低溫等離子體消毒滅菌設(shè)備的電源設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書一、課題名稱：低溫等離子體消毒滅菌設(shè)備的電源設(shè)計(jì)二、指導(dǎo)老師：林波三、設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求1、課題概述關(guān)于低溫等離子體的消毒滅菌機(jī)理，迄今為止人們還不能夠給出比較圓滿的答案。大多數(shù)氣體都能夠放用混合氣體激發(fā)等離子體，其消毒滅菌效果往往比單一中性氣體好。低溫等離子體消毒滅菌技術(shù)的關(guān)鍵之一是其高壓高頻電源。 對(duì)高壓高頻電源的最重要的要求是體積小，重量輕，易于控制和高可靠性。傳統(tǒng)的高壓電源因其體積和重量都比較大，且可靠性較低，不能滿足各種實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的要求。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，采用正弦波脈沖寬度（SPWM）調(diào)制的高壓逆變電源可以達(dá)到上述要求，從而能較好的提高低溫等離子體消毒滅菌技術(shù)的系統(tǒng)

2、水平。本課題就是設(shè)計(jì)一個(gè) SPWM 調(diào)制的高壓逆變電源，應(yīng)用于低溫等離子體消毒滅菌設(shè)備。2、設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求1)、設(shè)計(jì)內(nèi)容 簡(jiǎn)單說明各種低溫滅菌方法的優(yōu)缺點(diǎn)，闡述等離子體低溫滅菌的突出優(yōu)越性，然后稍加展開說明離子體低溫消毒滅菌的原理。 闡述等離子體的物理效應(yīng)和應(yīng)用。 簡(jiǎn)單論述系統(tǒng)構(gòu)成。 簡(jiǎn)單論述低溫等離子體消毒滅菌系統(tǒng)對(duì)高壓高頻電源的要求。 分析高壓高頻電源的系統(tǒng)組成，進(jìn)行系統(tǒng)論證、主要電路模塊的功能論證。 對(duì)高壓高頻的系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)指標(biāo)設(shè)計(jì)，對(duì)各部分電路進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。 設(shè)計(jì)并說明對(duì)高壓高頻電源的系統(tǒng)及各部分電路進(jìn)行調(diào)試的方法和步驟。 指明高壓高頻電源可能存在的問題，說明解決的方法與途徑。（要求學(xué)

3、生學(xué)習(xí)過電力電子技術(shù)）2） 、設(shè)計(jì)要點(diǎn)： a) 本設(shè)計(jì)是基于 SPWM 脈寬調(diào)制技術(shù)的全橋高頻逆變電路的一整套高壓高頻電源。 b) 指標(biāo)要求順序：可靠、高精度、體積小、重量輕、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、低成本、低能耗、低電磁污染。3） 、系統(tǒng)組態(tài)：a) 服務(wù)對(duì)象等離子體發(fā)生器；b) 市電整流和濾波電路，獲得需要的直流電源；c) 直流斬波電路，獲得可調(diào)的從 0 伏開始的直流電源；d) 基于 SPWM 脈寬調(diào)制技術(shù)的全橋高頻逆變電路和低通濾波器，獲得頻率可變的高頻電壓。其中正弦波發(fā)生器的設(shè)計(jì)可以選用成熟電路（幾片集成電路組合設(shè)計(jì)）或自行設(shè)計(jì)電路。SPWM 控制電路可以自行設(shè)計(jì)或選用國(guó)外的專用芯片（例如 LM46

4、51）進(jìn)行設(shè)計(jì)；e) 高頻升壓變壓器，獲得高頻高壓的正弦電壓。4） 、系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)：輸出電壓幅度變化范圍；輸出電壓頻率變化范圍：-1040；市電電源供電。四、設(shè)計(jì)參考書與期刊雜志： 等離子物理學(xué) 、 電力電子技術(shù) 、 電子技術(shù) 、 檢測(cè)技術(shù) 、 電工手冊(cè) 、 電子元件手冊(cè) 、 “物理學(xué)報(bào)” 、 “電力電子技術(shù)” 、 “自動(dòng)化技術(shù)”等。畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(小三、宋體、加粗、居中)一、 課題名稱：XXXXX（小四、宋體）二、 指導(dǎo)老師：XXX(小四、宋體)三、 設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求（小四、宋體）課題概述（五號(hào)、宋體）設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求（五號(hào)、宋體）四、 設(shè)計(jì)參考書（小四、宋體）XXXXX（五號(hào)、宋體）五、

5、設(shè)計(jì)說明書要求（小四、宋體） （以下五號(hào)、宋體）封面目錄內(nèi)容摘要（200400 字左右，中英文）引言正文（設(shè)計(jì)方案比較與選擇，設(shè)計(jì)方案原理、計(jì)算、分析、論證，設(shè)計(jì)結(jié)果的說明及特點(diǎn)）結(jié)束語附錄（參考文獻(xiàn)、圖紙、材料清單等）六、畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)程安排（小四、宋體）（以下五號(hào)、宋體）1、畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯要求答辯前三天，每個(gè)學(xué)生應(yīng)按時(shí)將畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書或畢業(yè)論文、專題報(bào)告等必要資料交指導(dǎo)老師審閱，由指導(dǎo)老師寫出審閱意見。學(xué)生答辯時(shí)對(duì)自述部分應(yīng)寫出書面提綱，內(nèi)容包括課題的任務(wù)、目的和意義，所采用的原始資料或參考文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容和主要方法、成果結(jié)論和評(píng)價(jià)。答辯小組質(zhì)詢課題的關(guān)鍵問題，質(zhì)詢與課題密切相關(guān)的基本理論、

6、知識(shí)、設(shè)計(jì)與計(jì)算方法、試驗(yàn)方法、測(cè)試方法，測(cè)試方法，鑒別學(xué)生獨(dú)立工作能力、創(chuàng)新能力。2、畢業(yè)設(shè)計(jì)論文要求 文字要求：說明書要求打?。ǔ龍D紙外） ，不能手寫。文字通順，語言流暢，排版合理，無錯(cuò)別字，不允許抄襲。 圖紙要求：按工程制圖標(biāo)準(zhǔn)制圖，圖面整潔，布局合理，線條粗細(xì)均勻，圓弧連接光滑，尺寸標(biāo)注規(guī)范，文字注釋必須使用工程字書寫。 曲線圖標(biāo)要求：所有曲線、圖標(biāo)、線路圖、程序框圖、示意圖等不準(zhǔn)用徒手畫，必須按國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)或工程要求繪制。附 3：畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)程（8 周時(shí)間）暑假：前期準(zhǔn)備，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)資料的收集、設(shè)計(jì)方案的確定。第 12 周：方案設(shè)計(jì)討論，教師輔導(dǎo)；第 3 周：分系統(tǒng)方案論證、設(shè)

7、計(jì)初稿；第 45 周：分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)初稿；第 6 周：第一次檢查，討論并改寫文稿；第 7 周：第 2 次檢查，完善文稿輔導(dǎo)答辯；第 8 周：設(shè)計(jì)書成績(jī)?cè)u(píng)定、答辯。前 言將等離子體技術(shù)用于消毒滅菌技術(shù)上具有極高的潛在應(yīng)用價(jià)值。因而要求等離子體發(fā)生器具有體積小，重量輕，易于控制和高可靠性的特點(diǎn)。作為等離子體發(fā)生器中一個(gè)重要的組成部分 等離子體高壓電源則起到關(guān)鍵作用。它的性能在很大程度上影響等離子體發(fā)生器的性能。傳統(tǒng)的高壓電源因體積和重量都大，且性能不好，滿足不了實(shí)際應(yīng)用的需要。隨著電力電子技術(shù)和開關(guān)器件的發(fā)展，高壓逆變電源的高頻化及脈寬調(diào)制波形改善技術(shù)使得高壓電源的性能成倍提高，體積成倍減小，應(yīng)用

