開關(guān)斬波恒流勵(lì)磁電源的設(shè)計(jì)計(jì)算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u22951開關(guān)斬波恒流勵(lì)磁電源的設(shè)計(jì)計(jì)算案例 170061.1整流電路的設(shè)計(jì) 1144231.1.1整流電路的拓?fù)溥x擇 150571.1.2三相橋式全控整流電路的參數(shù)關(guān)系 283071.1.3三相橋式全控整流電路的參數(shù)計(jì)算及器件選型 3152881.2電壓變換電路的設(shè)計(jì) 428901.2.1電壓變換電路的拓?fù)溥x擇 4184671.2.2降壓斬波電路的參數(shù)關(guān)系 581541.2.3降壓斬波電路的參數(shù)計(jì)算及器件選型 71.1整流電路的設(shè)計(jì)1.1.1整流電路的拓?fù)溥x擇由于該開關(guān)電源的輸入為三相交流電壓，因此，在電源的設(shè)計(jì)中，首先要將此交流電壓進(jìn)行整流之后才能提供給后面的降壓斬波電路，承擔(dān)這份工作的便是整流電路。三相橋式全控整流電路中，如圖1.1，整流裝置的三相是相同的，因此，經(jīng)該整流電路輸出的，無論是電壓還是電流，其波形的波動(dòng)都比較小，從而濾波電路的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，對(duì)上級(jí)供電設(shè)備的影響也較小。與三相半波可控整流電路相比，它能夠輸出的功率更大，故在工業(yè)中，得到了更廣泛的應(yīng)用。圖1.1三相橋式全控整流電路圖該整流電路主要為電阻性負(fù)載或阻感性負(fù)載，由于該電源是為四極磁鐵提供勵(lì)磁電流的，故其負(fù)載為阻感性負(fù)載。三相橋式全控整流電路的特點(diǎn)如下：(1)在電路無故障運(yùn)行時(shí)，需要同時(shí)導(dǎo)通上、下橋臂且不能位于同一相的兩個(gè)的，此時(shí)，電源通過導(dǎo)通的晶閘管與負(fù)載形成一個(gè)閉合的回路，若位于同一相兩個(gè)一起導(dǎo)通，將會(huì)造成短路而使電路被燒毀。(2)為了保證三相的平衡性，減小輸出時(shí)直流電壓和電流波形的波動(dòng)大小，要求6個(gè)的導(dǎo)通時(shí)間在一個(gè)周期內(nèi)是相同的，因此，按的順序?qū)ǎ仪昂髮?dǎo)通的之間各間隔。(3)該整流電路輸出的電壓和電流的波形在一個(gè)內(nèi)波動(dòng)了次，故在后面的計(jì)算中一個(gè)內(nèi)的電壓可以簡(jiǎn)化計(jì)算為一個(gè)波動(dòng)周期的倍。(4)為保證電路能夠正常工作，即在規(guī)定的周期內(nèi)，需要導(dǎo)通的為導(dǎo)通狀態(tài)，必須要求上、下橋臂同時(shí)導(dǎo)通的均具有觸發(fā)脈沖。這里，可供運(yùn)用的方法具體有兩種：一種是寬觸發(fā)脈沖，顧名思義，是使給定的脈沖寬度大于（范圍一般在之間），另外一種是雙脈沖觸發(fā)，就是在每個(gè)需要導(dǎo)通的周期內(nèi)，為其提供兩個(gè)脈沖信號(hào)，即在需要導(dǎo)通前給一個(gè)脈沖信號(hào)使其導(dǎo)通，讓電路正常運(yùn)行，之后間隔后，為了讓電路正常運(yùn)行，為下一個(gè)需要導(dǎo)通的提供觸發(fā)信號(hào)時(shí)，給之前導(dǎo)通的一個(gè)再提供一個(gè)導(dǎo)通信號(hào)使其維持在導(dǎo)通的狀態(tài)，以滿足維持電路的正常工作的要求。上述介紹的三相橋式全控整流電路的特點(diǎn)，在后面利用工具箱進(jìn)行模型的搭建工作調(diào)節(jié)的觸發(fā)角和通過仿真結(jié)果查看波形時(shí)，可以用來驗(yàn)證參數(shù)設(shè)置的合理性與正確性。1.1.2三相橋式全控整流電路的參數(shù)關(guān)系通過上面的分析可知，當(dāng)電路帶阻感負(fù)載或帶電阻負(fù)載時(shí)：(1)輸出電壓的平均值為： (1.1)(2)輸出電流平均值為： (1.2)(3)晶閘管電流平均值為： (1.3)(4)晶閘管電流有效值為： (1.4)(5)三相輸入電流的有效值為： (1.5)(6)晶閘管承受的峰值線電壓為： (1.6)由上可知，當(dāng)電路所帶負(fù)載為阻感性負(fù)載時(shí)，整流電路中不同的觸發(fā)角所對(duì)應(yīng)的輸出電壓如下表1.1所示：表1.1整流電路的觸發(fā)角所相應(yīng)的整流輸出電壓觸發(fā)角觸發(fā)角 1.1.3三相橋式全控整流電路的參數(shù)計(jì)算及器件選型(1)設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)三相橋式全控整流電路的原理，進(jìn)行整流電路的設(shè)計(jì)計(jì)算。①輸出電壓平均值綜合考慮到整流電路輸出波形的平穩(wěn)性及Buck變換器中開關(guān)器件IGBT的工作頻率的影響，在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中，三相橋式晶閘管電路的觸發(fā)角，則由(1)可得：根據(jù)式(1.1)，整流電路輸出電壓的平均值為：由前面的電源設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)可知：，則根據(jù)式(1.2)，整流輸出平均電流為：②晶閘管根據(jù)式(1.4)，晶閘管電流的有效值為：則額定電流為：根據(jù)式(1.6)，晶閘管承受的峰值線電壓為：(2)設(shè)備選型根據(jù)參數(shù)計(jì)算的結(jié)果，再考慮裕量，參考國際電工委員會(huì)(IEC)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行元器件的選取工作。