電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)----pwm交流斬控技術(shù)的交流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　近年來(lái)，有人把交流斬控技術(shù)應(yīng)用到穩(wěn)壓電源領(lǐng)域，出現(xiàn)了斬控式交流穩(wěn)壓電路。這類(lèi)電路的工作原理與直流斬波器相似，但輸入電壓和負(fù)載電壓均為交流。因此電子開(kāi)關(guān)必須是雙向的，直流斬波電路中經(jīng)常用到的續(xù)流二極管在這里也不能采用，續(xù)流作用也要靠交流電子開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　目前的調(diào)壓器大多數(shù)為傳統(tǒng)的相控式交

2、流調(diào)壓器，采用的開(kāi)關(guān)器件為晶閘管。它們的優(yōu)點(diǎn)是：控制電路簡(jiǎn)單、功率容量大；缺點(diǎn)是：當(dāng)控制角增大時(shí)，功率因數(shù)減小，電流中諧波的幅值相對(duì)大，濾波器的體積大。而本文所研究的PWM型斬控式交流穩(wěn)壓電路可以較好地克服上述缺點(diǎn)，在PWM方式中，開(kāi)關(guān)模式是雙向的，且當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)均關(guān)斷時(shí)，需要提供一個(gè)續(xù)流回路。在許多電路拓?fù)渲?，裝置續(xù)流回路是用另外的取向開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。新型的PWM斬控式穩(wěn)壓電源電路只采用帶有RC旁路緩沖電路的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)。然而，RC的功耗給系

3、統(tǒng)帶來(lái)了很大的負(fù)擔(dān)。本文首先就提出了交流調(diào)壓器的一種拓?fù)?。這種拓?fù)渫ㄟ^(guò)巧妙的PWM開(kāi)關(guān)模式，提供了開(kāi)關(guān)安全轉(zhuǎn)換的條件，而沒(méi)有高電壓尖峰，用輸入或者輸出電壓的極性來(lái)決定開(kāi)關(guān)模式。采用了含有兩個(gè)開(kāi)關(guān)和兩個(gè)續(xù)流二極管的標(biāo)準(zhǔn)功率開(kāi)關(guān)模塊。其電路拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)：功率因數(shù)高、諧波少、效率高、可靠性高、動(dòng)態(tài)過(guò)程快、容易實(shí)現(xiàn)、容量大、濾波器體積小等。</p><p>　　本設(shè)計(jì)利用PWM交流斬控技術(shù),對(duì)傳統(tǒng)的交流穩(wěn)壓電源進(jìn)行了改進(jìn),

4、使其性能照以往的穩(wěn)壓電源有了很大的提高。</p><p><b>　　第一章 前言</b></p><p><b>　　1．1應(yīng)用背景概述</b></p><p>　　隨著高新技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的高精密負(fù)載對(duì)輸入電源，特別是對(duì)交流輸入電源的穩(wěn)壓精度要求越來(lái)越高。但是，由于電力供求矛盾的存在，市電電網(wǎng)電壓的波動(dòng)較大，不能滿(mǎn)

5、足高精密負(fù)載的要求。</p><p>　　由于此現(xiàn)狀的出現(xiàn)，交流穩(wěn)壓技術(shù)的發(fā)展便倍受廣大電力用戶(hù)和生產(chǎn)廠商的關(guān)注，其原因在于我國(guó)市場(chǎng)上現(xiàn)有的各種交流電力穩(wěn)壓產(chǎn)品，在技術(shù)性能上還存在較大欠缺。</p><p>　　在我國(guó)應(yīng)用較早，且用戶(hù)最廣的交流電力穩(wěn)壓電源當(dāng)屬柱式（或盤(pán)式）交流穩(wěn)壓器，雖然這種穩(wěn)壓電源有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于它是用機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)碳刷（或滾輪）以調(diào)節(jié)自耦變壓器抽頭位置的方法進(jìn)行穩(wěn)

