Автор работы: Пользователь скрыл имя, 05 Ноября 2013 в 23:54, курсовая работа
Радиоэлектронная аппаратура и приборы автоматики предъявляют весьма жесткие требования к качеству потребляемой энергии, а в ряде случаев требуют обязательного преобразования энергии первичного источника.
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 системами.
транзистора (VТ1 и VТ2), подключающих концы первичной обмотки выходного трансформатора Тр к одному выводу источника питания, другой вывод которого соединен с отводом от средней точки указанной первичной обмотки.
При поочередной через полпериода коммутации транзисторов VТ1 и VТ2 напряжение источника питания Uп прикладывается попеременно то к одной, то к другой половине первичной обмотки (w1 и w1') трансформатора Тр, создавая в его сердечнике переменный магнитный поток, который наводит во вторичной обмотке w2 переменное напряжение прямоугольной формы.
При необходимости гальванического разделения входной и выходной цепей или для изменения соотношения между напряжениями этих цепей в схемах на рисунке 2.2, а-г нагрузка Zн может быть подключена через выходной трансформатор с одной первичной обмоткой.
На рисунке 1.2, е показана мостовая схема с выходным трансформатором, первичная обмотка которого разделена на две половины (w1 и w1'), каждая из которых подключается через пару транзисторов (в один полупериод открыты VТ1 и VТ2, а в другой VТ3 и VТ4).
Благодаря такому исполнению индуктивность рассеяния обмотки w1 (w1’) ограничивает сквозной ток, возникающий вследствие запаздывания выключения транзисторов. Таким же свойством обладает инвертор на двух транзисторах (рисунок 2.2, ж), в котором энергию индуктивности рассеяния принимает конденсатор С относительно большой емкости.
Транзисторы во всех рассмотренных схемах шунтированы встречно
включенными диодами, благодаря чему при активно-индуктивной нагрузке обеспечивается беспрепятственный возврат тока нагрузки в источник питания в течение начальной части каждого полупериода. Если источник питания имеет большое внутреннее сопротивление или является выпрямителем, не содержащим фильтра, то к входным выводам инвертора должен быть подсоединен входной конденсатор Свх (штриховые линии на рисунке 1.2), принимающий переменную составляющую потребляемого тока.
Из рассмотренных
схем для реализации
Рисунок 2.2 – Схемы инверторных ячеек
Итак, в качестве АИН выбираем инвертор со средней точкой, у которого каждое из плеч состоит из трех ключей, подключенных к соответствующим выводам трансформатора. Коммутироваться будет первичная обмотка трансформатора. Нагрузка является активно– индуктивной. Следовательно, в индуктивности будет накапливаться энергия в процессе протекания через неё тока. Для возвращения этой энергии в источник питания включим параллельно ключам возвратные диоды. В качестве ключей используем транзисторы, так как выходная частота преобразователя f=12 кГц. Таким образом, получаем принципиальную схему преобразователя, которая приведена в приложении А.
2.3 Работа схемы
Рассмотрим работу схемы нашего инвертора. Инвертор формирует напряжение близкое к синусоиде. Во вторичной обмотке при поочередной коммутации транзисторов формируется ступенчатое напряжение (рисунок 1.1). При формировании 1-й ступеньки (30 эл. градусов, 26,2 В) работают транзисторы VT1 и VT6, при формировании 2-й ступеньки (30 эл. градусов, 68,62 В) работают транзисторы VT2 и VT5, при формировании 3-й ступеньки (30 эл. градусов, 84,85 В) работают транзисторы VT3 и VT4 в первую половину периода.
В течение начальной части каждого полупериода в источник питания обеспечивается возврат тока нагрузки благодаря диодам.
Временные диаграммы работы схемы приведены на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3 - Временные диаграммы работы схемы
3 РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ
3.1 Выбор элементов
Рассчитаем коэффициенты трансформации для инверторных ячеек. При формировании первой ступени ( =26,2 В) включен транзистор VT1, то есть коэффициент трансформации равен
При формировании второй и третьей ступеней
Рассчитаем сопротивление нагрузки .
где - индуктивное сопротивление, - активное сопротивление.
Для нахождения и решим систему уравнений:
Получаем
Ом, Ом.
Максимальное (амплитудное) значение тока нагрузки
Предельное значение коллекторного тока транзисторов определим по формуле:
. (3.1)
Получаем:
В.
Поскольку транзисторы VT3 и VT4 работают в самом “трудном” режиме по току (ток коллектора А у них самый большой), то выберем тип транзистора для всех одинаковый, ориентируясь на условия работы транзисторов VT3 и VT4.
Итак, нам требуется транзистор со следующими параметрами:
А, В, Гц.
По справочнику /6/ выбираем транзистор n-p-n структуры 2Т945А.
Его параметры:
= 15 А, = 200 В, Вт, β=10..60, Тк.макс=-70..+125°С, m=20 г.
Так как прямой ток, протекающий через диоды меньше или равен максимальному коллекторному току транзистора, выберем по справочнику /7/ диод 2Д2990А. Его параметры:
А, В, кГц, нс, m=8 г.
Найдем параметры системы управления. Максимальный ток системы управления
где N –степень насыщения, N =1,5,
- минимальный коэффициент передачи транзистора по току.
