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正文內(nèi)容

10kw直流開關(guān)電源設(shè)計(編輯修改稿)

2024-10-04 11:23 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 致短路,從而損壞開關(guān)元件。 根據(jù)電路功能的分工可將控制電路分為幾大部分 :脈沖產(chǎn)生電路、觸發(fā)電路、 本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 7 電壓反饋控制電路、軟啟動電路、保護(hù)電路、輔助電源電路等,具體控制電路如圖 所示。從圖 可以看出,脈沖產(chǎn)生 電路是控制電路的核心。脈沖產(chǎn)生電路根據(jù)電壓反饋控制電路、保護(hù)電路以及軟啟動電路等提供的控制信號產(chǎn)生出所需的脈沖信號,然后該脈沖信號經(jīng)過觸發(fā)電路的放大后去驅(qū)動開關(guān)元件,使開關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷。 圖 電源控制電路框圖 電壓反饋控制電路通過檢測電壓的大小,對輸出電壓進(jìn)行采樣,然后將采樣電壓和參考電壓相比較得出誤差信號,反饋控制電路將誤差信號進(jìn)行 PI 處理后得到一控制電壓。最后,反饋控制電路將該控制電壓送給脈沖產(chǎn)生電路,進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出脈沖的脈寬達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。 控制電路輸出的 PWM 信 號,電平幅值和功率能力均不足以驅(qū)動大功率開關(guān)元件,因此選擇合適的驅(qū)動電路是必須的。驅(qū)動電路是將控制電路輸出 PWM 脈沖信號經(jīng)過電隔離后進(jìn)行功率放大和電壓調(diào)整再去驅(qū)動大功率開關(guān)管,由于所提供的脈沖幅度以及波形關(guān)系到開關(guān)管的開關(guān)過程,直接影響到損耗,所以,應(yīng)該合理設(shè)計驅(qū)動電路,實現(xiàn)開關(guān)管的最佳開通與關(guān)斷。 電源的輸出濾波電容較大,輸出電壓的突然建立將會形成非常大的電容充電電流,疊加在負(fù)載電流上,它不僅使開關(guān)管的負(fù)擔(dān)過重而可能損壞,而且,由于持續(xù)時間長,往往會引起過流保護(hù)電路發(fā)生誤動作。若為了避免由此引起的誤動作而 將保護(hù)電路搞得非常遲鈍,這將會增加過流保護(hù)的不安全性。 輸出電壓在合閘時容易出現(xiàn)過沖,這種過沖,合閘時可能發(fā)生,在關(guān)閉電源時也可能產(chǎn)生,只要達(dá)到足夠的幅度將會給負(fù)載造成損害,而且,反復(fù)的大電流沖擊對電容器本身也不利,同時還會引起干擾,因此,開關(guān)電源必須具備輸出電電源主電路 觸發(fā)電路 保護(hù)電路 電壓反饋控制電路 脈沖產(chǎn)生電路 軟啟動電路 輔助電源 本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 8 源軟啟動的功能。軟啟動電路在電源合閘和重新啟動時提供一個逐漸上升的電壓信號給脈沖產(chǎn)生電路,從而使控制電路的輸出脈沖有一個逐漸建立的過程。 保護(hù)電路是控制電路的一個重要組成部分,為了提高電源的可靠性必須不斷完善保護(hù)電路的功能。當(dāng)前開關(guān)電源電路的主要保護(hù) 功能有 :過流保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、溫度保護(hù)。過流保護(hù)和過壓保護(hù)是為了保護(hù)負(fù)載和電源兩者而設(shè)置的,而欠壓保護(hù)和溫度保護(hù)是為了電源本身而設(shè)置的。 