6、壓，所以存在工作壽命短，可靠性差，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢等難以克服的缺陷。</p><p>　　近年來(lái)不少生產(chǎn)廠家針對(duì)柱式交流電力穩(wěn)壓器所存在的缺點(diǎn)，紛紛推出無(wú)觸點(diǎn)補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓器，大有取代柱式穩(wěn)壓器之勢(shì)。這種電源實(shí)質(zhì)上仍然是采用自耦方式進(jìn)行調(diào)壓，所不同的只是通過(guò)控制若干個(gè)晶閘管的通斷，改變自耦變壓器多個(gè)固定抽頭的組合方式，來(lái)代替通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)碳刷改變自耦變壓器抽頭位置的一種調(diào)壓方法。這種方法固然提高了穩(wěn)壓電源的可靠性

7、和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，但卻失去了一個(gè)重要的調(diào)節(jié)特性——平滑性，即調(diào)節(jié)是有級(jí)的，其必然結(jié)果是穩(wěn)壓精度低（一般只有3％～5％），并且在調(diào)節(jié)過(guò)程中，當(dāng)負(fù)載電流很大時(shí)會(huì)沖擊電網(wǎng)并產(chǎn)生低頻次諧波分量，對(duì)負(fù)載也會(huì)產(chǎn)生沖擊；另外采用這種方法所用變壓器較多（一相至少需二臺(tái)，即一臺(tái)自耦變壓器，一臺(tái)補(bǔ)償變壓器），這就增加了電源的自重和空載損耗。</p><p>　　1．2 PWM控制技術(shù)簡(jiǎn)介</p><p>　　脈

8、寬調(diào)制技術(shù)(即PWM技術(shù))是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。</p><p>　　PWM控制的思想源于通信技術(shù)，全控型器件的發(fā)展使得實(shí)現(xiàn)PWM控制變得十分容易。PWM技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，它使電力電子裝置的性能大大提高，因此它在電力電子技術(shù)的發(fā)展史上占有十分重要的地位。PWM控制技術(shù)正是有賴(lài)于在逆變電路中的成功應(yīng)用，才確定了它在電力

9、電子技術(shù)中的重要地位。</p><p>　　PWM控制電路把直流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來(lái)獲得所需的輸出電壓，改變脈沖的占空比就是對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，只是因?yàn)檩斎腚妷汉退枰妮敵鲭妷憾际侵绷麟妷海虼嗣}沖既是等幅的，也是等寬的，僅僅是對(duì)脈沖的占空比進(jìn)行控制，這是PWM控制中最簡(jiǎn)單的一種情況</p><p>　　PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無(wú)需進(jìn)

10、行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。 </p><p>　　對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長(zhǎng)通信距離。在接收端，通過(guò)適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。</p>

11、<p>　　第二章 PWM交流斬控技術(shù)的的交流穩(wěn)壓電源具體設(shè)計(jì)</p><p>　　2．1 PWM控制的基本原理</p><p>　　采樣控制理論中有這樣一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波

12、或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小。例如圖2-1a,b,c所示的三個(gè)窄脈沖形狀不同,其中圖2-1a為矩形脈沖,圖2-1b為三角形脈沖,1c為正弦半波脈沖,但它們的面積(即沖量)都等于1,那么,當(dāng)它們分別加在具有慣性的同一個(gè)環(huán)節(jié)上時(shí),其輸出響應(yīng)基本相同.當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳D2-1的單位脈沖函數(shù)(t)時(shí),環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖寬度函數(shù).</p><p><b&g

13、t;　　圖2-1</b></p><p>　　圖2-2a的電路是一個(gè)具體的例子.圖中e(t)為電壓窄脈沖,其形狀和面積分別如圖1的a,b,c,d所示,為電路的輸入.該輸入加在可以看成慣性環(huán)節(jié)的R-L電路上,設(shè)其電流i(t)為電路的輸出.圖2-2b給出了不同窄脈沖時(shí)i(t)的響應(yīng)波形.從波形可以看出,在i(t)的上升段,脈沖形狀不同時(shí)i(t)的形狀也略有不同,但其下降段則幾乎完全相同.脈沖越窄,各i(t

