沖周期為 經(jīng)過整流后得到的是只有正半部分的正弦波幅值與輸入電壓一樣，但周期為輸入電壓的一半，即  設(shè)計(jì)輸出電壓為直流50V穩(wěn)壓，電流為1000A直流。輸入電壓為240穩(wěn)壓，

10、根據(jù) 得占空比=5/24 =0.21再根據(jù)得電路的電阻應(yīng)為50V/1000A=0.05，又因?yàn)閁s=240V，取3倍裕量，選耐壓為720V以上的IGBT。由于IGBT是以最大標(biāo)注且穩(wěn)定電流與峰值電流間大致為4倍關(guān)系，故應(yīng)選用大于4倍額定負(fù)載電流的IGBT為宜，因此選用4000A,額定電壓720V左右的IGBT。3.2芯片簡述（1）控制電路NE555芯片：它是用內(nèi)部的定時(shí)器來構(gòu)成時(shí)基電路，給驅(qū)動(dòng)電路提供時(shí)序脈沖。NE555的引腳功能為：Pin 1(接地)：地線(或共同接地)通常被連接到電路共同接地。 Pin 2 (觸發(fā)點(diǎn)) ：這個(gè)腳位是觸發(fā)NE555使其啟動(dòng)它的時(shí)間周期。觸發(fā)信號(hào)上緣電

11、壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。 Pin 3 (輸出) ：當(dāng)時(shí)間周期開始555的輸出輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時(shí)的最大輸出電流大約200 mA 。 Pin 4 (重置) ：一個(gè)低邏輯電位送至這個(gè)腳位時(shí)會(huì)重置定時(shí)器和使輸出回到一個(gè)低電位，它通常被接到正電源或忽略不用。 Pin 5 (控制) ：這個(gè)接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當(dāng)計(jì)時(shí)器經(jīng)營在穩(wěn)定或振蕩的運(yùn)作方式下,這輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。 Pin 6 (重置鎖定) ： Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個(gè)接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/

12、3 VCC以上時(shí)啟動(dòng)這個(gè)動(dòng)作。 Pin 7 (放電) ：這個(gè)接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當(dāng)輸出為ON時(shí)為LOW，對地為低阻抗，當(dāng)輸出為OFF時(shí)為HIGH，對地為高阻抗。 Pin 8 (V +) ：這是555個(gè)計(jì)時(shí)器IC的正電源電壓端，供應(yīng)電壓的范圍是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。（2）驅(qū)動(dòng)電路芯片IR2112：它是驅(qū)動(dòng)芯片，是高電壓、高放大率MOSFET和帶獨(dú)立的推挽放大器。它的引腳功能為：LO：低邊輸出電壓；COM:低邊返回；VCC:低邊固定電壓；NC:空腳；VS:高邊浮動(dòng)供電偏置電壓；VB:高邊浮動(dòng)供電電壓；HO:高邊浮動(dòng)輸出電壓；VDD:邏輯電源電壓；HIN

13、:高邊門驅(qū)動(dòng)輸出對應(yīng)的邏輯輸入，相位輸入；SD：截止邏輯輸入；LIN:低邊門驅(qū)動(dòng)輸出對應(yīng)的邏輯輸入，相位輸入。3.3器件表名稱數(shù)量名稱數(shù)量晶閘管3電容若干變壓器2電感若干電阻若干NE5551IR2112芯片2續(xù)流二極管1電壓表1電流表1電源若干示波器24. 仿真4.1仿真平臺(tái)與過程（1） 仿真平臺(tái)：proteus ISISproteus ISIS是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件。它運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單

14、片機(jī)類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時(shí)支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如Keil C51 uVision3等軟件。(2)仿真過程 第一步：添加原器件 第二步：根據(jù)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的圖紙，在proyues中將各個(gè)原器件連接好線，完成電路連接。 第三步：啟動(dòng)仿真，觀察運(yùn)行狀態(tài)，由仿真中出現(xiàn)的問題來排查線路錯(cuò)誤，故障。 第四

15、步：觀察輸出波形，調(diào)整器件參數(shù)，從而使仿真運(yùn)行在最佳狀態(tài)。（3）仿真電路圖4.2仿真中的問題及解決方案（1） 仿真中的問題a. 仿真時(shí)若要達(dá)到輸出電壓為50V，則需用多個(gè)IGBT并聯(lián)，此時(shí)一個(gè)IR2112驅(qū)動(dòng)芯片無法驅(qū)動(dòng)。b. 若要使電路中的電流為1000A，則電流表會(huì)超出量程無法測量。c. 仿真時(shí)由于電腦和軟件的原因，在電路圖正確的情況下運(yùn)行一段時(shí)間時(shí)會(huì)出現(xiàn)標(biāo)志“time step too small”的報(bào)錯(cuò)情況。（2） 解決方案a.通過參數(shù)的參考和改動(dòng)，最后在圖中用了2個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片IR2112來驅(qū)動(dòng)3個(gè)IGBT。b.由于需測量電流數(shù)值超出電流表量程，最后將題目所有的數(shù)值都同時(shí)縮小了20倍，此

16、時(shí)需使電路中輸出電壓為12V,降壓后電壓為2.5V,電路中電流達(dá)到50A即可。c.可以用不同的電腦進(jìn)行仿真，此時(shí)可以解決在電路圖正確的情況下運(yùn)行一段時(shí)間時(shí)會(huì)報(bào)錯(cuò)的現(xiàn)象。4.3仿真所得結(jié)論在縮小相同的倍數(shù)之后，在變流器輸出電壓為12V時(shí)，經(jīng)降壓后輸出電壓穩(wěn)定在2.5V左右，電路中電流穩(wěn)定在50A左右，仿真成功。4.4仿真波形圖（1） 電路中電流的波形圖（2）不同占空比時(shí)輸出的波形a.當(dāng)占空比為0.55時(shí)的波形圖b.當(dāng)占空比為0.7時(shí)的波形c.當(dāng)占空比為0.82時(shí)的波形d.當(dāng)占空比為0.9時(shí)的波形5. 心得體會(huì)通過這一次的課程設(shè)計(jì)，我對電力電子的相關(guān)知識(shí)有了深刻的認(rèn)識(shí)，加深了對電鍍裝置斬波器等知識(shí)的了解和掌握，對電力電子裝置各種型號(hào)參數(shù)有了一定的了解。通過課程設(shè)計(jì)查閱資料拓寬了自己的知識(shí)面，學(xué)到了很多課本上沒有的知識(shí)，同時(shí)進(jìn)一步提高自己的分析、綜合能力以及課程設(shè)計(jì)中分析設(shè)計(jì)的基本能力，為今后的畢業(yè)設(shè)計(jì)做