2kw逆变电源主电路设计电

..目录1.主电路的拓扑结构选择………………………………………………………………1.1前言····························································1.2确定主电路的拓扑结构选择·········································2.主电路部分设计……………………………………………………………………2.1整流电路设计部分………………………………………………………………2.1.1整流二极管的选择…………………………………………………………2.1.2整流二极管的保护设计……………………………………………………2.2滤波电容Cd的选取………………………………………………………………2.3斩波电路设计······················································2.3.1斩波参数的选择············································2.4逆变电路部分设计…………………………………………………………………2.4.1绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的选择…………………………………2.4.2IGBT的保护设计…………………………………………………3.高频变压器设计部分…………………………………………………………………3.1高频变压器主要参数………………………………………………………3.2变压器磁芯的选择………………………………………………………………3.3高频变压器一次侧、二次侧绕组匝数计算································3.4计算绕组导线线径及估算铜窗占有率························4.心得体会…………………………………………………………………………5.参考文献…………………………………………………………………………………..附录1：主电路电气原理总图……………………………………………………………附录2：主要元器件型号规格……………………………………………………………..1.主电路的拓扑结构选择1.1前言逆变电源因体积小、重量轻、节材、节能、转换效果高等特点，现已得到了广泛应用。目前逆变电路的拓扑结构主要有单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式、全桥式等多种类型。根据需求可采用不同拓扑形式的逆变电路满足其需求。目前IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是逆变电源中常用的功率器件，已逐步取代原晶闸管、晶体管、场效应管（MOSFET）。由于桥式逆变电源在选择功率开关器件耐压要求可以稍低，并有较高的功率输出，现通常采用全桥式逆变电路来实现较大功率输出。课程设计所要求做的是2kw的逆变电源主电路设计（要求：电网电压380v，允许变化10%,要求输出110v，20KHz交流电压向负载供电）。1.2确定主电路拓扑结构根据负载谐振形式的不同，可以将电源逆变器分为串联谐振式逆变器和并联谐振式逆变器两种逆变结构。图2-1和图2-2分别给出了两种逆变器的拓扑结构。图1-1串联谐振逆变器结构图1-2并联谐振逆变器结构1.1.2逆变电源拓扑结构的选择串联谐振式逆变器的输入端并接有大电容，逆变器将直流电压变换为交流电压，因此也称为电压源型逆变器；电流型逆变器的输入端串接有大电感，形成平稳的直流电流，逆变器将输入的直流电流变换为交流电流输出，因此也称为电流型逆变器。从电路原理的角度来看，两种电路是完全对偶的。这种对偶性主要表现在以下几个方面，如表1-1所示。表1-1两种逆变器的比较..综合比较串联谐振逆变器和并联谐振逆变器的优缺点，从适合高频小功率应用的角度，本设计选用串联谐振逆变器电路拓扑。1.2串联谐振式逆变电源稳压调节方式因为电网电压波动10%，所以要通过稳压调节稳定高频变压器原流I10，从而稳定高频变压器输出电压使负载正常工作。串联谐振式逆变电源的调压主要方法是直流侧调压。1.2.1直流则调压方式直流调压通常采用相控整流或直流斩波来改变逆变器的输入直流电压的大小。（1）相控整流调压由六只晶闸管组成三相全桥可控整流电路如图1-3所示。图1-3相控整流电路三相全桥可控整流电路是通过控制由6只晶闸管实现的全控整流桥的开通和关断来调节直流输出电压，采用晶闸管整流电路虽原理易懂，并且可以通过调节控制角α，从而稳定电网电压的波动。但是结合信号控制部分来说，相对而言，通过斩波电路的信号控制来调节电压波动更为容易实现。（2）直流斩波调压逆变电源中的直流斩波调功方式的调功原理如图1-4所示：图1-4斩波调功方式原理框图前端是由六只二极管组成的三相不可控整流器，输出的直流电压Ud，经过电容Cl滤波后送..入由开关管T、续流二极管D、滤波电感L1组成的斩波器，调节T的占空比，逆变器得到的电压就在0～Ud之间任意的电压值。本设计选用不控整流加PWM软斩波器的调压方式。1.32kW逆变电源主电路的设计D5D1D4D2D3D6T1T2T3T4D7D9D11D13TL1L1L1T0DsLrCrDfCd图1-52kW逆变电源主电路图采用二极管整流，得到脉动的直流电；再用电解电容进行滤波，输出稳定的电压；考虑电网电压波动，通过检测高频变压器原边线圈电流I10并与额定值相比较，调节PWM信号从而通过斩波电路稳定高频变压器原边线圈电流；用IGBT器件逆变，并用SPWM控制方式对逆变开关器件进行控制。从而使输出端得到一系列幅值相等而脉冲宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或者需要的波形。按照一定的规则对个脉冲的宽度进行调制，即可以改变逆变电路输出的电压的频率。