1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告單相正弦波變頻電源設(shè)計系 部： 專 業(yè)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)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(nèi)外的進(jìn)展情況，你對系統(tǒng)設(shè)計的初步設(shè)想，主要需要解決的技術(shù)難題和解決思路，同時應(yīng)給出課題的時間安排。二、開題報告內(nèi)容1畢業(yè)設(shè)計（論文）課題的目的、意義、國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢2課題主要工作（設(shè)計思想、擬采用的方法及手段）3完成課題的實驗條件、預(yù)計設(shè)計過程中可能遇到的問題以及解決的方法和措施4 畢業(yè)設(shè)計（論文）實施計劃(進(jìn)度安排)5 參考文獻(xiàn)三、撰寫要求1報告字?jǐn)?shù)不少于3000字

2、2報告內(nèi)容一律用A4紙打印3. 上交時間為畢業(yè)設(shè)計第三周周末。一、畢業(yè)設(shè)計（論文）課題的意義、國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)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(yè)都因為有了電而飛速發(fā)展，并出現(xiàn)了無數(shù)新型產(chǎn)業(yè)，直至今日，電已經(jīng)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(chǎn)品，在各個行業(yè)和日常生活中得到了廣泛的應(yīng)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(fā)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(jīng)受到電器行業(yè)的重視。近幾年，小

3、電源的市場已經(jīng)擴大，技術(shù)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(shù)字化。電源是向電子設(shè)備提供功率的裝置，也稱電源供應(yīng)器。我們的衣食住行離不開電源，科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、辦公學(xué)習(xí)、文化娛樂、交通、醫(yī)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(zhuǎn)換而來，如水力、火力、風(fēng)力發(fā)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(fù)載之間對電能進(jìn)行變換或穩(wěn)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(xué)形式儲存起來，使用時再變成電能提供給負(fù)載，比如人們所常見的各種電池，一般稱此為物理、化學(xué)電源。任何電子設(shè)備都離

4、不開電源，然而，種類繁多的各式用電設(shè)備對電能源的要求卻迥異，很多并不是直接使用公用電網(wǎng)作為電源，而是通過各種形式對其進(jìn)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(dāng)中起到了很重要的作用，因此，目前在電源技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛，主要研究如何利用電子技術(shù)對電功率進(jìn)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(shù)與學(xué)科理論，具有很強的綜合性。現(xiàn)在我們的經(jīng)濟活動已經(jīng)到了已經(jīng)到了工業(yè)經(jīng)濟時代，并正在轉(zhuǎn)入高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展時期。直流穩(wěn)壓電源是電子技術(shù)常用的儀器設(shè)備之一,廣泛的應(yīng)用于教學(xué)、科研等領(lǐng)域，是電子實驗員、電子設(shè)計人員及電路開發(fā)部門進(jìn)行實驗作和科學(xué)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(wěn)定的直流電源來供電。而整個穩(wěn)壓過程是由電源變壓器、整流、濾波、穩(wěn)壓等四部分組成。現(xiàn)在傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在需要，但是在各類電子設(shè)備和一些家用電器中，通常又都需要電壓穩(wěn)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(wǎng)供電，那么這就需要通過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓電路將交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)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(tǒng)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(wěn)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(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源通常采用電位器和波段開關(guān)來實現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié),并由電壓表指示電壓值的大小. 因此,電壓的調(diào)整精度不高,讀數(shù)欠直觀,電位器也易磨損。而基于單片機控制的直流穩(wěn)壓電源能較好地解決以上傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源的不足，并且數(shù)控直流電源與傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源相比，具有作方便、電壓穩(wěn)定度高的特點。它的紋波電壓低，電壓調(diào)節(jié)精確，輸出電壓大小采用數(shù)字顯示，直觀易讀。電路大部分使用集成電路，從而使調(diào)試簡單、性能優(yōu)良、故障率低、使用壽命長。 現(xiàn)代電源技術(shù)是應(yīng)用電力電子半導(dǎo)體器件，綜合自動控制、計算機(微處理器)技術(shù)和電磁技術(shù)的多邊緣交叉技術(shù)。在各種高質(zhì)量、高效、高可靠性的電源中起關(guān)鍵的作用，是現(xiàn)代電子電力技術(shù)