輔助電源電路的功能是為控制電路供電。輔助電源的類型有很多種,既可以采用串聯(lián)線性調(diào)整型電源,也可以采用開關(guān)電源。輔助電源也可以通過高頻變壓器獲得輸出后反饋提供,輔助電源本身作為開關(guān)電源的一組負(fù)載。選取輔助電源電路形式時,只要該電源能滿足控制電路的要求即可。 整流濾波電路的選擇 整流濾波回路是開關(guān)電源的重要組成部分,它可以提高電壓、電流的穩(wěn)定度,減小干擾。開關(guān) 電源中分別存在輸入和輸出整流濾波回路。 輸入整流濾波回路 本課題研究的電源額定工作狀態(tài)的技術(shù)要求為 :輸出電壓 220V,輸出電流50A,輸出功率為 10kW,屬于大功率電源。為了保持三相交流電源的對稱性和減小電源的輸入濾波電容等原因,大功率電源一般采用三相電源作為供電電源。因此,本 設(shè)計 采用三相橋式整流 濾波電路作為輸入級電路 。 輸出整流濾波回路 在大功率電源中,常用的輸出整流電路有橋式整流電路和全波整流電路。因為本文實驗要求輸出電壓為 220V。橋式整流電路適用于輸出電壓較高的場合,還可以使 變壓器結(jié)構(gòu)簡單,降低整流管的電壓定額,所以我們采用橋式整流電路作為輸出整流電路。輸出濾波電路一般可采用一級濾波也可采用兩級濾波。輸出濾波電路的作用是濾除二次側(cè)整流電路輸出的脈動直流中的交流成分,得到平滑的直流輸出。 本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 9 第 3章 開關(guān)電源主電路的設(shè)計 開關(guān)電源最重要的兩部分就是主電路和控制電路。本章將根據(jù)大功率直流開關(guān)電源的要求對主電路各部分進(jìn)行性能分析并計算各項參數(shù),根據(jù)計算所得的數(shù)據(jù)結(jié)果選擇各元器件,設(shè)計出各個獨立模塊,最后組裝成開關(guān)電源的主電路。 開關(guān)電源的設(shè)計要求 本文設(shè)計的大功率直流開關(guān)電源主 要應(yīng)用于電力系統(tǒng)的高頻開關(guān)電源,確定技術(shù)指標(biāo)如下 : 1. 輸入電壓 : 380V? 20% 2. 電網(wǎng)頻率 : 50Hz? 10% 3. 功率因數(shù) : 4. 輸入過壓告警 : 437V? 5V 5. 輸入欠壓告警 : 320V? 5V 6. 輸出標(biāo)稱電壓 : 220VDC 7. 輸出電壓范圍 : 176286VDC 8. 輸出紋波電壓 : OV? 10mV 9. 輸出額定電流 : 50A 10. 輸出過壓保護(hù) : 325V? 5V 11. 輸出欠壓保護(hù) : 195V? 5V 12. 便于生產(chǎn)和維護(hù) 在本設(shè)計的研究過程中,主要對開關(guān)直流電源的工作原理、電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運行模式進(jìn)行了深入研究,并結(jié)合系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù),確定系統(tǒng)主電路的拓?fù)?,設(shè)計出主電路,即分別設(shè)計出濾波、整流、 DCDC變換器 、軟啟動和保護(hù)控制等部分。下面就對電源主電路的設(shè) 計進(jìn)行詳細(xì)說明。 主電路組成框圖 根據(jù)需要設(shè)計大功率開關(guān)電源的技術(shù)要求,本文進(jìn)行了方案的驗證與比較,設(shè)計如圖 所示的軟開關(guān)直流開關(guān)電源的主電路框圖。虛線以上是主電路,主 本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 10 電路主要分為輸入整流濾波、逆變開關(guān)電路、逆變變壓器和輸出整流濾波;虛線以下為控制回路,控制回路主要包括信息檢測電路、控制和保護(hù)單元、監(jiān)控單元和輔助電源。 