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电力电子课程设计

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直流斩波电路给蓄电池充电设计
一、 设计目的
1、 直流斩波电路的选择
2、 主电路的设计
3、 晶闸管电流、 电压额定的选择
4、 驱动电路的设计
5、 保护电路的设计
6、 画出完整的主电路原理图和控制电路原理图
7、 掌握两种基本斩波电路的工作状态
8、 了解电路图的波形情况
二、 设计方案
1主电路的设计

图1主电路图
图 1 为直接接电网的直流斩波电路的结构图。开关器件 V 采用 IGBT,驱动电路采用EXB841,PWM 脉宽调制电路采用 494 芯片 , 负载为蓄电池和滤波电抗器L2。LEM微电流传感器。
PWM 电路的输出u 为频率恒定脉宽可调的脉冲列信号。脉宽受 u 控制 ,u 最大为15V,最小值为零伏。随 u 的减小 ,u 的脉宽增加。u 经驱动电路中的光电隔离后变换成波形与 u 相同的驱动信号u 。但u 的高电平为 +15V ,低电平为 -15V。

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改变 U 的大小能够改变 PWM 电路的输出脉冲的宽度, 即改变p, 从而改变直流斩波电路输出电压的平均值U0。
直流斩波主电路的设计包括 IGBT 元件、 续流二极管 VD、 滤波电抗器 L1 和 L2、 滤波电容的设计。
1.1　IGBT元件和二极管VD的选择
由于 IGBT的过载能力和承受过电压的能力很差 ,因此在选择 IGBT 元件时要留有一的裕量。IGBT元件的额定电流一般是指模块外壳的温度为 25 ℃ ( 西门子产品例外) 时的允许值 ,当外壳温度达到 80 ℃时 ,允许的电流值要下降30%左右。因此 IGBT元件的额定电流比实际经过的电流大一倍左右。另外,IGBT的定电压要比元件实际承受的电压大一倍左右。由于续流二极管 VD 的开关频率与 IGBT相同 ,因此选用一个二单元的 IGBT 模块是想的选择。这样既缩小装置的体积 ,又减小连线造成的感应过电压。
1.2输出滤波电抗器L2的设计
由于充电机的负载为蓄电池 ,而斩波器输出电压为脉冲电压 ,为限制充电电流的脉动分量要在输出端串联滤波器 L 。串联 L 后负载电流 i 的波形如图 2 所示。为简化对问题的分析 ,在 V 导通和关断期间 ,认为 i 是线性变化的。
L2 的计算可根据电感的储能作用来分析。
1.3 滤波电容C的设计
滤波电容 C有两个作用 ,其一是起滤波作用 ,它能够减小交流电流的谐波分量;其二是降低在 V 关断时因线路电感产生的过电压。在V 截止时 ,电容充到电源电压 Us。
2．驱动电路
驱动电路采用厚膜电路EXB 8411, 此电路举有以下特点:
（1） 使控制电路与主电路之间实现弱电和强电的隔离, 以利提高抗扰性能。
（2） 驱动电路可靠, 驱动脉冲波形好。驱动脉冲时, 驱动电路输出-5V电平, 使IGBT元件可靠关断。
(3) 具有过载保护功能, 过载时, 能慢速关断IGBT元件。同时发出一个过载信号。

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图四驱动电路
3．供电电路设计
图五供电电路

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4.IGBT的保护措施
4.1 过电压保护
( 1) 设置过电压洗手电路, 针对直接接电网的斩波电路。可在电解电容器两端并联无感电容座位高频下的过电压吸收电路。
( 2) 主电路各元件之间的连线应尽量短。因为在高速开关状态, 过长的连线会导致因存在较大的线路电感而产生感应过电压。经验表明, 将滤波电解电容C.开关管V和续流二极管VD三个元件做在一块印刷电路板上是明智的选择。
4.2 过电流保护
( 1) 在驱动电路中已含有过载检测电路, 过载时发出过载信号, 经过PWM电路封锁脉冲、
( 2) 在IGBT回路中设置电流检测元件LEM, 将检出的电流信号U0经过一个高速比较器得到一个过载信号。此信号送给PWM电路, 以便发出封锁脉冲指令。实践表明, 此方法有效。
其中, 保护电路设计如下:
图六保护电路
三、 设计结果与分析
在 u 为高电平时 ,IGBT 导通 ,斩波器输出电源电压 U 。在 u 为低电平时 ,斩波器输出电压为零。于是在负载两端得到脉冲电压u ,u 波形如图 2 所示。 为 IGBT 导通时间 , 为 IGBT关断时间。输出的电压u 的平均值为

式中:

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T-IGBT的工作周期 T=
f-IGBT的工作频率Hz
ρ-占空比, ρ==2/5
-三相滤波器经滤波后的直流电源电压平均值220V
s
=2/5T
=88V
设R=880Ω
==0.1A
波形如图 2 所示

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在充电的蓄电池两端并联一个电压表, 可测的蓄电池经充电后电压为15V
四、 设计体会
经过一周对电力电子课程设计的研究与学习, 懂得了如何设计直流斩波电路和如何对其进行分析和给蓄电池充电。本装置是直接接电网, 电压的变换是靠整流电路来实现, 因此体积小, 重量轻。功率因数高。IGBT的驱动电路采用进口厚膜电路, 驱动可靠, 线路简化, 体积小, 滤波电容和IGBT.续流二极管之间的连线尽量短, 有力减小开关状态的过电压幅值和能量。设置快速可靠的过电流保护电路, 提高了整个装置的可靠性。经过对电路图的绘制, 还学会了用protel软件的画图。
由于我知识的限制, 设计还有很多不足之处, 希望老师指出并教导。经过对电路图的研究, 也增强了我们的思考能力。课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。很感激学校给了我们这次动手实践的机会, 让我们学生有了一个共同学习, 增长见识, 开拓视野的机会。也感谢陈老师对我们无私忘我的指导, 我会以这次课程设计作为对自己的激励, 继续学习。

五、 参考文献
[1]梁延贵主编,现代集成电路实用手册可控硅触发电路分册,北京:科学技术文献出版社. .2
[2]王兆安主编, 电力电子技术.第四版.北京:机械工业出版社. .1
[3]王云亮主编, 电力电子技术.第一版.北京.电子工业出版社. .8
[4]张青等, 电气传动.北京: 机械工业出版社.1994.4
[5]吴忠智等, 电力电子技术.西安: 西安交通大学.1994.4

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