在設(shè)備選型時(shí)一般遵守如下原則：①所選取的設(shè)備必須同時(shí)考慮技術(shù)上的適用性及經(jīng)濟(jì)上的實(shí)用性：在實(shí)際的生產(chǎn)中，技術(shù)上的適用性和經(jīng)濟(jì)上的實(shí)用性是一個(gè)永恒的矛盾點(diǎn)，對(duì)此，避免不了要從中取舍，既要要求電路在正常工作的同時(shí)，產(chǎn)生的能耗小，設(shè)備不易損壞，又要要求在經(jīng)濟(jì)上能夠獲得較大的利益。但二者又是統(tǒng)一的，技術(shù)上的適用性不僅可以提高產(chǎn)品的性能，還可以通過提高效率來增加收益，因此，在設(shè)備選型時(shí)，需要權(quán)衡利弊。②生產(chǎn)上合理：為后續(xù)的開發(fā)盡可能的提供便利。根據(jù)此原則，整流電路的設(shè)備選型為：晶閘管：型號(hào)，為，為，共6個(gè)。電容C：電容為5F，共一個(gè)。晶閘管觸發(fā)板：型號(hào)為：，共一個(gè)。1.2電壓變換電路的設(shè)計(jì)1.2.1電壓變換電路的拓?fù)溥x擇降壓斬波電路，即Buck變換器，在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速和穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用，是DC-DC變換電路中最具代表性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一。圖1.2降壓斬波電路圖如上圖所示，Buck變換器由一個(gè)直流電源，一個(gè)可控元器件，一個(gè)不可控元器件VD，LC濾波環(huán)節(jié)以及負(fù)載R組成。VT在負(fù)載需要輸出大功率時(shí)，一般選用，在輸出的功率較小時(shí)選用。在本次設(shè)計(jì)中，根據(jù)輸出電壓、電流的要求，VT選為IGBT。Buck變換器的具體工作過程如下：VT導(dǎo)通時(shí)，直流電源E兩端的電壓加在的兩端，造成的截至，與此同時(shí)，、、以及形成閉合的回路，通過VT向提供能量，開始充電，保持線性增加，使開始儲(chǔ)備能量，，這段時(shí)間稱為VT的導(dǎo)通時(shí)間，記為。VT關(guān)斷時(shí)，由于無法立即改變，因此，極性調(diào)整為與之前相反的狀態(tài)，此時(shí)，此時(shí)，VD、和構(gòu)成續(xù)流回路。儲(chǔ)存的能量通過VD開始釋放，保持線性減小，。當(dāng)時(shí)，由C為提供能量，以維持和不變。這段時(shí)間稱為VT的關(guān)斷時(shí)間，記為。在以上兩種情況下，的極性始終保持不變，為上正下負(fù)。1.2.2降壓斬波電路的參數(shù)關(guān)系(1)電感電流連續(xù)圖1.3電感電流連續(xù)波形圖降壓斬波電路正常工作時(shí)，在一個(gè)周期中，電感L儲(chǔ)存和釋放的能量相等，即在一個(gè)周期中，，這被稱為電感伏秒（磁鏈）平衡原理。由此，可以將其推廣到所有具有電感的開關(guān)變換電路的一個(gè)穩(wěn)定條件為： (1.7)對(duì)上式進(jìn)行化簡(jiǎn)，可以得到降壓斬波電路中輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系： (1.8)這里，，則可知：，故為降壓變換關(guān)系。(2)電感電流斷續(xù)在降壓斬波電路中，電流是否連續(xù)的標(biāo)志是，在VT導(dǎo)通開始瞬間（或者關(guān)斷結(jié)束瞬間）的，根據(jù)前面導(dǎo)通時(shí)的的方程，可以計(jì)算出，此時(shí)，電感電流的臨界連續(xù)平均值，即 (1.9)因?yàn)?，在電感電流連續(xù)時(shí)，有，則上式可以進(jìn)一步化簡(jiǎn)為： (1.10)又，， (1.11)由此，可得濾波電容L的計(jì)算公式： (1.12)(3)濾波器的設(shè)計(jì)通過(2)中的計(jì)算公式，可以獲得濾波電容L的數(shù)值，下面是對(duì)濾波電容C的計(jì)算的推導(dǎo)。對(duì)于濾波電容C，可以通過電感電流連續(xù)時(shí)輸出的電容電壓紋波來計(jì)算。由圖可知： (1.13)若在電流在經(jīng)過LC濾波器后，R的電流波形為穩(wěn)定、平直的直線，則，此時(shí)，的脈動(dòng)成分全部流入C，即，也就是說，流過C的電流平均值為0，因此，在個(gè)周期中，的變化量為： (1.14)則電容電壓紋波峰-峰值為： (1.15)又紋波電流為： (1.16) (1.17)由此可得： (1.18)1.2.3降壓斬波電路的參數(shù)計(jì)算及器件選型(1)設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)降壓斬波電路的原理，進(jìn)行電壓變換電路及LC濾波電路的設(shè)計(jì)計(jì)算。①IGBT考慮到電感、電容的容量和開關(guān)型器件IGBT的開斷損耗，將IGBT的開關(guān)頻率設(shè)置為：②占空比根據(jù)式(1.8)可得：③電感當(dāng)Buck電路無故障穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，流過L的電流包括直流電流部分和紋波電流部分，因此，電感L的選擇與負(fù)載的工作狀態(tài)息息相關(guān)