СОДЕРЖАНИЕ Введение Исходные данные Проектирование и расчет Описание работы схемы и назначение ее элементов Спецификация элементов Список литературы
Введение Полупроводниковые преобразователи электрической энергии Устройства силовой электроники представляют собой очень широкую и быстро развивающуюся область техники. Одним из важнейших объектов изучения в данной области является полупроводниковый преобразователь электрической энергии Полупроводниковый преобразователь является основным элементом источников вторичного электропитания, используется в системах электропривода, автотранспорта, связи, в компьютерной и бытовой технике В общем виде преобразователем электрической энергии является устройство, которое связывает две (или более) электрические системы с отличающимися друг от друга параметрами и позволяет по заданному закону изменять эти параметры, обеспечивая обмен электрической энергией между связуемыми объектами Для преобразования электрической энергии совместно с полупроводниковым преобразователем могут использоваться другие виды преобразователей - трансформаторы, дроссели, конденсаторы Основными элементами полупроводникового преобразователя являются: выпрямитель, инвертор и силовой трансформатор
Исходные данные ДАНО: Напряжение питания – U 1 = ± 5B± 10%(пост. тока) Напряжение выходное – U н = ± 15B± 1%(пост. тока) Мощность нагрузки – P н = 10Вт Допустимая амплитуда пульсаций – к п = 0,05 ВОПРОСЫ: Разработать функциональную и принципиальную схему преобразователя. Выбрать и рассчитать элементы схемы. Определить параметры преобразователя. Описать работу схемы и назначение ее элементов. Составить спецификацию элементов. ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ: Принципиальная электрическая схема
Проектирование и расчет Схема преобразователя На рис. 1 показана схема двухтактного преобразователя с самовозбуждением с выходом на постоянном токе Схема содержит работающие в ключевом режиме транзисторы VT1 и VT2, трансформатор TV, магнитопровод которого выполнен из материала с прямоугольной петлей гистерезиса (рис. 2.), выпрямительный мост VD и конденсатор С, сглаживающий пульсации напряжение на нагрузке Трансформатор TV имеет три обмотки: первичную (коллекторную W1), вторичную W2 и базовую W Б . Первичная и базовая обмотки выполнены из двух полуобмоток с выведенной средней точкой Выбор и расчет элементов схемы Выбор частоты: Одним из важнейших параметров полупроводникового преобразователя является частота преобразования инверторного звена. Частота выбирается с учетом множества факторов, таких как необходимые массогабаритные показатели, простота схем управления, схем коммутации и других схемных решений, надежность, устойчивость к перегрузкам и т.п Повышение частоты работы преобразователей с 50Гц до нескольких десятков килогерц позволило резко уменьшить массогабаритные показатели устройства за счет уменьшения массы и габаритов силового трансформатора, а также массы и габаритов конденсаторов и дросселей В тоже время излишнее повышение частоты преобразования приводит к целому ряду отрицательных последствий. Возрастают потери в ключевых элементах за счет увеличения доли динамических потерь, растут потери в стали магнитопровода трансформатора. На высокой частоте начинают проявляться такие негативные явления, как паразитные индуктивности и емкости соединительных проводов, возникает необходимость учитывать эффект вытеснения тока в обмотках трансформаторов и дросселей Таким образом, повышение частоты преобразования полупроводникового преобразователя является действенным способом понижения их массогабаритных показателей Исходя из вышеописанного, для расчета данной схемы (двухтактного преобразователя) целесообразно задаться частотой 20кГц Частота преобразования напряжения – f = 20 кГц Выбор материала и конструкции магнитопровода трансформатора: Наиболее важными характеристиками материала магнитопровода высокочастотного трансформатора являются удельные потери мощности в материале магнитопровода и значение индукции насыщения B s В качестве материала высокочастотных трансформаторов (до сотен кГц) в настоящее время могут быть использованы ферриты Ферриты обладают низкими значениями удельных потерь, приемлемыми значениями индукции насыщения (B s < 0,4 Тл) и высокой магнитной проницаемостью Для данной частоты (20 кГц) рекомендуется выбрать сердечник типа К из феррита марки 2000НМ3 Расчет выпрямителя с активно-емкостной нагрузкой: Схема выпрямителя – однофазная