ACAC转换电源电路的设计要点.docx
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1、前言利用电力电子器件实现工业规模电能变换的技术,有时也称为功率电子技术。一般情 况下,它是将一种形式的工业电能转换成另一种形式的工业电能。例如,将交流电能变换 成直流电能或将直流电能变换成交流电能;将工频电源变换为设备所需频率的电源;在正 常交流电源中断时, 用逆变器 (见电力变流器) 将蓄电池的直流电能变换成工频交流电能。 应用电力电子技术还能实现非电能与电能之间的转换。例如,利用太阳电池将太阳辐射能 转换成电能。电力电子技术在如今的社会中有着不可或缺的作用。(1) 优化电能使用。通过电力电子技术对电能的处理,使电能的使用达到合理、高效 和节约,实现了电能使用最佳化。(2) 改造传统产业和发
2、展机电一体化等新兴产业。据发达国家预测,今后将有95%的电能要经电力电子技术处理后再使用,即工业和民用的各种机电设备中,有95%与电力电子产业有关,特别是,电力电子技术是弱电控制强电的媒体,是机电设备与计算机之间的 重要接口,它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件,成为发挥计算机作用的 保证和基础。(3) 电力电子技术高频化和变频技术的发展,将使机电设备突破工频传统,向高频化 方向发展。实现最佳工作效率,将使机电设备的体积减小几倍、几十倍,响应速度达到高 速化,并能适应任何基准信号,实现无噪音且具有全新的功能和用途。(4) 电力电子智能化的进展,在一定程度上将信息处理与功率处理合一,使
3、微电子技 术与电力电子技术一体化,其发展有可能引起电子技术的重大改革。有人甚至提出,电子 学的下一项革命将发生在以工业设备和电网为对象的电子技术应用领域,电力电子技术将 把人们带到第二次电子革命的边缘。目录前 言 1摘要 31设计目的 42主要技术参数 5.3主电路图 64电路各部分工作原理分析 7.4.1 整流电路的设计 7.4.1.1工作原理 7.4.1.2 主要数量关系 8.4.2 逆变电路的设计 9.4.2.1 三相电压型桥式逆变电路 9.4.2.2 逆变器主电路设计 1.14.3 脉宽控制电路的设计 1.2.4.3.1 SG3524芯片 1.2.4.3.2 利用 SG3524生成 S
4、PWM信号 1.34.4 驱动电路的设计 1.5.4.5 整流变压器的设计 1.7.4.6 保护电路原理框图及工作原理2 5 系统仿真 5.1 系统仿真电路图 5.2 SPWM设计 6. 设计小结 1.9.7.附表: AC/AC转换电源所用元器件 1.8参考文献 2.0.摘要本次课程设计题目为 AC/AC 转换电源设计。经过设计使输入为 380v 的三相交流电, 转换为输出为 200v ,频率为 60Hz 的三相交流正弦波输出。设计过程从原理分析、元器件 的选取,到方案的确定,巩固了理论知识,基本达到设计要求。本文将按照设计思路对过程进行剖析,并进行相应的原理讲解,包括整流电路和逆变 电路的理
5、论基础, 此外,还会清晰的介绍各个部分电路以及元器件的取舍, 比如驱动电路、 抗干扰电路、正弦信号产生电路等,其中部分电路的绘制采用了 Proteus 软件,建立了 AC/AC 转换电源的仿真模型,进而通过软件得到较为理想的实验结果。关键词: AC/AC 转换电源 三相 整流电路 逆变电路 仿真AC/AC转换电源设计1设计目的1.1 把从电力电子技术课程中所学到的理论和实践知识,在课程设计实践中全面综合的加 以运用,使这些知识得到巩固、提高,并使理论知识与实践技能密切结合起来。1.2 初步树立起正确的设计思想,掌握一般电力电子电路设计的基本方法和技能,培养观 察、分析和解决问题及独立设计的能力
6、,训练设计构思和创新能力。1.3 培养具有查阅参考文献和技术资料的能力,能熟悉或较熟悉地应用相关手册、图表、 国家标准,为今后成为一名合格的电气工程技术人员进行必须的基本技能和基本素质训 练。2主要技术参数3.1 输出电压: AC三相四线正弦波( 115/200V)3.2 输出功率: 20KVA3.3 输出频率: 60Hz3.4 输入电压: 380V三相交流电3.5 输入频率: 50Hz3主电路图AC/AC转换电源的主电路的结构框图如图 1 的虚线框所示,主电路主要包括输入整流滤波 电路、直流滤波电路、电源逆变电路、隔离变换电路和输出滤波电路。图 1 主电路结构框图主电路的主要功能是从市电中获
7、得符合技术指标的交流电。其工作原理如下:380V、50Hz的三相交流市电,经过三相整流电路整流成直流电,整流电路输出的直流电作为逆变电路 的输入直流电压,此直流电压经过逆变电路变成所需的交流电,为了使逆变电路和输出电 路之间实现电压匹配,需在两者之间加入电源变压器,逆变器输出的交流电压需要经过电 源变压器后得到所需电压和频率的交流电压。为了使输出的交流电压的供电质量更好,还 应设计输出 LC 滤波电路,最后给负载供电。4电路各部分工作原理分析4.1 整流电路的设计4.1.1 工作原理在交直交变频器等应用场合中,大都采用不可控整流电路经电容滤波后提供直流电源, 供后级的逆变器使用。只要将全控整流