14、)波形的差異也越小.如果周期性地施加上述脈沖,則響應(yīng)i(t)也是周期性的.用傅里葉級(jí)數(shù)分解后將可看出,各i(t)在低頻段的特性將非常接近,僅在高頻段有所不同.</p><p>　　上述原理可以稱(chēng)之為面積等效原理,它是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ).</p><p>　　下面分析如何用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波.</p><p>　　把圖2-3a的正弦半波

15、分成N等份,就可以把正弦半波看成是由N個(gè)彼此相連的脈沖序列所組成的波形.這些脈沖寬度相等,都等于/N,但幅值不等,且脈沖頂部不是水平直線,而是曲線,各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化.如果把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替,使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合,且使矩形脈沖和</p><p><b>　　圖2-2</b></p><p>　　相應(yīng)的正

16、弦波部分面積(沖量)相等,就得到圖2-3b所示的脈沖序列.這就是PWM波形.可以看出,各脈沖的幅值相等,而寬度是按正弦規(guī)律變化的.根據(jù)面積等效原理,PWM波形和正弦半波是等效的.對(duì)于正弦波的負(fù)半周,也可以用同樣的方法得到PWM波形.像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形,也稱(chēng)SPWM波形.</p><p><b>　　圖2-3</b></p><p>

17、;　　要改變等效輸出正弦波的幅值,只要按照同一比例系數(shù)改變上述各脈沖的寬度即可.</p><p>　　PWM波形可分為等幅PWM波和不等幅PWM波兩種.由直流電源產(chǎn)生的PWM波通常是等幅PWM波.如直流斬波電路及PWM逆變電路,其PWM波都是由直流電源產(chǎn)生,由于直流電源電壓幅值基本恒定,因此PWM波是等幅的.不管是等幅PWM波還是不等幅PWM波,都是基于面積等效原理來(lái)進(jìn)行控制的,因此其本質(zhì)是相同的.</p&

18、gt;<p>　　上面所列舉的PWM波都是由PWM電壓波.除此之外,也還有PWM電流波.例如,電流逆變電路的直流側(cè)是電流源,如對(duì)其進(jìn)行PWM控制,所得到的PWM波就是PWM電流波.</p><p>　　直流斬波電路得到的PWM波是等效直流波形,SPWM波得到的是等效正弦波形.這些都是應(yīng)用十分廣泛的PWM波.PWM控制技術(shù)實(shí)際上主要是SPWM控制技術(shù).除此之外, PWM波形還可以等效成其他所需要的波形

19、,如等效成所需要的非正弦交流波形等,其基本原理和SPWM控制相同,也是基于等效面積原理.</p><p>　　2．2 PWM交流斬控調(diào)壓原理</p><p><b>　　圖2-4</b></p><p>　　圖2-4（a）所示，假定電路中各部分都是理想狀態(tài)。開(kāi)關(guān)S1為斬波開(kāi)關(guān)，S2為考慮負(fù)載電感續(xù)流的開(kāi)關(guān)，二者均為全控開(kāi)關(guān)器件與二極管串聯(lián)組成的

20、單相開(kāi)關(guān)[見(jiàn)圖2-4（b）]。S1及S2不允許同時(shí)導(dǎo)通，通常二者在開(kāi)關(guān)時(shí)序上互補(bǔ)。定義輸入電源電壓u的周期T與開(kāi)關(guān)周期Ts之比為電路工作載波比Kc，（Kc=T/Ts）。圖2-4（c）表示主電路在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的輸出電壓波形。顯然輸出電壓uo為：</p><p><b>　　(1)</b></p><p>　　式中：E（t）為開(kāi)關(guān)函數(shù)，其波形示于圖2-4（c），函數(shù)由式（2

21、）定義。</p><p><b>　　(2)</b></p><p>　　在圖2-4（a）電路條件下，則</p><p><b>　　(3)</b></p><p>　　E（t）函數(shù)經(jīng)傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，可得</p><p><b>　　(4)</b><

22、;/p><p>　　式中：D=ton1/Ts，ωs=2π/Ts，θn=nπ/Ts；</p><p><b>　　D為S1的占空比；</b></p><p>　　ton1為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中S1的導(dǎo)通時(shí)間。</p><p>　　將式（4）代入式（3）可得：</p><p><b>　　(5)<

