亮度可連續(xù)調(diào)節(jié)直流斬波電路設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)亮度可連續(xù)調(diào)節(jié)直流斬波電路設(shè)計(jì)1概論電力電子技術(shù)是20世紀(jì)后半葉誕生和發(fā)展的一門(mén)嶄新的技術(shù)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在21世紀(jì)電力電子技術(shù)仍將以迅猛的速度發(fā)展。電力電子器件的發(fā)展對(duì)電力電子技術(shù)的發(fā)展起著決定性的作用。正是大功率晶閘管的發(fā)明，使得半導(dǎo)體變流技術(shù)從電子學(xué)中分離出來(lái)，發(fā)展成為電力電子技術(shù)這一專(zhuān)門(mén)的學(xué)科。而二十世紀(jì)九十年代各種全控型大功率半導(dǎo)體器件的發(fā)明，進(jìn)一步拓展了電力電子技術(shù)應(yīng)用和覆蓋的領(lǐng)域和范圍。電力電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)深入到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(mén)，包括鋼鐵、化工、電力、石油、汽車(chē)以及人們的日常生活。功率范圍大到幾千兆瓦的高壓直流輸電，小到一瓦的手機(jī)充電器，

2、電力電子技術(shù)隨處可見(jiàn)。 開(kāi)關(guān)電源分為AC/DC和DC/DC，其中DC/DC變換已實(shí)現(xiàn)模塊化，其設(shè)計(jì)技術(shù)和生產(chǎn)工藝已相對(duì)成熟和標(biāo)準(zhǔn)化。DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱(chēng)為直流斬波。斬波電路主要用于電子電路的供電電源，也可拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)或帶蓄電池負(fù)載等。相控整流電路通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)改變輸出電壓的有效值。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、性能穩(wěn)定,利用它可以方便地得到大中、小各種容量的直流電,是目前獲得直流電能的主要方法,得到廣泛應(yīng)用。用它控制燈光亮度的可連續(xù)調(diào)節(jié)，則是使通過(guò)燈泡的電流為直流。直流斬波電路一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姷那闆r，通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通和斷開(kāi)時(shí)間的控制（最常

3、見(jiàn)的為PWM控制），連續(xù)地調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間改變占空比使輸出電壓的平均值能夠連續(xù)改變，在用它控制燈光亮度的電路中，通過(guò)燈泡的電流為直流。本次課程設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)亮度可連續(xù)調(diào)節(jié)的燈光電路，輸入380v，頻率為50HZ的三相交流電。負(fù)載（燈泡）要求0-100v直流電壓，最大負(fù)載電流3A，用直流斬波電路來(lái)實(shí)現(xiàn)燈光的可連續(xù)調(diào)節(jié)。2方案的論證與選擇2.1方案的論證設(shè)計(jì)亮度可連續(xù)調(diào)節(jié)的燈光電路，輸入380v，頻率為50HZ的三相交流電。負(fù)載（燈泡）要求0-100v直流電壓，最大負(fù)載電流3A。由題意需用直流斬波電路來(lái)實(shí)現(xiàn)燈光的可連續(xù)調(diào)節(jié)。首先考慮380V的交流電要想轉(zhuǎn)變?yōu)樽畲笾禐?00V的直流電，必須先加一個(gè)變壓器，

4、將380V交流電降到一個(gè)合適的值，再經(jīng)過(guò)三相不控整流電路整流，通過(guò)調(diào)節(jié)斬波電路的IGBT使在01范圍變化時(shí)，使整流輸出的電壓在0100V變化。2.2設(shè)計(jì)方案的選擇2.2.1整流電路設(shè)計(jì)方案的選擇 按電路的構(gòu)成形式，可分為半波、全波和橋式（含全控橋式和半控橋式）整流電路。半波整流電路只利用了交流電的正半周，而全波整流電路不僅利用了正半周，而 且還巧妙地利用了負(fù)半周，從而大大地提高了整流效率，但是全波整流電路，需要變壓器 有一個(gè)使兩端對(duì)稱(chēng)的次級(jí)中心抽頭，這給制作上帶來(lái)很多的麻煩，同時(shí)繞組及鐵心對(duì)銅、鐵等材料的消耗更多，在當(dāng)今世界上有色金屬資源有限的情況下，這是不利的。另外，這種電路中，每只晶閘管承