8、范圍越來越廣。針對(duì)等離子體高壓電源的特殊要求，本文將 SPWM 技術(shù)用于該電源控制中，它具有原理簡(jiǎn)單、控制和調(diào)節(jié)性能好，具有消除諧波、調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓等諸多特點(diǎn)，研制了一臺(tái)單相輸出電壓可調(diào)、頻率連續(xù)可調(diào)的等離子體高壓電源。等離子體是由電子、離子等帶電粒子構(gòu)成的物質(zhì)第四態(tài)，在等離子體高頻電磁場(chǎng)中受帶電粒子轟擊以及紫外線輻照等作用，細(xì)菌病毒細(xì)胞上的電荷分布被徹底破壞并形成電擊穿而迅速死亡。等離子體消毒滅菌技術(shù)是新一代的高科技滅菌技術(shù)，它能克服現(xiàn)有滅菌方法的一些局限性和不足之處，提高消毒滅菌效果。例如對(duì)于不適宜用高溫蒸汽法和紅外法消毒處理的塑膠、光纖、人工晶體及光學(xué)玻璃材料、不適合用微波法處理的金

9、屬物品，以及不易達(dá)到消毒效果的縫隙角落等地方，采用本技術(shù)，能在低溫下很好地達(dá)到消菌滅菌處理而不會(huì)對(duì)被處理物品造成損壞。本技術(shù)采用的等離子體工作物質(zhì)無毒無害。本技術(shù)還可應(yīng)用到生產(chǎn)流水線上對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行消毒滅菌處理。針對(duì)等離子體高壓電源的特殊要求，本文將 SPWM 技術(shù)用于該電源控制中，它具有原理簡(jiǎn)單、控制和調(diào)節(jié)性能好，具有消除諧波、調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓等諸多特點(diǎn)，研制了一臺(tái)單相輸出電壓可調(diào)、頻率連續(xù)可調(diào)的等離子體高壓電源。I摘 要低溫等離子消毒技術(shù)因其具有快捷、安全和高效率等優(yōu)點(diǎn)而受到國(guó)內(nèi)外廣泛研究。本設(shè)計(jì)是利用介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生等離子體原理，研制一種等離子消毒電源。是基于SPWM 脈寬調(diào)制技術(shù)，利用

10、LM4651 驅(qū)動(dòng)器的 PWM 控制能力的全橋高頻逆變電路和低通濾波器，獲得頻率可調(diào)的高頻電壓。實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載頻率的可靠跟蹤和對(duì)逆變狀態(tài)的可靠控制。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：低溫等離子體；SPWM 調(diào)制技術(shù)；電源 IIAbstractThe technology of the low-temperature sterilization has been researched by all over the world because of its many advantages such as fast, safe and high efficiency. The present design is the

11、 use of dielectric barrier discharge plasma principle, the development of a plasma sterilization power.This design is based on the SPWM pulse-duration modulation technology. And take advantage of the LM4651 drives PWM controls entire bridge high frequency inversion electric circuit and the low pass

12、filter, obtains the frequency adjustable voltage, the power supply can track the load resonant frequency rapidly and accurately.Key words: low-temperature plasma; SPWM modulation; power湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目 錄摘 要.IABSTRACT.II第 1 章 低溫等離子體消毒滅菌設(shè)備的概述.11.1 消毒的定義 .11.2 滅菌的定義.11.3 低溫等離子體的形成.21.4 低溫等離子體滅菌器的應(yīng)

13、用.21.5 低溫等離子體滅菌器的優(yōu)勢(shì).3第 2 章 離子體高壓電源主電路的論證和設(shè)計(jì).52.1 電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu).52.2 工頻整流濾波電路 .5單相橋式整流電路論證及設(shè)計(jì).6方案的選擇.14濾波電路的論證及設(shè)計(jì).15濾波電路的選擇.182.3 DC/AC 逆變電路 .19逆變電路的選擇.19電壓型逆變電路的原理.20脈寬調(diào)制（PWM）型逆變電路.22開關(guān)管的選擇.26第 3 章 控制保護(hù)電路的論證及設(shè)計(jì).243.1 整流逆變控制電路.253.2 RC 串并聯(lián)式正弦波振蕩電路 .283.3 相應(yīng)的顯示電路及輔助電路.323.4 輔助電源.34參考文獻(xiàn).35致 謝.36附 錄.37系統(tǒng)總設(shè)計(jì)圖.

14、38湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）36第 1 章 低溫等離子體消毒滅菌設(shè)備的概述1.1 消毒的定義所謂消毒，就是用物理、化學(xué)等方法殺死病原微生物以防止傳染病傳播的措施。利用物理、化學(xué)等方法殺死病原微生物以防止傳染病傳播的措施。常用的消毒法有物理的加熱消毒法和化學(xué)的藥劑消毒法。加熱能使病原微生物細(xì)胞中的蛋白質(zhì)凝固并使酶失活，因而能殺死微生物。煮沸是最常用的加熱消毒法，一般不產(chǎn)芽孢的微生物經(jīng) 5分鐘煮沸就可被殺死。用于消毒的化學(xué)藥劑稱消毒劑。常用的消毒劑種類很多，有 75%酒精、碘酒、紅溴汞（紅藥水）、龍膽紫（紫藥水）、氯等。大多數(shù)消毒劑能使蛋白質(zhì)

15、凝固，碘酒中的碘能與蛋白質(zhì)中的氨基酸結(jié)合，紅溴汞中的汞能與蛋白質(zhì)中的巰基結(jié)合，氯在與水作用時(shí)放出具有很強(qiáng)氧化能力的新生氧，使蛋白質(zhì)氧化變性。消毒劑一般只對(duì)細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)體有效，而對(duì)芽孢很少有殺死作用。消毒在日常生活中應(yīng)用于傳染病的預(yù)防，如對(duì)飲水、食品、餐具等通過煮沸進(jìn)行消毒。牛奶、飲料等食品可放在 6263下處理 30 分鐘進(jìn)行消毒。這樣既可將結(jié)核分枝桿菌、傷寒沙門氏菌等病原微生物殺死，又不影響牛奶、飲料等的風(fēng)味。英國(guó)醫(yī)生李斯特于 1865 年首先使用石炭酸對(duì)醫(yī)生的雙手、手術(shù)器械、包扎繃帶、手術(shù)部位等進(jìn)行消毒，其后外科手術(shù)的死亡率很快從 4580%下降為 15%。這充分顯示了消毒在臨床應(yīng)用上的重要

