单相交流稳压电源.docx

题目： 单相交流电源的设计 一、题目背景、研究意义及国内外相关研究情况。2（1）题目背景2（2）发展阶段2（3）研究目的及意义3（4）国内外发展状况3二、 设计任务3三、设计内容4（1）单相交流稳压电源系统的模型4（2）单相交流稳压电源系统的基本原理41.整流电路的工作原理：42、buck降压电路的工作原理63、逆变电路工作原理：74、LC滤波电路工作原理85、PWM控制原理96、Matlab的原理及应用及Simulink仿真：107、DSP单片机原理及在电力电子中的应用11（3）拟采用的研究方法12（4）其它方案比较131.整流阶段132、降压阶段133、逆变阶段134、单片机的选取13四、设计日程安排14五、参考文献15一、题目背景、研究意义及国内外相关研究情况。（1）题目背景现代电源技术是应用电力电子半导体器件，综合自动控制、计算机(微处理器)技术和电磁技术的多学科边缘交又 技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用，是现代电力电子技术的具体应用。当前，电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、机电一体化的基 础，正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来，电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用，实现高效率和高品 质用电相结合。现代电源技术是应用电力电子半导体器件，综合自动控制、计算机(微处理器)技术和电磁技术的多学科边缘交又技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用，是现代电力电子技术的具体应用。开关电源稳压：利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关稳压电源(以下简称开关电源)问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。早期出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管工作于开关状态。随着脉宽调制(PWM)技术的发展，PWM开关电源问世，它的特点是用20kHz的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达65%70%，而线性电源的效率只有3040。因此，用工作频率为20 kHz的PWM开关电源替代线性电源，可大幅度节约能源，从而引起了人们的广泛关注，在电源技术发展史上被誉为20kHz革命。 随着超大规模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片尺寸的不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备(如手提计算机、移动电话等)更需要小型化、轻量化的电源。因此，对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量也要小。 （2）发展阶段开关稳压电源发展阶段主要分为以下三个阶段：第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件(BPT、SCR、GT0)发展为MOS型器件(功率MOS-FET、IGBT、IGCT等)，使电力电子系统有可能实现高频化，并大幅度降低导通损耗，电路也更为简单。 第二个阶段自20世纪80年代开始，高频化和软开关技术的研究开发，使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。第三个阶段从20世纪90年代中期开始，集成电力电子系统和集成电力电子模块(IPEM)技术开始发展，它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。（3）研究目的及意义 在当代科技与经济高速发展的过程中，电源起到关键性的作用。电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。在用电高峰期，很多地方存在电网电压跌落严重的现象，但在用电低谷期，电网电压又上升太高；一些边远地区，电网电压长期偏低；一些负荷变化较快的地区，电网电压波动严重。这些都很容易给用电设备带来损害，甚至可能造成很大的损失。有些地方需要非常稳定的交流工作电压，同时又和电网电压不同。例如当电力机车运行时,便需要牵引电机得到稳定的正弦交流电压，且不同部分所使用的电压可能不同。由此可见，高稳定度的交流稳压电源具有非常广大的应用空间。（4）国内外发展状况电力电子技术已发展成为一门完整的、自成体系的高科技技术，电源技术属于电力电子技术的范畴。电源技术主要是为信息产业服务的，信息技术的发展又对电源技术提出了更高的要求，从而促进了电源技术的发展，两者相辅相成才有了现今蓬勃发展的信息产业和电源产业。迄今为止，电源已成为非常重要的基础科技和产业，并广泛应用于各行业，从日常生活到最尖端的科学都离不开电源技术的参与和支持，其发展趋势为高频、高效、高密度化，低压、大电流化和多元化。同时，封装结构、外形尺寸日趋接国际标准化，以适应全球一体化市场的要求。