Контрольная работа: Источники вторичного электропитания

Источники вторичного электропитания

Введение

высоковольтный транзистор электропитание трансформатор

Построение по традиционной схеме источника вторичного электропитания (ИВЭП), содержащие трансформатор, вентили, преобразующие переменный ток в пульсирующий, фильтр и стабилизатор относятся к классу линейных ИВЭП. Они просты в исполнении, обладают хорошими показателями качества выходного напряжения, низким уровнем электромагнитного излучения. Однако они имеют невысокий КПД, рассеивают большую мощность и имеют низкие массогабаритные показатели. Большие габариты таких ИВЭП обусловлены тем, что питающее напряжение имеет низкою частоту - 50 Гц. Это приводит к необходимости применения трансформатора с большим сечением магнитопровода и использование крупногабаритных конденсаторов большой емкости для фильтрации низких частот.

Важным шагом на пути решения проблемы миниатюризации ИВЭП, повышения КПД явилось создание ключевых источников вторичного электропитания, активные элементы которых работают не в линейном, а ключевом режиме. Основу таких ИВЭП составляет ключевой преобразователь напряжения (КПН), который генерирует последовательность прямоугольных импульсов, следующих с высокой частотой.

Использование КПН создает принципиальную возможность осуществлять стабилизацию выходного напряжения и его регулирование в широких пределах. Действительно, для последовательности прямоугольных импульсов длительностью t_и, с периодом следования Т и амплитудой U_m ряд Фурье будет

 .

Среднее значение напряжения определяется соотношением

U₀=U_mt_и/T

Из выражения (1.1) следует, что среднее значение напряжения последовательности прямоугольных импульсов зависит от отношения t_и/T и его можно регулировать в пределах 0£U₀£U_m путем изменения длительности импульсов t_и и периода следования Т.

Существуют три способа регулирования: широтно-импульсный метод (t_и-var, T-const), частотно-импульсный (t_и-const, T-var), и времяимпульсный (t_и-var, T-var).

Наибольшее распространение в ключевых ИВЭП получил широтно-импульсный метод (ШИМ) регулирования и стабилизации напряжения или тока.

Ключевые ИВЭП позволили перейти от преобразования электроэнергии на стандартных низких частотах (50 или 400 Гц) к преобразованию на частотах в десятки и сотни килогерц при формировании прямоугольных импульсов напряжения или тока.

Рис.

Использование высоких частот наряду с преимуществами электронного способа регулирования ключевого режима дало возможность значительно уменьшить объемы используемых трансформаторов и сглаживающих фильтров и тем самым существенно улучшить массогабаритные показатели таких ИВЭП. Появление мощных высоковольтных транзисторов и материалов с малыми потерями для магнитопроводов высокочастотных трансформаторов открыло возможность создания ключевых ИВЭП с бестрансформаторным входам (БТВ). Силовая часть таких устройств работает от выпрямителя, подключенного непосредственно к питающей сети. Эти устройства по удельной мощности, определяемой отношением выходной мощности к массе или объему ИВЭП, значительно превосходят лучшие образцы, выполненные на основе линейных ИВЭП. Например, при выходной мощности около 100 Вт ключевые ИВЭП с БТВ могут иметь удельную мощность до 200 Вт/дм³, а при использовании интегральных компонентов и больше, в то время как этот показатель для устройств, построенных на базе линейных ИВЭП, составляют 10…20 Вт/дм³.

Обобщенная структурная схема ИВЭП с БТВ (рис. 1.1) включает в себя сетевой выпрямитель с фильтром (СВ), ключевой преобразователь напряжения (КПН) и систему управления (СУ), основу которой обычно составляет широтно-импульсный модулятор (ШИМ). Сетевой модулятор в сочетании с фильтром на пассивных элементах осуществляет преобразование напряжения промышленной частоты u₁ в выпрямляемое напряжение U_н. В КПН напряжение U_н с помощью инвертора, имеющего трансформаторный выход, и и высокочастотного выпрямителя (ВЧ) преобразуется в последовательность однополярных прямоугольных импульсов амплитудой U_m, постоянная составляющая которых U₀ выделяется в нагрузке I,C-фильтром нижних частот (ФНЧ).

