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亮度可连续调节直流斩波电路设计大学论文.doc
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1、武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书亮度可连续调节直流斩波电路设计1概论电力电子技术是20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术。可以预见,在21世纪电力电子技术仍将以迅猛的速度发展。电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用。正是大功率晶闸管的发明,使得半导体变流技术从电子学中分离出来,发展成为电力电子技术这一专门的学科。而二十世纪九十年代各种全控型大功率半导体器件的发明,进一步拓展了电力电子技术应用和覆盖的领域和范围。电力电子技术的应用领域已经深入到国民经济的各个部门,包括钢铁、化工、电力、石油、汽车以及人们的日常生活。功率范围大到几千兆瓦的高压直流输电,小到一瓦的手机充电器,
2、电力电子技术随处可见。 开关电源分为AC/DC和DC/DC,其中DC/DC变换已实现模块化,其设计技术和生产工艺已相对成熟和标准化。DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为直流斩波。斩波电路主要用于电子电路的供电电源,也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。相控整流电路通过控制晶闸管的导通角来改变输出电压的有效值。结构简单、控制方便、性能稳定,利用它可以方便地得到大中、小各种容量的直流电,是目前获得直流电能的主要方法,得到广泛应用。用它控制灯光亮度的可连续调节,则是使通过灯泡的电流为直流。直流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况,通过对开关导通和断开时间的控制(最常
3、见的为PWM控制),连续地调节导通时间改变占空比使输出电压的平均值能够连续改变,在用它控制灯光亮度的电路中,通过灯泡的电流为直流。本次课程设计要求设计亮度可连续调节的灯光电路,输入380v,频率为50HZ的三相交流电。负载(灯泡)要求0-100v直流电压,最大负载电流3A,用直流斩波电路来实现灯光的可连续调节。2方案的论证与选择2.1方案的论证设计亮度可连续调节的灯光电路,输入380v,频率为50HZ的三相交流电。负载(灯泡)要求0-100v直流电压,最大负载电流3A。由题意需用直流斩波电路来实现灯光的可连续调节。首先考虑380V的交流电要想转变为最大值为100V的直流电,必须先加一个变压器,
4、将380V交流电降到一个合适的值,再经过三相不控整流电路整流,通过调节斩波电路的IGBT使在01范围变化时,使整流输出的电压在0100V变化。2.2设计方案的选择2.2.1整流电路设计方案的选择 按电路的构成形式,可分为半波、全波和桥式(含全控桥式和半控桥式)整流电路。半波整流电路只利用了交流电的正半周,而全波整流电路不仅利用了正半周,而 且还巧妙地利用了负半周,从而大大地提高了整流效率,但是全波整流电路,需要变压器 有一个使两端对称的次级中心抽头,这给制作上带来很多的麻烦,同时绕组及铁心对铜、铁等材料的消耗更多,在当今世界上有色金属资源有限的情况下,这是不利的。另外,这种电路中,每只晶闸管承
5、受的最大反向电压,是变压器次级电压最大值的两倍,因此需用 能承受较高电压的晶闸管。而桥式整流电路,不仅具有全波整流电路的优点,同时在一定 程度上也克服了它的缺点。本题要求采用不控整流进行AC/DC变换,输入为3相380V交流电,需要采用3相不控整流电路进行AC/DC变换,故三相桥式不控整流电路。2.2.2主电路设计方案的选择 方案一:选择降压斩波电路,来改变输出电压,从而实现灯泡的亮度连续调节。在此可运用电力电子开关来控制电路的通断即改变占空比,从而获得我们所想要的电压。这就可以根据所学的buck降压电路作为主电路,这个方案是较为简单的方案,直接进行直直变换简化了电路结构。 方案二:先把直流变
6、交流降压,再把交流变直流,这种方案把本该简单的电路复杂化,不可取。 综上所述选择方案一作为主电路的设计方案。2.2.3控制电路设计方案的选择斩波电路有三种控制方式:(1)脉冲宽度调制(PWM):开关周期T不变,改变开关导通时间。(2)频率调制:开关导通时间不变,改变开关周期T。(3)混合型:开关导通时间和开关周期T都可调,改变占空比。本次设计采用的是脉宽调制的方法,开关选用全控型器件IGBT,它集中了电力MOSFET和GTR的优点。2.3总体设计方案的确定电路一共由变压器、整流电路和直流斩波电路三个主要部分组成,380V三相交流电通过变压器降压,然后通过二极管组成的整流电路进行不控整流,通过调
7、节斩波电路中IGBT的角使灯泡的亮度可连续调节。电路设计框图如图1所示。三相交流380V变压器降压二极管不控整流整流直流斩波电路灯泡亮度可调图2-1 总体电路设计方案框图3电路的设计及参数计算3.1AC/DC整流电路3.1.1工作原理设计采用桥式电路整流:由六个二极管组成一个三相桥式全控整流电路,电路原理图如图3-1图3-1 桥式整流电路3.1.2整流电路参数计算由于输入为380V三相交流电,所以需要一个变压器来降低输入电压,在经过整流电路调节成题目所要求的电压。而三相不控整流电路相当与三相桥式全控整流电路中=0时的情况。所以,输出电压=100V,整流二极管额定电流 =1.91A,考虑到裕量,
8、取=(1.5-2)= (2.865-3.82)A,整流二极管额定电流 =60.44V,考虑到裕量,取=(2-3)=(2-3)60.44V=(120.89-181.33)V3.2直流降压斩波电路3.2.1工作原理负载要求在0-100V之间连续可调这里采用降压斩波电路来实现,直流降压斩波主电路如图3-2所示 图3-2直流降压斩波主电路使用一个全控器件IGBT控制导通。用控制电路和驱动电路来控制IGBT的通断,当t=0时,驱动IGBT导通,电源E向负载供电,负载电压=E,负载电流按指数曲线上升。电路工作时波形图如图3-3所示: 图3-3 降压斩波波形图当t=时刻,控制IGBT关断,负载电流经二极管续
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