Проект по Преобразувателна техника

22
1 гр.Варна Факултет по Електроника Катедра „ЕТМ” Дисциплина : Преобразувателна техника КУРСОВ ПРОЕКТ Разработил: Иво Христов Малаков, IV курс, IV поток, I група, Фак. №: 045217

Upload: jordan-kulev

Post on 28-Jul-2015

128 views

Category:

Documents


6 download

TRANSCRIPT

Page 1: Проект по Преобразувателна техника

1

гр.Варна

Факултет по Електроника

Катедра „ЕТМ”

Дисциплина: Преобразувателна техника

КУРСОВ ПРОЕКТ

Разработил: Иво Христов Малаков, IV курс, IV поток, I група,

Фак. : 045217

Проверил: доц. Вълчев………………………………..........................

/подпис/

гр. Варна

Дата: 23.12.2007

Page 2: Проект по Преобразувателна техника

2

ОБЩИ СВЕДЕНИЯ ЗА ПРАВИЯ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛ:

Еднотактният прав трансформаторен преобразувател се използва за по-малки мощности в сравнение с мощностите на мостовата и полумостовата схема.Десйствието е показано на времедиаграмите по-долу, а схемата включва трансформатор с две секции на първичната намотка:

Броят на на навивките на двете секции на първичната намотка и на вторичната намотка са означени съответно със n1, n2 и n3. В схемата диодът D3 изпълнява функцията на обратен диод.

Page 3: Проект по Преобразувателна техника

3

Има три времеви интервала, характеризиращи работата на схемата:

1. Интервал, през който е отпушен транзисторът T

През интервала δT е отпушен транзисторът Т и цялото входно напрежение се прилага върху първичната намотка на трансформатора. Входния ток тече през първата секция на първичната намотка. Диодът D2 e отпушен, а диодите D1 и D3 са запушени. През този времеинтервал се прехвърля енергия от входния източник към изхода на преобразувателя. Намагнитващият ток на трасформатора iµ нараства с наклон Uin/Lµ, където Lµ е стойността на намагнитващата индуктивност на трансформатора.

2. Интервал на рекуперация

Вторият интервал е с продължителност δT1 и започва когато се запуши транзисторът Т. Намагнитващият ток iµ е положителен и трябва да продължи да тече. Тъй като Т е запушен, iµ се затваря през диода D1 (който се отпушва) и втората секция на първичната намотака. Стойността на тока през втората секция на първичната намотка iµ2 се получава при използване на закона за запазване на потокосцеплението: , от където се плучава израза

. На първичната намотка се прилага напрежение , а

намагнитващият ток започва да намалява с наклон .

Отностно отношението обикновено най-удачен е изборът n1 = n2.

През този времеинтервал протичащият ток през втората секция на първичната намотка (рекуперираща намотка) води до връщане на енергия към захранващия източник. През времеинтервала дидът D2 е запушен, тъй като приложеното напрежение върху вторичната намотка е вече с обратен поляритет, спрямо предишния

Page 4: Проект по Преобразувателна техника

4

времеинтервал. В резултат на натрупаната енергия в изходната индуктивност L2 се отпушва обратният диод D3.

3. Интервал след като намагнитващият ток стане нула

В момента, в който намагнитващият ток стане нула, започва третият времеинтервал с продължителност δ2Т. Диодът D1 се запушва. Запушен е и диодът D2. Диодът D3 е отпушен

СХЕМА НА ИЗДЕЛИЕТО:

