电力电子技术课程设计报告-一种电动自行车蓄电池充电器的设计.doc

电力电子技术课程设计报告 一种电动自行车蓄电池充电器的设计指导教师： 学 生： 学 号： 20095099专 业： 自 动 化班 级： 2009 级 3 班设计日期： 2011.12.262011.12.30重庆大学自动化学院2011年12月iii课程设计指导教师评定成绩表项目分值优秀(100x90)良好(90x80)中等(80x70)及格(70x60)不及格(x60)评分参考标准参考标准参考标准参考标准参考标准学习态度15学习态度认真，科学作风严谨，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作学习态度比较认真，科学作风良好，能按期圆满完成任务书规定的任务学习态度尚好，遵守组织纪律，基本保证设计时间，按期完成各项工作学习态度尚可，能遵守组织纪律，能按期完成任务学习马虎，纪律涣散，工作作风不严谨,不能保证设计时间和进度技术水平与实际能力25设计合理、理论分析与计算正确，实验数据准确，有很强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信设计合理、理论分析与计算正确，实验数据比较准确，有较强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献引用、调查调研比较合理、可信设计合理，理论分析与计算基本正确，实验数据比较准确，有一定的实际动手能力，主要文献引用、调查调研比较可信设计基本合理，理论分析与计算无大错，实验数据无大错设计不合理，理论分析与计算有原则错误，实验数据不可靠，实际动手能力差，文献引用、调查调研有较大的问题创新10有重大改进或独特见解，有一定实用价值有较大改进或新颖的见解，实用性尚可有一定改进或新的见解有一定见解观念陈旧论文(计算书、图纸)撰写质量50结构严谨，逻辑性强，层次清晰，语言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸非常工整、清晰结构合理，符合逻辑，文章层次分明，语言准确，文字流畅，符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸工整、清晰结构合理，层次较为分明，文理通顺，基本达到规范化要求，书写比较工整；图纸比较工整、清晰结构基本合理，逻辑基本清楚，文字尚通顺，勉强达到规范化要求；图纸比较工整内容空泛，结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求；图纸不工整或不清晰指导教师评定成绩：指导教师签名： 年 月 日iii自动化学院2009级自动化专业电力电子技术课程设计任务书一、课程设计的教学目的和任务电力电子技术是研究利用电力电子器件、电路理论和控制技术，实现对电能的控制、变换和传输的科学，其在电力、工业、交通、通信、航空航天等很多领域具有广泛的应用。电力电子技术不但本身是一项高新技术，而且还是其它多项高新技术发展的基础。因此，提高学生的电力电子领域综合设计和综合应用能力是教学计划中必不可少的重要一环。通过电力电子技术的课程设计达到以下几个目的：1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用intel网检索需要的文献资料。2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。4、提高学生的电力电子装置分析和设计能力。5、提高学生课程设计报告撰写水平。二、课程设计的基本要求1. 教师确定方向，在教师的指导下，学生自立题目注意事项： 所立题目必须是某一电力电子装置或电路的设计，题目难度和工作量要适应在一周内完成，题目要结合工程实际。学生也可以选择规定题目方向外的其他电力电子装置设计，如开关电源、镇流器、ups电源等，但不允许选择其他班题目方向的内容设计（复合变换除外）。 通过图书馆和intel网广泛检索和阅读自己要设计的题目方向的文献资料，确定适应自己的课程设计题目。自立题目后，首先要明确自己课程设计的设计内容。要给出所要设计装置（或电路）的主要技术数据（如输入技术数据，输出技术数据，装置容量的大小以及装置要具有哪些功能）。如：直流电动机调压调速可控整流电源设计主要技术数据输入交流电源：三相380v10% f=50hz直流输出电压：0220v50220v范围内，直流输出电流额定值100a直流输出电流连续的最小值为10a设计内容：整流电路的选择整流变压器额定参数的计算晶闸管电流、电压额定的选择平波电抗器电感值的计算保护电路的设计触发电路的设计画出完整的主电路原理图和控制电路原理图列出主电路和控制电路所用元器件的明细表2. 在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的思维方式以及创造能力。要求具体电路方案的选择必须有论证说明，要说明其有哪些特点。具体电路元器件的选择应有计算和说明。课程设计从确定方案到整个系统的设计，必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础上，经过刨析、提炼，设计出所要求的电路（或装置）。课程设计中要不断提出问题，并给出这些问题的解决方法和自己的研究体会。