16、作用和意義。1.2 滅菌的定義所謂滅菌，就是用理化方法殺死一定物質(zhì)中的微生物的微生物學(xué)基本技術(shù)。滅菌的徹底程度受滅菌時(shí)間與滅菌劑強(qiáng)度的制約。微生物對(duì)滅菌劑的抵抗力取決于原始存在的群體密度、菌種或環(huán)境賦予菌種的抵抗力。滅菌是獲得純培養(yǎng)的必要條件，也是食品工業(yè)和醫(yī)藥領(lǐng)域中必需的技術(shù)。 熱滅菌法 利用高溫使微生物細(xì)胞內(nèi)的一切蛋白質(zhì)變性，酶活性消失，致使細(xì)胞死亡。通常有干熱、濕熱和間歇加熱滅菌等法。 干熱滅菌 直接利用火焰將微生物燒死（如燒接種環(huán)、載玻片和試管口等）。不能用火焰滅菌的物品則利用熱空氣滅菌,將物品放在烘箱中加熱到 160170,持續(xù) 90分鐘，此法適用于玻璃、金屬和木質(zhì)的器皿。 濕熱滅菌

17、 以沸水、蒸氣和蒸氣加壓滅菌。巴氏滅菌法就是濕熱滅菌，此法有兩種方式，低溫長(zhǎng)時(shí)間處理：在 61.762.8下處理 30 分鐘；高溫短時(shí)間處理：在71.6或略高溫度下處理 15 分鐘。在上述諸法中，以蒸氣加壓滅菌效果最好，可用常壓蒸氣滅菌，也可在高壓蒸氣鍋中（一般使用 1 千克/厘米 2）滅菌,其蒸氣溫度可達(dá)121,能將耐熱的芽孢在 30 分鐘內(nèi)全部殺死。但對(duì)某些易被高壓破壞的物質(zhì)，如某些湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）36糖或有機(jī)含氮化合物，宜在 0.6 千克/厘米 2 壓力下(110)滅菌 1530 分鐘。 間歇滅菌 連續(xù) 3 天,每天進(jìn)行一次蒸氣滅菌的方法。此法適用于不能耐 100

18、以上溫度的物質(zhì)和一些糖類或蛋白質(zhì)類物質(zhì)。一般是在正常大氣壓下用蒸氣滅菌 1 小時(shí)。滅菌溫度不超過 100,不致造成糖類等物質(zhì)的破壞，而可將間歇培養(yǎng)期間萌發(fā)的孢子殺死，從而達(dá)到徹底滅菌的目的。 輻射滅菌 在一定條件下利用射線進(jìn)行滅菌的方法。較常用的有紫外線，其他還有電離輻射（射線加快中子等）。波長(zhǎng)在 2500080000 納米之間的激光也有強(qiáng)烈的殺菌能力,以波長(zhǎng) 26500 納米最有效。輻射滅菌法僅限于某一定材料，因所需設(shè)備復(fù)雜，難于廣泛使用。 滲透壓滅菌 利用高滲透壓溶液進(jìn)行滅菌的方法。在高濃度的食鹽或糖溶液中細(xì)胞因脫水而發(fā)生質(zhì)壁分離，不能進(jìn)行正常的新陳代謝，結(jié)果導(dǎo)致微生物的死亡。 化學(xué)試劑滅

19、菌 大多數(shù)化學(xué)藥劑在低濃度下起抑菌作用,高濃度下起殺菌作用。常用 5石炭酸 70乙醇和乙二醇等?；瘜W(xué)滅菌劑必須有揮發(fā)性，以便清除滅菌后材料上殘余的藥物。1.3 低溫等離子體的形成及作用原理等離子的形成：等離子體屬于物理概念，是自然界中存在的一種物質(zhì)狀態(tài)（即固體，液體和氣體之外的第四太）。低溫等離子體的產(chǎn)生通常是在真空環(huán)境下，利用特定的電磁場(chǎng)作用，使某些中性氣體的分子產(chǎn)生連續(xù)不斷的電離，形成帶負(fù)電荷和等量正電荷的離子相互共存的物質(zhì)狀態(tài)，當(dāng)電離率與復(fù)合率達(dá)到平衡的時(shí)候，這種穩(wěn)定存在的物質(zhì)狀態(tài)就稱之為等離子。H202 等離子體能夠在常溫條件下實(shí)現(xiàn)快速，干燥滅菌的目的，是多種滅菌條件綜合作用的結(jié)果。等

20、離子體滅菌器作用原理：（1）活性基團(tuán)的作用，等離子體中含有大量活性氧離子，高能自由基團(tuán)等成分，極易與細(xì)菌，霉菌，芽孢和病菌中蛋白質(zhì)和核酸物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)而變性 ，從而使各類微生物死亡。（2）高速粒子擊穿作用，在滅菌實(shí)驗(yàn)后通過電鏡觀察，經(jīng)等離子體作用后的細(xì)菌菌體作用后的細(xì)菌菌體與病毒顆粒圖像 ，均呈現(xiàn)千瘡百孔狀，這是由具有高動(dòng)能的電子和離子產(chǎn)生的蝕刻和擊穿效應(yīng)技術(shù)。1.4 低溫等離子體滅菌器的應(yīng)用 低溫等離子體滅菌器適用于大中小型醫(yī)院的供應(yīng)室，手術(shù)室，牙科，肛腸科，美容湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）36科，急救中心，社區(qū)醫(yī)療，牙科門診，消毒供應(yīng)中心等企事業(yè)單位。重點(diǎn)使用的科室：供應(yīng)室，

21、手術(shù)室，急救中心其所適用的器械也較為廣泛：電子器械類，硅橡膠類，金屬類，非金屬類，聚乙烯類。如：光纖軟硬式內(nèi)窺鏡，電子器械，金屬手術(shù)器械，非金屬手術(shù)器械，導(dǎo)聯(lián)線，電極片，顱腦鉆，呼吸面罩，探頭，擴(kuò)張器，電池，導(dǎo)聯(lián)線，玻璃器皿，硅橡膠，聚乙烯，機(jī)電器械，實(shí)驗(yàn)室各類非耐熱儀器等。1.5 低溫等離子體滅菌器的優(yōu)勢(shì)全新的低溫等離子滅菌器可取代傳統(tǒng)的滅菌器，如：消毒液體浸泡、熏蒸，化學(xué)氣體滅菌等。a)、 其滅菌速度快，可大大提升被滅菌器械的利用率，方便于醫(yī)院進(jìn)行連臺(tái)手術(shù)。b)、 大幅度的減少對(duì)醫(yī)療器械傷害，有效的延長(zhǎng)了器械的使用壽命。c)、 同時(shí)，滅菌后的器械沒有藥物殘留，對(duì)醫(yī)護(hù)人員沒有傷害。d)、 由

22、于其滅菌原理的更新，已經(jīng)跨入綠色環(huán)保的行列。常用滅菌設(shè)備的使用及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比：滅菌技滅菌技術(shù)術(shù)設(shè)備名稱設(shè)備名稱配套設(shè)備配套設(shè)備適用物品適用物品耗能耗能時(shí)間時(shí)間效率效率廢氣排放廢氣排放物品物品損耗損耗溫度溫度化學(xué)化學(xué)殘留殘留等離子體滅菌等離子滅菌器220V 或380V非液體類少較短無無室溫?zé)o高溫蒸汽滅菌蒸汽滅菌柜蒸汽鍋爐畏熱畏濕物品無法用高較短有廢蒸汽排放高溫?fù)p耗高(115135)無EO/CFC滅菌環(huán)氧乙烷滅菌柜殘留分解裝置非液體類較少很長(zhǎng)有EO/CFC廢氣較少低（65左右）有消毒液浸泡消毒清洗機(jī)220V 電源不銹鋼、塑料少較長(zhǎng)有化學(xué)廢水化學(xué)銹蝕室溫有紫外線臭氧消毒紫外/臭氧消毒柜220V 電源物

