电力电子技术课程设计课程设计必备.docx
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电力电子技术课程设计课程设计必备
电力电子技术课程设计报告
一种民用直升机蓄电池充电器的设计
指导教师:
学生:
学号:
专业
班级:
级班
重庆大学自动化学院
2009年12月
课程设计指导教师评定成绩表
项目
分值
优秀
(100>x≥90)
良好
(90>x≥80)
中等
(80>x≥70)
及格
(70>x≥60)
不及格(x<60)
评分
参考标准
参考标准
参考标准
参考标准
参考标准
学习态度
15
学习态度认真,科学作风严谨,严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作
学习态度比较认真,科学作风良好,能按期圆满完成任务书规定的任务
学习态度尚好,遵守组织纪律,基本保证设计时间,按期完成各项工作
学习态度尚可,能遵守组织纪律,能按期完成任务
学习马虎,纪律涣散,工作作风不严谨,不能保证设计时间和进度
技术水平与实际能力
25
设计合理、理论分析与计算正确,实验数据准确,有很强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力,文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信
设计合理、理论分析与计算正确,实验数据比较准确,有较强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力,文献引用、调查调研比较合理、可信
设计合理,理论分析与计算基本正确,实验数据比较准确,有一定的实际动手能力,主要文献引用、调查调研比较可信
设计基本合理,理论分析与计算无大错,实验数据无大错
设计不合理,理论分析与计算有原则错误,实验数据不可靠,实际动手能力差,文献引用、调查调研有较大的问题
创新
10
有重大改进或独特见解,有一定实用价值
有较大改进或新颖的见解,实用性尚可
有一定改进或新的见解
有一定见解
观念陈旧
论文(计算书、图纸)撰写质量
50
结构严谨,逻辑性强,层次清晰,语言准确,文字流畅,完全符合规范化要求,书写工整或用计算机打印成文;图纸非常工整、清晰
结构合理,符合逻辑,文章层次分明,语言准确,文字流畅,符合规范化要求,书写工整或用计算机打印成文;图纸工整、清晰
结构合理,层次较为分明,文理通顺,基本达到规范化要求,书写比较工整;图纸比较工整、清晰
结构基本合理,逻辑基本清楚,文字尚通顺,勉强达到规范化要求;图纸比较工整
内容空泛,结构混乱,文字表达不清,错别字较多,达不到规范化要求;图纸不工整或不清晰
指导教师评定成绩:
指导教师签名:
年月日
自动化学院2007级自动化专业
电力电子技术课程设计任务书
一、课程设计的教学目的和任务
电力电子技术是研究利用电力电子器件、电路理论和控制技术,实现对电能的控制、变换和传输的科学,其在电力、工业、交通、通信、航空航天等很多领域具有广泛的应用。
电力电子技术不但本身是一项高新技术,而且还是其它多项高新技术发展的基础。
因此,提高学生的电力电子领域综合设计和综合应用能力是教学计划中必不可少的重要一环。
通过电力电子技术的课程设计达到以下几个目的:
1、培养学生文献检索的能力,特别是如何利用Intel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、课程设计的基本要求
1.教师确定方向,在教师的指导下,学生自立题目
注意事项:
①所立题目必须是某一电力电子装置或电路的设计,题目难度和工作量要适应在一周内完成,题目要结合工程实际。
学生也可以选择规定题目方向外的其他电力电子装置设计,如开关电源、调光灯、镇流器、UPS电源等,但不允许选择其他班题目方向的内容设计(复合变换除外)。
②通过图书馆和Intel网广泛检索和阅读自己要设计的题目方向的文献资料,确定适应自己的课程设计题目。
自立题目后,首先要明确自己课程设计的设计内容。
要给出所要设计装置(或电路)的主要技术数据(如输入要求,输出要达到的目标,装置容量的大小以及装置要具有哪些功能)。