мостовая (m = 2) Определяем ориентировочные значения коэффициентов B и D для m = 2: B = 0,9; D = 2,15 Максимальное выпрямленное напряжение U н max = 15,15В Ориентировочно определяем параметры однофазной мостовой схемы при работе на активно-емкостную нагрузку (ток нагрузки - I н = P н /U н = 0,66А): U обр = Ц ` 2ВU н max = Ц ` 2*0,9*15,15 = 19,28В I пр ср = 0,5I н = 0,5*0,66 = 0,33А I пр = 0,5DI н = 0,5*2,15*0,66 = 0,71А S тр = 0,707DBP н = 0,707*2,15*0,9*10 = 13,68Вт U обр – обратное напряжение вентиля (В), I пр ср , I пр , I пр m – действующее и амплитудное значение тока вентиля (А), S тр – габаритная мощность трансформатора (Вт), По вычисленным значениям U обр и I пр ср выбираем диодную сборку типа “КЦ412А” , для которых U обр = 50В > 19,28В; I пр ср max = 1А > 0,33А; 1,57 I пр ср max = 1,57А > 0,72А; U пр = 1,2В Определяем сопротивление вентиля в прямом направлении r пр (Ом): r пр = U пр /I пр ср = 1,2/0,33 = 3,64Ом Определяем сопротивление обмоток трансформатора r тр (Ом): r тр = k r U н 4Ц SfB s /Р н /I н fB s = 3,5*15* 4Ц 20000*0,2/10 /0,66*20000*0,2 = 52,5*4,474/2640 = 52,5/11811,36 = 0,09Ом, при k r = 3,5; S = 1 k r – коэффициент, зависящий от схемы выпрямления; S – число стержней трансформатора, на которых помещены его обмотки Сопротивление фазы r (Ом): r = r тр +2r пр = 0,09+2*3,64 = 7,37Ом Определяем коэффициент А: A = I нp r/mU н = 0,66*3,14*7,37/2*15= 0,51 По коэффициенту А определяем коэффициенты: В = 1,25; D = 1,9; F = 4,8 Определяем параметры трансформатора и вентелей: U 2 , I 2 – напряжение и ток вторичной обмотки трансформатора; I 1 , U 1 - напряжение и ток первичной обмотки трансформатора Е 2 = U 2 = BU н = 1,25*15 = 18,75В I 2 = 0,707DI н = 0,707*1,9*0,66 = 0,89А Е 1 = U 1 = 5В I 1 = 0,707DI н U 2 /U 1 = 0,707*1,9*0,66*18,75/5= 3,32А S 2 = S 1 ’ = S тр ’ = 0,707BDP н = 0,707*1,25*1,9*10 = 16,79Вт I пр = 0,5DI н = 0,5*1,9*0,66 = 0,63А < 1,57 I пр ср max = 1,57А U обр = Ц ` 2ВUн max = Ц ` 2*1,25*15,15 = 26,78В I пр m = 0,5FI н = 0,5*4,8*0,66 = 1,58А Таким образом, выбранная предварительно диодная сборка типа “КЦ412А” пригодна для работы в схеме выпрямления Определяем при А = 0,51 коэффициент Н = 88 Определяем емкость конденсатора С (мкФ): С = Н/ к п r = 88/0,05*7,37 = 238,81 мкФ Выбираем конденсатор типа “К 50-20” на номинальное напряжение 25В номинальной емкости 500мкФ Уточняем величину пульсаций к п = Н/ Сr = 88/500*7,37 = 0,02, т.е. пульсация менее заданного значения Расчет трансформатора и остальных элементов схемы: 1. Для расчета необходимо задаться КПД трансформатора - h , значениями электромагнитных нагрузок: магнитной индукции - B s (Тл) и плотностью тока в обмотках - j(А/мм 2 ), коэффициентом заполнения медью магнитопровода - к o , коэффициентом заполнения сталью/сплавом сечения магнитопровода - к с , коэффициентом длительности импульса - к ф . Значения вышеперечисленных расчетных данных примем по рекомендациям для данного типа сердечника: h = 0,85; B s = 0,2 Тл; j = 12,5 А/мм 2 ; к o = 0,13; к с = 1; к ф = 1. Определяем расчетную мощность трансформатора по формуле S рас (Вт): S рас = 1/2Ц ` 2h [ 2(1+Ц ` 2h )Р н] = 0,601*44,042 = 26,469 Вт 3. Для выбора типоразмера магнитопровода следует рассчитать произведение, где S c - площадь поперечного сечения стержня трансформатора, S o - площадь окна магнитопровода: S c S o = S рас 10 2 /2к ф fBjk c k o = 2646,9/2*20*10 3 *0,2*12,5*0,13 = 0,2036 см 4 Ближайшее, большее к расчетному значение S c S o – 0,271 см 4 По нему выбираем типоразмер магнитопровода: К 20ґ 10ґ 6 b a d D Размеры магнитопровода К 20ґ 10ґ 6: a = 5 мм, b = 6 мм, d = 10 мм, D = 20 мм Средняя длина магнитной силовой линии l c = 5,03см Масса магнитопровода G ст = 6,7г Площадь окна магнитопровода S o = 1,13см 2 Площадь поперечного сечения стержня трансформатора S c = 0,24см 2 Потери в магнитопроводе трансформатора Р ст (Вт): Р ст = Р уд G ст , где Р уд – удельные потери в 1 кг материала магнитопровода при нормированных значениях магнитной индукции и частоты (Вт/кг); Р уд = 30 Вт/кг, G ст = 6,7г = 0,0067кг Р ст = 30*0,0067 = 0,201 Вт 4. Число витков первичной вторичной и базовой обмоток трансформатора: w 1 = U 1 (1-0,5D U)10 4 /4k ф fB s S c k c w 2 = U 2 (1+0,5D U)10 4 /4k ф fB s S c k c w б = U б (1+0,5D U)10 4 /4k ф fB s S c k c D U - относительное изменение напряжения на выходе трансформатора (В) D U = 0,035 B w 1 = 5*(1-0,5*0,035)* 10 4 /4*20000*0,2*0,24 = 49125/3840 = 12,79 ” 13 w 2 = 18,75*(1+0,5*0,035)* 10 4