5、受的最大反向電壓，是變壓器次級(jí)電壓最大值的兩倍，因此需用 能承受較高電壓的晶閘管。而橋式整流電路，不僅具有全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在一定 程度上也克服了它的缺點(diǎn)。本題要求采用不控整流進(jìn)行AC/DC變換，輸入為3相380V交流電，需要采用3相不控整流電路進(jìn)行AC/DC變換，故三相橋式不控整流電路。2.2.2主電路設(shè)計(jì)方案的選擇 方案一：選擇降壓斬波電路，來(lái)改變輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)燈泡的亮度連續(xù)調(diào)節(jié)。在此可運(yùn)用電力電子開(kāi)關(guān)來(lái)控制電路的通斷即改變占空比，從而獲得我們所想要的電壓。這就可以根據(jù)所學(xué)的buck降壓電路作為主電路，這個(gè)方案是較為簡(jiǎn)單的方案，直接進(jìn)行直直變換簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。 方案二：先把直流變

6、交流降壓，再把交流變直流，這種方案把本該簡(jiǎn)單的電路復(fù)雜化，不可取。 綜上所述選擇方案一作為主電路的設(shè)計(jì)方案。2.2.3控制電路設(shè)計(jì)方案的選擇斬波電路有三種控制方式：（1）脈沖寬度調(diào)制（PWM）：開(kāi)關(guān)周期T不變，改變開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間。（2）頻率調(diào)制：開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不變，改變開(kāi)關(guān)周期T。（3）混合型：開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間和開(kāi)關(guān)周期T都可調(diào)，改變占空比。本次設(shè)計(jì)采用的是脈寬調(diào)制的方法，開(kāi)關(guān)選用全控型器件IGBT，它集中了電力MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)。2.3總體設(shè)計(jì)方案的確定電路一共由變壓器、整流電路和直流斬波電路三個(gè)主要部分組成，380V三相交流電通過(guò)變壓器降壓，然后通過(guò)二極管組成的整流電路進(jìn)行不控整流，通過(guò)調(diào)

7、節(jié)斬波電路中IGBT的角使燈泡的亮度可連續(xù)調(diào)節(jié)。電路設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。三相交流380V變壓器降壓二極管不控整流整流直流斬波電路燈泡亮度可調(diào)圖2-1 總體電路設(shè)計(jì)方案框圖3電路的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算3.1AC/DC整流電路3.1.1工作原理設(shè)計(jì)采用橋式電路整流：由六個(gè)二極管組成一個(gè)三相橋式全控整流電路，電路原理圖如圖3-1圖3-1 橋式整流電路3.1.2整流電路參數(shù)計(jì)算由于輸入為380V三相交流電，所以需要一個(gè)變壓器來(lái)降低輸入電壓，在經(jīng)過(guò)整流電路調(diào)節(jié)成題目所要求的電壓。而三相不控整流電路相當(dāng)與三相橋式全控整流電路中=0時(shí)的情況。所以，輸出電壓=100V，整流二極管額定電流 =1.91A，考慮到裕量，

8、取=(1.5-2)= (2.865-3.82)A，整流二極管額定電流 =60.44V，考慮到裕量，取=（2-3）=(2-3)60.44V=(120.89-181.33)V3.2直流降壓斬波電路3.2.1工作原理負(fù)載要求在0-100V之間連續(xù)可調(diào)這里采用降壓斬波電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，直流降壓斬波主電路如圖3-2所示 圖3-2直流降壓斬波主電路使用一個(gè)全控器件IGBT控制導(dǎo)通。用控制電路和驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制IGBT的通斷，當(dāng)t=0時(shí)，驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓=E，負(fù)載電流按指數(shù)曲線上升。電路工作時(shí)波形圖如圖3-3所示： 圖3-3 降壓斬波波形圖當(dāng)t=時(shí)刻，控制IGBT關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管續(xù)

9、流，負(fù)載電壓近似為零，負(fù)載電流指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小，故串聯(lián)L值較大的電感。至一個(gè)周期T結(jié)束，再驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過(guò)程。當(dāng)電力工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等，負(fù)載電壓的平均值為 (3-1) 為IGBT處于通態(tài)的時(shí)間；為處于斷態(tài)的時(shí)間；T為開(kāi)關(guān)周期；為導(dǎo)通占空比。通過(guò)調(diào)節(jié)占空比使輸出到負(fù)載的電壓平均值最大為E，若減小占空比，則隨之減小。由此可知，輸出到負(fù)載的電壓平均值最大為，若減小占空比，則隨之減小，由于輸出電壓低于輸入電壓，故稱(chēng)該電路為降壓斬波電路。3.2.2直流降壓斬波電路參數(shù)計(jì)算此電路使用一個(gè)全控型器件V，圖中為IGBT，若采用晶閘管，需設(shè)置

