毕业设计(论文)-单极性脉冲电源的设计.doc
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1、I 目 录 第第 1 1 章章 绪论绪论.1 1.1 脉冲电源发展动态.1 1.2 脉冲电源的特点.1 1.3 脉冲电源的优点.2 1.4 脉冲电源的分类.2 1.5 脉冲电源使用局限性.2 1.6 本论文研究内容和特点.2 1.7 设计技术指标.3 第第 2 章章 脉冲电源总体结构脉冲电源总体结构.4 2.1 概述.4 2.2 脉冲电源工作原理和系统框图.4 2.3 主电路设计.5 2.4 控制电路的设计.6 2.5 设计方案的确定.7 第第 3 3 章章 主电路的设计主电路的设计.10 3.1 概述.10 3.2 整流电路的设计10 3.3 斩波电路的设计.13 3.4 滤波电路的选择.2
2、0 3.5 参数计算及选型.21 第第 4 章章 控制电路部分设计控制电路部分设计.27 4.1 控制部分介绍.27 4.2 单片机介绍.27 4.3 脉冲电流幅值检测电路.28 4.4 过流过压保护电路.31 4.5 过零检测的设计.33 第第 5 章章 软件部分设计软件部分设计.36 5.1 数字 PID 算法.36 5.2 软件流程图.41 第第 6 6 章章 总结总结.46 参考文献参考文献.47 外文资料原文外文资料原文.48 外文资料翻译外文资料翻译.59 致谢致谢.66 附录附录.67 1 第1章 绪论 1.1 脉冲电源发展动态 脉冲电源的形式和用途有多种,其主要的应用领域包括:
3、脉冲电镀、极性相和非极性 相的相分离、工业废气处理、脉冲电解污水处理、高频脉冲感应加热、高功率激光泵、 产生高功率带电粒子束、电弧焊接、电火花加工、静电除尘、臭氧的制取和表面热处理 等。在军事上,脉冲电源还用于电磁轨道炮、电磁脉冲模拟、粒子束武器、液电爆炸等 领域。不同的应用场合,对电源的输出电压、输出电流及开关频率的要求不同。按照输 出特性的不同,可以将脉冲电源分为能量密度型、时间间隔型和组合型三类。控制凝固 过程用脉冲电源属于组合型,它对能量密度和时间都有要求。 脉冲电源的发展在促进开关器件发展的同时受制于开关器件的发展,尤其是大功率 脉冲电源更是依赖于开关器件的发展。随着GTO等自关断器
4、件的出现,产生了斩波型脉 冲电源。斩波型脉冲电源的原理是将前级的直流经过大功率开关器件控制后,输出周期 和占空比由开关器件控制脉冲决定的大功率脉冲输出。这类电源的最突出缺点是输出与 输入不隔离,对电网的污染太严重。如果增加输入隔离变压器,由于电源功率太大,使 得变压器的体积巨大。另外的一个缺点就是由于开关器件工作频率的限制,使得脉冲电 源输出的频率很低。随后出现的开关器件IGBT由于它本身的优点,使得研制逆变型脉冲 电源成为可能。IGBT的高工作频率可以使隔离变压器体积大大减小,同时可以提高脉冲 输出的频率。 就目前国内外发展来看,等离子热处理用脉冲电源的主要发展方向是逆变型的大功 率脉冲电源
5、,一些新的器件的出现,会提高脉冲电源系统的性能但不会改变电源系统的 逆变主电路拓扑。应用于热处理的脉冲电源,国外的成熟产品中有300kW以下的一系列 逆变型脉冲电源。但国内相关成熟产品只能达到50kW.因此,研制IOOkW以上的逆变型脉 冲电源具有很高的实用价值。 1.2 脉冲电源的特点 与传统直流电源相比, 脉冲电源就是其输出直流波形、频率、占空比和平均电流密 度等参数均可根据电镀需要设定的直流电源, 其特点可概括为: 1)频率(f)、占空比(D)连续可调; 2) 波形特殊(例如方波等)。 脉冲电源的这些特点在生产中的实际意义就是, 在电镀过程中, 脉冲电源可通过改 变其输出波形的频率、占空
6、比和平均电流密度, 来改变电镀槽中金属离子电沉积过程, 使电沉积过程在较宽范围内变化, 从而可获得均匀致密较为理想的镀层。例如在印制线 路板行业(PCB) 中, 使用脉冲电源电镀, 可提高其深镀能力, 使镀层均匀、致密、不脱 落。 2 1.3 脉冲电源的优点 脉冲电源作为电镀电源, 主要有以下优点: 1) 镀层孔隙率低, 致密性好, 抗蚀性高。 2) 降低原材料损耗, 提高生产效率。 3) 镀层应力低, 成分稳定, 深镀能力强。 1.4 脉冲电源的分类 脉冲电源从波形分析看, 一般有以下几种: 1) 正弦波脉冲电源; 2) 锯齿波脉冲电 源; 3) 方波脉冲电源; 4) 多波形脉冲电源; 5)