В системе управления производится сравнение выходного напряжения U_R с заданным опорным напряжением, усиление разностного сигнала ошибки и формирование сигнала управления инвертором u_упр, представляющего собой последовательность широтно-модулированных импульсов и позволяющего в зависимости от вида опорного сигнала либо поддерживать выходное напряжение U_R неизменным, либо регулировать его по требуемому закону. Питание СУ обычно осуществляется вспомогательным выпрямителем. ИВЭП включает в себя устройства электронной защиты, а также различные средства обеспечения электромагнитной совместимости.

Энергетические параметры импульсного ИВЭП определяет ключевой преобразователь напряжения, который включает в себя инвертор и высокочастотный выпрямитель с фильтром. Инвертор - это устройство, предназначенное для преобразования постоянного тока в переменный.

В КПН в основном используется инверторы на транзисторах, так как это обеспечивает возможность стабилизировать и регулировать выходное напряжение. По принципу передачи энергии в нагрузочную цепь КПН делятся на преобразователи прямого и обратного хода. В преобразователях прямого хода передача энергии в нагрузку происходит при замкнутом электроном ключе, а в преобразователях обратного хода - при разомкнутом. Кроме того, КПН делятся на однотактные и двухтактные преобразователи. Однотактные преобразователи содержат один или несколько синхронно работающих ключей. Двухтактные КПН содержат два канала преобразования, сигналы управления которых сдвинут во времени на половину периода их следования.

В данном курсовом проекте разрабатывается однотактный КПН прямого хода, осуществляющий импульсную стабилизацию тока заряда аккумуляторной батареи, с параметрами, указанными в техническом задании.

1. Анализ технического задания

Целью анализа технического задания является выяснение моментов технического задания, без которых дальнейшее проектирование является невозможным. При анализе заданного технического задания необходимо выполнить следующие моменты:

) Минимальное напряжение аккумуляторной батареи U_АБmin и напряжение отключения аккумуляторной батареи U_АБоткл;

) Заданную схему преобразовательной ячейки и принцип ее работы. Напряжение отключения аккумуляторной батареи следует принять равным постоянному выходному напряжению, то есть U_АБоткл=U_вых=48 В. так как для аккумуляторов типа FG не допускается разряд аккумулятора до напряжения ниже 0,85 U_ном (лит. [1]), то минимальное напряжение аккумуляторной батареи следует принять равным U_Абmin=0.85 × U_Аботкл=0,85 × 48=40,8 В.

Схема заданной однотактный прямоходовой ячейки без размагничивающей обмотки трансформатора и ее работа описаны в в лит. [2].

Принципиальная схема такого КПН представлена на рис 2.1. Собственно инвертор включает в себя транзистор VT₁ и трансформатор TV, вторичная обмотка которого подключена к высокочастотному выпрямителю, состоящему из диодов VD₁, VD₂ и LC-фильтра. Трансформатор обеспечивает гальваническую развязку источника питающего напряжения U_Н с нагрузкой R_Н, позволяет получить заданное значение выходного напряжения U_R при соответствующем коэффициенте трансформации n₂₁=w₂/w₁, а также играет роль накопительного элемента.

КПН в своем составе содержит нелинейные элементы. Это прежде всего трансформатор, кривая намагничивания которого имеет петлю гистерезиса и участок насыщения. При анализе процессов в КПН в первом приближении нелинейность трансформатора не учитывается, если рабочая точка на кривой намагничивания не выходит на участок насыщения. Также не учитывается активное сопротивление дросселя L и сопротивления потерь конденсатора С. Естественно, что такие допущения приводят к некоторому снижению точности результатов анализа. Однако, как показывает опыт практической работы, это снижение точности не существенно.