此电路特点：（1）可以得到相当接近正弦波的输出电压；（2）整流电路采用二极管，可以获得接近1的功功率因数；（3）通过对输出脉冲宽度的控制就可改变输出电压，大大加快了变频器的动态响应。2.主要功率器件的计算和选择2.1整流部分三相380V电源，整流电路为三相桥式全波整流电路。假定没有电压变化，其输入电压为U=380V,则通过三相桥式不可控整流输出电压直流平均值：U0=1.35U=513V整流滤波后电压为：U1=2380V=537V考虑电网电压波动(±10%波动)则整流滤波最高电压为：U1max=110%U1=110%537V=590V整流滤波最低电压为：..U1min=90%U1=483V电源输出功率为Pd=2kW,考虑设整流器、斩波器、逆变器的效率的都为%98，以及高频变压器的效率都为90﹪，并假设电源的功率因数为0.95，设计最大整流输出功率为：2.4kW95.098.098.09.02000PddPMPdM=IdmU1min则最大整流输出电流:Idm=1dMUP=537V2.4kW=4.5A2.1.1整流二极管模块的选择（1）二极管的平均通态电流为1/3Idm(1/3应是三相整流中，每组二极管通过电流的总电流的1/3)，则二极管电流有效值ID=3IdM。ID=3IdM=34.5A=2.6A二极管电流定额：IDN=257.1DI=257.16.2A=3.3A(考虑2倍安全余量)二极管电压定额：UNRM=)(1001.121VU=21.1537V100=1082V选择额定电流为4A，额定电压为1200V的快速恢复整流二极管型号：MUR4120。2.1.2整流二极管的保护设计（1）过压保护正常工作时，二极管能承受的最大峰值UM有一定的限度。超过此峰值电压的就算过电压。在这个流装置中，任何偶然出现的过电压均不应该超过元件的不重复峰值电压UDSM，而任何周期性出现的过电压则应小于元件的重复峰值电压URSM。这两种电压都是经常发生和不可避免的。因此，在变流电路中，必须采用各种有效保护措施，以抑制各种暂态过电压，保护二极管元件不收损坏。抑制暂态过电压的方法一般有3种：①用电阻消耗过电压的能量；②用非线性元件限制过电压的幅值；③用储能元件吸收过电压的能量。若以过电压保护装设的部位来分，有交流侧保护，直流侧保护和元件保护3种。（以下计算均为经验公式)交流侧和直流侧过电压保护采用压敏电阻；二极管采用RC电路保护。压敏电阻的参数和RC电路值计算与选用方法如下。常用于中小功率整流器过电压保护时可选用3~5kA；用于防雷保护时可选用5~20kA。①交流侧过电压保护计算：..UVA23.1U1m式中U───压敏电阻两段正常工作电压的有效值。U1mA上限的确定应是在吸收过电压时，其残压低于被保护的整流二极管所允许的电压值。侧交流侧压敏电阻U1的选择考虑电网电压波动(±10%波动)则：768V3801.121.3U1mA因为通常用于中小功率整流器操作过电压保护时，可选择3~5kA，故压敏电阻RV1～RV3选择VJY型额定电压为1000V，5kA。②二极管的过电压保护：整流二极管的过电压保护，通常是在二极管元件两端并联RC电路，如图所示。整流二极管过电压保护电路RC的选择：电容)(10)5~5.2(3FICF电容耐压)(5.1VUUTNC，电阻R一般取R=10～30,对于整流管取下限值。其功率满足：)(1075.162WfCUPmRFI——二极管额定电流（A）dU——整流输出额定电压(V)mU——二极管两端电压峰值。整流二极管的过电压保护，通常是在二极管元件两端并联RC电路，如图2─1所示。图2─1RC保护则保护电路参数计算：C=(2.5～5)410-30.01～0.02F，取0.02F；V8065375.1Uc，取1500V；AIF/1020501002005001000FC/0.10.150.20.250.512/R1008040201052表2-1二极管RC保护电路参数经验值..R=10，0.61W105900.02501.75P-62R，取2W。③直流侧过电压保护在直流情况下：1mAU（1.8～2.2）Ud0V式中Ud0───整流滤波后的直流输出电压。则，U1MA(1.8～2.2)×537V=（967～1181）V，所以压敏电阻RV4取1200v，5kA。（2）过电流保护快速熔断器选用原则：额定电压：额定电压RNU不小于正常工作电压的方均根值。额定电流：额定电流RNI应按它保护的元件实际流过的电流RI（方均根值）来选择，一般可用下列各式计算。①交流侧过电流保护采用快速熔断器额定电压：额定电压RNU不小于正常工作电压的方均根值。额定电流：额定电流RNI应按它保护的元件实际流过的电流RI（方均根值）来选择，一般可用下列各式计算。交流侧：max2ZRNIKIRNI──熔体额定电流maxZI──最大整流电流2K──三相桥式取0.816所以：3.67A4.50.816I2ZMAX2RNdMIKIK故交流侧快速熔断器F0～F3选择RS3额定电压750V,考虑熔体额定电流应选4A的快速熔器。为限制短路电流上升率和瞬时短路电流峰值，在交流输入端串三只进线电抗（L1～L3）,数值180H，进线电抗还能阻隔中频谐波影响交流电网。②二极管的过电流保护：67.32ZAMRNIKI，故交流侧快速熔断器FU1～FU6选择RS3额定电压750V,熔体额定电流4A的快速熔断器。③直流侧过电流保护采用快速熔断器..dMRNII=4.4A，故直流侧快速熔断器FU7～FU8选择RS3额定电压750V,熔体额定电流10A的快速熔断器。2.1.2滤波电容Cd选择（1）电解电容Cd的作用：三相全波整流输出的直流脉动频率300Hz，为了供给逆变平滑的直流电压，必须输入整流电路和逆变器之间加入滤波电容，以减小整流输出后直流电的交流成分。滤波电容一用电解电容器。电解电容Cd往往只被人们误解城市滤波电容。实际上，电解电容Cd除了滤波意外更重要的的作用是吸收负载电感的反馈能量，起无功功率存储交换的作用。电容不仅增加了变器的效率，而且保证了逆变器的可靠运行。（2）滤波电容Cd的计算如果把6次谐波脉动电压Ud(6)限制在%1U的范围内则：%