如:
直流电动机调压调速可控整流电源设计
主要技术数据
输入交流电源:
三相380V
10%f=50Hz
直流输出电压:
0~220V
50~220V范围内,直流输出电流额定值100A
直流输出电流连续的最小值为10A
设计内容:
整流电路的选择
整流变压器额定参数的计算
晶闸管电流、电压额定的选择
平波电抗器电感值的计算
保护电路的设计
触发电路的设计
画出完整的主电路原理图和控制电路原理图
列出主电路和控制电路所用元器件的明细表
2.在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的思维方式以及创造能力。
要求具体电路方案的选择必须有论证说明,要说明其有哪些特点。
具体电路元器件的选择应有计算和说明。
课程设计从确定方案到整个系统的设计,必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础上,经过刨析、提炼,设计出所要求的电路(或装置)。
课程设计中要不断提出问题,并给出这些问题的解决方法和自己的研究体会。
(注意:
所确定的主电路方案如果没有论证说明,成绩不能得优;设计报告最后给出设计中所查阅的参考文献最少不能少于5篇,且文中有引注,否则也不能得优)。
3.在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能力。
要求学生在教师的指导下,独力完成所设计的系统主电路和控制电路等详细的设计(包括计算和器件选型),严禁抄袭。
4.课题设计的主要内容是主电路的设计,主电路的分析说明,主电路元器件的计算和选型,以及控制电路设计。
5.课题设计报告要求图表规范,文字通顺,逻辑性强。
三、课程设计的工作计划
课程设计时间6天。
第1天上午,指导教师向学生讲授课程设计的目的、任务、设计方法和注意事项。
第1天下午和第2天学生到图书馆和Intel网上按照指导教师的要求查找所需要的文献,并在阅读分析中确定自己的研究题目、技术数据和设计内容,交指导教师审阅。
第3天学生的主要任务是确定方案。
第4天和第5天上午,学生的任务是综合所学知识,进行主电路和控制电路的设计。
第5天下午和第6天学生的主要任务是撰写课程设计报告。
四、各班的题目方向
1班题目方向:
相控整流技术的工程应用
2班题目方向:
斩波技术的工程应用
3班题目方向:
交流调压或交流调功技术的工程应用
目录
1引言1
2电源设计的基本要求1
2.1主要技术数据1
2.2其他设计要求1
3充电器电路方案和设计2
3.1充电器电路选择2
3.2充电工作原理3
3.3放电工作原理3
3.4单相桥式整流(不可控)工作原理4
4充电器的参数计算4
4.1电流可逆双象限变换器参数设计4
4.2电源变换电路参数设计5
5控制电路设计6
5.1充电工作方式6
5.2放电工作方式6
6课程设计总结7
6.1课程设计小结7
6.1课程设计体会7
参考文献7
附录8
一种民用直升机蓄电池充电器的设计
1引言
世界平均每百万人拥有民用直升机4.64驾,我国每百万人拥有的民用直升机为0.09,仅为世界平均水平的五十二分之一。
我国如果要达到世界水平的话需要6000多驾民用直升机。
可见民用直升机发展前景广阔,预计我国未来10年民用直升机需求1万驾。
随着直升机的增多,相关的配套仪器也应发展改进,如直升机蓄电池充电器。
目前直升机装备的蓄电池主要有铅酸和镉镍两种类型,铅酸蓄电池一般采用恒压限流充电方式,镉镍蓄电池由于存在记忆现象,在充电前应充分放电[1]。
传统的蓄电池充电器采用可控硅整流器,利用其可逆运行特性实现电池的充放电,但其体积重量大,动态响应特性差[2],同时因可控硅整流电路为电压可逆,充放电工作转换时电池要改变电极连接,使用不方便。
现在一般采用高频开关型整流器为蓄电池充电[3],普通的开关型整流器不能可逆运行,需要另外的放电器。
为满足各类型直升机的蓄电池地面维护要求,我想研制了一种通用型的直升机蓄电池充电器。
该充电器将充电和放电结合由一套功率和控制电路实现,简化了系统结构,使用方便,该充电器还具有输出与电网高频电气隔离。