Получаем
3.2 Электрический расчёт трансформатора
Так как трансформатор со средней точкой, то достаточно произвести расчет одной половины первичной обмотки, учитывая, однако, что она секционирована.
Так как трансформатор имеет в первичной обмотке среднюю точку, то габаритную мощность можно определить по формуле:
Теперь выберем марку и тип магнитопровода для нашего трансформатора.
В связи с достаточно высокой частотой электротехнически старые сплавы не подходят. Ферриты нельзя использовать из-за широкой петли гистерезиса
и малого импульса насыщения. Диэлектрики – из-за низкой магнитной проницаемости. Следовательно, подходит только стальной трансформатор.
Исходя из мощности и с учётом требования минимума массы и габаритов, можно выбрать следующие материалы: 45Н, 50Н, 50НП, 34НКМП, 40НКС. Они обладают высокой индукцией насыщения Тл, у них узкая петля гистерезиса и выпускаются в виде тонких лент.
В справочнике /4/ рекомендуемым материалом в данном частотном диапазоне является низконикелевый пермаллой 34НКМП, обладающий самой
узкой петлёй гистерезиса.
Таким образом, выбираем ленточный кольцевой магнитопровод. Материал 34НКМП ( Тл, , ).
Выберем толщину ленты (при меньших размерах наблюдается эффект вязкости, а при больших – потери).
Зададимся коэффициентами магнитопровода, использования окна и формы:
(для симметричной прямоугольной формы).
Зададимся рабочей индукцией магнитопровода :
Тл.
Рекомендуемые плотность тока и КПД для ВА и частоты
кГц - А/мм2 и /5/.
Определим произведение сечения окна на сечение магнитопровода.
см4. (3.4)
Магнитопровода
с такими параметрами в стандартном
ряде нет. Возьмем из справочника /4/
стандартный магнитопровод
Определим число витков во вторичной обмотке.
витков.
Число витков в первичной обмотке для первой инверторной ячейки:
витков.
Число витков в первичной обмотке для второй инверторной ячейки:
виток.
Число витков в первичной обмотке для третьей инверторной ячейки:
виток.
Определим действующие значения токов, протекающих в обмотках.
Во вторичной обмотке = 10 А
Токи, протекающие
в инверторных ячейках первично
Сечение проводов во вторичной обмотке:
мм2.
Токи, протекающие во второй и третьей ячейках первичной обмотки, примерно одинаковы, поэтому намотаем эту обмотку ( =51 виток) одним проводом, рассчитанным на ток Тогда сечение проводов этой обмотки равно:
мм2.
Сечение проводов в первой ячейке первичной обмотки:
мм2,
Для и по справочнику /5/ выбираем стандартные обмоточные провода с изоляцией ПЭВ-2:
мм2,
Вторичная обмотка ( ) и обмотка будут содержать 2 провода с
Для первой ячейки первичной обмотки выберем обмоточный провод с изоляцией ПЭВ-2 со следующими параметрами:
мм2,
Обмотка будет содержать 2 провода с
3.3 Конструктивный расчёт трансформатора
Выбираем ПЭТФ-20 для межвитковой изоляции (толщина ленты =20 мкм).
Вырезаем ленту шириной 5-7 мм и проводим обмотку с полуторным внутренним перекрытием в 2 слоя.
Сделаем расчёт укладки обмотки в слое:
Число слоёв в обмотке составит:
витков.
А нам достаточно 16 витков, следовательно, укладку можно провести в один слой. Производим изоляцию фторопластовым проводом с 0,5-ным перекрытием.
Определим длину среднего витка обмотки и длину проводов в обмотке:
Внутренний диаметр кольца трансформатора после намотки обмотки и изоляции:
Активное сопротивление проводов обмотки :
Проведём расчёты для обмотки .
Число слоёв в обмотке составит:
витков.
Нам достаточно 51 витка, следовательно, укладку проводим в один слой. Определим длину среднего витка обмотки и длину проводов в
обмотке:
Внутренний диаметр кольца трансформатора после намотки обмотки и изоляции:
Активное сопротивление проводов обмотки :
Для вторичной обмотки :
Число слоёв в обмотке составит:
витков.
Укладку можно провести в один слой, так как у нас 59 витков.
Определим длину среднего витка обмотки и длину проводов в обмотке:
Внутренний диаметр кольца трансформатора после намотки обмотки и изоляции:
Активное сопротивление проводов обмотки :
Найдём внешний диаметр трансформатора после намотки всех обмоток:
3.4 Расчет КПД схемы
КПД схемы определим по следующей формуле:
, (3.6)
где - мощность нагрузки,
- мощность потерь в трансформаторе,
- мощность потерь в транзисторах;
- мощность потерь в диодах.
Найдём сначала
мощность потерь в
,
где - мощность потерь транзистора в режиме отсечки,
-мощность потерь транзистора в режиме насыщения,
- мощность потерь транзистора при переключении, когда он проходит область нормального активного режима.
Мощность потерь в режиме отсечки очень мала, поэтому пренебрегаем ею.
Мощность потерь транзистора в режиме насыщения:
где - мощность потерь в коллекторной цепи,
-мощность потерь в базовой цепи,
-время нахождения транзистора в режиме насыщения (время импульса),
-коллекторный ток транзистора в режиме насыщения,