（注意：所确定的主电路方案如果没有论证说明，成绩不能得优；设计报告最后给出设计中所查阅的参考文献最少不能少于5篇，且文中有引注，否则也不能得优）。3. 在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能力。要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路和控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型），严禁抄袭。4. 课题设计的主要内容是主电路的设计，主电路的分析说明，主电路元器件的计算和选型，以及控制电路设计。 5. 课题设计报告要求图表规范，文字通顺，逻辑性强。 6. 课题设计报告字数要求为6000字左右。（a4纸打印8页左右）三、课程设计的工作计划课程设计时间5天。第1天上午，指导教师向学生讲授课程设计的目的、任务、设计方法和注意事项。第1天下午和第2天学生到图书馆和intel网上按照指导教师的要求查找所需要的文献，并在阅读分析中确定自己的研究题目、技术数据和设计内容，交指导教师审阅。第3天学生的主要任务是确定方案。第4天和第5天，学生的任务是综合所学知识，进行主电路和控制电路的设计，撰写课程设计报告。四、各班的题目方向3班题目方向：斩波技术的工程应用4班题目方向：交流调压技术的工程应用5班题目方向：逆变技术的工程应用 iii目 录1 引言12 电源设计的基本要求12.1 主要技术数据13 电路总体方案的设计及相关原理23.1 电路的原理图23.2 电路的原理模块图34 主电路设计及参数计算44.1 主电路的确定4 4.1.1 主电路的可行性分析44.1.2 主电路的结构及工作原理44.2 主电路的工作模式及参数计算54.3 主电路的性能分析55 辅助电路设计65.1 电力mosfet驱动电路的设计.65.2 保护电路和缓冲电路的设计.66 总结与体会77 参考文献88 09自动化3班 冯莉 20095099 一种电动自行车蓄电池充电器的设置 1 引言 随着我国经济的迅猛发展，人民的生活水平有了大幅度的提高。在农村赶集一直是一个十分热闹的日子，还记得我们小时候会缠着大人，步行几个小时去赶集；再后来就是挤那都已经挤满了人的客车，而如今大家都过上了小康的生活，我们不仅不用去挤客车，更不用步行几个小时去赶集。由于收入的增多，生活水平的提高，现在大家都纷纷买了价格相对比较便宜的电动自行车，不仅方便了我们的出行，也可以锻炼身体。可以一起骑着电动自行车去串亲戚，去朋友家里玩，电动自行车无疑让我们的生活更加多姿多彩。电动自行车中蓄电池是核心，因此对蓄电池充电的问题不能小看。民用电是220v的交流电压，对电动车进行充电时的电压是直流电压，首先经过整流变换将交流电变为直流电，然后通过直流斩波技术进行变换设计合理的充电电路。传统的蓄电池充电器采用可控硅整流器, 利用其可逆运行特性实现电池的充放电, 但其体积重量大, 动态响应特性差 1 , 同时因可控硅整流电路为电压可逆, 充放电工作转换时电池要改变电极连接, 使用不方便。为满足各类型电动车的蓄电池性能要求,我想研制了一种通用型的电动车蓄电池充电器。该充电器将充电电路与实际输入交流电压联系起来。简化了系统结构, 使用方便，同时原理简单，方便理解，也方便在充电时出了问题可以让使用者自己修理。 2 电源设计的基本要求2.1主要技术数据:电动自行车用铅酸蓄电池型号有：品牌三杨类型动力型蓄电池电池盖和排气拴结构阀控式密闭蓄电池化学类型铅酸蓄电池荷电状态免维护蓄电池电压12（v） 型号6-dzm-20额定容量20ah外型尺寸180*76*170（mm） 产品认证qs,ce,iso9001:2000适用范围电动自行车，电动摩托车，电动滑板车，电动游览车，电动三轮车，混合动力车根据资料可以知道该铅酸蓄电池的充电电压为12v，本设计的主要是将220v的民用电转变为电压为12v，电流为2a的直流电输出。3电路总体方案的设计及相关原理3.1 电路的基本原理单相半控整流电路的原理 2 ： 如图3-1所示为单相半控整流电路在此电路中，v1和v4组成一组桥臂，v2和v3组成一组桥臂。（1）当u2大于零时（u2 正半周） v1和v4导通，电流由a端流出，经v1、r、v4流回电源 b 端，当u2过零时v1、v4两端电压为零，这时v1、v4没有电流通过；（2）当u2小于零时（u2 负半周） v2和v3导通，电流有b端流出，经v3、r、v2流回电源a端，当u2过零时v3、v2两端电压为零，这时v3、v2没有电流流过。电路随着u2 的变化实现整流 图3-1、单相交流不可控电路降压斩波电路的工作原理2 ： 原理如图3-2所示，在t=0时刻驱动v导通，电源e像负载供电，负载电压u0=e，负载电流i0按指数上升。 当t=t0时，控制v关断，负载电流经vd续流，负载电压u0近似为0，负载电流呈指数下降。为了使负载电流连续且脉动小，通常串联较大的电感l。 至一个周期t结束，再驱动v导通，重复上一周期过程，当电路处于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。负载电压的平均值为：.(3-1)其中为v处于通态的时间；为v处于断态的时间；t为开关周期；k为导通占空比，简称占空比或导通比。