【正文】 有效值稱為交流調(diào)壓；將工頻交流電直接轉(zhuǎn)換成其他頻率的交流電，稱為交 交變頻。 電力電子技術(shù)的發(fā)展 在有電力電子器件以前，電能轉(zhuǎn)換是依靠旋轉(zhuǎn)機(jī)組來實(shí)現(xiàn)的。 1957 年第一只晶閘管 — 也 稱可控硅 (SCR)問世后，因此 ,自 20 世紀(jì) 60 年代開始進(jìn)入了晶閘管時(shí)代。 控制電路經(jīng)歷了由分立元件到集成電路的發(fā)展階段。微處理器和微型計(jì)算機(jī)的引入，特別是它們的位數(shù)成倍增加，運(yùn)算速度不斷提高，功能不斷完善，使控制技 術(shù)發(fā)生了根本的變化，使控制不僅依賴硬件電路，而且可利用軟件編程，既方便又靈活。將新的控制理論和方法應(yīng)用在變換器中。 電力電子技術(shù)的重要作用 (1) 優(yōu)化電能使用。例如，在節(jié)電方面，針對(duì)風(fēng)機(jī)水泵、電力牽引、軋機(jī)冶煉、輕工造紙、工業(yè)窯爐、感應(yīng)加熱、電 焊、化工、電解等14 個(gè)方面的調(diào)查，潛在節(jié)電總量相當(dāng)于 1990 年全國發(fā)電量的 16%，所以推廣應(yīng)用電力電子技術(shù)是節(jié)能的一項(xiàng)戰(zhàn)略措施，一般節(jié)能效果可達(dá) 10%40%，我國已許多裝置列入節(jié)能的推廣應(yīng)用項(xiàng)目。據(jù)發(fā)達(dá)國家預(yù)測(cè)，今后將有 95%的電能要經(jīng)電力電子技術(shù)處理后再使用，即工業(yè)和民用的各種機(jī)電設(shè)備中，有 95%與電力電子產(chǎn)業(yè)有關(guān)，特別是，電力電子技術(shù)是弱電控制強(qiáng)電的媒體，是機(jī)電設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間的重要接口，它為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)采用微電子技術(shù)創(chuàng)造了條件，成為發(fā)揮計(jì)算 機(jī)作用的保證和基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)最佳工作效率，將使機(jī)電設(shè)備的體積減小幾倍、幾十倍，響應(yīng)速度達(dá)到高速化，并能適應(yīng)任何基準(zhǔn)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無噪音且具有全新的功能和用途。有人甚至提出，電子學(xué)的下一項(xiàng)革命將發(fā)生在以工業(yè)設(shè)備和電網(wǎng)為對(duì)象的電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，電力電子技術(shù)將把人們帶到第二次電子革命的邊緣。 (2) 熟悉和掌握各種基本變換器的工作原理，特別是各種基本電路中的電磁過程，掌握其分析方法、工作波形分析和變換器電路的初步設(shè)計(jì)計(jì)算。 (4) 了解各種變換器的特點(diǎn)、性能指標(biāo)和使用場(chǎng)合。 直流斬波電路的設(shè)計(jì) 3 直流斬波電路介紹 直流 直流變換器（ DC/DC Converter）的功能是將 直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，包括直接直流變流電路和間接直流變流電路。間接直流變流電路是在直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)，在交流環(huán)節(jié)中通常采用變壓器實(shí)現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也稱為帶隔離的直流直流變流電路或直 交 直電路。習(xí)慣上， DCDC 變換器包括以上兩種情況。一方面，這兩種電路應(yīng)用最為廣泛，另一方面，理解了這兩種電路可為理解其他的電路打下基礎(chǔ)。利用相同結(jié)構(gòu)的基本斬波電路進(jìn)行組合，可構(gòu)成多相多重?cái)夭娐?。全控型器件選擇絕緣柵雙極晶體管（ IGBT）綜合了 GTR 和電力 MOSFET 的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的特性。 直流斬波電路原理 直流降壓斬波電路 直流降壓變流器用于降低直流電源的電壓，使負(fù)載側(cè)電壓低于電源電壓，其原理電路如圖 11 所示。為在 V關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中電感電流提供通道，設(shè)置了續(xù)流二極管 VD。若無反電動(dòng)勢(shì)時(shí)，只需另 EM=0 即可。當(dāng) t=t1時(shí)刻，控制V 關(guān)斷，電感 L 釋放儲(chǔ)能，維持負(fù)載 電流，電流經(jīng)負(fù)載和二極管 VD 形成回路，負(fù)載電壓 u0 近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。 直流斬波電路的設(shè)計(jì) 4 圖 直流降壓斬波電路原理圖及工作波形 至一個(gè)周期 T結(jié)束，再驅(qū)動(dòng) V 導(dǎo)通，重復(fù)上一個(gè)周期的過程。