2电源设计的基本要求
2.1主要技术数据
输入:
单相交流电电压220V(
10%),
三相交流电电压380V(±10%),
频率f=50Hz
输出:
输出电流2~50A,
最大输出电压40V。
2.2其他设计要求
系统参数设计时,最重要的问题是注意两个变换器的参数匹配,应先根据充放电要求设计电流可逆变换器,再设计电源变换器。
3充电器电路方案和设计
3.1充电器电路选择
为满足蓄电池的使用维护要求,该充电器应具备充电和放电两种功能,兼顾传统使用惯例,为铅酸蓄电池充电时采用恒压限流方式,为碱性电池充电时先自动恒流放电,然后恒流定时充电,结合直升机蓄电池的状态,该充电器的输出电流最大为50A,充电器的输入既可为单相交流电,也可为三相交流电。
传统的开关型高频可逆整流电路有两种方案:
(1)由二个全桥变换器构成,可实现高频隔离,但电路结构复杂;
(2)采用三相或单相SPWM整流器,电路较简单,但不能实现高频隔离,不能单相输入、三相输入通用。
如图1所示为本文提出的通用型充电器的功率电路结构图。
由电源变换器和电流可逆双象限变换器两部分组成。
根据不同的要求,控制3个开关管Q1,Q2,Q3的开通和关断,可使变换器工作于充电和放电两种工作方式。
本设计选用电路用最省的器件完成了设计要求,有良好的经济可行性
电源变换器如图1中虚线框所示,采用半桥电路,结构简单,功率管为场效应管,在充电时输入接触器Ki闭合,交流电整流后再经半桥逆变、高频隔离和整流,转换为直流电供给后级电路。
放电时Ki断开,电源变换器不工作。
图1中实线框内为电流可逆双象限变换器。
图1充电器电路
3.2充电工作原理
充电时,Q1断开,电源变换器输出的直流电由降压斩波器调整为恒定电流给电池充电(见图2)。
图2充电工作示意图
3.3放电工作原理
放电时,Q1闭合,升压变换器将电池能量以恒流放电方式消耗在放电电阻上(见图3)。
图3放电工作示意图
另外设一个输出开关Ko用于输出控制,可以起到以下作用:
①只有Co上电压高于一定值时Ko才导通,当电池接入时,经Ro给Co充电,可防止电池的瞬时短路和接线时的拉弧现象;②起电池保护作用;③充/放电器故障时,Ko断开。
功率电路上设两个电流检测点和3个电压检测点,CT1用于输入过流保护,CT2用于电流控制和充放电过流保护,V1用于输入过欠压保护,V2用于输出过欠压保护,V3用于电池短路、开路和反接保护。
3.4单相桥式整流(不可控)工作原理
在此电路中,D1和D4组成一队桥臂,D2和D3组成一队桥臂。
(1)当u2大于零时(u2正半周)
D1和D4导通,电流由a端流出,经D1、R、D4流回电源b端,当u2过零时D1、D4两端电压为零,这时D1、D4没有电流通过;
(2)当u2小于零时(u2负半周)
D2和D3导通,电流有b端流出,经D3、R、D2流回电源a端,当u2过零时D3、D2两端电压为零,这时D3、D2没有电流流过。
电路随着u2的变化实现整流
图4单相桥式整流电路
4充电器的参数设计
4.1电流可逆双象限变换器参数设计
电流可逆双象限变换器参数从充电和放电两种工况设计。
放电时主要考虑放电电阻、功率管及输入电感的参数设计。
放电电阻R由放电最小输入功率、升压变换器最低输出电压计算放电电阻
得R值,本设计为R取6只100Ω/200W电阻并联。
功率管由放电最大输入功率、放电时最高输出电压为
确立这时Q2取为100A/250VMOSFET。
按最小放电电流3A时电感电流连续计算
确立这时L取为23μH
充电工作时变换器的输入电压按接近放电最高输出电压选取,这样可以充分利用各元器件,使系统参数最优。
主要考虑滤波电容、滤波电感及功率管的参数设计。
由最低充电电压计算出最小占空比,按最小充电电流时电感电流连续计算
这时L取60μH;根据最大电流Q3选取100A/250VMOSFET。
输出电容取为1000μF/50V电解电容。
综合充放电工况,电路中L0按60μH/50A设计,采用C2N284超微晶铁芯,N=30匝,用60mm×013mm紫铜皮绕制。
4.2电源变换电路参数设计
电源变换电路主要考虑变压器、功率管、输入电容、整流二极管、滤波电感及输出电容的设计。