7、的具體應(yīng)用。六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應(yīng)用得以很大發(fā)展。而在七十年代到八十年代之間，隨著變頻調(diào)速裝置的普及，這時的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變，但是工作頻率較低，僅局限在中低頻化發(fā)展，為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇，相信在不久的將來，電力電子將使電源技術(shù)更加成熟、經(jīng)濟、實用，實現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電相結(jié)合。通過整流和逆變組合電路實現(xiàn)的軟開關(guān)變頻變壓技術(shù)，是當(dāng)今電力電子學(xué)領(lǐng)域最為活躍的研究內(nèi)容之一，應(yīng)用十分廣泛，主要應(yīng)用在交流電機調(diào)速和供電電源等領(lǐng)域。電源在任何電子設(shè)備中都有著極其重要的地位，然而各種用電設(shè)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(shù)的飛速發(fā)展，正弦波輸出變頻電源已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域中，在實驗室和工業(yè)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(chǎn)生單相正弦波信號作為基準(zhǔn)信號，對于一個良好的正弦波信號源，要求其輸出的基準(zhǔn)正弦波信號幅值、頻率高度穩(wěn)定、失真度小，帶負(fù)載能力強、幅值可調(diào)。變頻電源主要用于交流電機的變頻調(diào)速，其在電氣傳動系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要，已獲得巨大的節(jié)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(qū)動交流異步電機實現(xiàn)無級調(diào)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(zhuǎn)變?yōu)樗枰碾妷汉皖l率的一種電源，如今已在國民經(jīng)濟的各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，比如：（1）各種進(jìn)口設(shè)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(jìn)口設(shè)備在國內(nèi)運行必須通過變頻變壓供電；（2）交流電機調(diào)速。交流電機變頻調(diào)速具有調(diào)速平滑、調(diào)速范圍寬、效率高、特性好、結(jié)構(gòu)簡單、機械特性硬、保護(hù)功能齊全、運行平穩(wěn)安全可靠、在生產(chǎn)過程中能獲得最佳速度參數(shù)等優(yōu)點，是理想的調(diào)速方式。且有數(shù)據(jù)表明

10、，交流電機用于風(fēng)機、水泵全額運行時，采用變頻調(diào)速能節(jié)電30，因此這也是國家重點推廣的技術(shù)；（3）風(fēng)力發(fā)電。直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電機軸直接連接到風(fēng)輪上，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而改變，所產(chǎn)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(wǎng)頻率相同的交流電輸出。通過中間電力電子環(huán)節(jié)，可對系統(tǒng)有功功率和無功功率進(jìn)行控制，實現(xiàn)最大功率跟蹤，最大效率的利用風(fēng)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(yōu)點而受到人們的青睞。近年來隨著工業(yè)自動化產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，人們對變頻電源的需求與日劇增，變頻電源的研發(fā)、生產(chǎn)已發(fā)展成為前景十分誘人的

11、新興產(chǎn)業(yè)。2. 國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢變頻電源是在國內(nèi)一般的稱呼，更準(zhǔn)確的說，應(yīng)該叫交流電力頻率轉(zhuǎn)換器，即Ac power Frequency Converter，一般用縮寫AFC來稱呼。變頻電源的整個發(fā)展史基本是隨著電子器件的發(fā)展而發(fā)展的。1957年美國通用電氣公司研制出第一個晶閘管標(biāo)志著電力電子學(xué)的誕生；到上世紀(jì)70年代后期，功率場效應(yīng)管(power MOSFET)開始進(jìn)入實用階段，標(biāo)志著電力半導(dǎo)體器件在高頻化進(jìn)程中的一次重要進(jìn)展；在80年代后期，以絕緣柵雙極性晶體管(IBGT)為代表的復(fù)合型器件異軍突起，它把MOSFET的驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快的優(yōu)點和BJT通態(tài)壓降小、載流能力大的優(yōu)點集于

