Курсовая работа (т): Расчет электронного трансформатора

Статические потери на ключах инвертора, выполненного на биполярных транзисторах, складываются из мощности потерь при открытом и закрытом состояниях транзистора и определяются по выражению:

Где, ΔU_VT = 0,5 В - прямое падение напряжения на транзисторе 2Т847Б по вольт-амперной характеристике;

b = 0,46 - коэффициент, зависящий от глубины модуляции и угла сдвига между напряжением и током;

μ = 1 - глубина модуляции;

ϕ = 30° - угол сдвига между напряжением и током;_VTдиф = 0,4 Ом - дифференциальное сопротивление транзистора 2Т847Б по вольтамперной характеристике.

Потери в транзисторе, находящемся в закрытом состоянии, много меньше и ими можно пренебречь. Мощность динамических потерь в транзисторе без учета формирования пауз на переключение достигает значительных величин, и при линейной аппроксимации траектории переключения (рис. 7) определяется выражением:

Где,  - наибольшее рабочее напряжение на входе инвертора;_м = 10 ^{-4 c} - период частоты преобразования.

Статические потери в обратных диодах инвертора, работающего на активно-индуктивную нагрузку, определяются аналогично потерям в транзисторах:

где ΔUVD = 1В - прямое падение напряжения на диоде (с учетом вольтамперной характеристики);

а = 0,19 - коэффициент, зависящий от глубины модуляции и угла сдвига между напряжением и током;

μ = 1 - глубина модуляции;

ϕ = 30° - угол сдвига между напряжением и током;_VDдиф = 0,3Ом - дифференциальное сопротивление диода (с учетом вольтамперной характеристики).

Динамические потери в диоде:

где Q_VD - заряд восстановления диода, примем равным 10^-6 Кл (ТУ диодов 2Д2990А).

Суммарные потери в ключе:

Р_п = Р_VTст + Р_{VT дин} + Р_VDст + Р_VDдин = 0,08 + 41,25 + 0,065 + 0,55 = 41,945 Вт.

Формирование траектории переключения транзистора, приведенной на рис. 8, позволяет значительно уменьшить коммутационные потери мощности и повысить надежность работы инвертора.

Рисунок 8 - Временная зависимость тока и напряжения ключей инвертора с использованием цепи формирования траектории переключения транзисторов

Уменьшение динамических потерь в транзисторе при включении достигается путем последовательного включения в коллекторную цепь индуктивности, шунтированной обратным диодом с последовательно включенным мощным стабилитроном, ускоряющим процесс вывода энергии из индуктивности.

Минимум потерь при включении достигается при выполнении условия:

Выбираем дроссель Д13-1 с параметрами:= 0,315 мГн; I_п = 0,5 А; f_гр = 100 кГц; R = 0,45 Ом, диод 2Д245А с параметрами: U_обр = 400 В; I_п = 10 А; f_гр = 200 кГц; стабилитрон Д815А с параметрами: Ucт = 5,6 В;_{ст max} = 1,4 А; Р = 5 Вт.

Расчетная мощность стабилитрона определяется энергией, накопленной во вспомогательной индуктивности, рассчитывается по выражению:

Для уменьшения динамических потерь в транзисторе при его выключении и защиты его от перенапряжений используют RCD-цепь. Суммарные потери в транзисторе и RCD-цепи зависят от величины емкости конденсатора. При отношении времени заряда конденсатора до напряжения источника питания ко времени выключения транзистора, равном 2 3, наблюдается минимум динамических потерь, и величина емкости конденсатора определяется из соотношения:

Выбираем конденсатор К78-2 с емкостью С = 5,6 нФ и U_Сном = 1000 В.

