電力電子技術課程設計報告 小功率移動逆變電源指導教師： 學 生： XX學 號： XXXXXXX專 業：自 動 化班 級：08級 X班重慶大學自動化學院2011年1月課程設計指導教師評定成績表項目分值優秀(100x90)良好(90x80)中等(80x70)及格(70x60)不及格(x60)評分參考標準參考標準參考標準參考標準參考標準學習態度15學習態度認真，科學作風嚴謹，嚴格保證設計時間并按任務書中規定的進度開展各項工作學習態度比較認真，科學作風良好，能按期圓滿完成任務書規定的任務學習態度尚好，遵守組織紀律，基本保證設計時間，按期完成各項工作學習態度尚可，能遵守組織紀律，能按期完成任務學習馬虎，紀律渙散，工作作風不嚴謹,不能保證設計時間和進度技術水平與實際能力25設計合理、理論分析與計算正確，實驗數據準確，有很強的實際動手能力、經濟分析能力和計算機應用能力，文獻查閱能力強、引用合理、調查調研非常合理、可信設計合理、理論分析與計算正確，實驗數據比較準確，有較強的實際動手能力、經濟分析能力和計算機應用能力，文獻引用、調查調研比較合理、可信設計合理，理論分析與計算基本正確，實驗數據比較準確，有一定的實際動手能力，主要文獻引用、調查調研比較可信設計基本合理，理論分析與計算無大錯，實驗數據無大錯設計不合理，理論分析與計算有原則錯誤，實驗數據不可靠，實際動手能力差，文獻引用、調查調研有較大的問題創新10有重大改進或獨特見解，有一定實用價值有較大改進或新穎的見解，實用性尚可有一定改進或新的見解有一定見解觀念陳舊論文(計算書、圖紙)撰寫質量50結構嚴謹，邏輯性強，層次清晰，語言準確，文字流暢，完全符合規范化要求，書寫工整或用計算機打印成文；圖紙非常工整、清晰結構合理，符合邏輯，文章層次分明，語言準確，文字流暢，符合規范化要求，書寫工整或用計算機打印成文；圖紙工整、清晰結構合理，層次較為分明，文理通順，基本達到規范化要求，書寫比較工整；圖紙比較工整、清晰結構基本合理，邏輯基本清楚，文字尚通順，勉強達到規范化要求；圖紙比較工整內容空泛，結構混亂，文字表達不清，錯別字較多，達不到規范化要求；圖紙不工整或不清晰指導教師評定成績：指導教師簽名： 年 月 日自動化學院2008級自動化專業電力電子技術課程設計任務書一、課程設計的教學目的和任務電力電子技術是研究利用電力電子器件、電路理論和控制技術，實現對電能的控制、變換和傳輸的科學，其在電力、工業、交通、通信、航空航天等很多領域具有廣泛的應用。電力電子技術不但本身是一項高新技術，而且還是其它多項高新技術發展的基礎。因此，提高學生的電力電子領域綜合設計和綜合應用能力是教學計劃中必不可少的重要一環。通過電力電子技術的課程設計達到以下幾個目的：1、培養學生文獻檢索的能力，特別是如何利用Intel網檢索需要的文獻資料。2、培養學生綜合分析問題、發現問題和解決問題的能力。3、培養學生運用知識的能力和工程設計的能力。4、提高學生的電力電子裝置分析和設計能力。5、提高學生課程設計報告撰寫水平。二、課程設計的基本要求1. 教師確定方向，在教師的指導下，學生自立題目注意事項： 所立題目必須是某一電力電子裝置或電路的設計，題目難度和工作量要適應在一周內完成，題目要結合工程實際。學生也可以選擇規定題目方向外的其他電力電子裝置設計，如開關電源、調光燈、鎮流器、UPS電源等，但不允許選擇其他班題目方向的內容設計（復合變換除外）。 通過圖書館和Intel網廣泛檢索和閱讀自己要設計的題目方向的文獻資料，確定適應自己的課程設計題目。自立題目后，首先要明確自己課程設計的設計內容。要給出所要設計裝置（或電路）的主要技術數據（如輸入要求，輸出要達到的目標，裝置容量的大小以及裝置要具有哪些功能）。如：直流電動機調壓調速可控整流電源設計主要技術數據輸入交流電源：三相380V10% f=50Hz直流輸出電壓：0220V50220V范圍內，直流輸出電流額定值100A直流輸出電流連續的最小值為10A設計內容：整流電路的選擇整流變壓器額定參數的計算晶閘管電流、電壓額定的選擇平波電抗器電感值的計算保護電路的設計觸發電路的設計畫出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖列出主電路和控制電路所用元器件的明細表2. 