Page 5: Проект по Преобразувателна техника

5

+5 V

J 2

C O N 2

12

L D R 1

2 7 0 . 9 u

C 7

1 n

T1

TR A N S F O R M E R

1 5

4 8

J 3

C O N 3

123

+5 V

R 1 5

1 0 0 k

R 8

1 2 k

V o u t 1

U 2K A 4 3 1

R 1 4

1 0 k

0

J 1

C O N 2

12

V o u t 2

0

D 5

1 N 4 9 3 712

D 1 1

1 N 4 7 4 9

12

C 3

3 3 0 0 u

R 4

1 0 k

V o u t 3

0

T2

TR A N S F O R M E R C T

1 5

6

4 8

Q 1F Q P 7 N 8 0

L D R 2

2 . 4 9 1 m

-2 4 V

D 3

1 N 4 9 3 7

1 2

C 1

3 3 0 0 u

P

+5 V

R 1 0

7 k

R 2

2 k

L 2

3 u

C 4

3 3 0 0 u

Q

C 61 0 4 n

R 1 1

2 . 2 k

+2 4 V

P

C 8

5 6 1 n

D 6

1 N 4 9 3 712

V in

R 3

1 k

D 1

1 N 4 9 3 7

1 2

R 9

2 . 7 k

D 21 N 4 9 3 7

12

Q

~2 2 0 V

D 1 0

D 1 N 4 1 4 8

R 1

1 k

U 1

K A 3 8 4 2 B

8

6

7

5

4

2

1

3

V R E F

O U T

V C C GN

D

R T/ C T

V F B

C O M P

I S E N S E

R 5

1 k

0

V c 1

L 1

4 1 n a v (1 s e c t io n )

C 1 0

2 2 2 n

R 1 7

1 0 0 k

R 1 2

3 3

0

0

R 1 3

0 . 3 / 1 W

C 1 1

3 3 0 0 u

D 8

B Z X8 4 C 6 V 8 / S O T

0

0

0

C 2

1 0 0 0 u / 4 8 0 V

O P 1

P C 8 1 7

1

2 4

3

- +

U 3

D B B 0 4 G

1

2

3

4

D 9

1 N 4 3 7 6

12

R 1 6

1 k

0

D 7

1 N 4 9 3 7

12

R 6

1 k

0

C 9

4 7 1 n

C 5

1 n

R 7

2 . 2 k

КОНСТРУКТИВНИ ИЗЧИСЛЕНИЯ:

Page 6: Проект по Преобразувателна техника

6

I. Проектиране на импулсеният трансформатор:

1. Начални електрически изчисления: Избор на коефициент на трансформация:

Препоръчва се коефициента на полезно действие на ИТ да бъде в границите η = 0,8 ÷ 0,9. Избираме средната стойност в препоръчвания диапазон η = 0,85.

За определяне на коефициента на трансформация използваме следните изрази:

Изчисляваме съпротивленията на товара във вторичните намотки:

Определяне на индуктивността на първичната намотка:

Изчисляваме приведените стойности на на товарните съпротивления:

Page 7: Проект по Преобразувателна техника

7

Изчисляваме еквивалентното съпротивление на ИТ:

Изчисляваме индуктивността L1 така, че изкривяването на платото да не превишава предварително зададената стойност, т.е в края на импулса, относителният пад на напрежение върху товара (върху R2,

R3 и R4) да не превишава 2,7% ( )

Page 8: Проект по Преобразувателна техника

8

2. Начални конструктивни изчисления: Избор на материал за магнитопровода:

За изработване на магнитопровода избираме феритен материал N27.

Избор на стандартен магнитопровод:

Изчисляваме минималния необходим обем за магнитопровода:

Въз основа на изчислената стойност V = 61000 mm3 избирам стандартния магнитопровод B67332. Записваме табличните данни на избрания магнитопровод:

A=52mm; B=30,7± 1 mm; C=23,9± 0,4 mm; F= 14,4 ± 0,7 mm; H = 46,1 ± 0,8 mm; D= 11,15 ± 0,2 mm; d= 3,25 ± 0,15mm; R1 = 5,3 mm; R2 = 0,6 mm; R3 = 1 mm; R4 = 3 mm; lст = 148 mm; Q = 93 mm2; V = 61 000 mm3; G = 70g.

Определяне броя на навивките в първичната намотка:

Page 9: Проект по Преобразувателна техника

9

навивки

Доуточняваме ориентировъчно избраната стойност на μИ. За целта изчисляваме работната индукция на магнитопровода ∆B:

Чрез новоизчислената стойност ∆B на работната индукция в магнитопровода, отчитаме нова стойност на импулсната магнитна проницаемост →μИ = 3230.

Разликата между двете стойности (3230 и 3230) е под 1%, поради което не е необходимо доуточняване на броя на навивките в първичната намотка.

