1、精選優質文檔-傾情為你奉上 畢業設計（論文）開題報告單相正弦波變頻電源設計系 部： 專 業： 學生姓名： 指導教師： 開題時間： 2012 年 3 月 26 日一、總體說明在開題報告中要求給出你對課題的理解，類似的研究在國內外的進展情況，你對系統設計的初步設想，主要需要解決的技術難題和解決思路，同時應給出課題的時間安排。二、開題報告內容1畢業設計（論文）課題的目的、意義、國內外現狀及發展趨勢2課題主要工作（設計思想、擬采用的方法及手段）3完成課題的實驗條件、預計設計過程中可能遇到的問題以及解決的方法和措施4 畢業設計（論文）實施計劃(進度安排)5 參考文獻三、撰寫要求1報告字數不少于3000字

2、2報告內容一律用A4紙打印3. 上交時間為畢業設計第三周周末。一、畢業設計（論文）課題的意義、國內外現狀及發展趨勢(可加附頁)1選題的背景和研究意義自從人類有了電之后，各行各業都因為有了電而飛速發展，并出現了無數新型產業，直至今日，電已經成為我們的日常生活中不可或缺的一部分。而電源作為一種通用性很強的電子產品，在各個行業和日常生活中得到了廣泛的應用。但是變電站輸送給我們用戶的是380/220V交流電，為了使人們的生活更加便利，電器都朝微型化發展，隨著人類用電量的增加，電器又要功率低，所以將380/220V高壓變成較小，并能安全可靠地提供給各類不同小電器的小電源已經受到電器行業的重視。近幾年，小

3、電源的市場已經擴大，技術也將慢慢趨于成熟。如今，小電源還介入了單片機，使小電源智能化，數字化。電源是向電子設備提供功率的裝置，也稱電源供應器。我們的衣食住行離不開電源，科學研究、工農業生產、辦公學習、文化娛樂、交通、醫療等等，哪一樣也少不了電源。一般來說，電源可以分為三類：（1）電能由其他能量轉換而來，如水力、火力、風力發電等，一般這種電源稱為一次電源；（2）電能傳輸過程中，在電源和負載之間對電能進行變換或穩定處理，如整流、升壓等，一般這種電源稱為二次電源；（3）平時把能量以物理、化學形式儲存起來，使用時再變成電能提供給負載，比如人們所常見的各種電池，一般稱此為物理、化學電源。任何電子設備都離

4、不開電源，然而，種類繁多的各式用電設備對電能源的要求卻迥異，很多并不是直接使用公用電網作為電源，而是通過各種形式對其進行變換，從而得到各自所需的電能形式。由此可見，二次電源在電源當中起到了很重要的作用，因此，目前在電源技術領域中應用最為廣泛，主要研究如何利用電子技術對電功率進行變換及控制，它廣泛采用了電子、電磁、計算機和材料等技術與學科理論，具有很強的綜合性。現在我們的經濟活動已經到了已經到了工業經濟時代，并正在轉入高新技術產業迅猛發展時期。直流穩壓電源是電子技術常用的儀器設備之一,廣泛的應用于教學、科研等領域，是電子實驗員、電子設計人員及電路開發部門進行實驗作和科學研究所不可缺少的電子儀器。

5、在電子電路中，通常都需要電壓穩定的直流電源來供電。而整個穩壓過程是由電源變壓器、整流、濾波、穩壓等四部分組成。現在傳統的直流穩壓電源已經不能滿足現在需要，但是在各類電子設備和一些家用電器中，通常又都需要電壓穩定的直流電源供電。而在我們實際生活中電源往往都是由220V 的交流電網供電，那么這就需要通過變壓、整流、濾波、穩壓電路將交流電轉換成穩定的直流電。其中濾波器用于濾整流輸出電壓中的紋波，一般傳統電路由濾波扼流圈和電容器組成，若由晶體管濾波器來替代，則可縮小直流電源的體積，減輕其重量，且晶體管濾波直流電源不需直流穩壓器就能用作家用電器的電源，這既降低了家用電器的成本，又縮小了其體積，使家用電器

