亮度可连续调节直流斩波电路设计大学论文.doc

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，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，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α在0≤α≤1范围变化时，使整流输出的电压在0～100V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，通过调节斩波电路中IGBT的α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α=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，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)V
3.2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流，负载电压近似为零，负载电流指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，故串联L值较大的电感。
至一个周期T结束，再驱动IGBT导通，重复上一周期的过程。当电力工作于稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载电压的平均值为
(3-1)
为IGBT处于通态的时间；为处于断态的时间；T为开关周期；α为导通占空比。
通过调节占空比α使输出到负载的电压平均值最大为E，若减小占空比α，则随之减小。由此可知，输出到负载的电压平均值最大为，若减小占空比α，则随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。
3.2.2直流降压斩波电路参数计算
此电路使用一个全控型器件V，图中为IGBT，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。并设置了续流二极管VD，在V关断时给负载中电感电流提供通道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，后两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中所示。
工作原理：当t=0时刻驱动V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。当 t=时控制V关断，二极管续流，负载电压近似为零，负载电流呈指数曲线下降，通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。
此电路的基本数量关系为：
（1）电流连续时
负载电压的平均值为
(3-2)
（3-3）
式中，ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期，a为导通占空比，简称占空比或导通比。负载电流平均值为
（2）电流断续时，负载电压uo平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。
（3）晶闸管额定电压、额定电流计算
由于晶闸管工作中可能会遭受到一些意想不到的瞬时过电压，为了确保管子安全运行，在选用晶闸管时应使其额定电压为正常工作电压峰值 的2～3倍，以作安全余量。
另外在选用晶闸管时应根据有效电流相等的原则来确定晶闸管的额定电流。由于晶闸管的过载能力小，为保证安全可靠工作，所选用晶闸管的额定电流 应使其对应有效值电流为实际流过电流有效值的1.5～2倍。
根据总电路图对比可知=0，所以。可以确定整流电路输出的电流。
斩波电路的最大电压为100V，最大电流为3A。所以可以确定IGBT的额定流 I=（1.5-2）3A，额定电压U=（2-3）100V，续流二极管的额定电流I=（1.5-2）3A。
(4)电感 为了保证负载最小电流电路能够连续，所以电感值越大越好，在这里选择700mH。
3.3变压器参数计算
在很多情况下整流装置所要求的交流供电电压与电网提供的电压往往不能一致，同时又为了减少电网与整流装置的相互干扰，使整流主电路与电网隔离，为此需要配置一个变压器。
(3-4)
(3-5)
（1）变压器二次侧电压计算
由前面的分析可知α=0度，Ud=100V。所以变压器二次侧电压

=100/2.34=42.74V (3-6)
（2）变压器二次测电流计算
由题意可得整流电路输出电流有效值为Id=3A，所以变压器二次侧电流
=0.8163A=2.448A (3-7)
（3）变压器一次测电流计算
变压器的变比 (3-8)
一次侧电流 (3-9)
（4）变压器容量的计算
变压器容量 (3-10)
3.4输入电源的功率因数
视在功率=电压的有效值x电流的有效值。有功功率=UIcosφ，cosφ即功率因数。
视在功率： S==380×0.475=312.64VA
有功功率： P=1003=300W
功率因数： cosφ=P/S=0.959
3.5灯泡参数计算
负载（灯泡）要求0~100V直流电压，最大负载电流3A.所以选择灯泡额定电压为100V，额定电流为3A.灯泡电阻R=100/3=33.3。
3.6电路参数汇总
（1）整流电路的参数
输出电压 =100V
整流二极管额定电流 ==1.91A
考虑到裕量，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)V
（2）直流降压斩波电路的参数
IGBT额定电压U=（2-3）100V
IGBT额定电流I=（1.5-2）3A
电感L取700mH，此时基本可以看做电感为无穷大
续流二极管额定电流I=(1.5-2)1.91A=(2.865-3.82)A
续流二极管额定电压U=(2-3)100V
（3）变压器的参数及容量
二次侧电压 =42.74V
二次侧电流 =2.448A
变比 =5.15
一次侧电流 =0.475A
变压器容量 S=312.64VA
（4）输入电源的功率因素
Cosφ=0.959
(5) 负载灯泡的参数
灯泡电阻R=33.3Ω
4小结
这次课程设计总共有两周的时间，而且期间穿插着我们的多门期末考试，时间比较紧，但是即使这样，我也积极地进行准备，认真分析老师所给的任务书。我花了一天的时间去图书馆和网上查找相关资料，认真地审我的任务书，思考任务的思路我发现了我必须要用到不控整流以及直流斩波。我认为认真的审题，在设计之前做足准备工作是非常有必要的。
在做电力电子课程设计的过程中我更能认真和全面的对所学知识有一个全面和系统更深刻的了解和掌握，让我认识到知识只有在实际应用中才能发现自己知识体系的不足与漏洞以及将知识变为技能。在这个实际操作的过程中我认真的查阅了大量的资料和工具书增长了我的知识，开阔了视野。不过我看得更多的还是教材，万变不离其宗，对于任何一个设计其基本原理最终都是可以在书本上找到答案的。所以书本还是最重要的，完全吃透了书本课程设计才能发挥得更好。虽然课程设计源于书本，但是和应用于生活联系得更加紧密。这就要求我们在学习和生活的过程中每个人都要学会应用资源和我们自身的优势，同时留心观察身边的事物。用专业的眼光审视她们，并且尽量从中获得启发。
但是在这次设计中，由于我自身电力电子技术知识的欠缺，设计的并不详细，知识的衔接也不理想，错误应该是有的，但我很认真地去做了，设计中错误的地方希望老师能谅解，并加以指点。我会努力改正，力争在以后的课设和学习中更加完善。
总之，这次课程设计不仅增加了我的知识积累，让我有机会将课堂上所学的电力电子理论知识运用到实际中，了解了这些知识在实际生产、科研中丰富而强大的用途，为将来走进工作打下了基础，还让我懂得自主学习的重要性，还有做什么事情都要有恒心，有信心，动脑子去想，就一定会有创意产生，并最终在解决问题的过程中有所收获。

参考文献
[1]王兆安，刘进军.《电力电子技术》.北京：机械工业出版社，2009.
[2]王正谋，朱立恒.《protel电路设计与仿真技术》.福建科学技术出版社，2004
[3]杨荫福，段善旭《电力电子装置及系统》.清华大学出版社,2006
[4]张润和.《电力电子技术及应用》.北京大学出版社,2008
[5]王兆安，黄俊.《电力电子变流技术》.机械工业出版社，2011

本科生课程设计成绩评定表
姓 名
王琨
性 别
男
专业、班级
自动化专业 自动化1105班
课程设计题目：亮度可连续调节直流斩波电路设计
课程设计答辩或质疑记录：
1

成绩评定依据：
序号
评定项目
评分成绩
1
选题合理、目的明确（10分）

2
设计方案正确，具有可行性、创新性（20分）

3
设计结果（例如：硬件成果、软件程序）（25分）

4
态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分）

5
设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（10分）

6
答辩（20分）

总分

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年 月 日

13