7、 周期换向型脉冲电源。1) 4) 均为 单脉冲电源, 换向型脉冲电源亦称双脉冲电源。 在实际使用中, 方波脉冲电源使用较为普遍, 多用于无特殊要求的镀金、银、镍场 合, 多波形脉冲电源多应用于合金类表面硬质氧化场合, 例如铝的硬质氧化, 而双脉冲 电源为新近发展的新颖脉冲电源,是对于表面要求高的场合较为理想的电源, 如精密仪 器、电子元件陶瓷基片表面处理。 1.5 脉冲电源使用局限性 上面简要说明了脉冲电源作为电镀电源使用的特点和使用方法, 但并非脉冲电源在 任何场合使用都能获得较为理想的表面, 脉冲电源也存在一定的局限性, 主要表现在以 下几个方面: 1) 脉冲电源虽然在表面能形成致密均匀的
8、镀层, 但在要求工件表面镀层较厚的场 合效果并不理想, 效率低。一般情况下,2030cm以上镀层用其它直流电源电镀比脉冲 电源理想。 2) 脉冲电源在较为复杂的表面(例如首饰、插件) 能形成较为均匀的镀层, 保持工 件原有机械形状, 但在深镀能力上不理想, 电流效率较低, 例如深孔电镀,PCB 行业中 孔径比较大的印制板电镀, 虽然表面质量较为理想, 但会出现镀层厚度不一致的现象。 3) 脉冲电源工作时, 在电镀槽中产生变流低频振荡会引起部分有机类添加剂分解, 造成镀液污染,故在脉冲电源使用场合, 最好不使用有机添加剂。 4) 电流效率低, 在对工件表面要求不高、镀层较厚、单产产量大的贵金属电
9、镀中, 使用脉冲电源效果比用低纹波高频开关电源要逊色。综上所述, 随着科技进步, 电子、 通信、信息等尖端高科技工业的发展, 电镀脉冲电源的应用将越来越广泛, 合理使用脉 冲电源必将对我国金属表面处理行业的发展起到很大的促进作用。 1.6 本论文研究内容和特点 本课题主要进行以下几方面的工作: (1)硬件电路制作和实验研究完成主电路、控制电路、驱动电路和保护电路的制作, 进行实验装置的实验研究,形验证设计的正确性。 3 (2)软件设计 针对所采用的控制算法,设计出控制软件:完成控制电路其他辅助功能的程 序。 1.7 设计技术指标 (1)、输入参数 电压:3AC 380V 50Hz (2)、输出
10、参数 脉冲电流频率:1001000Hz连续可调 脉冲电流幅值:0100A连续可调 脉宽:100200s连续可调 输出电压:015V 频率误差:0.5% 脉宽误差:1% 幅值误差:0.3% (3)、控制系统以凌阳16片机作为控制核心; (4)、采用三相全控整流电路,整流桥选用SCR功率元件; (5)、斩波器主电路功率元件采用IGBT. 4 第第2 2章章 脉冲电源总体结构脉冲电源总体结构 2.1 概述 根据系统的运行环境选择合理的方案、研究有效可靠的电路和先进的系统控制算法 是脉冲电源总体研究的主要任务,本章分析了脉冲电源的组成和工作原理。 三相整流电路将三相交流电经三相全控整流桥后变为电压可控
11、的直流脉动电压,在 经直流滤波器之后变为平直的直流电压。斩波电路的关键是功率器件的驱动、和各种快 速完善的保护功能。控制电路是整个系统的核心,主要完成对整流桥的晶闸管的触发角 的控制,对电流脉冲的幅值根据PID算法进行闭环控制,对电流脉冲的频率和宽度,根 据给定信号进行调节。大功率脉冲变压器主要是传递脉冲电压,输出大幅值脉冲电流。 该电源中脉冲变压器的特点是功率大,副边为低电压大电流。 2.2 脉冲电源工作原理和系统框图 根据脉冲电源系统的组成原理给出脉冲电源的工作原理略图,如下图 三相全控 整流桥 滤波电路 降压斩波 电路 负载 触发角 控制 f T控制 信号采集 转换 单 片 机 输入给定
12、 输入给定 输入给定 图 2-1 工作原理图 本设计的最终目标是实现输出脉冲宽度、频率和幅值的连续可调,所以首先应考虑 到的是将三相交流电经过处理后转换成直流的,且是以脉冲的形式输出。并且,要求输 出的脉冲幅值在一定范围内连续可调,并是通过单片机控制的,这就要从输出端采集信 5 息,通过与给定的信号相比较候,输送给单片机,由单片机控制整流部分的触发角,由 此形成一个闭环控制回路,以达到控制输出脉冲幅值的目标。对于输出脉宽的调制,则 可通过调节斩波环节的占空比,实现对输出脉宽的调节。所以可以把要设计的脉冲电源 分成三个主要的部分:整流部分、滤波部分和斩波部分。 2.3 主电路设计 2.3.1 整