負(fù)載側(cè)輸出電壓的平均值為： EETtEtt tU ono ffonon ?????0 (11) 式中 T 為 V開關(guān)周期 ,ont 為 V 處于通態(tài)的時(shí)間， oft 為 V處于斷態(tài)的時(shí)間， ? 為導(dǎo)通占空比，簡稱占空比或?qū)ū?。因此該電路為降壓斬波電路，也稱為 Buck 變換器。 主電路中需要確定參數(shù)的元器件有 IGBT、二極管、直流電源、電感、電阻值的確定，其參數(shù)確定如下： (1)電源 要求輸入電壓為 200V。 (2)電阻 因?yàn)楫?dāng)輸出電壓為 200V 時(shí)，假設(shè)輸出電流為 。 (3)IGBT IGBT 絕緣柵雙極型晶體管，是由 BJT(雙極型三極管 )和 MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管 )組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件 , 兼有 MOSFET 的高輸入阻抗和 GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。MOSFET 驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。非常適合應(yīng)用于直流電壓為 600V 及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。故需選擇集電極最大連續(xù)電流 cI A1 ，反向擊穿電壓 VBvceo 200? 的 IGBT。 (4)二極管 當(dāng) ? =1 時(shí)，其承受最大反壓 200V；而當(dāng) ? 趨近于 1 時(shí)，其承受最大電流趨近于 1A，故需選擇 VUN 200? ， AIN 1? 的二極管。 該電路使用一個(gè)全控器件 V，途中為 IGBT，也可使用其他器件，若采用晶閘管，需設(shè)置晶閘管關(guān)斷的輔助電路。斬波電路的典型用途之一個(gè)拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，也可以帶蓄電池負(fù)載，兩種情況句會(huì)出現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)。本文針對(duì)實(shí)際研究項(xiàng)目中提出的要求，摒棄采用上述各種變換器，設(shè)計(jì)了一種新穎的具有升降壓功能和正極性輸出的 DC／ DC 變換器，并采用該 DC／ DC 變換器研制出達(dá)到技術(shù) 指標(biāo)要求的直流開關(guān)電源，獲得了良好的應(yīng)用直流斬波電路的設(shè)計(jì) 6 價(jià)值。機(jī)械特性上通過改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，從而改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和工作特性機(jī)械特性的交點(diǎn)，使電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。在電力拖動(dòng) 系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)電樞電壓的直流調(diào)速是應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)速方法，除了利用晶閘管整流器獲得可調(diào)直流電壓外，還可利用其它電力電子元件的可控性能，采用脈寬調(diào)制技術(shù)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成極性可變，大小可調(diào)的直流電壓，用以實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓的平滑調(diào)節(jié)，構(gòu)成直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，隨著電力電子器件的迅速發(fā)展，采用門極可關(guān)斷晶體管 GTO、全控電力晶體管 GTR、 PMOSFET、絕緣柵晶體管 IGBT）等一些大功率全控型器件組成的晶體管脈沖調(diào)寬型開關(guān)放大器（ Pulse Width Modulated） ,已逐步發(fā)展成熟，用途 越來越廣。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能自動(dòng)校正與給定轉(zhuǎn)速的偏差的調(diào)速系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能自動(dòng)的校正與給定轉(zhuǎn)速的偏差，不受負(fù)載及電網(wǎng)電壓波動(dòng)等外界擾動(dòng)的影響，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速始終與給定轉(zhuǎn)速保持一致的調(diào)速系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。 IGBT 是強(qiáng)電流、高壓應(yīng)用和快速終端設(shè)備用垂直功率 MOSFET 的自然進(jìn)化。