在整個設計中要注意培養靈活運用所學的電力電子技術知識和創造性的思維方式以及創造能力。要求具體電路方案的選擇必須有論證說明，要說明其有哪些特點。具體電路元器件的選擇應有計算和說明。課程設計從確定方案到整個系統的設計，必須在檢索、閱讀及分析研究大量的相關文獻的基礎上，經過刨析、提煉，設計出所要求的電路（或裝置）。課程設計中要不斷提出問題，并給出這些問題的解決方法和自己的研究體會。（注意：所確定的主電路方案如果沒有論證說明，成績不能得優；設計報告最后給出設計中所查閱的參考文獻最少不能少于5篇，且文中有引注，否則也不能得優）。3. 在整個設計中要注意培養獨立分析和獨立解決問題的能力。要求學生在教師的指導下，獨力完成所設計的系統主電路和控制電路等詳細的設計（包括計算和器件選型），嚴禁抄襲。4. 課題設計的主要內容是主電路的設計，主電路的分析說明，主電路元器件的計算和選型，以及控制電路設計。 5. 課題設計報告要求圖表規范，文字通順，邏輯性強。課題設計報告字數5000字左右。三、課程設計的工作計劃課程設計時間5天。第1天上午，指導教師向學生講授課程設計的目的、任務、設計方法和注意事項。第1天下午和第2天學生到圖書館和Intel網上按照指導教師的要求查找所需要的文獻，并在閱讀分析中確定自己的研究題目、技術數據和設計內容，交指導教師審閱。第3天學生的主要任務是確定方案。第4天和第5天，學生的任務是綜合所學知識，進行主電路和控制電路的設計，撰寫課程設計報告。四、各班的題目方向1班題目方向：相控整流技術的工程應用2班題目方向：斬波技術的工程應用 3班題目方向：交流調壓或交流調功技術的工程應用 4班題目方向：無源逆變技術的工程應用。目 錄1 引言12 電源設計的基本要求13 電路總體方案的設計及相關原理13.1 主電路的設計13.2 電源的控制結構33.3 SPWM脈寬調制波的產生44 主電路的參數設定與計算45 課程設計總結5參考文獻5小功率移動逆變電源設計1.引言目前，小功率移動逆變電源在工業,交通運輸,通信系統,計算機系統,新能源系統得到了廣泛的應用。該類電源的功能是將蓄電池中的低壓直流轉換為市電交流。這類電源的一種主電路結構是由高頻DC/DC和DCAC(逆變)兩個環節組成。輸出波形和轉換效率是衡量這類產品的重要指標，而保證這些指標的關鍵之一是其控制器的設計。 本文介紹一個基于高性價比16位數字信號控制器DSP 56F801和脈寬調制芯片UC3846的DCAC電源設計，該設計實現了裝置中控制信號的發生和測量信號的檢測，采用了電壓有效值反饋加前置濾波PID調節器的數字控制和硬件與軟件相結合的抗干擾措施。實驗結果表明該設計的DCAC電源的輸出波形、效率和可靠性等指標均有所提高。2.電源設計的基本要求 設計的小功率移動逆變電源由高頻DCDC環節和SPWM DCAC環節組成。由UC3846控制的DC/DC環節采用具有變壓器的推挽電路，實現低壓直流到高壓直流的變換并克服變壓器的偏磁?；贛OTOROLA的DSP芯片56F80l實現DCAC環節的SPWM信號發生、輸出交流電壓調節和整個電源的監測和保護。該電源還應該具有體積小，控制簡單，可靠性較高，成本較低，逆變效率高，波形質量好等特點，這樣才能使產品在市場有較高的競爭力。3.電路總體方案的設計及相關原理3.1主電路的設計系統主電路原理圖：圖1為該設計的主電路結構，其中24V蓄電池的直流電壓經過開關管S1和S2，高頻變壓器T、橋式整流器、L1和C1升壓為360V的直流高壓，再經S1S6組成的逆變橋得到220V/50Hz的交流輸出。3.1.l DCDC環節采用變壓器的升壓DCDC環節中的原邊逆變電路拓撲有半橋式、全橋式、椎挽式等。半橋式電路輸出電平只能為蓄電池電壓的一半，全橋式電路由于其導通同路中存在2個管壓降，因此在低直流電壓回路中采用這兩種電路拓撲將限制裝置的效率，而推挽結構可充分利用蓄電池電壓，同時在導通回路中只有一個管壓降，因此本設計采用了推挽式結構。推挽變換器每周期內S1和S2在各自的半周期內導通一次。為了防止變壓器的偏磁，S1和S2輪流導通的時間要相等，變壓器原邊的中心抽頭繞組的繞制要注意對稱。