Однотактный преобразователь постоянного напряжения I рода

ОДНОТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ I РОДА Исходные данные, необходимые для расчета: – параметры выходной сети: напряжение нагрузки: Uнг N ; ток нагрузки: Iнг N ; допустимые отклонения напряжения нагрузки, ± ΔUнг% , %; требуемый коэффициент пульсаций напряжения нагрузки, kп2 – параметры входной сети: напряжение входной сети, Uвх ,В; отклонение напряжения входной сети, ± ΔUвх% , %; температура окружающей среды, ΘсрС. ОППН I должен иметь входной фильтр для подавления пульсаций входного тока. Требуемый уровень подавления пульсаций входного тока: Iвх.п / Iвх.0 где Iвх.п – амплитуда первой гармоники переменной составляющей входного тока ОППН I; Iвх.0 – среднее значение входного тока при номинальном режиме работы ОППН I. ОППН I Схема ОППН I с входным фильтром (L1-С1) и сглаживающим фильтром (L2-С2) В ОППH I основным режимом работы является режим непрерывного тока в дросселе цепи нагрузки, L2. 1 Режим непрерывного тока в дросселе Временные диаграммы токов и напряжений для этого режима: uу VT – напряжение управления транзистора; iк – ток коллектора транзистора VТ; iVD – ток диода VD; uвх.ф – напряжение на входе сглаживающего фильтра; iдр2 – ток дросселя сглаживающего фильтра; uдр2 – напряжение на обмотке дросселя сглаживающего фильтра; uнг – напряжение нагрузки; iвх – ток входной цепи преобразователя. 2 Расчет загрузки элементов схемы и их выбор Определим в первом приближении минимальное, максимальное и номинальное значения коэффициента скважности γmin, γmax, γN соответственно с учетом падения напряжения на элементах схемы и отклонений входного напряжения: γmax = (Uнг N + ΔURL2)/(Uвх min - ΔURL1 - ΔUкэ.нас); γmin = (Uнг N + ΔURL2)/(Uвх max - ΔURL1 - ΔUкэ.нас) ; γN = (Uнг N + ΔURL2)/(Uвх N - ΔURL1 - ΔUкэ.нас). Дроссели фильтров и транзистор еще не выбраны, примем падение напряжения на активных сопротивлениях обмоток дросселей L1 и L2, ΔURL1 и ΔURL2 исходя из общепринятых рекомендаций: ΔURL1 = (0,01 – 0,04)Uвх N, ΔURL2 = (0,01 – 0,04)Uнг N, ΔUкэ.нас =(1,5 – 2) В. Определим значения коэффициента пульсаций kп1 на входе фильтра L2 -С2 при значениях скважности γmin и γmax kп1 = [2/(πγ)]sin (180оγ). Для расчетов принимается то значение γ, при котором kп1 - максимально. Как правило, расчет параметров фильтра проводится для режима работы ОППН I при γ = γmin. Величина индуктивности сглаживающего фильтра L2 определяется по формуле: Lкр = Uвхγ(1 - γ)/(2Iнгƒ) Рабочая частота переключения транзистора fр выбирается исходя из условия минимизации массы и габаритов проектируемого ОППН I с учетом частотных характеристик транзисторов При значениях: fр = 1 – 5 кГц возможно применение биполярных транзисторов, fр = 5 – 15 кГц возможно применение транзисторов IGBT, fр = 15 – 100 кГц следует применять полевые транзисторы (MOSFET). Круговая частота пульсаций ωп =2πfр 3 Дроссель выбирается исходя из условия: L2> Lкр Обозначение дросселя Д301 Д302 Д307 Д308 Д313 Д314 Д320 Д321 L, Гн Iоб.,А 0,0004 0,0008 0,0004 0,0004 0,0004 0,0008 0,0004 0,0008 1,6 1,1 2,2 1,6 3,2 2,2 4,5 3,2 Uдоп.д.з.пер.сост.