完整word版电力电子技术课程设计高频交流电源的设计.docx
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完整word版电力电子技术课程设计高频交流电源的设计
电力电子技术
课程设计报告
题目晶闸管开关电容器(TSC)
专业电气工程及其自动化
班级电气115
学号**********
学生姓名黄卫
指导教师宁耀斌
2014年春季学期
起止时间:
2014年6月23日至2014年6月27日
平时(10%)
任务完成(50%)
答辩(20%)
课设报告(20%)
总评成绩
设计任务书9高频交流电源的设计
一、设计任务
输入为工频交流电源,输出为一个20KHz的交流电源,采用AC—DC—AC间接变频方式完成主电路的设计。
二、设计条件与指标
1.输入三相交流电源额定电压为380V±10%,50Hz;
2.输出负载额定值:
10KW,400V,20KHz;过载容量110%;
3.直流电压波动系数0.1;
4.尽量提高输出波形质量。
三、设计要求
1.分析题目要求,提出2~3种电路结构,比较并确定主电路结构和控制方案;
2.设计主电路原理图、触发电路的原理框图,并设置必要的保护电路;
3.参数计算,选择主电路及保护电路元件参数;
4.利用PSPICE、PSIM或MATLAB等进行电路仿真优化;
5.撰写课程设计报告。
四、参考文献
1.王兆安,《电力电子技术》,机械工业出版社;
2.林渭勋等,《电力电子设备设计和应用手册》。
(要求2000字以上)
一、总体设计
1.系统功能分析
高频交流电源主要由输入整流滤波器、高频器、输出滤波器、控制电路、保护电路等几部分组成。
采用AC-DC-AC间接变频方式,其基本原理是:
交流输入整流滤波后成为一粗糙的直流电压,高频变换器将这一直流电压变换成高频交流电压,最后经过输出滤波电路,将变压器输出的高频交流电压滤波得到高质量、高品质的交流电压,供负载使用。
(1)输入整流滤波器:
将电网输入的交流电进行整流滤波,为变换器提供波纹较小较为平滑的直流电压,供下一级变换使用。
(2)IGBT全桥逆变器:
它是本电源系统的关键部分。
它把直流电变换成高频交流电,经过输出滤波器变成所需的隔离直流输出交流电压。
(4)控制电路:
包括电压反馈、PI调节器、限流器、反余弦等,检测输出直流电压,与基准电压比较,进行隔离放大,调制振荡器输出的脉冲宽度,从而控制变换器以保持输出电压的稳定,防止了输出电压波形失真。
(5)保护电路:
为了防止电路中的过流和过压,采用RC吸收电路来缓冲。
2.主电路的选型(方案设计与比较)
(1)输入整流电路的设计
整流回路有半波型和全波型,半波型整流电路适用于小电流场合,全波型整流电路适用于大电流场合。
采用三相全控整流。
触发方式
1.采用方波触发,但由于触发脉冲是单一脉冲,输出电压不可控,且有可能失真。
2.采用相控整流,三相PWM整流器主电路结构如图所示,主要包括交流侧的电感、电阻、直流电容、以及由全控开关器件(IGBT)组成的三相全桥电路。
Ua、Ub、Uc为三相交流电源,RL为负载。
通过,便可以在直流侧得到稳定的电压输出,同时保证交流侧电流相位可控,且谐波小。
(2)输出控制电路设计
常用的控制方案包括电流跟踪和矢量控制等
控制电路是高频开关电源的很重要的部分,是电源系统可靠工作的保证,开关电源的控制方式基本上都采用时间比率控制(TRC)方式。
这种方式
又大致分为三大类:
l、脉冲宽度调制(Pulsewidthmodulation简称PWM)方式。
它用调整
脉冲宽度和控制占空比的方法来达到输出电压的稳定。
2、脉冲频率调制(PulsefrequeneyModulation即pFM)方式,它采用脉
冲频率来改变脉冲占空比来控制输出电压的稳定。