23、品表面消毒少較長(zhǎng)有臭氧產(chǎn)生無室溫?zé)o湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）361.6 等離子體高壓電源的要求針對(duì)等離子體高壓電源的特殊要求，將 SPWM 脈寬調(diào)制技術(shù)用于該電源控制中，具有原理簡(jiǎn)單、控制和調(diào)節(jié)性能好，可消除諧波，調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓等諸多特點(diǎn)。本文分析了等離子體高壓電源中需解決的關(guān)鍵問題；提出了有效的解決方法。在此基礎(chǔ)上，成功研制了一臺(tái)單相輸出電壓可調(diào)、頻率連續(xù)可調(diào)的等離子體高壓電源。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)證明了分析和設(shè)計(jì)的正確性。湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）36第 2 章 離子體高壓電源主電路的論證和設(shè)計(jì)2.1 電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)低溫等離子體發(fā)生器電源主要有主電路和控制電路兩部分組成

24、，如圖 2-1 所示。其中，主電路由工頻整流濾波電路、直流斬波電路、SPWM 控制的 DC/AC 高頻逆變電路、LC 濾波電路及高頻升壓電路組成?？刂齐娐酚?SPWM 產(chǎn)生的電路、隔離驅(qū)動(dòng)電路、基準(zhǔn)正弦波電路、頻率調(diào)節(jié)電路、過流保護(hù)電路、過壓保護(hù)電路以及相應(yīng)的顯示電路組成。圖 2-1 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2 工頻整流濾波電路將交流電轉(zhuǎn)換成直流電的變換稱為整流，實(shí)現(xiàn)整流變換的裝置稱之為整流器。整流器的主開關(guān)元件一般采用整流為二極管或晶閘管。由整流二極管構(gòu)成的整流器，由于其輸出電壓不可控的，稱之為不可控整流；由晶閘管構(gòu)成的整流器，其輸出電壓是可控的，故稱為可控整流?？煽卣鞯碾娐芬话阌烧髌鞯闹麟娐?/p>

25、（常簡(jiǎn)稱為整流電路）及其觸發(fā)控制電路組成。在整流變換過程中，其平均功率（或能量）是從交流側(cè)流向直流負(fù)載。整流器主電路的結(jié)構(gòu)形式繁多，分類方式也多種多。下面給出了電路的類別：湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）36 不控整流按組成器件 半控整流 可控整流 全控整流單相 按電源相數(shù) 三相 六相 零式按電路結(jié)構(gòu)橋式半波按變壓器繞組電流全波可控整流電路的主元件采用晶閘管時(shí)，其控制方式都采用相位控制，故這類整流電路又稱為相控整流。隨著電力電子學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)開始使用可關(guān)斷的器件（例 IGBT等）來構(gòu)成斬波控制型的整流電路。 單相橋式整流電路論證及設(shè)計(jì)單相橋式整流電路輸出的直流電壓、電流脈沖幅值比單

26、相半波整流電路輸出的直流電壓、電流小，且可以改善變壓器存在直流磁化的現(xiàn)象。單相橋式整流電路分為單相橋式不可控整流電路和單相橋式可控整流電路。其中單相橋式可控整流電路又可分為單相橋式半控整流電路和單相橋式全控整流電路。1. 單相橋式不可控整流電路 圖 2-2 單相橋式不可控整流電路湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）361）、工作原理設(shè)變壓器 ，U2為其有效值。當(dāng) u2為正半周時(shí)，D1和 D3管導(dǎo)通，D2和 D4管截止，電流由 A 點(diǎn)流出，方向如圖所示。uO=u2，D2和 D4管承受的反向電壓為-u2。當(dāng) u2為負(fù)半周時(shí)，D2和 D4管導(dǎo)通，D1和 D3管截止，電流由 B 點(diǎn)流出，方向如圖所

27、示。uO=-u2，D1和 D3管承受的反向電壓為 u2。由于 D1、D3和 D2、D4兩對(duì)二極管交替導(dǎo)通，致使負(fù)載電阻 RL上在 u2的整個(gè)周期內(nèi)都有電流通過，而且方向不變，輸出電壓 。如下圖所示為其電壓和電流的波形，實(shí)現(xiàn)了全波整流。圖 2-3 單相橋式不可控整流波形圖2）、輸出電壓平均值 UO(AV)和輸出電流平均值 IO(AV)根據(jù)波形圖可知，輸出電壓平均值解得湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）36結(jié)論：在輸入電壓相同的情況下，全波整流輸出電壓平均值為半波整流電路的兩倍。負(fù)載電流的平均值結(jié)論：在輸入電壓相同的情況下，全波整流輸出電流平均值為半波整流電路的兩倍。整流輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)

28、S：橋式整 流電路的基波 UOM的角頻率是u2的 2 倍，即 100Hz， 。 結(jié)論：與半波整流電路相比，輸出電壓的脈動(dòng)減小很多。 2. 單相橋式可控整流電路可控整流電路的作用是把交流電轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)節(jié)的直流電。負(fù)載不同時(shí)，其工作特點(diǎn)不同。1)、 電阻負(fù)載單相半控橋整流電路可控整流電路的作用就是把交流電能變換成電壓大小可調(diào)的直流電能，而且其輸出電壓可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。可控整流有多種電路形式，如單相半波、單相全波和單相橋式可控整流電路等。當(dāng)功率比較大時(shí)，常常采用三相交流電源組成三相半波或三相橋式可控整流電路。本節(jié)主要以單相橋式電路為例來討論其工作原理。單相橋式可控電路如圖 2-4（a）所示，用

29、晶閘管 V1、V2代替了不可控整流電路中的二極管。在電源電壓2u的正半周，V1、V4承受正向電壓，若晶閘管的控制極不加脈沖，V1不導(dǎo)通，此時(shí)負(fù)載中沒有電流流過。當(dāng) t= 時(shí)，控制極加上觸發(fā)脈沖Gu，V1導(dǎo)通，電流流經(jīng) V1、LR、V4。由于晶閘管導(dǎo)通時(shí)管壓降很小，所以負(fù)載上的電壓2ouu 。這時(shí) V2和 V3因承受反向電壓而處于阻斷狀態(tài)。當(dāng) t= 時(shí)，2u降為零，V1又變?yōu)樽钄?。?u的負(fù)半周，V2、V3承受正向電壓，當(dāng)t=+ 時(shí)，Gu觸發(fā) V2而導(dǎo)通，電流流經(jīng) V2、LR、V3，負(fù)載上的電壓仍然為2ouu 。這時(shí) V1和 V4因承受反向電壓而處于阻斷狀態(tài)。當(dāng) t=2 時(shí)，V2恢復(fù)阻斷狀態(tài)。湖

30、南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）36由以上分析可見，在2u的一個(gè)完整周期內(nèi)，流過負(fù)載LR的電流方向是相同的，負(fù)載上的電壓和電流波形如圖 2-4（b）所示。u2uGOOtt2iOuOOtuOiORLiOu1u2TrV3V4V1V2uOuG( )b( )a圖 2-4 單相橋式可控整流電路圖中 稱為控制角，=- 稱為導(dǎo)電角，顯而易見，當(dāng) 愈小時(shí)，即 愈大時(shí)，輸出電壓平均值O(AV)U愈大。由波形圖進(jìn)行分析，可得2cos122t)d( tsin2122O(AV)UUU (2-2-1)即2cos19 . 02O(AV)UU (2-2-2)由式可見，當(dāng)2U固定時(shí)，只需改變 的大小，就可以調(diào)節(jié)輸出電壓

