电力电子应用技术大作业

BeijingJiaotongUniversity电力电子应用技术电力电子在生活中的应用——轻型电能转换装置学院：电气工程学院班级：xxxxxxxx学号：xxxxxxxxx姓名：xxxxxxx指导老师：xxxxxxxxx1摘要：本篇报告简要介绍了电力电子在现实生活中的诸多应用，比如：电磁炉、变频空调、充电器等，着重研究分析在轻型电能变换设备的应用。结合自身设计并实现的电路，以恒流恒压充电器为例，阐述电力电子器件对电能转换领域有着节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的优势。关键词：电力电子应用技术、电能变换、恒压恒流充电、设计电路0.引言电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。在20世纪影响人类最大的工程技术评选中，电力系统高居第一位，电子电力的重要作用就引起了我们的关注。正是由于电子电力技术的发展，使得我们的各项技术都有了其基本的发展基础。当前，电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、机电一体化的基础,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展，优化人们的生活质量。由于之前设计并只做过相关的电力电子设备，所以对此深有体会。本文章将结合自身之前所制作的电路，从各个方面对生活中的轻型电能变换装置进行阐述。2目录摘要：.......................................................................................................................................1关键词：...................................................................................................................................10.引言...................................................................................................................................11.生活中的电力电子...........................................................................................................32.电力电子应用在生活中的实例：轻型电能变换装置...................................................32.1.传统轻型电能变换装置.......................................................................................32.2.新型轻型电能变换装置.......................................................................................42.3.实例：手机充电器。...........................................................................................52.4.轻型电能转换装置的发展...................................................................................93.结语...................................................................................................................................9参考文献.................................................................................................................................1031.生活中的电力电子电子技术是研究采用电力电子器件实现对电能的控制和变换的科学是介于电气工程三大主要领域——电力、电子和控制之间的交叉学科在电力、工业、交通、航空航天等领域具有广泛的应用。电力电子技术的应用已经深入到工业生产和社会生活的各个方面成为传统产业和高新技术领域不可缺少的关键技术可以有效地节约能源。一般工业：工业中大量应用各种交直流电动机。直流电动机有良好的调速性能给其供电的可控整流电源或直流斩波电源都是电力电子装置。交通运输：电气化铁道中广泛采用电力电子技术。电气机车中的直流机车中采用整流装置交流机车采用变频装置。电力系统：电力电子技术在电力系统中有着非常广泛的应用。电子装置用电源：各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。在各种电子装置中以前大量采用线性稳压电源供电。由于高频开关电源体积小、重量轻、效率高，现在已逐渐取代了线性电源。家用电器：电力电子技术广泛用于家用电器，比如：节能灯、变频空调、电冰箱等家用设备机器电源。2.电力电子应用在生活中的实例：轻型电能变换装置2.1.传统轻型电能变换装置在各种电子装置中，传统的轻型电能变换装置大量采用线性稳压电源供电。其中不少设计电路采用了电力电子器件。比如：电阻和稳压管分压供电：稳压管4三极管线性调整稳压供电：三极管、运算放大器LM317线性稳压电源设计实例：LM317线性电源芯片传统轻型电能变换器——线性电源的特点：可稳压，可提高输出功率，效率不太高。