电力电子课程设计电力直流操作电源.doc

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1、引言通常把电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术两个分支。变鎏技术也称为电力电子器件的应用技术，它包括用电力电子器件构成各种电力变换电路和对这些电路进行控制的技术，以这些电路构成电力电子装置和电力电子系统的技术。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于电力电子技术，电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。也就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。与整流相对应，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，抵消为有源逆变。当交流侧直接和负载连接时。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

2、些电源向交流负载供电时，就需要变电路。另外交流电机调速用变频器。不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛。其电路的核心部分就是逆变电路。1 直流操作电源的设计要求和系统结构1.1电力直操作电源系统的设计要求1.1.1电网电压适应能力我们国家地地域辽阔,各地的电力质量相差很大.为了适应全国绝大部分市场的需要,要求操作电源系统对电网的适应能力要强;但是考虑成本的电源正常工作的效率,可靠性等指标,适应的输入电压范围也不能太宽.所以我们选择输入交流电压输入为:三相380V20%,50HZ10%,或者为:单相220V20%,50HZ10%.1.1.2输出电压变化范围绝大部分的应用场合要求直流操

3、作电源系统输出直流电压变化范围是185-285V,提高供电系统的可靠性,一般都采用开关电源模块并联运行,并采用N+1系统,留有一台的备份余量,所以,我们这里可以设计输出电流为10A的开关电源模块.1.1.3输出电流容量不同级别的变电站设备所用的电流容量也不同，一般在1050A的范围内，为了提高供电系统的可靠性，一般采用开关电源模块并联运行，并采用N+1系统，留有一台的备份余量。所以，这里设计输出电流为10A的开关电源模块。1.1.4其它电气性能指标稳压精度: 1%(平时工作是稳压的)稳流精度; 1%(为蓄电池恒流充电时用)输出电压纹波峰-峰值:不超过550MV负载效应: 0.6%源效应: 0.

4、5%并联运行均流精度: 5%启动冲击输入电流: 额定输入时的150%,输出电压: 输出整定值的10%负载效应恢复时间200MV,超调量整定值的5%效率要求: 90%功率因数: 0.921.1.5保护与报警性能电源在出现交流输入电压过高,过低和机内过热时应能自动关机保护:电压和温度恢复正常时,电源应能自动恢复工作.电源在输出过压,欠压,过流时,应自名种保护应能做出相应的声光报警动关机保护1.1.6微机监控要求有微机监控功能,完成数据采集,显示,报警控制开关机,统一调节.配有后台监控系统时,能实现四遥功能:遥信:远程监察测各种工作和故障状态遥测:远程测量输入,输出电流,电压,蓄电池充,放电电流等模

5、拟量;遥控:远程控制整流模块的开/关机和均/浮充电状态:遥调:远程调节整流模块的输出电压1.2直流操作电源系统结构直流操作电源系统的基本结构应包括交流配电.直流配电,整流模块和监控模块等部分,如图1-1图1-1图中,整流模块的数量可以是2-N+1个,也就是系统电流容量需求分别为1-N台时组成的N+1备份系统.交流配电除了为整流模块供电以外,还有几路不同电流容量等级输出,供用户的外部设备供电直流配电除了两蓄电池分路以外,还有几路不同电流容量等级的输出供负载用.直流配电一般要经过熔断器和开关,有时也只选其中的一类,在这个系统中,整流模块的设计是最主要的,也是逆变技术应用的核心部分1.3直流操作开关

6、电源技术方案选择根据前面的要求,单台开关电源模块的输出功率为P=VI=28510A=2850W单台模块的输出功率虽然不太大,但是我们为了采用移相式ZVT软开关变换技术.还是采用全桥逆变电路,采用VMOSFET作为开关管,由于输出侧的电流小.,电压高,为了能选到合适的快恢复整流二极管,我们采用全桥整流电路.为了提高可靠性和整机效率,采用无源PFC技术,即用LC滤波控制回路采用以移相式PWM控制芯片UC3875为核心的方案,并用电流型控制模式,采用以上技术的直流操作开关电源模块的系统结构如图1-2图1-22电源主电路的设计2.1基本电量计算和设定2.1.1直流母线电压范围计算交流书录电压范围为38

7、0V20%，三相全桥整流为每周期（20ms）六个波头。无源PFC校正LC滤波，L较大，很小，对电压的平滑作用随负载的不同而不同。负载重时，上的电压几乎与整流后面一样，轻载时又几乎为峰值电压。所以，直流母线上的电压变化范围是： 2.1.2 副边最低电压和占空比假设整流二极管上的压降为3V（二只二极管）、线路压降和副边绕组内阻压降为2V，最大占空比为0.94，则变压器副边需要输出的最低电压为：时，最大占空比，2.1.3变压器变比n变压器的变比设计需要保证在最低输入电压时能输出所要求的，即 2.1.4效率预估计和功率计算首先假设变压器的效率为98.5%,次级回路的效率为96.5%，变压器初级的效率为