Диод, включенный последовательно с конденсатором, выбирается из условий максимального импульсного зарядного тока конденсатора, который равен коллекторному току транзистора, и обратного напряжения, прикладываемого к диоду, равного напряжению источника питания. Выбираем диод 2Д230Б, имеющий характеристики: Uобр max = 600 В; I имп = 60А; t восст = 0,5 мкс. Сопротивление зарядного резистора выбирается из условия ограничения тока заряда конденсаторов RCD-цепей на уровне максимально допустимого импульсного коллекторного тока транзистора при коммутации ключей стойки инвертора, работающей на повышенной частоте в режиме х.х. при максимальном напряжении питающей сети. Однако в данной схеме этот ток ограничивается индуктивностью, установленной последовательно с транзистором, на уровне тока нагрузки, следовательно, зарядный резистор не нужен.

Разряд конденсатора RCD-цепи осуществляется при открытом транзисторе, относительная длительность включенного состояния которого определяется как . При многократной модуляции с широтно-импульсным регулированием по синусоидальному закону относительная длительность открытого состояния ключей высокочастотной стойки инвертора изменяется в диапазоне от 0 до 1. При γ, изменяющейся в диапазоне от 0 до 0,5, времени для разряда конденсатора может быть недостаточно, но и ток, протекающий через транзистор, меньше, чем 0,5 Iнmax, так как cos φ = 0,87, т.е. близок к единице, и перенапряжение на транзисторе в этом случае невелико (меньше напряжения питающей сети) и определяется по выражению:

Конденсатор RCD-цепи в этом случае дозаряжается до напряжения источника питания.

Сопротивление разрядного резистора определяется выражением:

Расчетная мощность разрядного резистора:

Выбираем резистор ОМЛТ-2 - 1,8 кОм.

Динамические потери в транзисторах с цепями формирования траектории рабочей точки находим из выражения

Где  отношение времени заряда конденсатора к времени выключения транзистора (времени нарастания тока в дросселе к времени включения транзистора). Мощность потерь по цепи управления транзистора незначительна, и ею можно пренебречь. Суммарные потери в ключе с формированием траектории переключения:

Р_п = Р_VTст + Р_{VT дин} + Р_VDст + Р_VDдин + P_p + P_стаб = 0,08 + 0,55 + 0,065 + 0,55 + 1,6 + 0,105 = 2,95 Вт.

Динамические потери в транзисторах второй стойки инвертора, ключи которой работают на частоте выходного напряжения, незначительны и близки к нулю. Однако в целях унификации (чтобы не разделять стойки инвертора на низкочастотную и высокочастотную, и они были бы взаимозаменяемыми) устанавливаем на охладители (радиаторы) все четыре транзистора. Максимальный КПД инвертора, выполненного на биполярных транзисторах, определяется выражением:

Потерями в ключах низкочастотной стойки пренебрегли, так как они несоизмеримо малы по сравнению с потерями в ключах, работающих на повышенной частоте.

4.      Расчет трансформатора

Для расчета трансформатора должны быть определены напряжения и токи обмоток, причем коэффициент трансформации определяется из условия минимального напряжения на первичной обмотке, чтобы обеспечить на нагрузке необходимое (заданное) напряжение.

Минимальное значение эффективного напряжения на первичной обмотке трансформатора:

где 0,99 - коэффициент, учитывающий падение напряжения на активном сопротивлении обмотки.

Коэффициент трансформации находится по соотношению:

Наибольшее значение тока в первичной обмотке:

Где - КПД трансформатора принимаем равным 0,98.

По известным токам и напряжениям обмоток и габаритной мощности трансформатора выбирается сердечник и определяются параметры обмоток, при этом число витков первичной обмотки рассчитывается исходя из наибольшего напряжения, прикладываемого к ней, чтобы исключить режим насыщения сердечника трансформатора.