12、一身，性能十分優(yōu)越，為實現(xiàn)變頻電源的高頻化和高性能提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；隨著軟開關(guān)技術(shù)的成熟，工業(yè)用的高速數(shù)字信號處理器(DSP)的發(fā)展，作為變頻器核心的正弦波逆變器的控制技術(shù)方案也正在由傳統(tǒng)的模擬控制向現(xiàn)代數(shù)字化控制的方向發(fā)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(jìn)出口設(shè)備逐漸加大，尤其以微波爐及空調(diào)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(jìn)行測試。對于該部分市場應(yīng)用的需求，原有的產(chǎn)品功率已不

13、能滿足，所以，電源廠家尋求新的技術(shù)來擴大電源的功率。根據(jù)當(dāng)時的技術(shù)條件及電子器件，主要向兩條路發(fā)展，一方面是保持晶體式的方式不變，采用多機并聯(lián)的方式進(jìn)行擴容；另一種方式是采用功率晶體模組。 晶體式多級串聯(lián)的方式，需要解決環(huán)流問題，而且效率低，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，消耗太大；功率晶體模組變頻方式反應(yīng)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(chǎn)品功率依舊不能滿足日益增長的需求，所以大功率的負(fù)載需要變頻測試時，多采用電機后拖動發(fā)電機的方式（M+G）來滿足。 電機后拖動發(fā)電機的方式（M+G）在使用過程中，存在磨損，以及

14、效率轉(zhuǎn)換問題。后來參考美國技術(shù)，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(fā)電機的方式（M+G），但是該系列的產(chǎn)品有一個較大的缺點，機器在轉(zhuǎn)換的過程中，噪音非常大，達(dá)到70dB1m 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，在80年代末，富士生產(chǎn)出了第一代的IGBT，該電子器件的特性集成了GTR及MOSFET的優(yōu)點，開關(guān)速度快，通流能力強，故很快就被應(yīng)用到逆變領(lǐng)域。隨著實力強大的三菱、西門康、英飛凌等廠家在IGBT領(lǐng)域的加入，使得IGBT的發(fā)展速度日新月異，更新?lián)Q代的速度加快，IGBT的開關(guān)速度及通流能力得到進(jìn)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(xiàn)。

15、目前，變頻電源正朝著以下幾個方向發(fā)展：（1）高頻化電氣設(shè)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(zhàn)反比，當(dāng)我們把頻率提高，設(shè)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(jié)能、節(jié)水、節(jié)約成本的經(jīng)濟效益。（2）模塊化由于頻率的不斷提高，導(dǎo)致引線寄生電感、寄生電容的影響越發(fā)嚴(yán)重，產(chǎn)生過電壓、過電流毛刺等問題61。為增強系統(tǒng)的可靠性，許多廠商開發(fā)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(tǒng)的引線連接，以達(dá)到優(yōu)化的效果。（3）數(shù)字化隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的日趨完善，基于數(shù)字技術(shù)的電力電子技術(shù)逐漸取代了原來基于模擬電路的技術(shù)，并顯示出其

16、優(yōu)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(shù)的植入。（4）綠色化許多功率電子節(jié)電設(shè)備，常常容易形成對電網(wǎng)的污染，向電網(wǎng)注入嚴(yán)重的高次諧波電流，從而降低總功率因子，使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰，甚至出現(xiàn)缺角和畸變。因此電源系統(tǒng)的綠色化不僅是要顯著節(jié)電，減少對環(huán)境的污染，還應(yīng)規(guī)定該電源不能(或少)對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，國際電工委員會(IEC)對此已制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)，如IEC555、IECl000、IEC917等。二、課題預(yù)期目標(biāo)及主要工作（設(shè)計思想、擬采用的方法及手段）1設(shè)計目標(biāo) 本課題設(shè)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(shù)，其核心內(nèi)容為逆變

