电力电子技术课程设计报告

电力电子技术课程设计报告题目电镀装置的斩波器设置

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2018 年 5 月17 日

目录

一、设计目的 (2)

二、设计任务 (2)

1.设计的任务 (2)

2.设计指标内容及要求 (2)

三、电镀装置斩波器的各单元电路设计 (3)

1.主电路模块设计 (3)

2.主电路框图 (3)

3.斩波电路................................... 错误！未定义书签。

4.整流电路................................... 错误！未定义书签。

5.驱动模块 (6)

6.控制模块 (7)

四、元件参数计算 (9)

1.元器件选择 (10)

五、proteus仿真 ................................ 错误！未定义书签。

六、总结 (12)

七、参考文献 (14)

一、设计目的

1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Inter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、设计任务

1.设计的任务

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、主电路的参数计算与选择；

4、平波电抗器的参数计算与选择；

5、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；

6、绘制主电路、保护电路、控制电路设计电气系统原理图；

7、写出课程设计实验报告。其中设计报告包括有设计的目的，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；

2.设计指标内容及要求

(1)要求提供Ud=50V；

(2)Id=500A的直流电源；

(3)现有交流器输出电压240V；

(4)做出合理的主电路设计；

(5)控制电路模块，这里我们的斩波电路由SG3525芯片控制；

(6)驱动电路模块，驱动芯片选用EXB841。

三、电镀装置斩波器的各单元电路设计

1.主电路的模块设计

将240V交流电经过整流电路转换成50V的直流电，再将直流电压送入斩波电路，通过脉宽调制控制调节输出电压平均值。降压斩波电路设计如图2.2斩波电路：脉宽调制控制信号由IGBT驱动电路发出；保护电路用以缓冲IGBT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。

2.主电路的框图

3.斩波电路图

3.1斩波电路图

3.2波形图

1.工作原理：斩波电路主要用于电力电子的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负

E所示。若负载中无反电动势，只载等，后两种情况下负载中均会出现反电动势如图中的m

需令m

E=0。

2.波形图：如图

3.1中V 的栅极电压GE U 波形所示，在t=0时刻驱动V 导通，电源E 向负载供电，负载电压0u =E ,负载电流0i 按指数曲线上升。

当1t t =时，控制V 关断，负载电流经二极管VD 续流，负载电压0u 近似为零，负载电流呈指数曲线下降。至一个周期T 结束，在驱动V 导通，重复上一周期的过程。当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图3.2所示。 负载电压的平均值为

(2-1)

式中，on t 为V 处于通态的时间，off t 为V 处于断态的时间，T 为开关周期，为导通占空比，简称占空比或导通比。负载电流平均值为:

R E U I m o 0-= (2-2)

电流断续时，负载电压o u 平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。

3.斩波电路有三种控制方式：

(1）脉冲宽度调制（PWM ）：保持开关周期T 不变，调节开关导通时间on T 。

(2)频率调制：保持开关导通时间on T 不变，改变开关周期T 。

(3）混合型：on T 和T 都可调，使占空比改变。

本设计选择第一种控制方式

4.整流电路

整流电路采用单相桥式整流电路，此电路对每个导电回路进行控制，无须用续流二极管，也不会失控现象，负载形式多样，整流效果好，波形平稳，应用广泛。变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器的利用率也高。并且单相桥式全控整流电路具有输出电流脉动小，功率因素高的特点。

4.1 单相桥式整流电路

5.驱动电路模块

驱动芯片EXB841功能介绍

EXB 系列驱动器的各引脚功能如下：脚 1 ：连接用于反向偏置电源的滤波电容器；脚2 ：电源（＋20V ）；脚 3 ：驱动输出；脚 4 ：用于连接外部电容器，以防止过流保护电路误动作（大多数场合不需要该电容器）；脚 5 ：过流保护输出；脚 6 ：集电极电压监视；脚 7、8 ：不接；脚 9 ：电源；脚 10 、11 ：不接；脚 14 、15 ：驱动信号输入（一，＋）；IGBT 通常只能承受 10us 的短路电流，所以必须有快速保护电路。EXB 系列驱动器内设有电流保护电路，根据驱动信号与集电极之间的关系检测过电流，所示。当集电极电压高时，虽然加入信号也认为存在过电流，但是如果发生过电流，驱动器的低速切断电路就慢速关断IGBT ，从而保证 1GBT 不被损坏。如果以正常速度切断过电流，集电极产生的电压尖脉冲足以破坏 IGBT

IGBT对驱动电路的要求

（1）触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度，即脉冲前后沿要陡峭；。（2）栅极串连电阻Rg要恰当。Rg过小，关断时间过短，关断时产生的集电极尖峰电压过高；Rg 过大，器件的开关速度降低，开关损耗增大。

（3）栅射电压要适当。增大栅射正偏压对减小开通损耗和导通损耗有利，但也会使管子承受短路电流的时间变短，续流二极管反向恢复过电压增大。因此，正偏压要适当，通常为+15V。为了保证在C-E间出现dv/dt噪声时可靠关断，关断时必须在栅极施加负偏压，以防止受到干扰时误开通和加快关断速度，减小关断损耗，幅值一般为-（5～10）V；

（4）当IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流，实现IGBT的软关断。驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响。当然驱动电路还要注意像防止门极过压等其他一些问题。日本FUJI公司的EXB841

芯片具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性，是一种比较典型的驱动电路。其功能比较完善，在国内外得到了广泛应用