6、小型化。然而傳統的直流穩壓電源通常采用電位器和波段開關來實現電壓的調節,并由電壓表指示電壓值的大小. 因此,電壓的調整精度不高,讀數欠直觀,電位器也易磨損。而基于單片機控制的直流穩壓電源能較好地解決以上傳統穩壓電源的不足，并且數控直流電源與傳統穩壓電源相比，具有作方便、電壓穩定度高的特點。它的紋波電壓低，電壓調節精確，輸出電壓大小采用數字顯示，直觀易讀。電路大部分使用集成電路，從而使調試簡單、性能優良、故障率低、使用壽命長。 現代電源技術是應用電力電子半導體器件，綜合自動控制、計算機(微處理器)技術和電磁技術的多邊緣交叉技術。在各種高質量、高效、高可靠性的電源中起關鍵的作用，是現代電子電力技術

7、的具體應用。六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶閘管的開發與應用得以很大發展。而在七十年代到八十年代之間，隨著變頻調速裝置的普及，這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變，但是工作頻率較低，僅局限在中低頻化發展，為大中型功率電源向高頻發展帶來機遇，相信在不久的將來，電力電子將使電源技術更加成熟、經濟、實用，實現高效率和高品質用電相結合。通過整流和逆變組合電路實現的軟開關變頻變壓技術，是當今電力電子學領域最為活躍的研究內容之一，應用十分廣泛，主要應用在交流電機調速和供電電源等領域。電源在任何電子設備中都有著極其重要的地位，然而各種用電設備所需要的電能形式卻不同，因此，對變頻變壓電源的研究具有十

8、分重要的理論意義和工程實用價值。隨著電力電子技術的飛速發展，正弦波輸出變頻電源已經被廣泛應用于各個領域中，在實驗室和工業部門，單相正弦波變頻電源常用于各種測量和控制電路中，產生單相正弦波信號作為基準信號，對于一個良好的正弦波信號源，要求其輸出的基準正弦波信號幅值、頻率高度穩定、失真度小，帶負載能力強、幅值可調。變頻電源主要用于交流電機的變頻調速，其在電氣傳動系統中占據的地位日趨重要，已獲得巨大的節能效果。變頻電源主要電路均采用ACDCAC方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓，然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器，將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出，電源輸出波形近似于正

9、弦波，主要用于驅動交流異步電機實現無級調速。本課題所做的變頻變壓電源即屬此類。變頻變壓電源，是將市電通過功率變換電路轉變為所需要的電壓和頻率的一種電源，如今已在國民經濟的各行各業中得到了廣泛的應用，比如：（1）各種進口設備。各國的工頻電形式不同，如美國采用120V60Hz交流電，同本采用110V60Hz交流，臺灣110V60Hz，英國240V50Hz，這使得進口設備在國內運行必須通過變頻變壓供電；（2）交流電機調速。交流電機變頻調速具有調速平滑、調速范圍寬、效率高、特性好、結構簡單、機械特性硬、保護功能齊全、運行平穩安全可靠、在生產過程中能獲得最佳速度參數等優點，是理想的調速方式。且有數據表明

10、，交流電機用于風機、水泵全額運行時，采用變頻調速能節電30，因此這也是國家重點推廣的技術；（3）風力發電。直驅型風力發電機組的發電機軸直接連接到風輪上，其轉子轉速隨風速而改變，所產生的交流電頻率也隨之變化。需采用大功率電力電子變流器，將其整流為直流電，再逆變成與電網頻率相同的交流電輸出。通過中間電力電子環節，可對系統有功功率和無功功率進行控制，實現最大功率跟蹤，最大效率的利用風能；（4）實驗室、航空、軍事、鐵路等特殊場合。變頻電源以其低損耗、高效率、電路簡潔等顯著優點而受到人們的青睞。近年來隨著工業自動化產業的高速發展，人們對變頻電源的需求與日劇增，變頻電源的研發、生產已發展成為前景十分誘人的

11、新興產業。2. 國內外現狀及發展趨勢變頻電源是在國內一般的稱呼，更準確的說，應該叫交流電力頻率轉換器，即Ac power Frequency Converter，一般用縮寫AFC來稱呼。變頻電源的整個發展史基本是隨著電子器件的發展而發展的。1957年美國通用電氣公司研制出第一個晶閘管標志著電力電子學的誕生；到上世紀70年代后期，功率場效應管(power MOSFET)開始進入實用階段，標志著電力半導體器件在高頻化進程中的一次重要進展；在80年代后期，以絕緣柵雙極性晶體管(IBGT)為代表的復合型器件異軍突起，它把MOSFET的驅動功率小、開關速度快的優點和BJT通態壓降小、載流能力大的優點集于