23、;/b></p><p>　　式（5）表明，uo含有基波及各次諧波。諧波頻率在開(kāi)關(guān)頻率及其整數(shù)倍兩側(cè)±ω處分布，開(kāi)關(guān)頻率越高，諧波與基波距離越遠(yuǎn)，越容易濾掉。</p><p>　　在經(jīng)LC濾波后，則有：</p><p><b>　　(6)</b></p><p>　　把輸出電壓基波幅值與輸入電壓基波幅值之

24、比定義為調(diào)壓電壓增益，即：</p><p><b>　　(7)</b></p><p>　　由此可見(jiàn)電壓增益等于占空比D，因此改變占空比就可以達(dá)到調(diào)壓的目的。</p><p>　　2．3 控制方案設(shè)計(jì)及原理分析</p><p>　　一般情況下，PWM交流斬控調(diào)壓器的控制方式與主電路模型、電路結(jié)構(gòu)及相數(shù)有關(guān)。</p&

25、gt;<p>　　若采用互補(bǔ)控制，斬波開(kāi)關(guān)和續(xù)流開(kāi)關(guān)在換流過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)短路，產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊電流；如設(shè)置換相死區(qū)時(shí)間，又可能造成換相死區(qū)時(shí)間內(nèi)二個(gè)開(kāi)關(guān)都不導(dǎo)通使負(fù)載開(kāi)路，在有電感存在的情況下，會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)電壓沖擊。本方案采用有電壓、電流相位檢測(cè)的非互補(bǔ)控制方式，如圖2-5所示。對(duì)相數(shù)而言本方案采用三相四線制，即用三個(gè)單相電路，組合成三相電源，這樣可以避免相間干擾，保持各相電壓輸出穩(wěn)定。</p><p>&

26、lt;b>　　圖2-5</b></p><p>　　由圖2-6可見(jiàn)，V1，VD1與V2，VD2構(gòu)成雙向斬波開(kāi)關(guān)，Vf1，VDf2與Vf2，VDf1構(gòu)成雙向續(xù)流開(kāi)關(guān)；Lof及Cof分別為濾波電感、電容；u1為補(bǔ)償變壓器初級(jí)繞組兩端電壓，u2為向主電路補(bǔ)償?shù)碾妷?。本方案采用了有電壓、電流相位檢測(cè)的非互補(bǔ)控制方式。圖2-6為在RL負(fù)載下，這種非互補(bǔ)的斬波開(kāi)關(guān)和續(xù)流開(kāi)關(guān)門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序配合及一個(gè)電源周

27、期中輸出電壓的理想波形。</p><p>　　由圖2-6可見(jiàn)根據(jù)負(fù)載電壓電流相位，一個(gè)電源工作周期可分為4個(gè)區(qū)間.</p><p>　　上述工作狀態(tài)，可用邏輯表達(dá)式表示為：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　當(dāng)U>0時(shí)，U=1；當(dāng)U<0時(shí)，U=0;同理當(dāng)>0和>0時(shí)，

28、=1，=1；當(dāng)<0和<0時(shí)，=0，=0。</p><p><b>　　圖2-6</b></p><p>　　為保證電源滿(mǎn)足負(fù)載特性的要求及運(yùn)行可靠性,本設(shè)計(jì)采用了圖2-7所示的控制電路結(jié)構(gòu)。</p><p><b>　　圖2-7</b></p><p><b>　　結(jié)論<

29、/b></p><p>　　通過(guò)對(duì)上述設(shè)計(jì)的分析研究，我大體了解了PWM在穩(wěn)壓電源調(diào)壓方面的重要作用。采用電壓、電流相位檢測(cè)的非互補(bǔ)控制方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流穩(wěn)壓電源的電壓調(diào)節(jié)。體會(huì)到了PWM交流斬控技術(shù)用于交流穩(wěn)壓電源的巨大優(yōu)勢(shì)。它可以顯著提高交流穩(wěn)壓電源的技術(shù)性能并據(jù)此總結(jié)了如下幾個(gè)主要特點(diǎn)：</p><p>　　(1)可采用全固態(tài)器件，真正做到了無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)抽頭，因而可靠性高、工作壽