где S₀- площадь окна сердечника магнитопровода [см²];_c - поперечное сечение сердечника [см²];

габаритная мощность двухобмоточного трансформатора;

к_ф - коэффициент формы напряжения (для синусоидального сигнала- 1,11);

к_с - коэффициент заполнения сердечника сталью (для высокочастотных трансформаторов, выполненных на сердечниках из электротехнических сталей Э310 (3411)÷ Э360 (3423) в пределах - 0,65÷ 0,93, принимаем k = 0,9 сталь Э350 (3422) с толщиной ленты 0,05 мм;

δ - плотность тока в обмотках трансформатора (зависит от материала провода, количества витков в обмотках и т.д.) определяет тепловой режим трансформатора и для высокочастотных маловитковых трансформаторов выбирается в диапазоне от 3 А/мм² до 5 А/мм², примем δ = 4 А/мм²;

σ - коэффициент заполнения окна сердечника медью (для проводов круглого сечения в пределах от 0,2 до 0,35), примем σ = 0,25;

В_м - индукция в магнитопроводе (зависит от материала сердечника, частоты и режима работы трансформатора). Для высокочастотных трансформаторов, выполненных на сердечниках из электротехнических сталей Э310÷ Э360, индукция выбирается в пределах 1,6÷ 1,88 Тл, примем В_м = 1,7 Тл.

Выбираем сердечник ШЛ 10х10 из стандартного ряда магнитопроводов ШЛ, имеющий ,.

Рисунок 8 - Конструкция магнитопровода стержневого типа (ШЛ)

Таблица

Число витков на один вольт ЭДС в обмотках трансформатора:

Число витков в первичной обмотке:

принимаем

Во вторичной - W₂ = 24× 0,294 = 7 витков.

Диаметры проводов обмоток:

принимаем провод марки ПЭВ-1 с диаметром провода с изоляцией 0,35 мм.

5.      Выбор и расчет выходного выпрямителя и фильтра

В качестве выходного выпрямителя возьмем однофазный мостовой выпрямитель.

Рисунок 9 - Выходной выпрямитель и фильтр

Наименьшее значение напряжения на выходе фильтра

Наибольшее значение напряжения на выходе фильтра

Определяем ток протекающий по диодам выпрямителя

Среднее значение тока диодов входного выпрямителя

Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к диодам выпрямителя:

Выбираем диоды выпрямителя 2ДШ112-32Х с параметрами: U_обр.max = 40 В; I_VD = 32 А; f_max = 200 кГц.

Так как жестких требований к качеству напряжения на выходе входного фильтра нет, и величина пульсаций в нем зачастую определяется допустимой амплитудой переменной составляющей напряжения конденсатора, зададимся значением К′_П = 0,05, удовлетворяющим большинству используемых конденсаторов. Учитывая, что коэффициент пульсаций на выходе однофазного мостового выпрямителя К_П = 0,67, определим коэффициент сглаживания фильтра как

Расчет электрических параметров элементов однозвенного LC-фильтра ведется по выражениям: а) определяется произведение LC

б) из условия непрерывности тока в дросселе находится его критическая индуктивность

выбираем два двухобмоточных дросселя Д264-0,08-1,6, соединенных параллельно. Обмотки дросселя соединяем последовательно. Общая индуктивность равна L_др=0,04 Гн, а допустимый ток подмагничивания 3,2 А;

с) далее после выбора дросселя определяется величина емкости конденсатора

Устанавливаем два конденсатора К50-29-470 мкФ - 63 В, и соединенные параллельно, с суммарной емкостью 940 мкФ;

д) производится проверка фильтра на отсутствие резонансных явлений, при этом должно быть соблюдено условие:

Проверка фильтра показала, что резонансные явления в нем отсутствуют, следовательно, фильтр работает нормально.

6.      Разработка системы управления силового инвертора

Под системой управления и защиты преобразовательного устройства понимают совокупность узлов и элементов, обеспечивающих формирование управляющих сигналов с заданными параметрами и по заданному алгоритму управления состоянием силовых ключей преобразовательного устройства, а также производящих автоматические переключения силовых цепей при возникновении аварийных режимов.