圖 直流開關(guān)電源的主電路框圖 本電源采用 ZVZCS PWM 拓?fù)?,原邊加箝位二極管,三相交流輸入整流后,加 LC 濾波,以提高輸入功率因數(shù),主功率管選用 IGBT,控制電路采用 UC3825移相控制專用集成芯片,電流電壓雙閉環(huán)控制。 輸入整流濾波電路 三相交流電經(jīng)電源內(nèi)部 EMI 濾波后,加到整流濾波模塊。 EMI 濾波器的作用是濾除功率管開關(guān)產(chǎn)生的電壓電流尖峰和毛刺,減小電源內(nèi)部對電網(wǎng)的干擾,同時又能減小其他用電設(shè)備通過電網(wǎng)傳向電源的干擾。濾波電路采用 LC 濾波,電感的作用是拓開電流導(dǎo)通時間,限制電流峰值,可以提高電源的輸入功率因數(shù)。濾波電容采用四個電解電容,兩個串聯(lián)后并聯(lián)使用,滿足三相整流后的高壓要求。電阻 1R 、 2R 是平衡串聯(lián)電容上的電壓,高頻電容與電解電容并聯(lián)使用,濾除高頻諧波,彌補電解電容高頻特性差的缺陷。如圖 即為輸入整流濾波電路。 圖 輸入整流濾波電路 交流輸入 整流濾波 高頻逆變 整流濾波 直流輸出 輔助電源 控制和保護(hù)單元 反饋 監(jiān)控單元 本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 11 輸入整流濾波電路同一般大功率 PWM 型開關(guān)電源的輸入整流濾波電路相似。主要包括兩部分組成 :整流橋和輸入濾波電路。工作頻率為 50Hz,輸入為三相交流電壓 380V,采用三相整流橋。 最大輸入電壓: = inU ( 1+20%) =380=456V 整流二極管的峰值電壓為: 2 = 2 456=640V 取 50%的裕量: 640(1+50%)=960V 根據(jù)整流橋的實際電壓等級,我們選擇整流橋的耐壓為 1200V。因為電源的輸入功率隨效率變化,所以應(yīng)取電源效率最差時的數(shù)值。在此,我們按一般開關(guān)電源的效率取值,取效率為 80%。 電源的輸入功率 : P= nP =22050/=13750W 因最大輸入電流是在交流輸入電壓下限時,所以, =380V80%=304V, 最大輸入線電流 : = 3min. ?innU P = 330413750? = 取整流橋的額定電流為 100A 。 輸入電容器 mC 決定于輸出保持時間和直流輸入電壓的紋波電壓的大小,而且要在計算流入電容器的紋波 電流是否完全達(dá)到電容器的容許值的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計。 E 為電網(wǎng)電壓最低時輸入三相橋式整流電路的輸出平均電壓, aE 為交流輸入線電壓 : E= ?23? aE (31) 即: E= 380(1- 20%)= 410V 通過直流輸入電路的平均電流 aveI 為: aveI =EPn = 41013750 = 計算單相全波整流電路濾波電容的經(jīng)驗公式為 : mC =400~ 600 aveI (32) 由于三相全波整流電路的基波頻率為單向電路的 3 倍,因此計算三相電路濾波電路的公式為 : 本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 12 mC =133~ 200 aveI (33) 所以: mC = 200= 6700uF 根據(jù)計算結(jié)果,在實際電路中,我們選用 10000uF/400V 的電解電容 4 只兩兩串聯(lián)后再并聯(lián)組成濾波電容組。 電感中最大電流為交流輸入電壓下限時通過直流輸入電路的平均電流aveI =。 理論上輸入濾波電感越大,電流脈動越小,輸入功率因素越高,但受體積重量和價格的限制,并根據(jù)繞制廠家的現(xiàn)有工藝水平,選用 C1532l05硅 鋼片鐵心,線徑為 毫米,電感量為 18mH 的工頻電感。電感量的確定較難精確計算,可通過實驗確定。 