10、使晶閘管關(guān)斷的輔助電路。并設(shè)置了續(xù)流二極管VD，在V關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中電感電流提供通道。主要用于電子電路的供電電源，也可拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)或帶蓄電池負(fù)載等，后兩種情況下負(fù)載中均會(huì)出現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)，如圖中所示。工作原理：當(dāng)t=0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓=E，負(fù)載電流按指數(shù)曲線上升。當(dāng) t=時(shí)控制V關(guān)斷，二極管續(xù)流，負(fù)載電壓近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降，通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小。 此電路的基本數(shù)量關(guān)系為：（1）電流連續(xù)時(shí) 負(fù)載電壓的平均值為 (3-2) （3-3）式中，ton為V處于通態(tài)的時(shí)間，toff為V處于斷態(tài)的時(shí)間，T為開(kāi)關(guān)周期，a為導(dǎo)通占空比，簡(jiǎn)稱(chēng)占空比或?qū)ū取?/p>

11、負(fù)載電流平均值為 （2）電流斷續(xù)時(shí)，負(fù)載電壓uo平均值會(huì)被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。 （3）晶閘管額定電壓、額定電流計(jì)算由于晶閘管工作中可能會(huì)遭受到一些意想不到的瞬時(shí)過(guò)電壓，為了確保管子安全運(yùn)行，在選用晶閘管時(shí)應(yīng)使其額定電壓為正常工作電壓峰值 的23倍，以作安全余量。另外在選用晶閘管時(shí)應(yīng)根據(jù)有效電流相等的原則來(lái)確定晶閘管的額定電流。由于晶閘管的過(guò)載能力小，為保證安全可靠工作，所選用晶閘管的額定電流 應(yīng)使其對(duì)應(yīng)有效值電流為實(shí)際流過(guò)電流有效值的1.52倍。 根據(jù)總電路圖對(duì)比可知=0，所以?？梢源_定整流電路輸出的電流。斬波電路的最大電壓為100V，最大電流為3A。所以可以確定IGBT的額定

12、流 I=（1.5-2）3A，額定電壓U=（2-3）100V，續(xù)流二極管的額定電流I=（1.5-2）3A。(4)電感 為了保證負(fù)載最小電流電路能夠連續(xù)，所以電感值越大越好，在這里選擇700mH。3.3變壓器參數(shù)計(jì)算在很多情況下整流裝置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)提供的電壓往往不能一致，同時(shí)又為了減少電網(wǎng)與整流裝置的相互干擾，使整流主電路與電網(wǎng)隔離，為此需要配置一個(gè)變壓器。 (3-4) (3-5)（1）變壓器二次側(cè)電壓計(jì)算由前面的分析可知=0度，Ud=100V。所以變壓器二次側(cè)電壓 =100/2.34=42.74V (3-6)（2）變壓器二次測(cè)電流計(jì)算由題意可得整流電路輸出電流有效值為Id=3A，所

13、以變壓器二次側(cè)電流=0.8163A=2.448A (3-7)（3）變壓器一次測(cè)電流計(jì)算變壓器的變比 (3-8) 一次側(cè)電流 (3-9)（4）變壓器容量的計(jì)算變壓器容量 (3-10)3.4輸入電源的功率因數(shù)視在功率=電壓的有效值x電流的有效值。有功功率=UIcos，cos即功率因數(shù)。視在功率： S=3800.475=312.64VA有功功率： P=1003=300W功率因數(shù)： cos=P/S=0.9593.5燈泡參數(shù)計(jì)算負(fù)載（燈泡）要求0100V直流電壓，最大負(fù)載電流3A.所以選擇燈泡額定電壓為100V，額定電流為3A.燈泡電阻R=100/3=33.3。3.6電路參數(shù)匯總（1）整流電路的參數(shù)輸出