Рассмотрим установившийся режим работы и положим, что напряжение U_н, длительность управляющих импульсов t_и, подаваемых на вход транзистора VT₁, и период их следования Т постоянные (рис. 2.2). До момента времени t₀ за счет процессов ,протекавших в схеме в предшествующие моменты времени конденсатор С заряжен до напряжения U_R, а в дросселе L накоплена энергия W_L=Li_L²/2. В результате в цепи дроссель L, нагрузка R_Н, открытый диод VD₂ протекает ток i_L, который в момент времени t₀ равен I_Lmin. При подаче управляющего импульса в момент времени t₀ открывает транзистор VT₁, коллекторное напряжение резко уменьшается до U_{КЭ нас} и к первичной обмотке трансформатора прикладывается постоянное напряжение U₁=U_П-U_{КЭ нас} » U_П. Во вторичной обмотке также индуцируется постоянное напряжение U₂=n₂₁U_н, где n₂₁- коэффициент трансформации.

При этом к диоду VD₁ прикладывается прямое напряжение и он открывается, а диод VD₂ закрывается. В результате во вторичной обмотке ток скачком возрастает до I_Lmin, что вызывает также скачкообразное увеличение тока первичной обмотке и коллекторного тока транзистора i_k=I_Lmin/n₂₁. В дальнейшем ток во вторичной обмотке будет увеличиваться по линейному закону, поскольку к дросселю прикладывается практически постоянное напряжение U_L=U₂-U_R=n₂₁U_Н-U₀, где U₀ - среднее значение выпрямленного напряжения. Коллекторный ток также будет увеличиваться практически по линейному закону за счет роста тока вторичной обмотки и тока подмагничивания i_m трансформатора , где L_m - индуктивность намагничивания трансформатора. К моменту окончания управляющего импульса t₁ ток i_L протекающий через дроссель, увеличивается до I_Lmax.

В момент времени t₁ транзистор VT₁ закрывается и обрывается ток первичной обмотки. В результате за счет энергии, накопленной в трансформаторе, напряжение на его обмотках изменяется полярностью на обратную (полярность напряжения, соответствующая моменту запирания транзистора, на рис. 3.1 указана в скобках). Это приводит к появлению всплеска коллекторного напряжения транзистора. Амплитуда всплеска зависит от параметров трансформатора и, как правило, имеет значительную величину, а форма всплеска может быть апериодической или колебательной. При закрывании транзистора VT₁ ток через дроссель начинает уменьшаться и напряжение на нем меняет свою полярность. В результате диод VD₂ открывается, поскольку к нему прикладывается прямое напряжение, а диод VD₁ закрывается. В дальнейшем в паузе между управляющими импульсами в схеме протекает уменьшающийся по времени ток i_L по цепи дроссель L - нагрузка R_н - открытый диод VD₂. При этом напряжении на дросселе L остается практически постоянным U_L=U_R-U_VD2»U₀, где U_VD2 - падение напряжения на открытом диоде VD₂.

В момент времени t₂ когда пауза заканчивается, ток i_L уменьшается до I_Lmin. В дальнейшем при подаче следующего управляющего импульса процессы в схеме повторяются.

Как следует из приведенных временных диаграмм, ток i_L за время действия управляющего импульса нарастает на величину DI_L, а в паузе между импульсами уменьшается на такую же величину. Причем изменение тока происходит по линейному закону поскольку напряжение на дросселе практически постоянное. Изменение тока DI_L можно рассчитать следующим образом. В паузе между управляющими импульсами напряжение на дросселе в соответствии с выражением (2.1) равно U_L=U₀ следовательно,

D.

Среднее значение тока I_Lср протекающего через дроссель, равно среднему значению тока нагрузки I₀ I_Lср=I₀=U₀/R_н.

