直流稳压电源的设计

电力电子技术课程设计说明书设计课题：直流稳压电源的设计专业班级：13级电气一班姓名：李建建学号：1308441100指导教师：张小莉完成时间：2015年12月13日2前言电子技术的应用已深入到工农业经济建设,交通运输,空间技术,国防现代化,医疗,环保等亿万人们日常生活的各个领域,进入21世纪后电力电子技术的应用更加广泛,因此对电力电子技术的研究更为重要。通过一学期的对《电力电子技术》的学习，我对电力电子中的基本电路如整流电路、逆变电路、DC/DC变换电路、交流电力控制电路等的工作原理及分析方法都有了比较深入的认识；对保护电路及电力电子器件的缓冲电路也了解了一些；也认识到了电力电子技术在当今社会各方面的广泛应用。但是，仅仅了解书本上的理论知识而不会把它们应用到实际中去，这不能叫真正掌握了一门技术。只有学以致用、在实践中检验理论的正确性，才是学习的好方法。3目录一、设计任务及要求…………………………………………………………………4二、主电路的设计及器件选择………………………………………………………52.1三相全控桥的工作原理……………………………………………………52.2参数计算……………………………………………………………………7三、触发电路设计……………………………………………………………………103.1集成触发电路……………………………………………………………103.2KJ004的工作原理…………………………………………………………103.3集成触发器电路图………………………………………………………11四、保护电路的设计…………………………………………………………………134.1晶闸管的保护电路………………………………………………………134.2交流侧保护电路…………………………………………………………144.3直流侧阻容保护电路……………………………………………………15五、MATLAB建模与仿真……………………………………………………………165.1MATLAB建模………………………………………………………………165.2MATLAB仿真………………………………………………………………185.3仿真结构分析……………………………………………………………19六、课程设计体会……………………………………………………………………21参考文献………………………………………………………………………21附录一元器件清单………………………………………………………………21附录二（触发电路与仿真原理图）…………………………………………………224一、设计要求及原理1.技术参数：装置输入电源为三相UL=380V工频交流电源，输出直流电压0~220V，输出电流100A，当电流降为5A时电流开始连续，LB=1mH。2.设计要求：1）设计主电路控制电路，建议主电路为三相桥式全控整流电路；2）选择主电路所有图列元件，并给出清单；3）选择触发电路及同步信号；4）绘制装置总体电路原理图，绘制电路所有点电压、电流及元器件（晶闸管等）两端电压波形（汇总绘制，注意对应关系）；5）利用仿真元件分析电路的工作过程；6）编制设计说明书。3.实验原理三相桥式全控整流电路系统通过变压器与电网连接，经过变压器的耦合，晶闸管主电路得到一个合适的输入电压，使晶闸管在较大的功率因数下运行。变流主电路和电网之间用变压器隔离，还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分。保护电路采用RC过电压抑制电路进行过电压保护，利用快速熔断器进行过电流保护。采用锯齿波同步KJ004集成触发电路，利用一个同步变压器对触发电路定相，保证触发电路和主电路频率一致，触发晶闸管，使三相全控桥将交流整流成直流，带动直流电动机运转。结构框图如图1-1所示。整个设计主要分为主电路、触发电路、保护电路三个部分。框图中没有表明保护电路。当接通电源时，三相桥式全控整流电路主电路通电，同时通过同步电路连接的集成触发电路也通电工作，形成触发脉冲，使主电路中晶闸管触发导通工作，经过整流后的直流电通给直流电动机，使之工作。5图1-1三相桥式全控整流电路结构图二、主电路的设计及器件选择实验参数设定负载为220V、305A的直流电机，采用三相整流电路，交流测由三相电源供电，设计要求选用三相桥式全控整流电路供电，主电路采用三相全控桥。2.1三相全控桥的工作原理如图2-1所示，为三相桥式全控带阻感负载，根据要求要考虑电动机的电枢电感与电枢电阻，故为阻感负载。习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管称为共阳极组。共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5，共阳极组中与a、b、c三图2-1三相桥式全控整流电路带电动机（阻感）负载原理图电源三相桥式全控整流电路阻感负载同步电路集成触发器触发信号触发模块6相电源相接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。变压器为Y型接法。变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网2.1.1三相全控桥的工作特点⑴2个晶闸管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1个，且不能为同1相器件。⑵对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差。共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差。共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差。同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。⑶ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样,故该电路为6脉波整流电路。⑷晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。2.1.2阻感负载时的波形分析三相桥式全控整流电路大多用于向阻感负载和反电动势阻感负载供电（即用于直流电机传动），下面主要分析阻感负载时的情况，因为带反电动势阻感负载的情况，与带阻感负载的情况基本相同。