12、一身，性能十分優越，為實現變頻電源的高頻化和高性能提供了物質基礎；隨著軟開關技術的成熟，工業用的高速數字信號處理器(DSP)的發展，作為變頻器核心的正弦波逆變器的控制技術方案也正在由傳統的模擬控制向現代數字化控制的方向發展。 80年代前后，電子式變頻電源多以日本的小型儀器電源為主，該類儀器電源多采用晶體放大的方式制作，80年代后通過臺灣傳入中國大陸。該時期的電源特點為：功率小，精度好，效率低。 80年代，中國大陸走上了改革開放的道路，在此階段，中國大陸的進出口設備逐漸加大，尤其以微波爐及空調為代表性的電器出口份額增加，因此需求大功率變頻電源進行測試。對于該部分市場應用的需求，原有的產品功率已不

13、能滿足，所以，電源廠家尋求新的技術來擴大電源的功率。根據當時的技術條件及電子器件，主要向兩條路發展，一方面是保持晶體式的方式不變，采用多機并聯的方式進行擴容；另一種方式是采用功率晶體模組。 晶體式多級串聯的方式，需要解決環流問題，而且效率低，在工業生產過程中，消耗太大；功率晶體模組變頻方式反應慢，功率有限，工作電壓低，耐壓在600V左右，輸出采用PAM濾波方式（為單方波加低次濾波），輸出波形失真較大。這兩種方式制作的電源產品功率依舊不能滿足日益增長的需求，所以大功率的負載需要變頻測試時，多采用電機后拖動發電機的方式（M+G）來滿足。 電機后拖動發電機的方式（M+G）在使用過程中，存在磨損，以及

14、效率轉換問題。后來參考美國技術，采用SCR來做逆變器，該方式制作的電源，功率大，能滿足客戶使用，比較好的用于取代電機后拖動發電機的方式（M+G），但是該系列的產品有一個較大的缺點，機器在轉換的過程中，噪音非常大，達到70dB1m 隨著半導體技術的發展，在80年代末，富士生產出了第一代的IGBT，該電子器件的特性集成了GTR及MOSFET的優點，開關速度快，通流能力強，故很快就被應用到逆變領域。隨著實力強大的三菱、西門康、英飛凌等廠家在IGBT領域的加入，使得IGBT的發展速度日新月異，更新換代的速度加快，IGBT的開關速度及通流能力得到進一步的加強，這樣，就使得大功率的變頻電源的制作得以實現。

15、目前，變頻電源正朝著以下幾個方向發展：（1）高頻化電氣設備的變壓器、電容和電感的體積、重量與供電頻率的平方根戰反比，當我們把頻率提高，設備的體積、重量將顯著下降。因此提高電子器件工作頻率能帶來顯著的節能、節水、節約成本的經濟效益。（2）模塊化由于頻率的不斷提高，導致引線寄生電感、寄生電容的影響越發嚴重，產生過電壓、過電流毛刺等問題61。為增強系統的可靠性，許多廠商開發了用戶專用功率模塊，將一臺整機以集成芯片的形式安裝到一個模塊中，使元器件之間不再由傳統的引線連接，以達到優化的效果。（3）數字化隨著數字信號處理技術的日趨完善，基于數字技術的電力電子技術逐漸取代了原來基于模擬電路的技術，并顯示出其

16、優勢：便于計算機處理控制、減小雜散信號的干擾、避免模擬信號的畸變失真，也便于自診斷、容錯技術的植入。（4）綠色化許多功率電子節電設備，常常容易形成對電網的污染，向電網注入嚴重的高次諧波電流，從而降低總功率因子，使電網電壓耦合許多毛刺尖峰，甚至出現缺角和畸變。因此電源系統的綠色化不僅是要顯著節電，減少對環境的污染，還應規定該電源不能(或少)對電網產生污染，國際電工委員會(IEC)對此已制定了一系列標準，如IEC555、IECl000、IEC917等。二、課題預期目標及主要工作（設計思想、擬采用的方法及手段）1設計目標 本課題設計一個單相正弦波變頻電源，研究的是電源的變頻變壓技術，其核心內容為逆變