8、95%，则整机效率为：额定输出功率：变压器输出功率：变压器输入功率：电源输入功率：2.1.5输入侧电流计算直流母线上的电流，时，直流母线（上）平均电压大约为：这时平均电流。2.1.6开关频率逆变电路的工作频率也就是开关管的开关频率f，设定为60kHz。所以，逆变工作周期为：,UC3875振荡频率kHz,副边输出滤波电路的工作频率为 kHz , 2.2逆变变压器的设计2.2.1铁心选取 根据电源的容量和逆变器的工作频率，我们选定PHILIPS公司生产的3C90型材料铁芯。由其损耗参数，我们选定：。由公式得：选E71/33/32型铁芯两对并联，。2.2.2 匝数计算由式可计算原边匝数，也可以变成导

9、通时间的关系： 匝取匝，副边匝数为匝2.2.3导线选定副边电流有效值原边电流有效值由式得：原边导线面积由副边导线面积为方便起见，选。型铁芯窗口高为44mm,所以我们正好可以选用紫铜带作为导体。60kHz时穿透深度，所以交流电阻会等于直流电阻，铜耗不大。2.2.4核算窗口占用系数 （能绕下）2.2.5损耗计算一只E71/33/32在，kHz时，铁耗为11W，所以变压器的铁耗，而铜耗很小，不足5W（计算省略）。2.3开关管、整流桥和EMI滤波器选择2.3.1开关管选择前面已经选定利用VMOSFET作为开关管，现在计算其电流电压定额。初级回路电流峰值，所以可选取开关管定额为1215A。直流母线最高电

10、压，加上100V电压毛刺，选取其电压定额为1000V。因此，我们选取IXYS公司的IXTK21N00型VMOSFET作为开关管，其基本型号参数如下：，（最大值）封装形式TO264AA，通态损耗：（每只管子导通的最大占空比为0.91）。实现ZVT时，开关损耗很小，因为是零电压开通，且关断时刻损耗也很小，即 2.3.2EMI滤波器选三相四线式（外加壳为五线），额定电流为（7.510）A，额定线电压为415V（允许上浮）。2.3.3滤波参数设计电网额定相电压有效值为；正弦电流的额定周期；额定功率时，交流输入电流有效值:，可求。由图可查出功率因数PF0.93。电容为开关管提供电流上升，开关电流最多一半

11、由提供，在半周期内的里，如果要求上电压跌落最多为5V，由电容基本公式，可得，我选耐压1000V（DC）或400V（AC）的的CBB61型聚丙烯薄膜电容。3出整流滤波电路和散热设计3.1输出整流二极管选取输出电流，整流二极管的电流额定应为1525A，变压器次级绕组最高电压，再加上反向恢复造成的电压尖峰，输出整流二极管的耐压应不低于1000V，最好1200V。二极管的开关频率为60kHz ，所以要选超快软恢复的二极管。，选IXYS公司的HiperFRED系列、型二极管模块，其封装形式为SOT-227B（或IOSTOP），两支独立的二极管， ，没只二极管，（1A时，10A时为100ns）。3.2输出

12、滤波参数，的计算当时，。这时，如果要求内电感电流变化1A（5%额定负载时电感电流连续），即，则由式 得： 所以选取。如果开关频率下的输出电压纹波不大于20mV，才能保证输出电压纹波的峰值不大于200mV，既，所以由式可求出的值：可取400V，的电解电容，也可取46只400V，的电解电容并联，以降低ESR的值。3.3发热计算和散热器选择发热计算由式 可以求出每只整流二极管上的功耗：四支二极管总功耗：四只VMOSFET开关管总功耗：二极管温升：VMOSFET的温升：二极管接触面温差：二极管允许散热器的温度：VMOSFET与散热器之间要用热绝缘材料，接触热阻为，所以接触面温差。因此，VMOSFET与

13、散热器的最高温度为。结论在电力电子技术飞速发展的今天，无论是企业还是工业还是其它方面人们对电力电子的应用也变得重要起来。控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电子装置和性能不断满足人们日益增长的各种需求。在21世纪电力电子技术仍将以迅猛的速度发展。以计算机为核心的信息科学将是21世纪起主导作用的科学技术之一。电力电子技术连同运动控制一起。还可比做人的肌肉和四肢，使人能够运动和从事劳动。只有聪明的大脑，没有灵巧的四肢甚至不能运动的人是难以从事工作的。可见电力电子技术在21世纪中将会起着十分重要的作用，有着址分光明的未来。参考文献（1）王兆安、刘进军电力电子技术，机械工业出版社（2）林渭勋:浅谈半导体高频电力电子技术,电力电子技术选编,浙江大学,384-390,1992（3）季幼章:迎接知识经济时代,发展电源技术应用,电源技术应用,N0.2,l998（4）叶治正、叶靖国:开关稳压电源。高等教育出版社