中频电源电路设计.docx

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中频电源电路设计

中频电源电路设计

摘要

随着科学技术的发展以及提高我国国防能力的需要，对军事设施的技术改造已被列为军事技术改造中的重点。

中频电源指输出频率为400Hz的电源，它可以为动力系统及导航与武备系统供电。

传统的400Hz中频电源体积大，输出波形不稳定。

本文所设计的400Hz中频电源通过整流电路、逆变电路、积分电路、放大电路和检波电路及控制其最后的输出电压，实现了电压的稳定输出，具有体积小、功率大和波形无失真等优点，有着广泛的用途和良好的发展前景。

关键词：

中频电源，PWM调制，输出变压器

电力电子装置及系统课程设计任务书

一、课程设计的目的

通过电力电子装置及系统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Internet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、培养学生运用仿真工具的能力和方法。

5、提高学生课程设计报告撰写水平。

二、课程设计的要求

1.题目

题目：

中频电源电路设计

主要技术数据

●输入电压：

三相360V～400V，50Hz±5%

●输出电压：

单相，220V±2%，400Hz±0.5%

●输出功率：

4kW

●输出电流：

22A

●功率因数：

0.8

二、课程设计的要求

1.题目

题目：

中频电源电路设计

主要技术数据

●输入电压：

三相360V～400V，50Hz±5%

●输出电压：

单相，220V±2%，400Hz±0.5%

●输出功率：

4kW

●输出电流：

22A

●功率因数：

0.8

●效率：

85%

设计内容：

●主电路设计和参数选择

●控制系统及辅助电源电路设计

●电路仿真分析和仿真结果

要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路、控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型）。

严禁抄袭，严禁两篇设计报告基本相同，甚至完全一样。

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，且文中有引用说明，否则也不能得优）。

三、课程设计报告基本格式

目录内容：

1.设计的基本要求

所要设计的装置的主要技术数据

设计装置要达到的要求

最好简述所设计装置的主要用途

2.系统主电路设计与计算

电路结构设计

开关器件选型与计算

缓冲电路选型与计算

输入输出滤波电路选型与计算

3.控制电路路设计

控制单片机选型（说明单片机的特点）

检测电路设计

驱动电路设计

保护电路设计

控制方法设计

4.总结

参考文献

第一章绪论

一、中频稳压电源简介

稳压电源（stabilizedvoltagesupply）是能为负载提供稳定交流电源或直流电源的电子装置。

按照电源的类型可分为交流稳压电源和直流稳压电源两大类；按照开关频率的高低可分为工频稳压电源、中频稳压电源和高频稳压电源。

二、稳压电源发展历史

1955年美国的科学家罗那（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。

此后，利用这一技术的各种形式的精益求精直流变换器不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转和机械振子式换流设备。

由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态，所以由此而制成的稳压电源输出的组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻，因而当时被广泛地应用于航天及军事电子设备。

由于那时的微电子设备及技术十分落后，不能制作出耐压高、开关速度较高、功率较大的晶体管，所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入，并且转换的速度也不能太高。

60年代，由于微电子技术的快速发展，高反压的晶体管出现了，从此直流变换器就可以直接由市电经整流、滤波后输入，不再需要工频变压器降压了，从而极大地扩大了它的应用范围，并在此基础上诞生了无工频降压变压器的开关电源。

省掉了工频变压器，又使开关稳压电源的体积和重量大为减小，开关稳压电源才真正做到了效率高、体积小、重量轻。

70年代以后，与这种技术有关的高频，高反压的功率晶体管、高频电容、开关二极管、开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来，使无工频变压器开关稳压电源得到了飞速的发展，并且被广泛地应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域，从而使无工频变压器开关稳压电源成为各种电源的佼佼者。

第二章滤波器

一、滤波器设计

（1）输出滤波器

输出滤波器的作用是减小输出电压中的谐波，并保证基波电压传输。

因滤波电容和负载并联，它可以补偿感性电流，但是，滤波电容过大，反而会增加变压器的负担。

因此，在设计滤波电路时，首先确定滤波电容的值。

设计基本原则就是在额定负载时，使容性电流补偿一半的感性电流。

（2）直流滤波电路

本装置中直流滤波电路主要担负低通滤波的作用，滤除三相整流的6脉动波。

为了保持母线电压为平稳直流，整流电路必须向滤波电容提供电能。

三相全桥整流电路的输出电压和电流脉动频率为300Hz,整流电路向电容补充能量的间隔周期为3.3ms。

逆变电路的平均输入电流：

由可知：

（其中电容上电压取4.5V，电容的充电周期）

当用8只4700电解电容串并联后组成800V，9400的电容式，满足要求。

对LC滤波电路：

可以解得L=0.75mH。

在设计滤波电路时要注意阻尼系数，当阻尼系数小于1，在切除充电电阻或者负载突变时电路容易发生振荡，电容上将出现过高的浪涌电压，甚至使得装置无法正常运行。

值得提出的是，如果逆变桥输人是直流也需要直流滤波电路，保证器件的开关过程中直流母线电压纹波比较小，滤波电路计算方法同上，只是脉动频率取开关频率，单极倍频取开关频率的两倍，L,C的值会小得多。