驱动芯片EXB841的控制原理

图 5.1 EXB841的工作原理

图5.1为EXB841的驱动原理。其主要有三个工作过程：正常开通过程、正常关断过程和过流保护动作过程。14和15两脚间外加PWM控制信号，当触发脉冲信号施加于14和15引脚时，在GE两端产生约16V的IGBT开通电压；当触发控制脉冲撤销时，在GE两端产生-5.1V 的IGBT关断电压。过流保护动作过程是根据IGBT的CE极间电压的大小判定是否过流而进行保护的，由二极管Vd7检测。当IGBT开通时，若发生负载短路等发生大电流的故障，会上升很多，使得Vd7截止，EXB841的6脚“悬空”，B点和C点电位开始由约6V上升，当上V6导通，从而使IGBT的GE间电压下降，实现软关断，完成EXB841对IGBT的保护。射极电位为-5.1V，由EXB841内部的稳压二极管2Z V决定。

6.控制电路模块

斩波电路由SG3525芯片控制.

2.2.1 芯片SG3525功能介绍

SG3525是电流控制型PWM控制器，是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。

1）SG3525引脚功能及特点简介

其原理图如图：

引脚功能

Inv.input(引脚1)：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。

Noninv.input(引脚2)：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。

Sync(引脚3)：振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。

OSC.Output(引脚4)：振荡器输出端。

CT(引脚5)：振荡器定时电容接入端。

RT（引脚6）：振荡器定时电阻接入端。

Discharge(引脚7)：振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。

Soft-Start(引脚8)：软启动电容接入端。该端通常接一只5 的软启动电容。

Compensation(引脚9)：PWM比较器补偿信号输入端。在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。

Shutdown(引脚10)：外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出被禁止。该端可与保护电路相连，以实现故障保护。

Output A（引脚11）：输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。

Ground(引脚12)：信号地。 Vc(引脚13)：输出级偏置电压接入端。

Output B（引脚14）：输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。

Vcc（引脚15）：偏置电源接入端。

Vref(引脚16)：基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。

2）SG3525的工作原理

SG3525内置了5.1V精密基准电源，微调至 1.0%，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电组。SG3525还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。在CT引脚和Discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。由于SG3525内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。

SG3525的软启动接入端（引脚8）上通常接一个5 的软启动电容。上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平。此时，PWM琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作。由于实际中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM比较器输出为正的时间变长，PWM琐存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态。反之亦然。

外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。当Shutdown（引脚10）上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。注意，Shutdown引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。

欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。

此外，SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM琐存器才被复位。

四、元件参数计算：

设计输入电流为频率50Hz的三相380V交流电，其脉冲周期为：

11

0.02

50

m

m

T s

f

===

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稳压，电流为直流。输入电压为240V 稳压，占空比。因为，取3倍裕量，选耐压为150V 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，所以应选用>4倍额定负载电流的IGBT 为宜；因此选用额定电流2000A,额定电压150V 左右的IGBT 。计算C L ：由式

错误！未找到引用源。

把o U 、错误！未找到引用源。、o P 代入上式得出

虽说电感L 的值越大，得到的图形越稳定，但在此电路中，需要看到稳波，因此按计算值设置参数即可。

计算C ：由式

错误！未找到引用

源。

计算出

H 错误！未找到引用源。。电容C 的值越大，得到的图形越

稳定，

1.元件选择 名称 数量 名称 数量 IGBT 1 电容 若干

变压器 1 电感 若干

电阻 若干 EXB841芯片 1

晶闸管 4 续流二极管 1

2009(1)8U C T L U α-=?200

(1)2c U L P α-=

五、Proteus仿真

1.控制电路图

2.保护电路图

MATLAB

六、总结

通过这次电力电子课程设计，了解了电镀装置发展历程：我国电镀行业经历了由20世纪80年代初期的高峰跌入低谷，90年代开始回升，经过10多年的恢复发展，随着世界制造业中心向我国转移，香港、台湾、东南亚、韩国与及一些发达国家和地区的电镀企业纷纷到我国设厂，我国已成为电镀大国，但还不是电镀强国。由于电镀加工给产品带来的装饰性和功能性，工艺技术的不断改进和发展，而且，电镀行业相对其它行业是以节省贵金属为目的的节约型行业，电镀行业已成为我国国民经济发展过程中的一个不可缺少，也不可替代，还有上升趋势的发展型行业。

直流-直流变流电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流电变流电路和间接直流电变流电路。直接直流电变流电路也称斩波电路，它的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称带隔离的直流-直流变流电路或直-交-直电路。

直流斩波电路的种类有很多，包括六种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路,Cuk斩波电路，Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，利用不同的斩波电路的组合可以构成符合斩波电路，如电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路等。利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。

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，从得到课题时的一脸茫然到通过查资料、与同学探讨、经老师指导后，自己设计并写出这份报告，心中充满了成就感。通过课程设计还拓宽了知识面，学到了很多课本上没有的知识，报告只有自己去做能加深对知识的理解，任何困难只有自己通过努力去克服才能收获成功的喜悦。同时在设计的过程中我发现自己对课本知识的理解不够深刻，掌握的不牢靠，以后定会努力温习以前的知识，只有这样才能做到温故而知新，掌握所学的知识，做到学以致用。

七、参考文献

[1]阮毅，陈伯时. 电力电子技木（第四版）[M]．机械工业出版社，2009.