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__高频交流电源的设计____专业___电气工程及其自动化_班级学号学生姓名指导教师2008年春季学期起止时间：2008年6月23日至2008年6月27日平时（10%）任务完成（50%）答辩（20%）课设报告（20%）总评成绩高频交流电源的设计1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》。高频交流电源的设计2（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，且高频交流电源的设计3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。高频交流电源的设计4（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。高频交流电源的设计52.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A25400KW10IL由三相桥式整流公式三相工频交流电源电源整流电路LC滤波电路逆变电路控制电路保护电路DCACCACCcos34.2)(sin63123232UttdUUd高频交流电源的设计6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121LdlKULmHI=0.462203.162525032mHmH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12O0V2)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，AtvI=（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高频交流电源的设计7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A6.654.14.1057.1IIddvt考虑安全裕量取额定值为1.5-2倍的计算结果即AIdvt)2.1394.9()25.1(晶闸管额定电压为VUUvt54022045.245.22考虑安全裕量取额定值为计算结果的2-3倍即为VUvt)16201080()32(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)×uFR=(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．仿真原理图高频交流电源的设计82.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高频交流电源的设计9放大后高频交流电源的设计10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