31、O(AV)U，O(AV)U與 的關(guān)系曲線如圖 2-5。1.00.80.60.40.200306090120150180ooooooo控制角UO/U2圖 2-5 單相橋式可控整流電路的輸出電壓與 的關(guān)系湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）36輸出電流的平均值O(AV)I為2cos122L2LO(AV)O(AV)RURUI (2-2-3)流過二極管及晶閘管的平均電流為L(zhǎng)DT21III (2-2-4)晶閘管和二極管所承受的最大反向電壓均為22U。2)、 大電感負(fù)載單相半控橋整流電路在實(shí)際應(yīng)用中遇到較多的是電感性負(fù)載，例如各種電機(jī)的勵(lì)磁繞組、各種電感線圈等，它們即含有電感，又含有電阻。電感性負(fù)載可

32、用串聯(lián)的電感元件 L 和電阻元件 R 表示，電路如圖 2-6 所示。由于電感性元件的存在，電路中的電流不能發(fā)生躍變，因此，整流電路接電感性負(fù)載和接電阻性負(fù)載的情況大不相同。在電源電壓2u的正半周，V1、V4承受正向電壓，當(dāng) t= 時(shí)，控制極加上觸發(fā)脈沖Gu，令晶閘管 V1觸發(fā)導(dǎo)通，續(xù)流二極管 V5承受反向電壓而截止。電流流經(jīng)V1、L、R、V4，輸出電壓2ouu 。晶閘管剛觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，由于電感元件產(chǎn)生阻礙電流變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電路中的電流不能躍變，將由零逐漸上升。當(dāng)電流到達(dá)最大值時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零，而后電流隨2u沿正半周減小，電感感應(yīng)電勢(shì)改變極性，和2u相同。由于是大電感負(fù)載，所以負(fù)載電流oi連

33、續(xù)并近似為一直線，這時(shí) V2和 V3因承受反向電壓而處于阻斷狀態(tài)。 圖 2-6 大電感負(fù)載單相半控橋式整流電路RLiOu1u2TrV3V4V1V2uOuGLV5湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）36u2ugOOtt2iOuLOtuLiO 圖 2-7 單相半控橋感性負(fù)載電路的工作波形圖 在2u過進(jìn)入負(fù)半周時(shí)，V3承受正向電壓而導(dǎo)通，V4承受反向電壓而截止。如果電路中沒有接入二極管 V5，那么由于電感L感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用，V1仍將維持導(dǎo)通狀態(tài)，負(fù)載電流oi經(jīng) V1和 V3繼續(xù)流通（續(xù)流），形成一個(gè)不經(jīng)過變壓器二次繞組的自然續(xù)流回路，此時(shí)電感釋放能量，如果是大電感負(fù)載，儲(chǔ)能很多，晶閘管 V1將維

34、持導(dǎo)通到2u進(jìn)入下一個(gè)周期的正半周，V4承受正向電壓而導(dǎo)通，V3承受反向電壓而截止。電流又流經(jīng)V1、L、R、V4，電感儲(chǔ)能，如此不斷循環(huán)下去，進(jìn)而導(dǎo)致處于直通狀態(tài)的晶閘管因過熱而損壞。這種不需要外部觸發(fā)脈沖，出現(xiàn)的一個(gè)晶閘管直通，另兩個(gè)整流二極管輪流導(dǎo)通 180的異常工作狀態(tài)稱為失控現(xiàn)象。為避免失控現(xiàn)象，在負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管 V5，這樣在2u過進(jìn)入負(fù)半周時(shí)，在電感感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)作用下，續(xù)流二極管承受正壓導(dǎo)通，負(fù)載電流oi經(jīng)過 V5流通，電感釋放能量，V5上的壓降不足以使 V1維持導(dǎo)通而令 V1阻斷。如忽略 V5的壓降，在續(xù)流期間負(fù)載上的整流輸出電壓0ou，這一續(xù)流過程一直持續(xù)到2u負(fù)半周期

35、間觸發(fā) V2導(dǎo)通時(shí)為止。當(dāng)在2u的負(fù)半周t=+ 時(shí)，Gu觸發(fā) V2導(dǎo)通，電流流經(jīng) V2、L、R、V3，負(fù)載上得到與正半周相同波形的整流輸出電壓2ouu 。這時(shí) V1和 V4因承受反向電壓而處于阻斷狀態(tài)。當(dāng)2u過 2進(jìn)入正半周時(shí)，負(fù)載電流又經(jīng) V5形成續(xù)流，V2恢復(fù)阻斷狀態(tài)。當(dāng)t= 時(shí)，又觸發(fā) V1導(dǎo)通，如此不斷循環(huán)下去。晶閘管和整流二極管的導(dǎo)通角為，電路的工作波形如圖 2-7 所示參照電路工作波形圖，可計(jì)算出如下數(shù)量關(guān)系：輸出電壓平均值O(AV)U湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）362cos19 . 0t)d( tsin2222 2O(AV)UUU (2-2-5)晶閘管與整流二極管電流

36、的平均值1(AV)VI、(AV)2VI與有效值1VI、2VIO O(AV)2V1(AV)V2t)d(21IIII (2-2-6)O 2O2V1V2t)d(21IIII (2-2-7)續(xù)流二極管電流的平均值5(AV)VI與有效值5VIO0 O(AV)5Vt)d(22III (2-2-8)O0 2O5Vt)d(22III (2-2-9)變壓器二次繞組的有效值2IO2O 2O2t)d()(21IIII (2-2-10)3、單相橋式全控整流電路1）、帶電阻負(fù)載的工作情況單相橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載時(shí)的電路及工作波形如圖 2-8 所示。晶閘管VT1 和 VT4 為一組橋臂，而 VT2 和 VT3 組

37、成了另一組橋臂。在交流電源的正半周區(qū)間內(nèi)，即 a 端為正，b 端為負(fù)，晶閘管 VT1 和 VT4 會(huì)導(dǎo)通。此時(shí)，電流 id從電源 a 端經(jīng) VT1、負(fù)載 Rd 及 VT4 回電源 b 端，負(fù)載上得到的電壓 ud 為電源電壓 u2（忽略了 VT1 和 VT4 的導(dǎo)通壓降），方向?yàn)樯险仑?fù)，VT2 和 VT3 則因?yàn)?VT1 和 VT4 的導(dǎo)通而承受反向的電源電壓 u2 不會(huì)導(dǎo)通。因?yàn)槭请娮栊载?fù)載，所以電流 id 也跟隨電壓的變化而變化。當(dāng)電源電壓 u2 過零時(shí)，電流 id 也降低為零，也即兩只晶閘管的陽極電流降低為零，故 VT1 和VT4 會(huì)因電流小于維持電流而關(guān)斷。而在交流電源的負(fù)半周區(qū)間內(nèi)，