13、流电路的选择 整流电路从不同的角度有多种不同的分类,按组成的器件可分为不可控、半控、全 控三种。考虑到本次设计所要实现的目标,即通过控制三相整流桥的移向触发角的要求, 所以,选择三相桥式全控整流电路。主电路输入 380v 50Hz 工频交流电,可通过改变触 发控制角输出直流可调电压,以达到脉冲电流幅值可调的目的。 C2 C6 R6 G1G3G5 G4 G6G2 K1K3 K5 K4 K6 K2 2/D9 2/E9 2/E9 2/F9 2/F9 2/G9 2/G9 2/H9 2/H9 2/I9 2/I9 2/J9 图 2-2 整流主电路图 由图2-2可以看出,在任意时刻电路必须有两个晶闸管同时导
14、通,其中一个属于共 阴极组,另一个属于共阳极组,每个晶闸管的最大导通角为120.晶闸管之间的换相是 在同一结构组中进行的,即共阳极与共阳极的晶闸管换相,共阳极与共阴极的晶闸管换 相。在这种电路中一般采用双脉冲或宽脉冲的触发方式保证每隔600导通一个晶闸管。 2.3.2 滤波电路的选择 在大多数电子设备中,整流电路都要加接滤波电路,以减小整流电压的脉动程度, 适合稳压电路的需要。 (1)电容滤波电路 最简单也是最常用的滤波电路就是在负载上并联一个电容器,利用电容器充放电时 6 端电压不能跃变的特性使直流输出电压稳定。 (2)电感滤波电路 电感滤波电路则是在负载上串联一个电感线圈,由于通过电感线圈
15、的电流发生变化 时,线圈中要产生自感电动势阻碍电流的变化,因而使负载电流和负载电压的脉动大为 减小。频率愈高,电感愈大,滤波效果愈好,所以一般用于高频场合。 (3)复式滤波电路 LC滤波器,适用于电流较大、要求输出电压脉动很小的场合,用于高频时更为合适。 形LC滤波器,滤波效果更好。由于电感线圈体积大而笨重,成本又高。 用电阻替代电感的形RC滤波器,可以达到同样的滤波效果,但由于电阻上有直流 压降,因此主要适用于负载电流较小的场合。 通过对上述几种主要的滤波电路的分析,所以本次设计采用电容滤波电路,滤波电 容容量大,因此一般采用电解电容,在接线时要注意电解电容的正、负极。电容滤波电 路利用电容
16、的充、放电作用,使输出电压趋于平滑。 2.3.3 斩波电路的选择 斩波电路设计的关键是开关元件的选择,在本次设计中,选择的是IGBT。在选定了 IGBT作为开关元件后,还要对其驱动和保护电路作进一步的分析。 IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区,因而形成了一个大面积的P+N结。这样使得IGBT 导通时由P+注入区向N基区发射少子,从而对飘移区电导率进行调制,使得IGBT具有很 强的通流能力。IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同,它是一种场控器件。其开通和 关断是由栅极和发射极间的电压决定的,当电压为正且大于开启电压时,IGBT导通;当 栅极和发射极间施加反向电压或不加信号时,IG
17、BT关断。同时,IGBT的保护也是一个重 要环节。在进行电路设计时,应针对影响IGBT可靠性的因素,有的放矢的采取相应的保 护措施,其中包括:栅极的保护、集电极与发射极间的过压保护、集电极电流过流保护、 过热保护等。 2.4 控制电路的设计 本系统硬件电路主要由以下几个部分组成:微处理器、脉冲输出电路、开关量输入 输出、A/D 转换电路、电压、电流检测电路等几部分组成。本设计计划用凌阳 16 位单 片机作为控制核心,控制整个系统得工作,对系统外面的输入信号进行处理,通过计算 输出脉冲波形控制整流单元的正常工作。通过检测电路检测到的电流幅值反馈信号,送 到整流单元控制电路控制整流桥的触发角,输出
18、不同幅值的脉冲电流,达到输出电流幅 值可调。脉宽和频率由电位器输出模拟电压值给定,模拟电压送入微处理器,由微处理 器内置 A/D 转换器将其转换成数字信号,由该数字信号决定输出电流脉冲的脉宽、频率。 随着单片机功能集成化的发展,其应用领域也逐渐地由传统的控制,扩展为控制处 7 理、数据处理以及数字信号处理(DSP,Digital Signal Processing)等领域。凌阳的 16位单片机就是为适应这种发展而设计的。它的CPU内核采用凌阳最新推出的nSP (Microcontroller and Signal Processor)16位微处理器芯片(以下简称nSP) 。 围绕nSP所形成的
