电力电子课程设计报告

1、 湖南科技大学 信息与电气工程学院 课程设计报告 题 目： 为电镀装置设计一斩波器 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 五 班 姓 名： 杜 娜 学 号： 1204010241 指导教师： 郭小定 2015年 1 月 9 日信息与电气工程学院课程设计任务书2014 2015 学年第 1 学期专业：电气工程及其自动化 班级：12电气5Z 学号：1204010241 姓名：杜娜 课程设计名称： 电力电子技术课程设计 设计题目： 为电镀装置设计一斩波器 完成期限：自 2015 年 1 月 5 日至 2015 年 1 月 9 日共 1 周设计依据、要求及主要内容1、 设计依据电镀装置，要求提供Ud

2、=50V 、 Id=1000A的直流电源，现有变流器输出电压240V。二、要求及主要内容1确定直流电动机型号；    2主电路、保护电路、控制电路设计；    3主电路元件的参数计算与选择；    4平波电抗器的参数计算与选择；    5计算整流变压器参数、选择其容量和规格；    6主电路中过电压过电流保护电路的选择及相应电路元件的计算与选择；    7绘

3、制主电路、保护电路、控制电路设计电气系统原理图；8写出课程设计报告。其中设计报告要包括有设计的目的，设计原理，设计参数的计算，元器件选型，器件表，电路图的设计说明以及设计的心得等；设计报告3000字以上；指导教师（签字）： 郭小定 批准日期：2015 年 1月 5日 摘 要 在电力电子应用领域，直流斩波电路应用广泛，在电机调速里面起到至关重要的作用。它主要包括：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk电路、Sepic斩波电路Zeta斩波电路。直流传动是斩波电路应用的传统领域。调速体统中前两者应用广泛。该设计是为电镀装置设计一斩波器，要求交流器输出电压为240V,经过降压斩波电路后输出

4、电压为50V，此时，要求电路中电流为1000A。设计主要通过控制电路控制PWM波形，然后通过驱动电路来驱动IGBT来触发主电路的导通与关断。主电路中采用的是降压斩波电路，通过控制PWM波形的导通时间与关断时间来得出输出电压的值，从而达到控制输出电压的目的。在设计过程中要重视设计计算、软件编制及整体调试，设置元器件的参数，提高结果的准确性，使仿真能够精确地进行。关键词：降压斩波 IGBT 控制 目 录 1 课程设计任务书1 2 摘要2 3 设计目的与意义4 4 设计原理4 a.原理论述 4 b.原理图 5 主电路 5 控制电路 5 驱动电路 5 5 器件选型6 a.主电路参数计算 6 b.芯片简

5、述 6 c.器件表 7 6 仿真7 a.仿真平台与过程 7 b.仿真中的问题与解决方案 7 c.仿真所得结论 7 d.仿真波形图 8 7 心得体会9 8 参考文献101设计目的及意义电力电子课程设计的目的在于进一步巩固和加深所学电力电子基本理论知识。使学生能综合运用相关关课程的基本知识，培养学生检索文献的能力，特别是利用网络检索需要的文献资料，培养学生灵活应用所学的电力电子技术知识并能创新。通过本课程设计，培养学生独立思考能力，培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。了解专业工程设计的特点、思路、以及具体的方法和步骤，掌握专业课程设计中的设计计算、软件编制，硬件设计及整体调试，培养学生

6、在电力电子技术领域的工程设计能力以及培养对电力电子装置各个参数的计算。通过课程设计教育学生认识理论与实际相结合的重要性，只靠从书本上学到的知识是远远不够的，现实的生活中需要更为丰富的知识，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中会遇到各式各样的问题，可以发现自己在哪个方面缺乏知识，从而加强这个方面的知识。在课程设计过程中查阅资料，了解查阅资料的重要性，鼓励他们克服心理上的不良情绪，不断的学习和解决难题，不断磨练学生意志的过程。通过课程设计使学生所学的基础理论和专业知识得到巩固，并使学生可以运用所学理论

7、知识解决实际问题的初步训练；进一步提高学生的分析、综合能力以及工程设计中分析设计的基本能力，为今后的毕业设计做必要的准备，并为毕业后的工作学习打下了很好的基础。2. 设计原理2.1原理论述 该设计是为电镀装置设计一斩波器，要求交流器输出电压为240V,经过降压斩波电路后输出电压为50V，此时，要求电路中电流为1000A。设计主要通过控制电路控制PWM波形，然后通过驱动电路来驱动IGBT来触发主电路的导通与关断。主电路中采用的是降压斩波电路，通过控制PWM波形的导通时间与关断时间来得出输出电压的值，从而达到控制输出电压的目的。2.2原理图（1）主电路 由于交流器输出的电压为240V而要求的电压为