2.2.新型轻型电能变换装置随着电力电子器件与技术的提高，出现了新型的轻型电能变换装置。这类转换装置以开关电源为例。开关电源的频率已经能够提升到高频阶段，而且拥有体积小、重量轻、效率高的特点，现在已逐渐取代了线性电源。其中，最为基础的分别是：Buck降压电路：5Boost升压电路：Buck-Boost升降压电路：新型轻型电能变换器——开关电源的特点：可稳平均输出电压，高效率（理想情况100%），输出为脉冲方波。2.3.实例：手机充电器。所有手机充电器其实都是一个轻型电能转换装置由一个稳定电源（主要是稳压电源、提供稳定工作电压和足够的电流）加上必要的恒流、限压、限时、过冲等控制电路组成。一般充电器所使用的电源都为AC220V，而手机电池充电电压一般为DC4~5V，所以充电器中必须有相应的电路，对电能形式和电压等级的变换才能为手机进行充电。而且在追求高效节能的现代社会，传统电源变换装置已经满足不了设计生产厂家的需求，所以必须使用开关电源来实现充电过程的高效、高速、可变换充电模式、节能等目的。现结合自身所做实例对此类新型轻型电能变换装置进行阐述。2.3.1.充电实现目标：一般而言，手机在充电时对充电器输出电压电流的要求是：当电池电量较小，即电压较低时，能够进行恒压充电；当电池电量达到一定程度，即电压较为平稳时，进行恒流充电。6所以，假定电池最高电压是5V，恒流充电时电流所需为50mA，具体要求如下：1)输入电压降压变换。将输入AC220V降压将为DC9~15V。2)稳压输出功能。当充电器输入电压Ud为9~15V的直流时，空载输出电压UO为直流5V，输入电压在以上范围内变化时输出电压变化不超过±0.1V。3)恒流恒压充电功能。在充电器的输出端接入由200Ω电位器模拟的被充电电池负载RL，系统提供电流输出。将RL的电阻值调至0Ω，此时充电器应处于恒压充电模式，即RL的电压VO应保持5V不变；逐渐调整RL，增加其阻值，由于输出恒压，流过RL的电流IO将逐渐减小，当IO减小至50mA时，充电器应进入恒流充电模式，此时继续增大RL的阻值，充电器输出电压将逐渐增大，输出电流IO应保持50mA不变。2.3.2.实现电路设计与设计思路：2.3.2.1.家用电能的转换：将家用的交流220V降压并整流为直流9~15V，只需使用较为简单的变压器降压降至约AC14V即可，并通过全桥式整流电路整流至DC12V左右，其中所使用的电力电子器件就有二极管。电路大致如下：2.3.2.2.实现恒压恒流：由于充电器要求电能转换效率较高，所以设计采用了开关电源芯片LM2576来进行电压电流控制。LM2576为开关型降压稳压器。该芯片的主要特点：1)开关与PWM控制集成一体，最高输入电压40VDC2)固定工作频率52kHz73)最大输出电流3A4)内部参考电压1.23V5)反馈端用于稳定输出电压芯片内部：设计恒流恒压电路如下：设计思路：恒压：应为LM2576自身便是开关稳压芯片，而且能高效地稳定输出5V直流电压，所以实现恒压的功能只需依据该芯片中说明即可实现。如上图可以看出：此处为Buck降压电路的其中一部分，其开关部分已整合至LM2576芯片之中。临界电感的计算：812×𝑉in−Vo𝐿𝐷𝑇s=Io；D=𝑉o𝑉in当输入约为12V时，取L=56-70mH即可。依据使用说明可知：芯片的4号管脚所接入的是芯片自身的1.23V电压比较器，所以依据：𝑉01.23=𝑅3+R4𝑅4选定R3=3.1kΩ，R4=1kΩ时，通过闭环反馈调压，即可使输出电压V0恒定为5V。该电路之后所接的C6、C7为滤波电容，过滤高频和低频的杂波。恒流：LM2576芯片本身只能进行稳压，因此在设计恒流充电时，考虑到之前充电电压恒定，负荷电阻RL不断增大，输出电流不断减小，当电流小于50mA时，转变为恒流充电模式，所以可以设计如下图的电流反馈进行模式切换：KA431为稳压管，稳压2.5V；R5=10Ω将输出电流转换为电压进行测量。为满足当符合电流降为50mA时，实现恒流50mA充电，所以电压比较器LM358的基准电压应为50mAx10Ω，即满足：Io×10Ω=𝑅11𝑅10+R11×2.5𝑉所以，选定R10=1kΩ，R11=4kΩ，即可确定恒流基准分压。当电流到达Io≤50mA时，LM358的3号管脚电压小于基准电压，1号管脚输出低电平，所以LM2576的4号管脚无电压，内部电压比较器输出低电平，导致开关持续闭合，提高了输出电压。此电流闭环反馈使输出电压跟随负荷电阻的提高而升高，保证了输出电流恒定为Io=50mA。92.3.3.充电器扩展的功能实现此充电器设计还只是一个最基本的电路，即使将其制作成成品，也不符合现代的设计理念：美观化与人性化。所以还可以再加入扩展功能，比如：电量指示灯、电量测量显示等等。这些都能通过单片机或逻辑芯片编程进行实现。而单片机和逻辑芯片本身便是由诸多电力电子元器件所构成。所以说，充电器的构成完全是电力电子器件与应用的杰作。2.4.轻型电能转换装置的发展麻省理工学院的研究团队在2007年6月7日美国《科学》杂志的网站上发表了他们的研究成果。研究小组把共振运用到电磁波的传输上而成功“抓住”了电磁波。他们利用铜制线圈作为电磁共振器，一团线圈附在传送电力方，另一团在接受电力方。当传送方送出某特定频率的电磁波后，经过电磁场扩散到接受方，电力就实现了无线传导。这项被他们称为“无线电力”的技术经过多次试验，已经能成功为一个两米外的60瓦灯泡供电。这项技术的最远输电距离还只能达到2.7米，但研究者相信，电源已经可以在这范围内为电池充电。而且只需要安装一个电源，就可以为整个屋里的电器供电。在将来，随着电力电子器件自身频率的不断提高，轻型电能转换装置将通过自身产生的射频信号，实现远距离、高效率、安全的送电。3.结语总之，电力电子技术在现代生活中发挥着重要的，不可替代的作用。离开了电力电子技术，我们的生活将无法想想。电力电子技术在现代生活中的地位应该是基础性和先导性的结合，尤其是电能变换。一方面，生活的每一个角落需要不同的电能，所以需