当α≤60度时，ud波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。区别在于负载不同时，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流id波形不同，电阻负载时ud波形与id的波形形状一样。而阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。图2-2和图2-3分别给出了三相桥式全控整流电路带阻感负载α=0度和α=30度的波形。图2-2中除给出ud波形和id波形外，还给出了晶闸管VT1电流iVT1的波7形，可与带电阻负载时的情况进行比较。由波形图可见，在晶闸管VT1导通段，iVT1波形由负载电流id波形决定，和ud波形不同。图2-3中除给出ud波形和id波形外，还给出了变压器二次侧a相电流ia的波形。图2-2触发角为0°时的波形图图2-3触发角为30°时的波形图当α＞60度时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时ud波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分。图2-4给出了α=90度时的波形。若电感L值足够大，ud中正负面积将基本相等，ud平均值近似为零。这说明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的α角移相范围为90度。图2-4触发角为90时的波形图2.2参数计算2.2.1整流变压器额定参数的计算：81.当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载α≤60°时）的平均值为：2/322/316sin()2.34cos/3dUUtdtU取α=60°时，带入Ud=200V，Id=100A，求得：U2=Ud/(2.34cos60°)=200V/(2.34×0.5)=170.94V负载阻值：R=Ud/Id=200V/100A=2Ω2.变比计算：整流变压器一次侧线电压U1=380V，二次侧相电压U2=170.94V，因此：K=U1/U2=380V/170.94V=2.22≈23.整流变压器一次侧和二次侧的相电流计算：由于变压器的二次侧采用星形接法，则：220.816Id30.816100=81.6AI1=I2/K=81.6A/2=40.8AdIIA4.变压器容量的计算：变压器的初级容量：S1=3U1I19=3×380×40.8VA=46.512KVA变压器的次级容量：S2=3U2I2=3×170.94V×81.6A=41.846KVA变压器的总容量：S=（S1+S2）/2=（46.512+41.846）/2=44.179KVA所以变压器的二次侧电压U2为170.94V，二次侧电流I2为81.6A，变压器的变比为2，变压器的容量为44.179KVA。2）晶闸管的选择：1.晶闸管的额定电压：晶闸管所承受的最大电压为变压器二次侧线电压峰值：26FMRMUUU﹙公式10﹚故桥臂的工作电压幅值为：6170.94=418.7mUV﹙公式11﹚晶闸管阳极和阴极间的最大正向电压为变压器二次侧相电压峰值：UFM=2U2=2×170.94V=241.7V考虑裕量，则额定电压为：2~32~3418.7837.4~1256.1NmUUV﹙公式12﹚2.晶闸管的额定电流晶闸管电流的有效值为：10357.73dVTIIA﹙公式13﹚考虑裕量，故晶闸管的额定电流为：()1.5~255.16~73.541.57VTVTAVIIA﹙公式14﹚3.晶闸管保护环节，包括交流侧过电压保护和晶闸管两端的过电压保护、过电流保护等。2.2.3平波电抗器的选择为了限制输出电流脉动和保证最小负载电流时电流连续，整流器电路中常要串联平波电抗器。对于三相桥式全控整流电路带电动机负载系统，有：min2693.0dIUL﹙公式15﹚其中，L（单位为mH）中包括整流变压器的漏电感、电枢电感和平波电抗器的电感。由题目要求：当负载电流降至5A时电流仍连续。所以mindI取5A。所以有：21270.6930.69323.69205ULmH﹙公式16﹚三、触发电路设计控制晶闸管的导通时间需要触发脉冲，常用的触发电路有单结晶体管触发电路，设计利用KJ004构成的集成触发器实现产生同步信号为锯齿波的触发电路。3.1集成触发电路本系统中选择模拟集成触发电路KJ004，KJ004可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。KJ004器件输出两路相差180度的移相脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器线路。KJ004电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。原理图如下：11图3-1KJ004的电路原理图3.2KJ004的工作原理如图3-1KJ004的电路原理图所示，点划框内为KJ004的集成电路部分，它与分立元件的同步信号为锯齿波的触发电路相似。V1～V4等组成同步环节，同步电压uS经限流电阻R20加到V1、V2基极。在uS的正半周，V1导通，电流途径为(+15V－R3－VD1－V1－地)；在uS负半周，V2、V3导通，电流途径为(+15V－R3－VD2－V3－R5－R21―(―15V))。因此，在正、负半周期间。V4基本上处于截止状态。只有在同步电压|uS|＜0.7V时，V1～V3截止，V4从电源十15V经R3、R4取得基极电流才能导通。电容C1接在V5的基极和集电极之间，组成电容负反馈的锯齿波发生器。在V4导通时，C1经V4、VD3迅速放电。当V4截止时，电流经(+15V－R6－C1－R22－RP1－(－15V))对C1充电，形成线性增长的锯齿波，锯齿波的斜率取决于流过R22、RP1的充电电流和电容C1的大小。根据V4导通的情况可知，在同步电压正、负半周均有相同的锯齿波产生，并且两者有固定的相位关系。V6及外接元件组成移相环节。锯齿波电压uC5、偏移电压Ub、移相控制电压UC分别经R24、R23、R26在V6基极上叠加。当ube6+0.7V时，V6导通。