38、即 a 端為負(fù)，b 端為正，晶閘管 VT2 和 VT3 是承受正向電壓的，仍在相當(dāng)于控制角 a 的時(shí)刻給 VT2 和 VT3同時(shí)加觸發(fā)脈沖，則 VT2 和 VT3 被觸發(fā)導(dǎo)通。電流 id 從電源 b 端經(jīng) VT2、負(fù)載 Rd 及VT3 回電源 a 端，負(fù)載上得到的電壓 ud 仍為電源電壓 u2，方向也還為上正下負(fù)，與正半周一致，此時(shí)，VT1 和 VT4 因?yàn)?VT2 和 VT3 的導(dǎo)通承受反向的電源電壓 u2 而處于截止?fàn)顟B(tài)。直到電源電壓負(fù)半周結(jié)束，電壓 u2 過零時(shí)，電流 id 也過零，使得 VT2 和 VT3 關(guān)斷。下一周期重復(fù)上述過程。湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）36圖 2-

39、8 單相橋式全控整流電阻性負(fù)載(a) 電路圖 （b） 波形圖由圖 2-8（b）可以看出，負(fù)載上得到的直流輸出電壓 ud 的波形與半波時(shí)相比多了一倍，負(fù)載電流 id 的波形與電壓 ud 波形相似。由晶閘管所承受的電壓 ut 可以看出，其導(dǎo)通角為，除在晶閘管導(dǎo)通期間不受電壓外，當(dāng)一組管子導(dǎo)通時(shí)，電源電壓 u2 將全部加在未導(dǎo)通的晶閘管上，而在四只管子都不導(dǎo)通時(shí)，設(shè)其漏電阻都相同的話，則每只管子將承受電源電壓的一半。單相全控橋式整流電路帶電阻性負(fù)載電路參數(shù)的計(jì)算：輸出電壓平均值的計(jì)算公式2）、 電感性負(fù)載湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）36圖 2-9 單相橋式全控整流電感性負(fù)載(a) 電路圖

40、 （b） 波形圖圖 2-9（a）單相橋式全控整流電路帶電感性負(fù)載時(shí)的電路。假設(shè)電感很大，輸出電流連續(xù)，且電路已處于穩(wěn)態(tài)。在電源 u2 正半周時(shí)，在相當(dāng)于角的時(shí)刻給 VT1 和 VT4 同時(shí)加觸發(fā)脈沖，則 VT1和 VT4 會(huì)導(dǎo)通，輸出電壓仍為至電源過零變負(fù)時(shí)，由于電感產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)會(huì)使 VT1 和 VT4 繼續(xù)導(dǎo)通，而輸出電壓仍為，所以出現(xiàn)了負(fù)電壓的輸出。此時(shí)，晶閘管 VT2 和 VT3 雖然已承受正向電壓，但還沒有觸發(fā)脈沖，所以不會(huì)導(dǎo)通。直到在負(fù)半周相當(dāng)于角的時(shí)刻，給 VT2 和 VT3 同時(shí)加觸發(fā)脈沖，則因 VT2 的陽極電位比 VT1 高，VT3 的陰極電位比 VT4 的低，故 VT2

41、 和 VT3 被觸發(fā)導(dǎo)通，分別替換了 VT1 和 VT4，而 VT1和 VT4 將由于 VT2 和 VT3 的導(dǎo)通承受反壓而關(guān)斷，負(fù)載電流也改為經(jīng)過 VT2 和 VT3 了。根據(jù)上面分析可以看出，單相橋式全控整流電路屬全波整流，負(fù)載在兩個(gè)半波都有電流通過、輸出電壓脈動(dòng)程度比半波時(shí)小、變壓器利用率高、且不存在直流磁化問題；但需要同時(shí)觸發(fā)兩只晶閘管，線路較復(fù)雜。在一般中小容量場(chǎng)合中應(yīng)用較多。2.2.2.方案的選擇 鑒于消毒滅菌設(shè)備應(yīng)用廣泛，既可以用于工業(yè)、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、餐飲業(yè)等地的消毒滅菌，也可用與普通家庭。因此選擇單相電源會(huì)更加合適。單相相控整流電路可分為單相半波、單相全波和單相橋式相控流電路，它們

42、所連接湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）36的負(fù)載性質(zhì)不同就會(huì)有不同的特點(diǎn)。下面分析各種單相相控整流電路在帶電阻性負(fù)載、電感性負(fù)載和反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)的工作情況。 單相半控整流電路的優(yōu)點(diǎn)是：線路簡(jiǎn)單、調(diào)整方便。弱點(diǎn)是：輸出電壓脈動(dòng)沖大，負(fù)載電流脈沖大（電阻性負(fù)載時(shí)），且整流變壓器二次繞組中存在直流分量,使鐵心磁化，變壓器不能充分利用。而單相全控式整流電路具有輸出電流脈動(dòng)小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個(gè)等大反向的半波，沒有直流磁化問題，變壓器利用率高的優(yōu)點(diǎn)。 單相全控式整流電路其輸出平均電壓是半波整流電路 1.2 倍，在相同的負(fù)載下流過晶閘管的平均電流減小三分之一；且功率因數(shù)提高了一半。

43、根據(jù)以上的比較分析因此選擇的方案為單相全控橋式整流電路（負(fù)載為阻感性負(fù)載）。 濾波電路的論證及設(shè)計(jì) 1、濾波的基本概念 濾波電路利用電抗性元件對(duì)交、直流阻抗的不同，實(shí)現(xiàn)濾波。電容器C對(duì)直流開路，對(duì)交流阻抗小，所以C應(yīng)該并聯(lián)在負(fù)載兩端。電感器L對(duì)直流阻抗小，對(duì)交流阻抗大，因此L應(yīng)與負(fù)載串聯(lián)。經(jīng)過濾波電路后，既可保留直流分量，又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動(dòng)系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。 2、電容濾波電路 現(xiàn)以單相橋式整流電容濾波電路為例來說明。電容濾波電路如圖 2-9 所示，在負(fù)載電阻上并聯(lián)了一個(gè)濾波電容C。圖 2-9 電容濾波電路 1）、濾波原理 若v2處于正半周

44、，二極管 D1、D3導(dǎo)通，變壓器次端電壓v2給電容器C充電。此時(shí)C相當(dāng)于并聯(lián)在v2上，所以輸出波形同v2 ，是正弦波。當(dāng)v2到達(dá)t=/2 時(shí)，開始下降。先假設(shè)二極管關(guān)斷，電容C就要以指數(shù)規(guī)律向負(fù)湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）36載L放電。指數(shù)放電起始點(diǎn)的放電速率很大。在剛過t=/2 時(shí)，正弦曲線下降的速率很慢。所以剛過t=/2 時(shí)二極管仍然導(dǎo)通。在超過t=/2 后的某個(gè)點(diǎn)，正弦曲線下降的速率越來越快，當(dāng)剛超過指數(shù)曲線起始放電速率時(shí)，二極管關(guān)斷。所以在t2到t3時(shí)刻，二極管導(dǎo)電，充電，Vi=Vo按正弦規(guī)律變化；t1到t2時(shí)刻二極管關(guān)斷，Vi=Vo按指數(shù)曲線下降，放電時(shí)間常數(shù)為RLC。電