移相式 全橋 變 換電路 如圖 所示 。 圖 移相式全橋變換電路 單相逆變橋采用 IGBT,以滿足高壓、高功率的要求。無感電容 ( 7C 、 8C )并聯(lián)在兩橋臂之間,降低兩橋臂之間電壓尖峰的干擾,諧波電感 rL ,隔直電容 15C 、 本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 13 16C 、 17C 防止變壓器的直流偏磁,原邊箝位二極管減輕副邊振蕩,主變壓器起到原、副邊的隔離、耦合作用,原、副邊各一副繞組,以滿足副邊采用全橋整流的要求,原邊加交流互感器,檢測原邊電流作保護(hù)用。 考慮到開關(guān)管的參數(shù)、控制電路及主電路的特性等因素,選取開關(guān)橋的工作頻率為 30kHz。 高頻變壓器的計算: (1) 選擇工作磁通密度 B 磁芯選用 MX0200 鐵氧體材料。選取工作磁通密度 B=900GS. (2) 計算磁芯規(guī)格并計算 副邊 繞組匝數(shù) 根據(jù)電源所用高頻變壓器的設(shè)計經(jīng)驗,磁芯采用環(huán)形磁芯。 磁芯規(guī)格 :Ddh= 1206020 mm D 為環(huán)形磁芯的外直徑 , d 為環(huán)形磁芯的內(nèi)直徑 , h為環(huán)形磁芯的厚度 。 根據(jù)設(shè)計高頻變壓器的總結(jié)公式 : cSN1 = BtVON21 ? 100 ( 34) 式中, ONtV1 應(yīng)取最大值。電路工作頻率為 30kHz, T=, ONt 為導(dǎo)通時間,根據(jù)計算的占空比,我們暫取 11uS, 1V 為施加在原變繞組上的電壓幅值,其最大值為電網(wǎng)電壓最大時的三相整流濾波輸出值 : 即為: 380(1+ 20%)2 =640V。 cS 為磁芯截面積 : cS = ?????? 2022 dDhdD 600 2mm =6cm2 所以,計算所得高頻變壓器 副 邊繞組匝數(shù)為 : ??? ??? 9 0 062 1 0 0116 4 01N 1N 取整數(shù)為 65T。 (3) 計算 原 邊繞組匝數(shù) 按設(shè)計要求,輸出電壓最大值為 286V,考慮從電源輸出端到負(fù)載之間傳輸線的壓降 (取壓降 ),因此,該電源的最高輸出電壓為 : maxoV =325+= 輸出整流二極管的壓降取 2V; 濾波電感的壓降取 ; 我們暫取開關(guān)橋的最大占空比 maxD =; 因此,最高輸出電壓、額定負(fù)載時高頻變壓器副邊繞組最低電壓幅值為 : min2V = (+2+)/ = 因 為 : 本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 14 1min1min22 NVVN ? (35) 其中 min1V = 380(120%)=410V 得到 原 邊繞組匝數(shù) : 2N = ? = 因此,變壓器 原 邊繞組的匝數(shù)應(yīng)取整數(shù) 79T。 (4) 計算實際占空比 在輸入電壓最低,輸出電壓最高時有最大占空比 maxD min1V = 380(120%)=410V min2V = min12 VN ? / 1N = 79410/65= 498V maxD = 4 9 8 2 5m i n2m a x ?????V VVV o rLODo = 在輸入電壓最高,輸出電壓最低的時候有最小占空比 minD max2V = 2N max1V / 1N = 79640/65= 777V 設(shè)此時 orLOD IV ? = 1V minD = 7 7 7 11 9 5m a x2m in ????V IVV orLODo = 相應(yīng)的導(dǎo)通脈寬 : ?maxONt maxD T/2=?minONt minD T/2= (5) 選擇繞組導(dǎo) 線線徑 取負(fù)載電流為額定負(fù)載電流的 105%,則流過輸出電感的電流平均值為
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