【开关斩波恒流励磁电源的设计计算案例2900字】

开关斩波恒流励磁电源的设计计算案例目录TOC\o"1-3"\h\u22951开关斩波恒流励磁电源的设计计算案例 170061.1整流电路的设计 1144231.1.1整流电路的拓扑选择 150571.1.2三相桥式全控整流电路的参数关系 283071.1.3三相桥式全控整流电路的参数计算及器件选型 3152881.2电压变换电路的设计 428901.2.1电压变换电路的拓扑选择 4184671.2.2降压斩波电路的参数关系 581541.2.3降压斩波电路的参数计算及器件选型 71.1整流电路的设计1.1.1整流电路的拓扑选择由于该开关电源的输入为三相交流电压，因此，在电源的设计中，首先要将此交流电压进行整流之后才能提供给后面的降压斩波电路，承担这份工作的便是整流电路。三相桥式全控整流电路中，如图1.1，整流装置的三相是相同的，因此，经该整流电路输出的，无论是电压还是电流，其波形的波动都比较小，从而滤波电路的设计比较简单，对上级供电设备的影响也较小。与三相半波可控整流电路相比，它能够输出的功率更大，故在工业中，得到了更广泛的应用。图1.1三相桥式全控整流电路图该整流电路主要为电阻性负载或阻感性负载，由于该电源是为四极磁铁提供励磁电流的，故其负载为阻感性负载。三相桥式全控整流电路的特点如下：(1)在电路无故障运行时，需要同时导通上、下桥臂且不能位于同一相的两个的，此时，电源通过导通的晶闸管与负载形成一个闭合的回路，若位于同一相两个一起导通，将会造成短路而使电路被烧毁。(2)为了保证三相的平衡性，减小输出时直流电压和电流波形的波动大小，要求6个的导通时间在一个周期内是相同的，因此，按的顺序导通，且前后导通的之间各间隔。(3)该整流电路输出的电压和电流的波形在一个内波动了次，故在后面的计算中一个内的电压可以简化计算为一个波动周期的倍。(4)为保证电路能够正常工作，即在规定的周期内，需要导通的为导通状态，必须要求上、下桥臂同时导通的均具有触发脉冲。这里，可供运用的方法具体有两种：一种是宽触发脉冲，顾名思义，是使给定的脉冲宽度大于（范围一般在之间），另外一种是双脉冲触发，就是在每个需要导通的周期内，为其提供两个脉冲信号，即在需要导通前给一个脉冲信号使其导通，让电路正常运行，之后间隔后，为了让电路正常运行，为下一个需要导通的提供触发信号时，给之前导通的一个再提供一个导通信号使其维持在导通的状态，以满足维持电路的正常工作的要求。上述介绍的三相桥式全控整流电路的特点，在后面利用工具箱进行模型的搭建工作调节的触发角和通过仿真结果查看波形时，可以用来验证参数设置的合理性与正确性。1.1.2三相桥式全控整流电路的参数关系通过上面的分析可知，当电路带阻感负载或带电阻负载时：(1)输出电压的平均值为： (1.1)(2)输出电流平均值为： (1.2)(3)晶闸管电流平均值为： (1.3)(4)晶闸管电流有效值为： (1.4)(5)三相输入电流的有效值为： (1.5)(6)晶闸管承受的峰值线电压为： (1.6)由上可知，当电路所带负载为阻感性负载时，整流电路中不同的触发角所对应的输出电压如下表1.1所示：表1.1整流电路的触发角所相应的整流输出电压触发角触发角 1.1.3三相桥式全控整流电路的参数计算及器件选型(1)设计计算根据三相桥式全控整流电路的原理，进行整流电路的设计计算。①输出电压平均值综合考虑到整流电路输出波形的平稳性及Buck变换器中开关器件IGBT的工作频率的影响，在开关电源的设计中，三相桥式晶闸管电路的触发角，则由(1)可得：根据式(1.1)，整流电路输出电压的平均值为：由前面的电源设计技术指标可知：，则根据式(1.2)，整流输出平均电流为：②晶闸管根据式(1.4)，晶闸管电流的有效值为：则额定电流为：根据式(1.6)，晶闸管承受的峰值线电压为：(2)设备选型根据参数计算的结果，再考虑裕量，参考国际电工委员会(IEC)标准和国家标准进行元器件的选取工作。