当前在国内外电源产业中，占主导地位的产品有各种线性稳压电源、通讯用的AC/DC开关电源、开关电源、交流变频调速电源、电解电镀电源、高频逆变式整流焊接电源、中频感应加热电源、电力操作电源、正弦波逆变电源、UPS、可靠高效低污染的光伏逆变电源、风光互补型电源等。而产品价格、性能指标、品牌效应及使用寿命一直是用户最关心的问题。这就促使国内外电源生产商朝着应用技术数字化、硬件结构模块化、产品性能绿色化智能化的方向发展。因此，交流稳压电源的发展前景还是很广阔的。二、 设计任务（1）熟悉单相交流稳压电源系统的模型、基本原理及其工作特性。（2）研究单相交流稳压电源系统的基本应用领域和应用方法。（3）分析系统产生的谐波对单相交流稳压电源输出特性的影响并设法改进。（4）掌握DSP单片机基本原理及应用，并且熟悉一些外围电路的扩展，以及进一步提高C语言的硬件编程能力。（5）掌握仿真软件simulink在电力电子领域中的应用。三、设计内容（1）单相交流稳压电源系统的模型单相交流稳压电源系统的模型如下：+输出U_滤波电路逆变电路Buck降压电路整流电路三相电网电压图1 单相交流电源的原理框图（2）单相交流稳压电源系统的基本原理该稳压电源的输入端为直接源自三相电网电压，然后经过整流电路获得直流电流电，经过电容滤波获后通过buck降压电路获得所需要的电压的直流电，然后经过逆变电路，获得所需要的一定电压值交流电，之后再经过滤波电路获得所需要的电压值的并且谐波较少的正弦交流电。对各个模块的工作原理介绍如下：1.整流电路的工作原理：整流电路拟采用三相桥式不控整流电路，其工作原理为：a1、3、5 晶闸管的阴极连接在一起，为共阴极组 b4、6、2 晶闸管的阳极连接在一起，为共阳极组c由分属于共阴组和共阳组中的各一支 晶闸管同时导通，形成输出回路，且不能为同一相中的器件；d对触发电路和脉冲的要求：双窄脉冲，间隔 60 按 1 2 3 4 5 6 1的顺序依次触发晶闸管 ，相位差 60； 共阴组 1、3、5 的脉冲依次差120，共阳组4、6、2也依次差120； 同相中上下两个桥臂的晶闸管，即 14 ；36 ；52 脉冲相差180；e晶闸管 的导通顺序为： 1 2 3 4 5 6 ；U2图2 三相桥式全控整流电路原理图图3三相桥式不控整流电路波形整流输出电压Ud一个周期波动六次，故该电路为六脉波整流电路。输出端电压的计算公式为：2、buck降压电路的工作原理图4buck降压电路的原理图该电路的工作原理如下：at = 0 时 V 导通， E 向负载供电，uo= E，io 按指数曲线上升，L 储存电能；bt = t1 时 V 关断，io 经 VD 续流，uo= 0，io 呈指数曲线下降，L 释放电能以保证负载电流连续；ct = t2 时 V 又导通，新周期开始；d电路进入稳态后，负载电流在一个周期的初值和终值相等；图5buck降压电路的波形图电流连续时负载电压平均值为： ton V 通的时间； toff V 断的时间； 导通占空比； T 开关周期；斩波电路三种控制方式：a脉冲宽度调制（PWM） T 不变，改变 Ton ；b频率调制 T 改变 ，Ton 不变 ；c混合控制型 T 和 Ton 都可改变 ；其中第一种方式使用的最多，本次课设拟采用第一种。3、逆变电路工作原理：逆变电路拟采用在单相逆变电路中应用最多的电压型全桥逆变电路，其工作原理如下所示：系统的逆变原理如图所示：图6电压型全桥逆变电路原理图电压型全桥逆变电路的工作原理为：两对桥臂施加PW M 脉冲驱动信号,来控制两个桥臂上开关管的导通与采用电压型逆变电路, 直流侧为电压源U d ， 把桥臂上的绝缘栅双极型晶体管(IG B T )V1和V 4作为一对, V2 和V 3 作为一对, 成对的两个桥臂同时导通, 两对交替各导通180 度.。通过对电路上两对桥臂施加PW M 脉冲驱动信号,来控制两个桥臂上开关管的导通与关断, 可将直流电压逆变成为方波输出。电压型全桥逆变电路的工作特点如下： 是两个半桥电路的组合， V1、V4 和 V2、V3各为一对桥臂； 一对桥臂的两个器件同时导通，两对交替各导通180； Uo 波形 同 图56b 半桥电路中的 Uo ，幅值高出一倍 Um = Ud ； Io 波形 同 图56b 中的 Io 相同，幅值增加一倍； 在单相逆变电路中应用最多；电压型全桥逆变电路输出电压的计算公式：逆变器输出电压的基波幅值为：逆变器输出电压的基波有效值为：其中Uo为输出电压，Ud为直流侧电压，M为pwm的调制比。图7电压型全桥逆变电路波形图4、LC滤波电路工作原理采用LC滤波电路的目的是滤去谐波，把逆变电路输出端输出的方波电压经滤波后输出为正弦波电压信号。LC滤波器也称为无源滤波器，是传统的谐波补偿装置，之所以称为无源，顾名思义该装置不需要提供电源，装置由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，与谐波源并联，除起滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要。LC滤波器又分为单调谐滤波器、高通滤波器、双调谐滤波器及三调谐滤波器等几种。电气工程上,常利用LC元件对不同频率交流电量的电抗不同,对交流电量进行分流,称为滤波.。电感在电路最常见的作用就是与电容一起，组成LC滤波电路。我们已经知道，电容具有“阻直流，通交流”的本领，而电感则有“通直流，阻交流,通低频,阻高 频”的功能。如果把伴有许多干扰信号的直流电通过LC滤波电路.那么，直流流干扰信号大部分将被电容阻止,剩下的交流信号通过点感与地接通, 这就可以抑制干扰信号的作用,在输出端就获得比较纯净的正弦交流电流.。