8、50V，因此我们采用降压斩波电路进行设计。直流电压送入降压斩波电路，通过脉宽调制控制调节输出电压平均值，再经过LC滤波电路使电压稳定。脉宽调制控制信号由V驱动电路发出；RCD保护电路用以缓冲V在高频工作环境下关断时因为正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。 在一个控制周期内，让V导通一点时间ton，由电源向L1，R1.C2供电，在此期间U0=E。然后使V关断一段时间toff，此时电感L1,电容C2通过D1向R供电，U0=0。则一个周期内电流连续的的平均电压为 式中，ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期，a为导通占空比，简称占空比或导通比。负载电流平

9、均值为 （2） 控制电路 该控制电路用了NE555，它是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路，属于小规模集成电路，它是用内部的定时器来构成时基电路，给驱动电路提供时序脉冲。（3） 驱动电路 该电路使用了IR2112芯片作为驱动，它是高电压、高放大率MOSFET和带独立的推挽放大器，为自举工作方式，门驱动器供电范围从10V到20V。3. 器件选型3.1主电路参数计算设计输入电流为频率50Hz的三相240V交流电，其脉冲周期为 经过整流后得到的是只有正半部分的正弦波幅值与输入电压一样，但周期为输入电压的一半，即  设计输出电压为直流50V稳压，电流为1000A直流。输入电压为240稳压，

10、根据 得占空比=5/24 =0.21再根据得电路的电阻应为50V/1000A=0.05，又因为Us=240V，取3倍裕量，选耐压为720V以上的IGBT。由于IGBT是以最大标注且稳定电流与峰值电流间大致为4倍关系，故应选用大于4倍额定负载电流的IGBT为宜，因此选用4000A,额定电压720V左右的IGBT。3.2芯片简述（1）控制电路NE555芯片：它是用内部的定时器来构成时基电路，给驱动电路提供时序脉冲。NE555的引脚功能为：Pin 1(接地)：地线(或共同接地)通常被连接到电路共同接地。 Pin 2 (触发点) ：这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电

11、压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。 Pin 3 (输出) ：当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。 Pin 4 (重置) ：一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位，它通常被接到正电源或忽略不用。 Pin 5 (控制) ：这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。 Pin 6 (重置锁定) ： Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/

12、3 VCC以上时启动这个动作。 Pin 7 (放电) ：这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。 Pin 8 (V +) ：这是555个计时器IC的正电源电压端，供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。（2）驱动电路芯片IR2112：它是驱动芯片，是高电压、高放大率MOSFET和带独立的推挽放大器。它的引脚功能为：LO：低边输出电压；COM:低边返回；VCC:低边固定电压；NC:空脚；VS:高边浮动供电偏置电压；VB:高边浮动供电电压；HO:高边浮动输出电压；VDD:逻辑电源电压；HIN

13、:高边门驱动输出对应的逻辑输入，相位输入；SD：截止逻辑输入；LIN:低边门驱动输出对应的逻辑输入，相位输入。3.3器件表名称数量名称数量晶闸管3电容若干变压器2电感若干电阻若干NE5551IR2112芯片2续流二极管1电压表1电流表1电源若干示波器24. 仿真4.1仿真平台与过程（1） 仿真平台：proteus ISISproteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单

14、片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision3等软件。(2)仿真过程 第一步：添加原器件 第二步：根据已经设计好的图纸，在proyues中将各个原器件连接好线，完成电路连接。 第三步：启动仿真，观察运行状态，由仿真中出现的问题来排查线路错误，故障。 第四

15、步：观察输出波形，调整器件参数，从而使仿真运行在最佳状态。（3）仿真电路图4.2仿真中的问题及解决方案（1） 仿真中的问题a. 仿真时若要达到输出电压为50V，则需用多个IGBT并联，此时一个IR2112驱动芯片无法驱动。b. 若要使电路中的电流为1000A，则电流表会超出量程无法测量。c. 仿真时由于电脑和软件的原因，在电路图正确的情况下运行一段时间时会出现标志“time step too small”的报错情况。（2） 解决方案a.通过参数的参考和改动，最后在图中用了2个驱动芯片IR2112来驱动3个IGBT。b.由于需测量电流数值超出电流表量程，最后将题目所有的数值都同时缩小了20倍，此

16、时需使电路中输出电压为12V,降压后电压为2.5V,电路中电流达到50A即可。c.可以用不同的电脑进行仿真，此时可以解决在电路图正确的情况下运行一段时间时会报错的现象。4.3仿真所得结论在缩小相同的倍数之后，在变流器输出电压为12V时，经降压后输出电压稳定在2.5V左右，电路中电流稳定在50A左右，仿真成功。4.4仿真波形图（1） 电路中电流的波形图（2）不同占空比时输出的波形a.当占空比为0.55时的波形图b.当占空比为0.7时的波形c.当占空比为0.82时的波形d.当占空比为0.9时的波形5. 心得体会通过这一次的课程设计，我对电力电子的相关知识有了深刻的认识，加深了对电镀装置斩波器等知识的了解和掌握，对电力电子装置各种型号参数有了一定的了解。通过课程设计查阅资料拓宽了自己的知识面，学到了很多课本上没有的知识，同时进一步提高自己的分析、综合能力以及课程设计中分析设计的基本能力，为今后的毕业设计做