雖然最新一代功率 MOSFET 器件大幅度改進(jìn)了RDS(on)特性，但是在高電平時(shí)，功率導(dǎo)通損耗仍然要比 IGBT 技術(shù)高出很多。 一個(gè)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)是由轉(zhuǎn)速的給定、檢測(cè)、反饋、平波電抗器、可控整流器、放大器 、直流電動(dòng)機(jī)等環(huán)節(jié)組成。本文中的雙閉環(huán)可逆ＰＷＭ調(diào)速系統(tǒng)，采用集成控制器 SG3524 產(chǎn)生占空比可調(diào)的 PWM 波，它的內(nèi)部包括誤差放大器 ,限流保護(hù)環(huán)節(jié) ,比較器 ,振蕩器 ,觸發(fā)器 ,輸出邏輯控制電路和輸出三極管等環(huán)節(jié)，是一個(gè)典型的性能優(yōu)良的開關(guān)電源控制器 ,輸出級(jí)是由ＩＧＢＴ構(gòu)成的功率控制器，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)它勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，達(dá)到速度控制的目的。 根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同，斬波電路可有三種控制方式 : （ 1）保持開關(guān)周期 T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間 ont ，稱為脈沖寬度調(diào)制或脈沖調(diào)寬型。 （ 3） ont 和 T都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型。 直流斬波電路的設(shè)計(jì) 8 （ +20V、 +5V、 5V）接入線路板相應(yīng)電源接口。 。 RP，用示波器測(cè)量脈沖的寬度和幅值，觀察他們的變化，并做記錄。 50%上時(shí)，測(cè)量負(fù)載平均電壓 UL的幅值與波形，如圖 。記 錄波形，如圖 和圖。首先假設(shè)電路中電感 L值很大，電容 C值也很大。當(dāng) V 處于斷態(tài)時(shí) E和 L共同向電容 C充電并向負(fù)載 R 提供能量，電感產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)和直流電源電壓方向相同互相疊加，從而在負(fù)載側(cè)得到高于電源的電壓 。 圖 直流升壓斬波電路原理圖及工作波形 直流斬波電路的設(shè)計(jì) 10 當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期 T 中電感 L 積蓄的能量與釋放的能量相等，即 : EtTEt ttUo ffo ffo ffon ???0 （ 13） 式中 T 為 V開關(guān)周期 ,ont 為導(dǎo)通時(shí)間， oft 為關(guān)斷時(shí)間。 式（ 13）中 offtT/ 表示升壓比，調(diào)節(jié)其大??；將升壓比的倒數(shù)記作β，即β = Ttof 。在以上分析中，認(rèn)為 V 處于通態(tài)期間因電容 C 的作用使得輸出電壓 U0不變，但實(shí)際上 C值不可能為無窮大，在此階段其向負(fù)載放電， U0必然會(huì)有所下降，故實(shí)際輸出電壓會(huì)略低于理論所得結(jié)果，不過，在電容 C 值足夠大時(shí)，誤差很小，基本可以忽略。 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求 根據(jù)給出的技術(shù)要求， 確定總體設(shè)計(jì)方案選擇具體的元件，進(jìn)行硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)行相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)，完成相應(yīng)的功能進(jìn)行調(diào)試與修改，撰寫課程設(shè)計(jì)說明書。 IGBT的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，這一部分電路可以用單片機(jī)和硬件電路相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)，也可以用專用芯片TL494 結(jié)合其它硬件電路來實(shí)現(xiàn)。 穩(wěn)壓電源，電機(jī)均由實(shí)驗(yàn)室提供。 IGBT 的通斷用 PWM控制，用 PWM方式來控制 IGBT的通斷需要使用脈寬調(diào)制器 SG3525 來產(chǎn)生 PWM控制信號(hào)。調(diào)節(jié) Ur 的大小，觀察 PWM 信號(hào)的變化情況。接通交流電源，觀察 ui波形，記錄其平均值。 切斷各處電源，將直流電源 ui與升壓斬波主電路連接，斷開降壓斬波主電路。改變 ur 值，每改變一次 ur，分別觀測(cè) PWM信號(hào)的波形、電力 MOSFET 的柵源電壓波形、輸出電壓 uo 的波形、輸出電流 io 的波形，記錄的 PWM 信號(hào)占空比α， ui、 uo的平均 值 Ui 和 Uo。在芯片上的 基準(zhǔn)電壓調(diào)定在177。它包括基準(zhǔn)電壓，這樣就不需要外接的分壓電阻器了。在 CT 和放電腳之間用單個(gè)電阻器連接即可對(duì)死區(qū)時(shí)間進(jìn)行大范圍的編程。一只斷路腳同時(shí)控制軟起