17、技術(shù)。研制的電源主要功能是為各種設(shè)備提供電源，具有恒壓輸出、過熱保護(hù)、過流保護(hù)等功能，且體積應(yīng)盡可能小，穩(wěn)定性好，可靠性高。內(nèi)容包括變頻電源整體結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計、系統(tǒng)主電路模塊、驅(qū)動和外圍模塊、控制模塊等。詳細(xì)說明了各部分的軟硬件設(shè)計原則，然后給出實驗結(jié)果并對輸出波形和效率進(jìn)行了分析。最后經(jīng)實驗證明，本設(shè)計切實可行，指標(biāo)基本達(dá)到要求。目標(biāo)參數(shù)：（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(fù)載電流有效值10A; （4）. 計算機繪制電路圖及PCB版圖。 2設(shè)計方案（研究/設(shè)計方法、理論分析、計算、實驗方法

18、和步驟等）：本設(shè)計方案的設(shè)計思路如下：變頻電源整體結(jié)構(gòu)框圖本設(shè)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(zhuǎn)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(jìn)行整流濾波后轉(zhuǎn)換成穩(wěn)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(xiàn)的，這樣每半個周期都有兩個二極管處于工作狀態(tài)。（2）DCAC逆變電路逆變電路與整流電路相對應(yīng)，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(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。（3）輸出濾波電路由于逆變電路所產(chǎn)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(wěn)定的+5V電源，給驅(qū)動電路提供+12V電源，并保證該電壓穩(wěn)定，避免造成控制單元不穩(wěn)定或開關(guān)器件的誤操作。（5）驅(qū)動電路 開關(guān)器件基極(門極、柵極)驅(qū)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(huán)節(jié)。采用性能優(yōu)異的驅(qū)動電路，可縮短開關(guān)器件的開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗，使其工作在較為理想的開關(guān)狀態(tài)，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(wěn)壓特性的變頻變壓電源而言，必須從負(fù)載端采樣電壓值，反饋給控制器以形成閉環(huán)控制從而穩(wěn)定輸出電壓，同時還需測量負(fù)載電流以調(diào)節(jié)輸出和保護(hù)器件，因此一種精度高、可靠性高、響應(yīng)時間短、功耗低、體積小的檢測電路則顯得尤為重要。本設(shè)計同時對過電流、欠電壓、過熱信號進(jìn)行反饋處理，具有一定自我保護(hù)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(xiàn)智能數(shù)字控制，其主要功能為：產(chǎn)生高頻SPWM調(diào)制信號給功率變換電路；對采樣來的電壓值進(jìn)行計算并調(diào)整輸出脈沖調(diào)制深度以達(dá)到穩(wěn)壓效果；對過流、欠壓、過熱等故障信號進(jìn)行處理以保護(hù)本身器件以及人身安全；操作人機接口，

21、獲取人為設(shè)定的頻率和電壓信息，同時顯示當(dāng)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(tài)的顯示當(dāng)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(tài)，避免出現(xiàn)故障。三、預(yù)計設(shè)計過程中可能遇到的問題以及解決的方法和措施在設(shè)計過程中往往會遇到各種不可預(yù)見的因素，有可能會導(dǎo)致輸出變壓器存在直流分量，引起單向偏磁現(xiàn)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(yán)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(dǎo)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(guān)頻率或調(diào)制頻率在音頻范圍內(nèi)時），嚴(yán)重時還會損壞功率模塊，直接威脅到系統(tǒng)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(dāng)在變壓器磁路中留有氣隙，使之在電路不平衡的狀態(tài)下，磁通不至于飽和。在設(shè)置氣