45、容濾波過程見圖 2-10。 圖 2-10 電容濾波電路波形需要指出的是，當(dāng)放電時(shí)間常數(shù)RLC增加時(shí)，t1點(diǎn)要右移，t2點(diǎn)要左移，二極管關(guān)斷時(shí)間加長(zhǎng)，導(dǎo)通角減小；反之，RLC減少時(shí)，導(dǎo)通角增加。顯然。當(dāng)L很小，即IL很大時(shí)，電容濾波的效果不好，見圖 2-11 濾波曲線中的 2。反之，當(dāng)L很大，即IL很小時(shí)，盡管C較小, RLC仍很大,電容濾波的效果也很好，見濾波曲線中的 3。所以電容濾波適合輸出電流較小的場(chǎng)合。 圖 2-11 電容濾波的效果湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）36 2）、電容濾波電路參數(shù)的計(jì)算 電容濾波電路的計(jì)算比較麻煩，因?yàn)闆Q定輸出電壓的因素較多。工程上有詳細(xì)的曲線可供查閱

46、，一般常采用以下近似估算法：一種是用鋸齒波近似表示，即 另一種是在RLC=（35） 的條件下，近似認(rèn)為 VO=1.2V2。 3）、外特性 整流濾波電路中，輸出直流電壓VO隨負(fù)載電流IO的變化關(guān)系曲線如圖 2-12 所示。 圖 2-12 電容濾波外特性曲線名 稱VO(空載)VO(帶載)二極管反向最大電壓每管平均電流半波整流IO全波整流、電容濾波1.2V2*0.5IO橋式整流、電容濾波1.2V2*0.5IO湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）36橋式整流、電感濾波0.9V20.5IO*使用條件： 3、電感濾波電路在大電流的情況下，由于負(fù)載電阻 RL 很小。若采用電容濾波電路，則電容容量勢(shì)必很大

47、，而且整流二極管的沖擊電流也非常大，在此情況下應(yīng)采用電感濾波。如圖 2-13 所示，由于電感線圈的電感量要足夠大，所以一般需要采用有鐵心的線圈。濾波電路工作原理 當(dāng)流過電感的電流變化時(shí)，電感線圈中產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)將阻止電流的變化。當(dāng)通過電感線圈的電流增大時(shí)，電感線圈產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)與電流方向相反，阻止電流的增加，同時(shí)將一部分電能轉(zhuǎn)化成磁場(chǎng)能存儲(chǔ)于電感之中；當(dāng)通過電感線圈的電流減小時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)與電流方向相同，阻止電流的減小，同時(shí)釋放出存儲(chǔ)的能量，以補(bǔ)償電流的減小。因此經(jīng)電感濾波后，不但負(fù)載電流及電壓的脈動(dòng)減小，波形變得平滑，而且整流二極管的導(dǎo)通角增大。 在電感線圈不變的情況下，負(fù)載電阻愈小，輸

48、出電壓的交流分量愈小。只有在RLL 時(shí)才能獲得較好的濾波效果。L 愈大，濾波效果愈好。 另外，由于濾波電感電動(dòng)勢(shì)的作用，可以使二極管的導(dǎo)通角接近 ，減小了二極管的沖擊電流，平滑了流過二極管的電流，從而延長(zhǎng)了整流二極管的壽命。 濾波電路的選擇電容濾波電路有一下的優(yōu)點(diǎn)：其適用于小電流負(fù)載；電容濾波電路的外特性比較軟；且電路簡(jiǎn)單、體積小、成本低。但其缺點(diǎn)是采用它時(shí)，整流二極管中將流過較大的沖擊電流。電感濾波的優(yōu)點(diǎn)有：整流二極管的導(dǎo)電角大，峰值電流小，輸出特性較平坦。但其缺點(diǎn)是：存在鐵心，笨重、體積大，易引起電磁干擾，一般只適應(yīng)于低電壓、大電流的圖 2-13 單相橋式整流電路感濾波電路電路湖南鐵道職業(yè)

49、技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）36場(chǎng)合。綜上所述，可知電容濾波器適用于大電壓小電流負(fù)載，而電感濾波器適用于大電流低電壓負(fù)載。本設(shè)計(jì)中電源是要產(chǎn)生高頻高壓電源，因而易使用電容濾波。2.3 DC/AC 逆變電路開關(guān)電源中的一個(gè)重要的能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)是把工頻整流后得到的直流電由電子開關(guān)變換成負(fù)載需要的交流電。實(shí)現(xiàn)這種變換可以有不同的電路結(jié)構(gòu)。逆變器是將直流電變換成交流電的變換器直流變成交流的逆變過程可分為有源逆變和無源逆變。逆變器輸出接到交流電網(wǎng)的逆變稱為有源逆變；逆變器的輸出直接接到交流負(fù)載的逆變稱為無源逆變。本設(shè)計(jì)中所要用到的是無源逆變。 逆變電路的論證及設(shè)計(jì)電源根據(jù)直流電源的性質(zhì)不同，可以分為電流型

50、、電壓型逆變電路。1、電壓型逆變電路（電路圖如圖 2-14 所示） 電壓型逆變電路的基本特點(diǎn):1）直流側(cè)并聯(lián)大電容，直流電壓基本無脈動(dòng)。2) 輸出電壓為矩形波，電流波形與負(fù)載有關(guān)。3） 電感性負(fù)載時(shí)，需要提供無功功率。為了有無功功率通道，逆變橋臂需要并聯(lián)二極管。2、電流型逆變電路（電路圖如圖 2-15 所示）圖 2-14 電壓型逆變電路原理圖圖湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）36電流型逆變電路的主要特點(diǎn)是:1）直流側(cè)串聯(lián)有大電感，相當(dāng)于電流源。直流側(cè)電流基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。2）電路中開關(guān)器件的作用僅是改變直流電流的流通路徑，因此交流側(cè)輸出電流為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。

51、而交流側(cè)輸出電壓波形和相位則因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。3）當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流測(cè)電惑起緩沖無功能量的作用。因?yàn)榉答仧o功能量時(shí)直流電流并不反向，因此不必像電壓型逆變電路那樣要給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。從上述可得出直流邊電壓無脈動(dòng)能輸出穩(wěn)定矩形波的電壓型逆變電路更適合本設(shè)計(jì)的需求。 電壓型逆變電路的原理如圖 2-16 所示，電壓型逆變電路的特點(diǎn)有：共四個(gè)橋臂，可看成兩個(gè)半橋電路組合而成。兩對(duì)橋臂交替導(dǎo)通 180。輸出電壓合電流波形與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍。圖 2-15 電流型逆變電路原理圖湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）361）純電阻負(fù)載時(shí)同單相半橋逆變電路相

52、比，在相同負(fù)載的情況下，其輸出電壓和輸出電流的幅值為單相半橋逆變電路的兩倍。2）電感負(fù)載時(shí)0t4， /2t3 4 期間，、導(dǎo)通起負(fù)載電流續(xù)流作sTsTsT1D4D用，在此期間、均不導(dǎo)通。1T4T 22somodTILdtdiLU3）阻感負(fù)載時(shí)RL0t 期間，和有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電流為負(fù)值，和不導(dǎo)通，1T4TOi1T4T、導(dǎo)通起負(fù)載電流續(xù)流作用， =+。1D4D0udUt 期間，為正值，和才導(dǎo)通。Oi1T4Tt+ 期間，和有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由于電流為負(fù)值，、不2T3TOi2T3T導(dǎo)通，、導(dǎo)通起負(fù)載電流續(xù)流作用，= 。2D3D0udU+t2 期間，和才導(dǎo)通。2T3T 脈寬調(diào)制（PWM）型逆變電路圖 2-16

