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