變壓器副邊將與原邊耦合產生的交流電壓升壓，然后經不控整流得到高壓直流3.1.2 DCAC環節DCAC變換器的主電路為由4個MOS管構成的單相橋式逆變電路，將360V的直流電壓轉換成220V50Hz的交流電壓。SPWM調制又分為非倍頻和倍頻兩種方式，本文采用倍頻單極性SPWM調制的逆變器，這種方式可以在不改變開關管工作頻率的情況下，通過對門極脈沖控制，使得輸出波形中最低次諧波頻率是開關頻率的2倍，從而可以減小濾波器的容量和體積。單相單檄性倍頻調制驅動信號的產生可以有兩種方法，一種是用頻率與幅值均相同，但相位卻相反的兩個正弦波和頻率為fc的三角載波交截，另一種是用頻率與幅值均相同，但相位卻相反的兩個頻率為fc的三角載波與一個正弦波交截，其結果均產生兩組PWM驅動信號，分別控制單相逆變橋的兩臂，逆變輸出波形的等效載波頻率為2fc，本文采用的是前一方案。3.2 電源的控制結構DCDC環節由電流控制型脈寬調制器芯片UC3846控制。該芯片支持一個雙環控制結構，可以實現輸出電壓調節、逐脈沖的電流限幅、對稱性校正和多電源模塊的并聯等功能。DCDC環節由UC3846外部RC元件設置工作頻率為50kHz。本設計中測量DCDC環節的輸出電壓VDC2以形成電壓外環，同時還將電流互感器套在變壓器T的輸入母線上測量流過主開關管的電流以形成電流內環，通過UC3846形成雙閉環結構調節tout，以維持VDC2的穩定。UC3846通過其外接元件可方便地設定DCDC環節高壓側輸出電壓和低壓側的電流限幅值。 MOTOROLA公司的56F801為一種16位數字信號控制器(DSC)芯片，它將數字信號處理器(DSP)和微控制器豐富而靈活的外設集成在一個芯片中，可并行操作的3個執行單元在一個指令周期中執行6個操作，為多種應用提供廉價的解決方案。它的一個突出特點是提供PWM和ADC模塊，支持多電機或多相控制。56F801的PWM模塊生成SPWM信號方便簡潔，無需占用定時器資源。本設計中該芯片產生DCAC環節巾S3S6的PWM驅動信號，同時對裝置進行監測，履行測量和控制的任務。 3.3SPWM脈寬調制波的產生倍頻SPWM的實現是通過56F801的PWM模塊來完成的。該模塊具有6個PWM引腳，可支持3對具有插入死區的互補PWM信號輸出。單相DC/AC環節的設計中利用了3對互補PWM信號中的兩對來驅動S3S6。其設計要點可簡述知下。 設置控制寄存器PMCTL和配置寄存器PMCFG，設置預分頻因子為l和脈寬發生為中心對齊方式。 若設置三角載波信號頻率為9.6kHz，則在IPBus時鐘為40MHz且預分頻因子為l的情況下，PWM模塊中寄存器PWMCM存儲的模數(modulus)值為PWMCM=40M96k2=2084。 為防止一個橋臂上的兩個管子直通，通過設置脈沖死區寄存器PMDFADTM設置2s的死區時間。PWMCM的賦值決定了脈沖的周期，而PWMVAL中的值則代表了脈寬，它們共同控制15位計數器PWMCNT形成PWM波形。為了產生SPWM驅動信號，必須在每個周期產生中斷并在中斷服務中對PWMVAL中的值加以刷新。 通過對一個存儲于隨機存取存儲器中的脈寬表的檢索獲取本周期的脈寬并對PWMVAL賦值。對PWMVAL逐周期查表賦值的過程稱為周期參數重載。參數重載的頻率由PWM模塊的頻率和預分頻因子，以及載波的頻率來共同決定。4主電路的參數設定與計算蓄電池額定電壓VDC1=24V;DC/DC環節的輸出電壓VDC2;副邊匝數N2=100;原邊匝數N1=10;占空比D=1.5;DC/DC環節中的直流電壓關系由式(1)描述 由(1)式得VDC2=360V 電源輸出額定交流電壓 UN=220V 電源輸出額定頻率 fn=50HZ5.課程設計總結通過本次課程設計，對電力電子技術的知識有了更加具體，更加深入的的理解和直觀的認識。通過設計這個小功率移動逆變電源電路，并對其工作原理設計及輸入輸出值的設定與計算，將理論和實踐聯系在一起。在設計過程中，需要應用到的數電，模電及電路原理等方面的知識，通過此次設計也讓我將這些知識進行了復習。而通過對參數進行設定和計算，提高了自身的計算能力和理解能力。總之，通過課程設計，我有了很多收獲。不但讓自己的知識結構更加合理，也