图3-2、降压斩波电路原理图3.2 电路的原理模块图蓄电池作为一种储能设备广泛应用在计算机设备、数据通讯系统、医用控制系统、精密测量系统等。近年来出现的一种新型不间断电源技术亦是由蓄电池组来供电的。如何保证蓄电池处于最佳状态和较长的寿命, 与蓄电池的充电具有十分密切的关系 3。在电动自行车充电器设计当中，由于涉及输出电压在较小范围中变化，如何保证输出电压按照要求的性能指标来变化是本论文要研究的重点。电动自行车充电器主要包括不可控整流电路、滤波电路以及斩波电路三个部分，如下图所示。 图3-2-1、原理模块图设计的重点在于斩波电路及斩波电路中的辅助电路（驱动电路和保护电路）参数的的确定。下面将对电动自行车蓄电池充电池采用的斩波电路及其相应的辅助电路逐一进行分析，以便在设计中选择合理可行的方案。4主电路的设计及参数的计算4.1 主电路的确定 4.1.1 主电路的可行性分析1电力电子器件电压等级问题的解决：当选用单相全桥不可控电路时，u2=220v的交流电经整流后输出电压为u0=0.9u2=198v的直流电。此时电压处于适中，选取电力mosfet，其优点：开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题 4。 电动自行车蓄电池的充电电压为12v,电流为2a，所以需要选用直流降压斩波电路使电压从198v降低到所需要的电压值。4.1.2 主电路的结构及工作原理经过上述分析，设计的电路如下图：图4-1-2-1、电瓶车充电器电路图电路包括四个普通二极管、均压电容、一个mosfet和滤波电感和滤波电容。将输入电压经过整流后，在通过降压斩波调节得到所需要的电压。4.2电路的参数计算由于将充电电路简化，得到的参数就比较容易计算，计算如下：已知输入电压ui=220v,f=50hz,充电电压为12v，充电电流为2a，则可以算出整流输出电压为：单相半控整流电路输出的电流是连续的，只需加一个较小的电感就能让输出电流平稳，设此时输出电流为120ma,则取l1=20h/120ma。再根据整流电路中的电压关系：.(4-2-1).(4-2-2).(4-2-3)得，算出，则取。二极管选取普通二极管，能承受的反向电压为。斩波电路中器件参数的选择：由式（4-2-4），平稳的电流为2a， 4(4-2-4)则l2按 20h/20a 设计, 采用c2n284超微晶铁芯,n = 30 匝, 用60mm013mm 紫铜皮绕制。 由整流电路的输出，由式(3-1)得出，取。由公式（4-2-5）： (4-2-5) 则可以得出,则取,同时2a/250v mosfet。 4.3 主电路的性能分析（1）整流电路采用多单相全桥不可控电路，能够将输入的220v交流电转换为近200v的电压，这样在转换中的电压损失比较小，能充分利用电压。在整流电路中采用二极管，因为二极管可以承受较大电压和较大电流。（2）斩波电路利用电力mosfet，可以很好的实现斩波，同时mosfet需要的驱动电流较小，大大简化了驱动电路。（3）在电路中运用电容滤波，电感平衡器平衡输出电流，使输出电流、电压连续平稳。5辅助电路的设计5.1 电力mosfet驱动电路的设计电力mosfet是电压驱动型器件。使电力mosfet开通的极间的驱动电压一般取1520v。同样，关断时施加一定幅值的负驱动电压(一般取-5-15v)有利于减小关断时间和关断损耗6。在栅极串入一只低值电阻(数十欧左右)可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。目前电力mosfet的驱动多采用专用的混合集成驱动器。本设计采用芯片m57962l搭建电力mosfet的驱动电路，如图5-1-1所示。m57962l混合集成驱动器内部都具有退饱和检测和保护环节，当发生过流时能快速响应但慢速关断电力mosfet，并向外部电路发出故障信号。m57962l的输出的正驱动电压均为+15v左右，负驱动电压为-10v。图5-1-1、驱动电路原理图5.2 保护电路和缓冲电路的设计m57962l混合集成驱动器内部都具有退饱和检测和保护环节，当发生过流时能快速响应但慢速关断电力mosfet，并向外部电路发出故障信号。所以本设计没有另外加入保护电路。缓冲电路是用电容和电阻串联而成，用于改进电力电子开通和关断时刻所承受的电压、电流波形。缓冲电路的作用是抑制电力电子器件的过电压、或者过电流和等，以及减小器件的开关损耗。可采用给电力mosfet串联抑制电路来达到缓冲的效果。电路图如下： 图5-2-1、缓冲电路6总结与体会本次课程设计主要要分三个阶段进行：确定设计的题目与查找资料，设计工具的选择及总体框架的构建，课程设计报告的撰写。 首先是确定设计题目和查找资料，这是关键的一步。先利用网络检索需要的文献资料，并在图书馆查找所需的电力电子技术参考资料。这能锻炼人的文献检索及信息处理能力，需要在阅读大量的资料后确定研究的范围，再从资料中筛选所需的主题资料，逐步缩小选题范围，从而确定设计题目。其次是设计工具的选择。该报告选用微软的2003年版word编写文字，选用配套visio的画电路图及相关图形。在电动车充电器的主框架确定过程中，把它分为主电路和辅助电路（包括驱动电路和保护电路）两个模块，先分析主电路的结构，再根据主电路的要求确定控制电路和辅助电路，运用模块化的分析方法进行设计，思路清晰，逻辑性强。最后是设计报告的文档编写，要