第三章变压器

二、输出变压器设计

变压器生产厂家可以设计并制作变压器，但必须给出以下参数：

输出功率，原边电压、电流，副边电压、电流，基波频率和对磁密余量要求。

从下面的设计过程可以了解它们的作用。

1.铁芯的选择

电源的输出功率为4kW,cos=0.8，频率f为400Hz。

根据变压器设计手册可以初步选择CD40X80X120mm的400Hz铁芯。

采用CD型铁芯，每个绕组一般分成左、右两个相同的线圈组成，这样外形对称、重心合理。

铁芯外形尺寸和绕法如图8.4所示。

手册给出的参数中视在功率为6.4kVA，磁芯截面积SC=28.5cm2，窗口面积S0=6.4X12=76.8cm2，最大磁密Bm=6550Gs，导线电流密度j=1.45A/mm2。

2.绕组计算

1）副边绕组

导线截面积：

所以可以选择3根3的玻璃丝包扁线并联绕制，左右各40匝，再串联，两根导线的截面为：

2）原边绕组

死区引起的电压损失：

基波电流在滤波电感上压降为：

变压器原边电压：

变压器变比：

选用3根3*4.25m2的并联绕制，左右各47匝

3.窗口占空比

如果简单地按照导线截面计算窗口占空比，应该在0.5以内，控制用小变压器的窗口占空比应该在0.3以内。

本变压器的窗口占空比为：

第五章缓冲电路

一

二、开通缓冲电路

在桥式电路中开通缓冲电感的设置还限制了二极管反向恢复期间的桥臂电流上升率，1200VIGBT的di/dt额定为200A/，所以选择电感

电感应该是线性的，可以直接用导线绕制成空心电感，圆导线做成的单层圆柱形线圈电感的大小为：

式中为常系数12.57*，N为线圈匝数，S为线圈截面积，l为线圈长度。

可依次公式绕指线圈，并用电感表测量，且同时调整线圈至其值为2.7H即可。

三、关断缓冲电路

设IGBT的电流恢复时间是,又,按照临界缓冲计算电容值。

可选用1200V/47的高频电容

电阻的取值应按以下条件:

（1）使电容电荷在开关器件开通时放电完毕，即,其中为调制过程的最小导通时间。

这个时间在SPWM的调制方式中比较难估计，一般在满足另一个条件的情况下，将取小。

（2）产生的附加电流不易过大。

（3）的功率

实际选用的电阻功率至少增加一倍，否则，温升比较高。

用20只

5W/75Ω金属膜电阻串、并联可以组成100W/1552的无感电阻。

选用快恢复二极管MUR30100，它是1000V,30A的二极管，其反向恢复时间约为35ns。

第六章主电路

一、电路结构与开关器件选择

整流电压均值：

1.3~1.35线电压

最不利的情形：

3601.3=468V4001.35=540V

整流后DC的波动：

468~540V

逆变以后：

可得33110％=298V的基波电压

变压器的变化：

k=220/298=0.74

选额定电压1200V的半导体开关器件

原边：

电流有效值：

21.9A过载120％有效值：

26.28A

电流幅值：

30.95A过载120％幅值：

37.114A

副边：

电流有效值：

28.4A过载120％有效值：

34.1A

电流幅值：

40.2A过载120％幅值：

48.2A

则原边有37.114A的冲击电流，选用100A的开关器件。

二、整流电路

“整流电路”（rectifyingcircuit）是把交流电能转换为直流电能的电路。

大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。

它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。

整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。

20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。

滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。

变压器设置与否视具体情况而定。

变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。

整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程，整流电路主要由整流二极管组成。

经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压。

习惯上称单向脉动性直流电压。

在本次课程设计中，我们小组采用的是三相不可控整流，其原理图如上所示。

习惯上将阴极链接在一起的三个二极管（VD1.VD3.VD5）称为共阴极组；阳极连接在一起的三个二极管（VD2,VD4,VD6）称为共阳极组。

此外，习惯上希望二极管按照顺序从1至6的顺序导通。

为此将二极管按图示的顺序编号，共阴极组中与a，b，c三相电源相接的三个二极管分别为VD1,VD3,VD5，共阳极组中与a，b，c三相电源相接的三个二极管分别为VD2.VD4.VD6。

按此编号，二极管的导通顺序为VD1-VD2-VD3-VD4-VD5-VD6。

将波形中的一个周期分为六段，每一段中导通的二极管及输出整流电压的波形如下表所示。

从此可以看出，每个时刻需要两个二极管同时导通，形成向负载供电的回路，其中的二极管一个是共阳极组，一个是共阴极组，且不能为同一相的二极管。

整流输出电压ud一周期波动六次，每次脉动的波形都一样，所以该电路为六脉波整流电路。

三、逆变电路

逆变电路是与整流电路（Rectifier）相对应，把直流电变成交流电称为逆变。

逆变电路可用于构成各种交流电源，在工业中得到广泛应用。

逆变电路根据直流侧储能元件形式的不同，可划分为电压型逆变电路和电流型逆变电路。

电流型逆变器给并联负载供电，故又称并联谐振逆变器。

电压型逆变器给串联负载供电，故又称串联谐振逆变器。

逆变电路是与整流电路（Rectifier）相对应，把直流电变成交流电称为逆变。

当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变；当交流侧直接和负载链接时，称为无源逆变。

逆变电路的应用非常广泛。

在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