在设备选型时一般遵守如下原则：①所选取的设备必须同时考虑技术上的适用性及经济上的实用性：在实际的生产中，技术上的适用性和经济上的实用性是一个永恒的矛盾点，对此，避免不了要从中取舍，既要要求电路在正常工作的同时，产生的能耗小，设备不易损坏，又要要求在经济上能够获得较大的利益。但二者又是统一的，技术上的适用性不仅可以提高产品的性能，还可以通过提高效率来增加收益，因此，在设备选型时，需要权衡利弊。②生产上合理：为后续的开发尽可能的提供便利。根据此原则，整流电路的设备选型为：晶闸管：型号，为，为，共6个。电容C：电容为5F，共一个。晶闸管触发板：型号为：，共一个。1.2电压变换电路的设计1.2.1电压变换电路的拓扑选择降压斩波电路，即Buck变换器，在直流电动机的调速和稳压电源的设计中得到了广泛的应用，是DC-DC变换电路中最具代表性的拓扑结构之一。图1.2降压斩波电路图如上图所示，Buck变换器由一个直流电源，一个可控元器件，一个不可控元器件VD，LC滤波环节以及负载R组成。VT在负载需要输出大功率时，一般选用，在输出的功率较小时选用。在本次设计中，根据输出电压、电流的要求，VT选为IGBT。Buck变换器的具体工作过程如下：VT导通时，直流电源E两端的电压加在的两端，造成的截至，与此同时，、、以及形成闭合的回路，通过VT向提供能量，开始充电，保持线性增加，使开始储备能量，，这段时间称为VT的导通时间，记为。VT关断时，由于无法立即改变，因此，极性调整为与之前相反的状态，此时，此时，VD、和构成续流回路。储存的能量通过VD开始释放，保持线性减小，。当时，由C为提供能量，以维持和不变。这段时间称为VT的关断时间，记为。在以上两种情况下，的极性始终保持不变，为上正下负。1.2.2降压斩波电路的参数关系(1)电感电流连续图1.3电感电流连续波形图降压斩波电路正常工作时，在一个周期中，电感L储存和释放的能量相等，即在一个周期中，，这被称为电感伏秒（磁链）平衡原理。由此，可以将其推广到所有具有电感的开关变换电路的一个稳定条件为： (1.7)对上式进行化简，可以得到降压斩波电路中输入电压与输出电压之间的关系： (1.8)这里，，则可知：，故为降压变换关系。(2)电感电流断续在降压斩波电路中，电流是否连续的标志是，在VT导通开始瞬间（或者关断结束瞬间）的，根据前面导通时的的方程，可以计算出，此时，电感电流的临界连续平均值，即 (1.9)因为，在电感电流连续时，有，则上式可以进一步化简为： (1.10)又，， (1.11)由此，可得滤波电容L的计算公式： (1.12)(3)滤波器的设计通过(2)中的计算公式，可以获得滤波电容L的数值，下面是对滤波电容C的计算的推导。对于滤波电容C，可以通过电感电流连续时输出的电容电压纹波来计算。由图可知： (1.13)若在电流在经过LC滤波器后，R的电流波形为稳定、平直的直线，则，此时，的脉动成分全部流入C，即，也就是说，流过C的电流平均值为0，因此，在个周期中，的变化量为： (1.14)则电容电压纹波峰-峰值为： (1.15)又纹波电流为： (1.16) (1.17)由此可得： (1.18)1.2.3降压斩波电路的参数计算及器件选型(1)设计计算根据降压斩波电路的原理，进行电压变换电路及LC滤波电路的设计计算。①IGBT考虑到电感、电容的容量和开关型器件IGBT的开断损耗，将IGBT的开关频率设置为：②占空比根据式(1.8)可得：③电感当Buck电路无故障稳定运行时，流过L的电流包括直流电流部分和纹波电流部分，因此，电感L的选择与负载的工作状态息息相关