19、16位nSP系列单片机(以下简称nSP家族)采用的是模块 式集成结构,它以nSP内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设 接口部件。 对于此次设计的控制环节,主要是就是由凌阳 16 位单片机控制实现的。通过单片 机对整流电路对的移向触发角和对斩波电路开关元件的通断的控制,实现对脉冲电流幅 值、频率、脉冲宽度的闭环控制。 2.5 设计方案的确定 设计方案比较 方案一 : 本设计方案拟定主电路的整流环节采用三相半波可控整流电路。整流电路中的三个 晶闸管采用的是共阴极的接法,三个阳极分别接到变压器的二次侧,变压器为三角形/星 形连接。共阴极接法时,触发电路有公共点,接线比较方便,应
20、用更为广泛。 当此电路后面接的是电阻性负载时,可以分析的除以下的结论: 当 =0o时,整流输出电压平均值 Ud最大。增大 ,Ud减小,当 =150o时, Ud=0。所以带电阻性负载的三相半波可控整流电路的 移相范围为 0150。当 30o时,负载电流是连续的,各晶闸管每周期轮流导电 120o,即导通角 T=120o.输 出电压的平均值 Ud为 5 6 2 6 1 2sin 2 /3 d tdt UU 2 1.17cos 030 oo U 当 30o时,负载电流断续, 150 o 2 6 1 2sin 2 /3 d tdt UU 2 1 cos 1.17 3 30 30150 o oo U 负载
21、电流的平均值 d d d U I R 流过每个晶闸管的电流平均值 1 3 dTdII 通过每个晶闸管的电流的有效值为 8 当 时 30 o 2 123 cos2 232 T d U I R 当 时 30150 oo 2 1531 cos2sin2 2644 T d U I R 当为大电感负载时,大电感负载的三相半波可控整流电路在 30o时,ud的波形 和电阻性负载时相同,因为两种负载情况下,负载电流均连续。当 30o时,ud的波形 中出现负的部分,若 增大,ud的波形中负的部分将增多,至 =90o时,ud的波形中 正负面积相等,ud的平均值为零。可见阻感负载时 的移相范围是 90o。 三相半波
22、可控整流电路的主要缺点在于其变压器的二次电流中含有支流分量,为此, 在此次设计中并没有选择三相半波可控整流电路作为主电路的整流环节。 方案二: 在斩波电路的设计过程中,对于控制斩波电路的元器件的选择是个非常重要的环节。 首先考虑的是 GTO。门极可关断晶闸管(Gate Turnoff Thyristor)简称 GTO。它具 有普通晶闸管的全部优点,如耐压高、电流大等。同时它又是全控型器件,即在门极正脉 冲电流触发下导通,在负脉冲电流触发下关断。GTO 被广泛应用于电力机车的逆变器、电 网动态无功补偿和大功率直流斩波调速。 GTO 的工作原理 GTO 的内部结构与普通晶闸管相同,都 PNP 四层
23、三端结构,但在制作时采用特殊的工 艺使管子导通后处于临界饱和,而不像普通晶闸管那样处于深度饱和状态,这样可以用门 极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断。GTO 的伏安特性与普通晶闸管相同。 GTO 主要用于直流变换和逆变等需要元件强迫关断的地方。其开关时间在几 s 至 25s 之间,工作电压高达 6000V,电流达 6000A,适用于开关频率为数百 Hz 至 10kHz 的大 功率场合。 GTO 的特性 GTO 的特性与 SCR 大多相同,但也有其特殊性。 (1)用门极正脉冲可使 GTO 开通,门极负脉冲可以使其关断,这是 GTO 最大的优点。但 要使 GTO 关断的门极反向电流比较大,约为阳
24、极电流的 1/5 左右。尽管采用高幅值的窄 脉冲可以减小关断所需的能量,但还是要采用专门的触发驱动电路。 (2)GTO 的通态管压降比较大,一般为 23V; (3)GTO 有能承受反压和不能承受反压两种类型,在使用时要特别注意。 其次考虑的是 GTR。 电力晶体管(Giant Transistor)简称 GTR,是一种双极型大功 率高反压晶体管。它具有自关断能力、控制方便、开关时间短、高频特性好、价格低廉 等优点。GTR 经历了双极单个晶体管、达林顿管和 GTR 模块等发展阶段。目前 GTR 的容 量已达 400A/1200V、1000A/400V,工作频率可达 5kHz,因此被广泛用于不停电
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