14、電壓 =100V整流二極管額定電流 =1.91A考慮到裕量，取=(1.5-2)= (2.865-3.82)A整流二極管額定電流 =60.44V考慮到裕量，取=（2-3）=(2-3)60.44V=(120.89-181.33)V（2）直流降壓斬波電路的參數(shù)IGBT額定電壓U=（2-3）100VIGBT額定電流I=（1.5-2）3A電感L取700mH，此時(shí)基本可以看做電感為無(wú)窮大續(xù)流二極管額定電流I=(1.5-2)1.91A=(2.865-3.82)A續(xù)流二極管額定電壓U=(2-3)100V（3）變壓器的參數(shù)及容量二次側(cè)電壓 =42.74V 二次側(cè)電流 =2.448A變比 =5.15一次側(cè)電流 =

15、0.475A變壓器容量 S=312.64VA（4）輸入電源的功率因素Cos=0.959(5) 負(fù)載燈泡的參數(shù)燈泡電阻R=33.34小結(jié)這次課程設(shè)計(jì)總共有兩周的時(shí)間，而且期間穿插著我們的多門(mén)期末考試，時(shí)間比較緊，但是即使這樣，我也積極地進(jìn)行準(zhǔn)備，認(rèn)真分析老師所給的任務(wù)書(shū)。我花了一天的時(shí)間去圖書(shū)館和網(wǎng)上查找相關(guān)資料，認(rèn)真地審我的任務(wù)書(shū)，思考任務(wù)的思路我發(fā)現(xiàn)了我必須要用到不控整流以及直流斬波。我認(rèn)為認(rèn)真的審題，在設(shè)計(jì)之前做足準(zhǔn)備工作是非常有必要的。在做電力電子課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中我更能認(rèn)真和全面的對(duì)所學(xué)知識(shí)有一個(gè)全面和系統(tǒng)更深刻的了解和掌握，讓我認(rèn)識(shí)到知識(shí)只有在實(shí)際應(yīng)用中才能發(fā)現(xiàn)自己知識(shí)體系的不足與漏洞

16、以及將知識(shí)變?yōu)榧寄?。在這個(gè)實(shí)際操作的過(guò)程中我認(rèn)真的查閱了大量的資料和工具書(shū)增長(zhǎng)了我的知識(shí)，開(kāi)闊了視野。不過(guò)我看得更多的還是教材，萬(wàn)變不離其宗，對(duì)于任何一個(gè)設(shè)計(jì)其基本原理最終都是可以在書(shū)本上找到答案的。所以書(shū)本還是最重要的，完全吃透了書(shū)本課程設(shè)計(jì)才能發(fā)揮得更好。雖然課程設(shè)計(jì)源于書(shū)本，但是和應(yīng)用于生活聯(lián)系得更加緊密。這就要求我們?cè)趯W(xué)習(xí)和生活的過(guò)程中每個(gè)人都要學(xué)會(huì)應(yīng)用資源和我們自身的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)留心觀察身邊的事物。用專(zhuān)業(yè)的眼光審視她們，并且盡量從中獲得啟發(fā)。但是在這次設(shè)計(jì)中，由于我自身電力電子技術(shù)知識(shí)的欠缺，設(shè)計(jì)的并不詳細(xì)，知識(shí)的銜接也不理想，錯(cuò)誤應(yīng)該是有的，但我很認(rèn)真地去做了，設(shè)計(jì)中錯(cuò)誤的地方希望老

17、師能諒解，并加以指點(diǎn)。我會(huì)努力改正，力爭(zhēng)在以后的課設(shè)和學(xué)習(xí)中更加完善。總之，這次課程設(shè)計(jì)不僅增加了我的知識(shí)積累，讓我有機(jī)會(huì)將課堂上所學(xué)的電力電子理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中，了解了這些知識(shí)在實(shí)際生產(chǎn)、科研中豐富而強(qiáng)大的用途，為將來(lái)走進(jìn)工作打下了基礎(chǔ)，還讓我懂得自主學(xué)習(xí)的重要性，還有做什么事情都要有恒心，有信心，動(dòng)腦子去想，就一定會(huì)有創(chuàng)意產(chǎn)生，并最終在解決問(wèn)題的過(guò)程中有所收獲。參考文獻(xiàn)1王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.2王正謀，朱立恒.protel電路設(shè)計(jì)與仿真技術(shù).福建科學(xué)技術(shù)出版社，20043楊蔭福，段善旭電力電子裝置及系統(tǒng).清華大學(xué)出版社,20064張潤(rùn)和.電力電子技術(shù)及應(yīng)用.北京大學(xué)出版社,20085王兆安，黃俊.電力電