Отсюда

;  (2.3)

Временная диаграмма напряжения на нагрузке U_R может быть построена с использованием диаграммы тока i_L, протекающего через дроссель L. Когда ток i_L превышает уровень I_Lср то происходит подзарядка конденсатора С и напряжение U_R повышается. При i_L<I_Lср имеет место разрядка конденсатора и связанное с ней уменьшение выходного напряжения. Как следует из рис. 2.2, до зарядка конденсатора С и соответствующее увеличение выходного напряжения происходит в течении второй половины длительности управляющих импульсов и первой половины паузы. Соответственно разрядка конденсатора С и спад выходного напряжения имеют место в течении второй половины длительности импульса и первой половины длительности паузы. Таким образом, за период Т выходное напряжение изменяется на величину DU_R, которую можно рассчитать следующим образом. В интервале времени t…t₁ равном t_и/2 ток i_C, идущий на зарядку конденсатора С, определяется соотношением i_C=DI_Lt/t_и, а в интервале t₁…t» который равен t_и/2, i_C=DI_L(1-2t/t_И)/2. Следовательно,

.

После подстановки в это выражение значения DI_L из (2.2) получим

Соотношение (2.4) позволяет определить коэффициент пульсаций

Полученное выражение даст возможность рассчитать параметры фильтра LC при заданных значениях к_п, f, t_п и выполнении условия 1/(2pfC)<<R_н.

На рис 12,24 приведены диаграммы токов и напряжений в схеме КПН для случая, когда ток i_L в паузе не спадает до нуля. Такой режим работы называется режимом непрерывного тока. Возможен и другой режим работы КПН, когда ток i_L спадает до нуля до окончания паузы - режим прерывистого тока. В первом случае I_Lmin>0, а втором случае I_Lmin=0. Используя соотношение (2.3), можно определить условие работы схемы в том или ином режиме. Если 1/R_н > t_и/(2L), то имеет место режим непрерывного тока, а если 1/R_н < t_и/(2L), то КПН работает в режиме прерывистого тока. При одинаковых значениях напряжения питания U_н и нагрузки R_н максимальное значение тока I_Lmax для режима прерывистого тока больше, чем для режима непрерывного тока. Следовательно, установленные мощности транзистора VT₁ и диодов VD₁, VD₂ будет больше, если схема работает в режиме прерывистого тока. Кроме этого, в режиме прерывистого тока увеличивается пульсации выходного напряжения. Учитывая эти факторы, целесообразно обеспечить работу схемы в режиме непрерывного тока. При дальнейшем проектировании силовой части ИВЭП и устройства управления для него следует учесть выше описанные процессы.

Процессы в понижающем преобразователе в режиме непрерывного тока дросселя

Рис. 2.2.

Рис.

2. Разработка структурной схемы

ДТ - датчик тока; СУ - согласующее устройство; ДН - датчик напряжения АБ;

S - сумирующий усилитель; ИОН - источник опорного напряжения; УР - усилитель разности сигнала; ШМ - широкоимпульсный модулятор; & - логический элемент «И»; К - аналоговый компаратор напряжений; VT - силовой транзистор. (рис. 3.1)

Разработка структурной схемы устройства управления силовым инвертором.

Структурная схема устройства управления силовым инвертором, составленная по материалам, изложенным в лит. [3], изображена на рис. 3.1.

Необходимый уровень тока нагрузки задается с помощью источника опорного напряжения (ИОН). В качестве ИОН обычно используется источник высокостабильного напряжения с выходным потенциометрическим делителем напряжения.

Уровень напряжения, пропорциональный току нагрузки, снимается с датчика тока (ДТ) и поступает на согласующее устройство (СУ), которое сопряжет ДТ с остальной частью устройства управления. В качестве датчика тока обычно используется токоизмерительный шунт, на котором при номинальном значении тока падает напряжение 75 мВ.