8、电路中的晶闸管换为整流二极管,就是不可控整流 电路。03a图 2 整流电路在电容滤波的三相不可控整流电路中,最常用的是三相桥式结构。该电路中,当某一 对二极管导通时, 输出直流电压等于交流侧线电压中最大的一个, 该线电压既向电容供电, 也向负载供电。当没有二极管导通时,由电容向负载供电, ud 按指数规律下降。设二极管在距线电压过零点 角处开始导通,并以二极管 VD6和 VD1开始同时导通的时 刻为时间零点,则线电压为 : uab2U2 sin( t /6)相电压为: uab6U 2sin( t )在 t=0 时,二极管 VD6和 VD1开始同时导通,直流侧电压等于 Uab;下一次同时导通的
9、一对管子是 VD1 和 VD2,直流侧电压等于 Uac。这两段导通过程之间的交替有两种情况,一 种是在 VD1和 VD2同时导通之前 VD6和 VD1是关断的,交流侧向直流侧的充电电流 i d是断续的;另一种是 VD1一直导通,交替时由 VD6导通换相至 VD2导通, i d是连续的。介于二者之 间的临界情况是, VD6 和 VD1同时导通的阶段与 VD1和 VD2 同时导通的阶段在 t+=2/3处恰好衔接起来, i d恰好连续。由 “电压下降速度相等”的原则,可以确定临界条件。假 设在 wt+d =2p/3 的时刻“速度相等”恰好发生,则有:d 6U 2 sin( t + ) d( t)d(
10、 t)i ia由上式可得电流 id 断续和连续的临界条件 RC 3d i dO w t O w t a) b)图 3 电流波形4.1.2主要数量关系输出电压平均值空载时,输出电压平均值最大,为 Ud 6U2 2.45U2 。随着负载加重,输出电压平 均值减少,至 RC 3 进入 i d 连续情况后,输出电压波形成为线电压的包络线,其平 均值为 Ud=2.34U2。可见, Ud在 2.34U2 2.45U2之间变化。与电容滤波器的单相桥式不可控 整流电路相比, Ud的变化范围小得多, 当负载加重到一定程度后, Ud稳定在 2.34U2 不变了电流平均值输出电流平均值 IR为 IR = Ud /R
11、。与单相电路情况一样,电容电流 i C平均值为零,因此 Id = I R。在一个电源周期中, i d有六个波头,流过每一个二极管的是其中的两个波头,因 此二极管电流平均值为 Id的 1/3,即二极管承受的电压二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值,为 6U2 。4.2 逆变电路的设计4.2.1 三相电压型桥式逆变电路用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路。但在三相逆变电路中,应用最为广泛 的还是三相桥式逆变电路。采用 IGBT 作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路如图 3 所 示,可以看成是由三个半桥逆变电路组成。图 4 三相电压型桥式逆变电路电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了,但为
12、了方便分析,画作串联的两个电容 器并标出假想中点 N 。和单相半桥、全桥逆变电路相同,三相电压型桥式逆变电路的基本 工作方式也是 180 导电方式,即每个桥臂的导电角度为 180 ,同一相(即同一半桥)上下 两个臂交替导电,各相开始导电的角度以此相差 120 。这样,在任一瞬间,将有三个桥臂 同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂,也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因 为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行,因此也被称为纵向换流。以下分析三相电压型桥式逆变电路的工作波形。 对于 U 相输出来说,当桥臂 1 导通时, uUN Ud 2,当桥臂 4 导通时, uUNUd 2 。因此, uUN
13、 的波形是幅值为 Ud / 2的矩形波。V、W 两相的情况和 U 相类似, uVN 、uWN 的波形形状和 uUN 相同,只是相位依次差 120。 负载线电压可由下式求出:uUV uUN uVNuVW uVN uWNuWU uWN uUN设负载中点 N 与直流电源假想中点 N 之间的电压为 uNN ,则负载各相的相电压分别为:uVNuVNuNNuWNuWN uNN 三相电压型桥式逆变电路的工作波形如图 4 所示uUVU duNNuUNiUidO图 5 三相电压型桥式逆变电路的工作波形下面对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量分析。把输出线电压展开成傅里叶级数 得:2 3U d111uUVd (s
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