напр, В на частоте 5 кГц 2,52 3,36 3,1 4,2 3,82 5,72 6,02 8,36 Rоб, Ом 0,1 0,18 0,19 0,33 0,13 0,24 0.082 0,162 При параллельном соединении обмоток дросселя сопротивление индуктивность уменьшаются в 4 раза, а ток увеличивается в 2 раза. и Определим величину максимального отклонения тока цепи нагрузки ΔIL2: ΔIL2=Imax-Imin=(Uвх-Uнг)γmin/(L2f). Переменная составляющая тока, протекающая по обмотке дросселя и конденсатору фильтра, имеет треугольную форму (кривую iдр2 на временной диаграмме). Действующее значение этого тока ΔILд.з. легко определить через максимальное отклонение этого тока, ΔIL2, I L 2 Д.З  I L 2 12 . Интегральный параметр фильтра L2C2 определим по формуле: L2C2=(1- γ)/( 8kп2f2) ( Гн∙Ф). Требуемая величина емкости конденсатора C2 с учетом рассчитанного выше произведения (L2C2): C2 = (L2C2)/ L2. При выборе конденсатора сглаживающего или входного фильтра необходимо определить по справочным данным на конденсатор то допустимое значение переменной составляющей тока, которое он может пропустить (Iпер max) и сравнить его с величиной переменной составляющей тока, протекающей по конденсатору фильтра при выбранных параметрах этого фильтра. Конденсатор выбран правильно, если Iпер.д.з> ΔILд.з. На практике емкость конденсатора фильтра необходимо выбирать также из условия получения достаточно малых динамических пульсаций, обусловленных ступенчатым изменением тока нагрузки. Уменьшение 4 динамических пульсаций возможно только за счет увеличения емкости конденсатора фильтра. UN, В 350 CN, мкФ ESR•10-3 при fп=100Гц, Ом 1500 Iпер.max,А при fп=100Гц Габаритные размеры D•L,мм 16 51,6•80,7 2200 73 21 51,6•105,7 3900 41 32 64,3•105,7 5600 29 43 76,9•105,7 параметры : номинальное значение емкости СN; номинальное значение напряжения UС N; допустимое максимальное значение тока переменной составляющей Iпер max; активное сопротивление rС (ESR). После того, как параметры фильтра выбраны и уточнены, следует проверить фильтр на отсутствие резонанса. Резонанса в фильтре не будет, если выбранные параметры фильтра удовлетворяют условию: частота собственных колебаний фильтра (ωс.к) меньше половины частоты пульсаций напряжения нагрузки (ωп), т.е. ωс.к<0,5ωп. ωс.к  1 L2C2 Величина падения напряжения на внутреннем активном сопротивлении конденсатора от переменной составляющей тока ΔIL ΔUС2 пар= ΔIL rС полный размах пульсации выходного напряжения на полном сопротивлении конденсатора U П 2  I L xC 2 2  rC 2 2  I L 1 (2 Cf ) 2  rC 2  , Амплитуда полуволны пульсаций напряжения - Uп2/2. Коэффициент пульсации напряжения нагрузки, kп2, определяется отношением Uп 2/2 к среднему значению напряжения нагрузки, т.е. kп2= Uп 2/(2Uнг). В техническом задании всегда задается величина kп2. Сравнивается полученное значение величины коэффициента пульсации рассчитанного фильтра с требуемой величиной kп2. Делается вывод о соответствии 5 рассчитанного фильтра полностью требованиям задания по ограничению пульсаций выходного напряжения. Загрузка транзистора VT по току и напряжению. Максимальное значение тока коллектора Iк max Iк max = I2 + (tиULи)/(2L2 ), где I2 – среднее значение тока нагрузки; tи – длительность импульса тока: tи= γmaxТ=γmax/f ULи – напряжение на дросселе L2 на интервале импульса: ULи= Uвх N-Uнг N- ΔUкэ.