滤波电路的原理图如下：图7高通滤波电路原理图5、PWM控制原理PWM（Pulse Width Modulation）控制技术即脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度 进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。其理论基础是用冲量相等的等高矩形脉冲来代替与其等面积的其他脉冲。 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同； 冲量指窄脉冲的面积； 效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同；他的低频段非常接近，仅在高频段略有差异；图8 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲根据上面理论我们就可以用不同宽度的矩形波来代替正弦波，通过对矩形波的控制来模拟输出不同频率的正弦波。例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于n，但幅值不等，且脉冲顶部不 是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的 中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（即冲量）相等，就得到一组脉冲序列，这就是PWM波形。可以看出，各脉冲宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相 等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。SPWM波形的定义： 脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM波形； 要想改变等效输出正弦波的幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可；图9 用PWM波代替正弦半波6、Matlab的原理及应用及Simulink仿真：MATLAB(Matrix Laboratory的缩写)是Mathworks公司开发的一种集计算、图形可视化和编辑功能于一体的功能强大、操作简便、易于扩充的语言，是目前国际上公认的优秀的数学应用软件之一。 MATLAB系统的强大功能是由其核心内容（语言系统、开发环境、图形系统、数学函数库、应用程序接口等）和辅助工具箱（符号计算、图象处理、优化、统计和控制等工具箱）两大部分构成。SIMULINK是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它可以处理的系统包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。在SIMULINK 提供的图形用户界面GUI上，只要进行鼠标的简单拖拉操作就可构造出复杂的仿真模型。它外表以方块图形式呈现，且采用分层结构。从建模角度讲，这既适于自上而下（Top-down）的设计流程（概念、功能、系统、子系统、直至器件），又适于自下而上（Bottum-up） 逆程设计。从分析研究角度讲，这种SIMULINK模型不仅能让用户知道具体环节的动态细节，而且能让用户清晰地了解各器件、各子系统、各系统间的信息交换，掌握各部分之间的交互影响。在SIMULINK环境中，用户将观察到现实世界中摩擦、风阻、齿隙、饱和、死区等非线性因素和各种随机因素对系统行为的影响。在SIMULINK环境中，用户可以在仿真进程中改变感兴趣的参数，实时地观察系统行为的变化。SIMULINK环境使用户摆脱了深奥数学推演的压力和烦琐编程的困扰。7、DSP单片机原理及在电力电子中的应用DSP2812是TI公司新推出的功能强大的TMS320F2812的32位定点DSP，是TMS320LF2407A的升级版本，最大的特点是速度比TMS320LF2407A有了质的飞跃，从最高40M跃升到TMS320F2812的150M，处理数据位数也从16位定点跃升到32位定点。最大的亮点是其拥有EVA、EVB事件管理器和配套的12位16通道的AD数据采集，使其对电力电子和电机控制方面得到了广泛应用。再加上丰富的外设接口，如CAN、SCI等，在工控领域占有不少份额。DSP2812的系统原理框图如下：图10DSP2812的系统框图电力电子技术在电力系统谐波治理及无功补偿、逆变电源、新能源利用等方面的应用也越来越多，发展出许多新的控制理论和方法，电力电子装置朝高压大容量发展，功率变换电路的拓扑和控制方法也日渐复杂，采用DSP 控制是必然的趋势。（3）拟采用的研究方法首先要正确地设计系统的原理图，计算并确定所使用的各个电气元件的参数。然后利用仿真软件进行仿真，随后在仿真系统下对元件参数进行初步的校准。仿真结果理想后，还需要实际地进行各个元件的组装焊接，最后进行实际测试。在实际测试中，发现有不符合要求的地方，再进行认真检查调整。利用DSP处理器实现对上述各个电力电子功能模块的控制，正确设计并制作出外围电路，做好信息的采集和分析处理，此过程主要由DSP单片机控制完成。并在接下来的时间里进行调试，以达到预期的目的。（4）其它方案比较1.