53、電壓型逆變電路原理圖（a） 電壓型逆變電路（b） 電壓型逆變電路波形圖湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）36逆變器是將直流變?yōu)槎l定壓或調(diào)頻調(diào)壓交流電的變換器，傳統(tǒng)方法是利用晶閘管組成的方波逆變電路實(shí)現(xiàn)，但由于其含有較大成分低次諧波等缺點(diǎn)，近十余年來，由于電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，全控型快速半導(dǎo)體器件 BJT，IGBT，GTO 等的發(fā)展和 PWM 的控制技術(shù)的日趨完善，使 SPWM 逆變器得以迅速發(fā)展并廣泛使用。PWM 控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過控制電壓脈沖寬度和周期以達(dá)到變壓目的或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技

54、術(shù)，SPWM 控制技術(shù)又有許多種，并且還在不斷發(fā)展中，但從控制思想上可分為四類，即等脈寬 PWM 法，正弦波 PWM 法（SPWM 法），磁鏈追蹤型 PWM 法和電流跟蹤型PWM 法，其中利用 SPWM 控制技術(shù)做成的 SPWM 逆變器具有以下主要特點(diǎn)：（1）逆變器同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)不受中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)的影響。（2）可獲得比常規(guī)六拍階梯波更接近正弦波的輸出電壓波形，低次諧波減少，在電氣傳動(dòng)中，可使傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈沖的大大減少，擴(kuò)大調(diào)速范圍，提高系統(tǒng)性能。（3）組成變頻器時(shí)，主電路只有一組可控的功率環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，由于采用不可控整流器，使電網(wǎng)功率因數(shù)接近于 1，且與輸出電壓大

55、小無關(guān)。1. PWM 控制的基本原理在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量（脈沖的面積）相等而形狀不同窄脈沖（如圖 2-17 所示），分別加在具有慣性環(huán)節(jié)的輸入端，器輸出響應(yīng)波形基本相同，也就是說盡管脈沖形狀不同，但只要脈沖的面積相等，其作用效果基本相同。這就是 PWM控制的重要理論依據(jù)。如圖 2-18 所示，一個(gè)正弦半波完全可以用等幅不等寬的脈沖列來等效，但必須做到正弦半波所等分的 6 塊陰影面積與相對(duì)應(yīng)的 6 個(gè)脈沖列的陰影面積相等，圖 2-17 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖(a)(b)(c)湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）36其作用效果就基本相同，對(duì)于正弦波的負(fù)半周，用同樣方法

56、可得到 PWM 波形來取代正弦負(fù)半波。在 PWM 波形中，各脈沖的幅值都是相等的，若要改變輸出電壓等效正弦波的幅值，只要安同一比例改變脈沖列中各脈沖的寬度即可。所以 Ud直流電源采用不可控整流電路獲得，不但使電路輸入功率因數(shù)接近與 1，而且整個(gè)裝置控制簡(jiǎn)單，可靠性高。下面分別介紹單相 PWM 型變頻器電路的控制方法與工作原理。電路如圖 2-19 所示，采用 IGBT 作為逆變電路的自關(guān)斷開關(guān)器件。設(shè)負(fù)載為電感性，控制方法可以有單極性與雙極性兩種。極性下面謹(jǐn)單 PWM 控制方式原理做介紹。圖 2-18 PWM 控制的基本原理示意圖(a)(b)圖 2-19 單相橋式 PWM 變頻電路湖南鐵道職業(yè)技

57、術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）361) 單極性 PWM 控制方式工作原理按照 PWM 控制的基本原理，如果給定了正弦波頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，PWM 波形各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確地計(jì)算出來。依據(jù)計(jì)算結(jié)果來控制逆變電路中各個(gè)開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的 PWM 波形，但是這種計(jì)算很繁瑣，較為實(shí)用的方法是采用調(diào)制控制，如圖 2-20 所示，把所希望輸出的正弦波作為調(diào)制信號(hào) ur，把接受調(diào)制的等腰三角波作為載波信號(hào) uc。對(duì)逆變橋 V1V4 的控制方法如下：當(dāng) ur 正半周時(shí)，讓 V1 一直保持通態(tài)，V2 保持?jǐn)鄳B(tài)。在 ur與 uc正極性三角波交點(diǎn)處控制 V4 的通斷，在 uruc各

58、區(qū)間，控制 V4 為通態(tài)，輸出負(fù)載電壓 u0=Ud。在 uruc區(qū)間，控制 V4 為斷態(tài)，輸出負(fù)載電壓 u0=0，此時(shí)負(fù)載電流可以經(jīng)過 VD3 與 V1 續(xù)流。當(dāng) ur負(fù)半周時(shí)，讓 V2 一直保持通態(tài)，V1 保持?jǐn)鄳B(tài)。在 ur與 uc負(fù)極性三角波交點(diǎn)處控制 V3 的通斷。在 uruc各區(qū)間，控制 V3 為斷態(tài)，輸出負(fù)載電壓 u0=0，此時(shí)負(fù)載電流可以經(jīng)過 VD4 與 V2 續(xù)流。逆變電路輸出的 u0為 PWM 波形，如圖 2-20 所示，u0f為 u0的基波分量。由于在這種控制方式中的 PWM 波形只能在一個(gè)方向變化，故稱為單極性 PWM 控制方式。圖 2-20 單極性 PWM 控制方式原理波

59、形湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）362、PWM 變頻電路的調(diào)制控制方式在 PWM 變頻器中，載波頻率 fc 與調(diào)制信號(hào)頻率 fr 之比稱為載波比，即 N=fc/fr。根據(jù)載波和調(diào)制信號(hào)波是否同步，PWM 逆變電路有異步和同步調(diào)制兩種控制方式，現(xiàn)在分別介紹如下：（1） 異步調(diào)制控制方式當(dāng)載波比 N 不是 3 的整數(shù)倍時(shí)，載波與調(diào)制信號(hào)波就存在不同步的調(diào)制，就是異步調(diào)制三相 PWM，如 fc=10fr，載波比 N=10，不是 3 的整倍數(shù)。在異步調(diào)制控制方式中，通常 fc 固定不變，逆變輸出電壓頻率的調(diào)節(jié)是通過改變 fr 的大小來實(shí)現(xiàn)的，所以載波比 N 也隨時(shí)跟著變化，就難以同步。異步調(diào)

60、制控制方式的特點(diǎn)是： 控制相對(duì)簡(jiǎn)單。 在調(diào)制信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)，輸出脈沖的個(gè)數(shù)不固定，脈沖相位也不固定，正負(fù)半周的脈沖不對(duì)稱，而且半周期內(nèi)前后 1/4 周期的脈沖也不對(duì)稱，輸出波形就偏離了正弦波。載波比 N 愈大，半周期內(nèi)調(diào)制的 PWM 波形脈沖數(shù)就愈多，正負(fù)半周不對(duì)稱和半周內(nèi)前后 1/4 周期脈沖不對(duì)稱的影響就愈大，輸出波形愈接近正弦波。所以在采用異步調(diào)制控制方式時(shí)，要盡量提高載波頻率 fc，使不對(duì)稱的影響盡量減少，輸出波形接近正弦波。（2） 同步調(diào)制控制方式在同步調(diào)制控制方式中，通常保持載波比 N 不變，保持同步調(diào)制不變。同步調(diào)制控制方式的特點(diǎn)是：控制相對(duì)較復(fù)雜，通常采用微機(jī)控制。在調(diào)制信號(hào)