17、技術。研制的電源主要功能是為各種設備提供電源，具有恒壓輸出、過熱保護、過流保護等功能，且體積應盡可能小，穩定性好，可靠性高。內容包括變頻電源整體結構框圖設計、系統主電路模塊、驅動和外圍模塊、控制模塊等。詳細說明了各部分的軟硬件設計原則，然后給出實驗結果并對輸出波形和效率進行了分析。最后經實驗證明，本設計切實可行，指標基本達到要求。目標參數：（1）. 輸入單相交流電220V，50HZ，輸出單相正弦波交流電;（2）. 輸出頻率范圍400HZ； （3）. 輸出電壓有效值220V，最大負載電流有效值10A; （4）. 計算機繪制電路圖及PCB版圖。 2設計方案（研究/設計方法、理論分析、計算、實驗方法

18、和步驟等）：本設計方案的設計思路如下：變頻電源整體結構框圖本設計主電路包括輸入電路、逆變電路、輸出濾波電路、緩沖電路以及繼電器控制電路。具體工作原理如下：（1）輸入AC/DC電路輸入AC/DC電路，把交流電轉換為直流電，這個過程主要是通過整流電路完成的，整流電路是一個單相ACDC變換電路，功能是把220V50Hz的市電進行整流濾波后轉換成穩定直流電輸入到直流母線上，這主要是通過一個整流橋得以實現的，這樣每半個周期都有兩個二極管處于工作狀態。（2）DCAC逆變電路逆變電路與整流電路相對應，把直流電又變成交流電，這個過程主要通過晶閘管完成。逆變電路是通用變頻電源核心部件之一，起著非常重要的作用。它

19、的基本作用是在控制電路的控制下將中間直流電路輸出的直流電源轉換為頻率和電壓都任意可調的交流電源。（3）輸出濾波電路由于逆變電路所產生的交流電存在高頻諧波，因此為得到波形良好的正弦波，低通濾波器必不可少。（4）輔助電源該電路給單片機控制單元提供穩定的+5V電源，給驅動電路提供+12V電源，并保證該電壓穩定，避免造成控制單元不穩定或開關器件的誤操作。（5）驅動電路 開關器件基極(門極、柵極)驅動電路是電力電子電路和控制電路間的接口，是變頻變壓電源的重要環節。采用性能優異的驅動電路，可縮短開關器件的開關時間，減小開關損耗，使其工作在較為理想的開關狀態，這對提高電源的效率、可靠性、安全性都有重要意義。

20、（6）反饋電路對于具有良好穩壓特性的變頻變壓電源而言，必須從負載端采樣電壓值，反饋給控制器以形成閉環控制從而穩定輸出電壓，同時還需測量負載電流以調節輸出和保護器件，因此一種精度高、可靠性高、響應時間短、功耗低、體積小的檢測電路則顯得尤為重要。本設計同時對過電流、欠電壓、過熱信號進行反饋處理，具有一定自我保護功能。（7）控制電路控制電路是變頻變壓電源的核心電路。該電路采用單片機作為控制器實現智能數字控制，其主要功能為：產生高頻SPWM調制信號給功率變換電路；對采樣來的電壓值進行計算并調整輸出脈沖調制深度以達到穩壓效果；對過流、欠壓、過熱等故障信號進行處理以保護本身器件以及人身安全；操作人機接口，

21、獲取人為設定的頻率和電壓信息，同時顯示當前波形信息及溫度信息。（8）人機接口由LCD顯示輸出組成， LCD顯示動態的顯示當前電壓情況以及電源本身的溫度情況，可以時時掌握其工作狀態，避免出現故障。三、預計設計過程中可能遇到的問題以及解決的方法和措施在設計過程中往往會遇到各種不可預見的因素，有可能會導致輸出變壓器存在直流分量，引起單向偏磁現象。偏磁可以說是橋式逆變器中的一種通病，只是在不同的場合嚴重程度不同而已。變壓器的偏磁，輕則會使變壓器和功率半導體模塊的功耗增加，溫升加劇，變壓器機械噪音大（變換器開關頻率或調制頻率在音頻范圍內時），嚴重時還會損壞功率模塊，直接威脅到系統的正常運行。（1）是功率器件的選擇，盡量選擇同一批次的功率管。要留有足夠的電流余量，防止電流過大。增大了散熱面積，有利于降低管子的溫升。（2）適當在變壓器磁路中留有氣隙，使之在電路不平衡的狀態下，磁通不至于飽和。在設置氣