整流阶段整流阶段也可以采用三相半波不控整流，这样虽然也能到到整流的效果并且可以少用一个电力二极管。但由三相半波整流电路波形图可知三相半波整流的输出电压一个周期脉动3次，低于三相不控桥式整流电路输出电压一个周期脉动6次。因此三相半波整流对负载的冲击更大，电能质量相对较低。故不予采用。图11三相半波整流电路的原理图和波形图2、降压阶段降压阶段也可以采用变压器降压的方式，但显然变压器铁心和外壳的造价昂贵，另外其体积也显得较大。同时，变压器调节电压时不能利用DSP单片机来控制。因此在同等情况下不但不利于降低成本，而且不利于产品的小型化和智能化。综上所述，降压阶段使用buck降压电路是较好的选择。3、逆变阶段逆变阶段拟采用电压型全桥逆变电路。逆变器是一种把直流变交流的电路结构设备，全桥和半桥是内部驱动电路的结构形式，通俗的说，全桥是由4个驱动管轮流工作于正弦波的各个波段，半桥是2个驱动管轮流工作于正弦波的各个波段。相对半桥逆变器而言，全桥逆变器的开关电流减小了一半，因而在大功率场合得到了广泛应用。半桥逆变的原理图和半桥整流的是基本一致的，晶闸管（GTO或IGBT）采用共阴极接法，或者共阳极接法，它逆变产生的电压，是间断但都同正，或同负的，而整流负载端改逆变直流电源，源输入端外接电网全桥逆变则在半桥逆变基础上将共阴极接法，和者共阳极接法合并在一起，A B C，每相对称接晶闸管器件逆变可得到正负交替的方波，正弦波等。4、单片机的选取本次采用DSP单片机作为控制单片机。51单片机的特点如下：51单片机就是在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM(EPROM或EEPROM)、时钟、定时/计数器、多种功能的串行和并行I/O口。除了以上基本功能外，有的还集成有A/D、D/A，如Intel公司的8098系列。概括起来说，单片机具有如下特点： 具有位处理能力，强调控制和事务处理功能。 价格低廉。如低档单片机价格只有人民币几元钱。 开发环境完备，开发工具齐全，应用资料众多。 后备人才充足。国内大多数高校都开设了单片机课程和单片机实验。DSP的特点如下：与单片机相比，DSP器件具有较高的集成度。DSP具有更快的CPU，更大容量的存储器，内置有波特率发生器和FIFO缓冲器。提供高速、同步串口和标准异步串口。有的片内集成了A/D和采样/保持电路，可提供PWM输出。DSP器件采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序和数据。内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使DSP器件具有高速的数据运算能力。DSP器件比16位单片机单指令执行时间快810倍，完成一次乘加运算快1630倍。DSP器件还提供了高度专业化的指令集，提高了FFT快速傅里叶变换和滤波器的运算速度。此外，DSP器件提供JTAG接口，具有更先进的开发手段，批量生产测试更方便，开发工具可实现全空间透明仿真，不占用用户任何资源。软件配有汇编/链接C编译器、C源码调试器。 目前国内推广应用最为广泛的DSP器件是美国德州仪器(TI)公司生产的TMS320系列。DSP开发系统的国产化工作已经完成，国产开发系统的价格至少比进口价格低一半，有的如TMS320C2XX开发系统只有进口开发系统价格的1/5，这大大刺激了DSP器件的应用。TMS320F240的指令、DSP核与TMS320C203、F206完全兼容，内置8K/16K字快闪存储器，增加了两路10位A/D，每路采样频率可达166kHz，提供9路独立的PWM输出，内置SCI和SPI接口，内置CAN总线接口。这些大大增强了TMS320X240的处理能力，在电机控制领域和电力电子领域显示了强大的生命力。另外，本次毕业设计对处理器的精度和速度要求较高。综上所述，DSP单片机是较好的选择。四、设计日程安排12周 毕业实习与开题报告。35周 单相交流稳压电源系统的工作特性研究，学习相关编程建模方法。69周 单相交流稳压电源系统的基本作用研究。1011周 完成仿真实验和结果分析。1214周 完成毕业设计论文。15周 毕业论文答辩。五、参考文献【l】张军明中功率DCDC变流器模块标准化若干关键问题研究【D】浙江大学f博士论文12004【2】电力电子学 电力电子变换和控制技术/陈坚编著。北京：高等教育出版社，2004.12【3】曾义，李永东。DSP在现代电力电子与交流电机控制系统中的应用。自动化博览，二十年纪念文集：177-181【4】王兆安.电力电子变流技术，第三版.北京:机械工业出版社，2009: 7882【5】赵晓红，邱瑞昌，韩啸一，闻超.基于双PWM补偿型单相交流稳压电源的设计。2011年第33卷第1期第26【6】袁义生，宋平岗张榴晨独立逆变器无电流互感器控制研究【J】电力电子技术200741(10)：7l一73【7】谈必礼交流调压与稳压电源的发展动向【J】UPS应用，2004，(4)：4548【8】张乃国电源技术基础知识(交流稳压电源)【J】UPS应用，2004，(12)：5259【9】 Yang BTopology Investigation for Front End DCDC Power Conversion for Distributed Power Systm【D 】Blacksburgs，VirginisUSAC,PES 2003920039【10】王利平，杨德州，贾春蓉，等一种新型稳压电源的研制【J】电力电子技术，2009，43(11)：4749