3、混合调制方式,即前二者兼而有之的方式,既控制脉冲宽度,又改变
脉冲频率,用综合技术来改变脉冲占空比和脉冲周期来控制输出电压的稳定。
目前,以脉冲调制PWM应用最多。
此处采用SPWM调制方式。
2.总体实现框架
二、主要参数及电路设计
输出负载额定电压为U=400V,额定功率P=10kw,
输出负载阻值===16Ω
额定电流有效值
由三相桥式整流公式
当
=0时,整流后输出电压最大值为220×2.34=514.8V
滤波电感L1计算:
为了保证电流连续和短路电流,则
=
电源输出滤波器参数的选择
畸变系数DF(DistortionFactor):
通常逆变电路输出端要经LC滤波器后再接负载(其中,L串联在电路中,C并联在负载两端)。
若逆变电路输出的n次谐波有效值为K,则经LC滤波器衰减以后输出到负载的。
适当地选择L,C使n次谐波容抗远小于感抗
输出滤波电感的选择要考虑诸多因素,电感值太大,则在滤波电感上的基波电压降也就越大,同时还使系统的动态响应变差;电感值太小,则会严重影响输出波形的质量。
通过对高频交流电源主电路的仿真分析,对输出滤波器参数进行了优化设计,最后确定滤波电感值定为2.8uH,输出电容值定为10uF。
在上述参数设计下,逆变器输出电压波形如图所示。
从显示的波形图可以看出,输出交流滤波器可以滤除逆变桥输出的SPWM波中的谐波分量。
IGBT参数计算
1)IGBT额定电压的确定
由逆变器电路原理图可看出,IGBT承受的最大正向电压为逆变器输入侧的直流电
压E。
则可选择的IGBT耐压尺值=2E二1120V。
设计中实际选择12O0V
2)IGBT额定电流的确定
己知逆变器最大输出功率为P为10kW,输出电压有效值Uo为400V,设电流有效值为Io,则流过IGBT的峰值电流
Ic==
考虑安全裕量管子,
=(1.5~2)×35.355A=53~70.7A,取IGBT额定电流
为60A。
晶闸管参数计算
直流侧电压最大值为
=2.34×220=514.8V
此时直流侧电流为===32.18A
晶闸管电流有效值==×31.18=10.4A
晶闸管额定电流
考虑安全裕量取额定值为1.5-2倍的计算结果即
晶闸管额定电压为
考虑安全裕量取额定值为计算结果的2-3倍即为
设计中实际选择晶闸管的额定参数为电压1500V电流12A
保护电路
保护电路采用RC吸收电路,晶闸管并联吸收电容
C=(2~4)×uF=(2~4)×4.5×uF=(9~18)×uF
R=(10~36)Ω
三、仿真验证(设计测试方案、存在的问题及解决方法)
1.仿真原理图
2.整流后输出电压波形
经过整流后的波形在开始段时间缓慢上升,在经过与短时间后就到了稳定阶段,得到的直流波形很稳定。
2.逆变后交流侧输出电压波形Vo
放大后
电压最大值为为569V,最小值为-568V,对应电压有效值为402V,电流最大值为35.6A,最小值为35.3A,对应电流有效值为25.1A,基本符合要求。
由图可看出输出周期为0.5ms,所以频率为20kHz。
四.小结
通过本次电力电子课程设计,我对电力电子知识更加深刻,尤其是PWM变频整流逆变等知识都更加清晰,通过选择电路方案,设计电路原理图,选择电路元件参数,并在仿真软件上测试优化,将所学理论应用于实践,完整地完成了一个高频交流电源的设计,并通过查找资料,锻炼了克服困难的能力。
五.参考文献
王兆安,《电力电子技术》机械工业出版社
徐德鸿等,《开关电源设计指南》(原书第二版)机械工业出版社
林渭勋等,《电力电子设备设计和应用手册》,机械工业出版社。
周志敏等,《现代开关电源控制电路设计及应用》人民邮电出版社
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