电源变换器的输出电压即为电流可逆变换器的输入电压,为减小损耗,变换器开关频率取20kHz。
变压器:
根据输入电压、输出电压、副边电流峰值算出变压器两侧的电压、电流值,从而确定变压器参数,通过计算选取C2N284超微晶铁芯,原边绕组匝数取54匝,副边绕组匝数取24匝,原副边导线均采用1125mm×5mm扁铜线。
功率管:
根据功率管峰值电流和最大反压,选用Q1为36A/1000V场效应晶体管。
输入电容:
取△U=1%×U1/2,选用470μF/450V的电容。
整流二极管:
由整流二极管电流有效值及反压,选用2×60A/200V二极管模块。
滤波电感:
按2A输出电流,电流连续计算得到Li≥75μH。
输出电容:
按输出最大脉动电压不超过1V计算,根据
选用470μF/250V电解电容。
5控制电路设计
充电器的控制电路主要由充放电电压电流控制和保护两部分构成,框图如图5所示。
电源变换器为固定占空比开环控制。
电流可逆双象限变换器的控制方式为闭环控制,控制芯片选用SG1525A。
当变换器的工作方式不同时,其控制是不同的。
5.1充电工作方式
当变换器工作在充电方式时,如果为恒压充电,则整个控制为双闭环控制,外环为输出电压环,保证输出直流电压恒定。
内环为输出电流环,其给定为电压调节器的输出,同时具有限流的功能;如果为恒流充电方式,则使电压环饱和退出控制,整个控制电路中仅电流环起作用,目的是保证输出电流恒定。
5.2放电工作方式
当充电器工作在放电工作方式时,电压调节器总是处于饱和状态,此时仅电流环在工作,其实质为电流控制环。
电流调节器工作,使电感电流等于设定值,由于放电时电感电流方向与充电时相反,所以电流检测信号必须经绝对值电路进行极性变换。
图5控制电路框图
6课程设计总结
6.1课程设计小结
通过以上课程设计,用半桥型电源变换器和电流可逆双向变换器构成的充电器,是将充电和放电结合在一起,由一套功率和控制电路实现,实现了输出与电网的高频电气隔离。
设计时,在选用电路上,在满足直升机蓄电池使用要求的前提下,选用最简单的结构,技术角度考虑也能够实现,不仅使结构简单,体积小巧、重量轻,从经济可行性上来看也符合要求,做到了用最省的器件完成设计要求。
6.2课程设计体会
本次课程设计,巩固了我们对电力电子专业基础知识的掌握,对电力电子技术这门利用电力电子器件、电路理论和控制技术对电能进行处理、控制和变换的学科有了更深入的理解;同时,培养了我们资料检索的能力。
在资料查找搜索过程中,全方位地了解到电力电子在实际工程中的应用意义、方向,使我了解了电力电子技术在国民经济建设中的地位有多重要。
如在交通运输领域,电气机车的直流机车中采用的整流装置,交流机车采用的变频装置,另外车辆中的各种辅助电源,这些都离不开电力电子技术;还有工业自动化领域各种电动机,电化学工业中电解铝、电解食盐水中使用的直流电源即为大容量的整流电源,电镀装置的整流电源,冶金工业中的高频或中频感应加热电源也都用到了电力电子技术,即使在我们生活当中也有电力电子技术的应用,如调光台灯、调速电风扇、电子镇流器节能灯、变频空调、冰箱、电动自行车等。
让我深刻明白电力电子技术已经融入到我们的生活中,改变着我们的生活方式,让我们的生活更节能、环保。
参考文献
[1]王兆安、黄俊.电力电子技术,北京:
机械工业出版
[2]王鸿麟、钱建立、周晓军智能快速充电器设计与制作[M],北京:
科学出版社
[3]崔明.一种新型大容量充电器的设计与实现[J].电力电子技术,1995,(3):
27-29
[4]李建飞.具有恒压限流和限压功能的DC/DC变换器[J].电力电子技术,1999,
(1):
42-44
[5]王兆安.高功率电路可逆变换器研究[J].电力电子技术,2000,(6):
5-7
7附录
编号名称型号数量
R电阻100Ω/200W6
Q2、Q3MOSFET100A/250V2
L0电感60μH/50A1
Li电感75μH1
C0电容1000μF/50V1
Ci电容470μF/450V1
D1-4二极管60A4
控制芯片SG1525A1
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