30、命長(zhǎng)；</p><p>　　(2)平滑調(diào)節(jié)，輸出無(wú)級(jí)差，對(duì)電網(wǎng)及用戶(hù)無(wú)沖擊，不會(huì)產(chǎn)生低頻次諧波干擾；</p><p>　　(3)輸出精度高，實(shí)際精度可達(dá)到0.5%，即便在正補(bǔ)償和負(fù)補(bǔ)償變換瞬間，輸出電壓波動(dòng)也不會(huì)超過(guò)額定電壓的1%；</p><p>　　(4)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，最快可達(dá)到ms級(jí)；</p><p>　　(5)沒(méi)相只需一臺(tái)變壓器，因

31、而重量輕、自身功耗小；</p><p>　　(6)負(fù)載無(wú)選擇性，對(duì)感性、阻性、容性負(fù)載都適用。</p><p>　　上述特點(diǎn)正是本設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，通過(guò)以上諸多特點(diǎn)的描述不難看出，本設(shè)計(jì)課題正是PWM斬控技術(shù)在交流穩(wěn)壓電源領(lǐng)域的一個(gè)很好的應(yīng)用，具有極大的發(fā)展空間。</p><p><b>　　心得體會(huì)</b></p><p

32、>　　很快，一周的課程設(shè)計(jì)就結(jié)束了，在這一周里面通過(guò)設(shè)計(jì)使自己對(duì)電力電子技術(shù)這門(mén)課程有了更進(jìn)一步的了解，尤其是對(duì)PWM控制技術(shù)這部分有了更為深刻的印象，對(duì)這個(gè)電路的工作原理，電壓電流波形有了更深一步的認(rèn)識(shí)，還有相關(guān)器件的使用方法。以前根本就不了解，通過(guò)設(shè)計(jì)使我對(duì)采用PWM斬控技術(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓電源的控制有了進(jìn)一步了解，這些都是課堂上我們學(xué)不到的。許多東西教科書(shū)上提到的很少必須自己找些課外書(shū)，這讓我有了平時(shí)喜歡去圖書(shū)館翻閱一些指導(dǎo)書(shū)的習(xí)慣

33、，這一切都為將來(lái)畢業(yè)設(shè)計(jì)作好鋪墊，為將來(lái)的就業(yè)積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。</p><p>　　通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，我深刻體會(huì)到了自己知識(shí)的匱乏。深深感覺(jué)到自己儲(chǔ)備知識(shí)的不足，知道了自己原來(lái)所學(xué)的東西只停留在表面性的，理論性的，而且是理想化的階段。根本不知道在現(xiàn)實(shí)中還存在有很多問(wèn)題。以為電力電子是門(mén)簡(jiǎn)單的學(xué)科，殊不知所要考慮的問(wèn)題，要比考試的時(shí)候考慮的多的多。所以，一開(kāi)始，我遇到了很多麻煩。不過(guò)通過(guò)老師和同學(xué)們的幫助，我漸漸有了

34、眉目。這也在很大程度上提高了我獨(dú)立思考問(wèn)題的能力。</p><p>　　在此，我要感謝指導(dǎo)我完成課設(shè)的老師和幫助我的同學(xué)。在設(shè)計(jì)中遇到了很多問(wèn)題和困難。是你們不厭其煩的解答才使我比較順利的完成本次課程設(shè)計(jì)。 </p><p>　　非常感謝院電力電子技術(shù)研究所各位老師的耐心輔導(dǎo)以及同學(xué)們的熱心幫助。我衷心的感謝各位老師，尤其是xx老師在此次課程設(shè)計(jì)中給予的大力幫助，在此向您道一聲辛苦了！&l

35、t;/p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 阮新波，嚴(yán)仰光編著，脈寬調(diào)制DC/DC全橋變換器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，北京：科學(xué)出版社.1999</p><p>　　[2]王聰主編，軟開(kāi)關(guān)功率變換器及其應(yīng)用，北京：科學(xué)出版社. 2000.1</p><p>　　[3]王兆安、黃俊主編, 電力電子技術(shù).第四