нас – ΔURL1 L2 – индуктивность дросселя L2. Для расчета максимального (амплитудного) значения тока транзистора принимаем значение γ=γmax, при котором амплитуда тока максимальна. Напряжение на закрытом транзисторе Uкэ и на закрытом диоде UVD определяем по формуле : Uкэ = UVD = Uвх Транзистор с двойным запасом по току и напряжению. Загрузка диода - по току определяется по формуле: t I ср VD 1 п   i2 (t )dt  I нг (1   min ). T 0 Выбираем диод с двойным запасом по току и напряжению. Расчет потерь мощности и КПД В этой схеме потери мощности выделяются на активном сопротивлении обмотки дросселя, Δ Рдр, на транзисторе, Δ РVT, и на диоде, Δ РVD. При номинальном токе нагрузки и номинальном коэффициенте скважности, γN, потери мощности составляют: – потери на активном сопротивлении обмотки дросселя, RL: Δ Рдр = Iдр2RL. Потери на транзисторе имеют две составляющие – статические потери, ΔРVT ст, и динамические, ΔРVT дин. Δ РVT= ΔРVT ст+ ΔРVT дин. Среднее значение тока, протекающего через транзистор: Iк.ср.=Iнг N γmax . 6 ΔРVT дин. = Uнг Iнг.Nfр(tвкл+tвыкл)/2 Потери мощности на диоде: Δ РVD= Δ Uв.прIVD Находятся суммарные потери мощности . КПД преобразователя при номинальном режиме работы η=Рнг/(Рнг+ΣΔРп). Внешняя характеристика. Внешней характеристикой ОППН-I принято называть зависимость Uн = f(Iн) при Uвх = const,f = const. Uн=(Uвх- ∆UVТ) γ-IнRсх , где ΔUVТ– падение напряжения на открытом транзисторе; RCX = RL + Rпр– активные сопротивления обмотки дросселя RL и соединительных проводников Rпр. Регулировочная характеристика. Регулировочной характеристикойОППН-Iпринято называть зависимость Uн = f(γ) при Uвх = const,f = const,Iн=IнN=const. Расчет регулировочной характеристики выполняется по формуле: Uнг = Uвхγ ОЦЕНКА ДИНАМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАЗОМКНУТОЙ СИСТЕМЫ ОППНI ПРИ СКАЧКООБРАЗНОМ ИЗМЕНЕНИИ НАГРУЗКИ 7 В качестве показателей качества динамических характеристик силовой схемы ППН принимаются: - показатель перерегулирования σ; - длительность полуволны переходного процесса tп. Эти показатели определяем по следующим соотношениям:  где   L / C  (I ф ф нг N  I нг min )  e  (πα)/(2ω) α = 0,5 [Rcx/ Lф – Iнг ωс.к  1 min/ U нг N ; (Uвх N Сф)]; LфCф ; (Iнг N - Iнг min) – скачок тока нагрузки, на который и производится оценка динамических показателей. Принимается Iнг min = 0,2I нг N. xвых ∆xвых хвых. у t1 t Рис.12.3. Технически оптимальный переходный процесс Длительность полуволны переходного процесса tп ≈π / ωс.к. 8 Рис. 13. Внешние характеристики ОППH I при различных γ для режимов прерывистого (область 1) и непрерывного (область 2) тока Внешняя характеристика реального ОППН I в режиме непрерывного тока зависит от тока нагрузки и при Iнг > Iнг.кр, что обусловлено наличием активного сопротивления обмотки дросселя RL . Эту характеристику ОППH I определим из условия равенства вольт -секундных площадей в установившемся режиме, действующих на индуктивности дросселя на интервалах tи и tп, в предположении, что сопротивление обмотки дросселя RL отлично от нуля. Тогда (Uвх - Uнг – IнгRсх)tи = (Uнг+ IнгRсх)tп, откуда Uнг/Uвх = γ – IнгRсх/Uвх, где Rсх – активное сопротивление элементов схемы, по которым течет ток нагрузки. В данной схеме Rсх равно активному сопротивлению обмотки дросселя, т.е. Rсх = RL. Эти характеристики показаны на рис. 13 штриховыми линиями в области 2. Выходное сопротивление ОППH I Rвых=-δUн/ δIн= Rсх. 9