Чрез преводното отношение n, определяме броя на навивките във вторичните намотки:

навивки

навивки

Броя на навивките в намотките трябва да бъде цяло число. Започваме закръглянето от намотката, съдържаща най-малък брой навивки. Изчисляваме грешката, допусната при закръглянето. Закръгляме броя на навивките в останалите намотки – в същата посока със същият процент.

Приемаме, че W2 = 2 навивки и уточняваме W1 и W3:

Page 10: Проект по Преобразувателна техника

10

навивки навивки

Действителната стойност на μИ съответства на реалният брой навивки в първичната намотка. Затова, след закръглянето на броя на навивките трябва да се извърши проверка за съответствие на избраната и действителната стойност на μИ. За целта, при W1= 83 навивки изчисляваме работната индукция на магнитопровода ∆B:

За ∆B = 0,376 Т отчитаме действителната стойност на импулсната магнитна проницаемост μИ = 3260. Разликата между двете стойности на μИ (3260 и 3230) е под 1%, поради което не е необходимо доуточняване на параметрите на ИТ.

Определяне диаметъра на проводниците:

Изчисляваме сумарната стойност на импулсната мощност във вторичните намотки:

Изчисляваме върховата стойност на импулсния ток в първичната намотка:

Page 11: Проект по Преобразувателна техника

11

За изчисляване на ефективната стойност на тока в първичната намотка използваме по-голямата стойност на тока I1m = 0,36 А. В зависимост от честотата на импулсите fp = 50.103 Hz, върховата стойност на тока I1m = 0,36 A и времетраенето на импулса tp = 12.10-6 s изчисляваме ефективната стойност на тока в намотките:

Изчисляваме диаметъра на проводниците при плътност на тока

:

Въз основа на получените резултати, от таблица 2.20 избираме стандартните проводници от тип ПЕТ-1, притежаващи диаметъра на медното сечение, равен на изчисления или по-голям от него. Избираме проводници със следните параметри:

Page 12: Проект по Преобразувателна техника

12

d1 = 0,23 mm; dИЗ1 = 0,265 mm; q1 = 0,04155 mm2; ro1 = 0,422 Ω/m;

d2 = 1,20 mm; dИЗ2 = 1,265 mm; q2 = 1,1310 mm2; ro2 = 0,0156 Ω/m;

d3 = 0,38 mm; dИЗ3 = 0,425 mm; q3 = 0,11335 mm2; ro3 = 0,155 Ω/m;

3. Контролни изчисления: Контрол на коефициента на запълване КЗ:

В намотъчното пространство на магнитопровода трябва да се съберат всички намотки. При това, запълването на прозореца на ИТ с намотки трябва да бъде в оптимални граници. КЗ е критерий за оптималното поместване на намотките. КЗ изразява отношението на общата дебелина на намотките А0 към тази част bН от ширината на прозореца b, която се запълва с намотки.

. За да има правилна форма импулсът е необходимо КЗ <

0,4.

За да изчислим КЗ извършваме следните предварителни изчисления:

Изчисляваме височината на намотката hН и частта bН от ширината на прозореца b, която се запълва с намотки:

, където ∆М е дебелината на диелектрика от който е изработена макарата.

Page 13: Проект по Преобразувателна техника

13

Изчисляваме броя на навивките които могат да се съберат в 1 ред за всяка една от намотките:

навивки на ред; приемаме W1p = 154

навивки на ред

навивки на ред; приемаме W2p = 32 навивки

на ред

навивки на ред; приемаме W3p = 96 навивки

на ред

Изчисляваме броя на редовете във всяка от намотките:

, приемаме C1 = 1 ред;

, приемаме C2 = 1 ред;

, приемаме C3 = 1 ред

Изчисляваме дебелината на всяка от намотките:

, където dИЗi е диаметърът на проводника с изолацията в i-тата намотка (i = 1÷ 3), a KИЗД е

Page 14: Проект по Преобразувателна техника

14

коефициентът на издуване на намотките (КИЗД = 1,3 при машинно навиване на намотките)

Изчисляваме общата дебелина на всички намотки:

където δ1,2 ,

δ2,3 е дебелината на изолацията между съотвените намотки, а δn е дебелината на изолацията навита над най-външната намотка.

Изчисляваме коефициентът на запълване и проверяваме дали е изпълнено условието:

КЗ < 0,4 от където следва, че трансформаторът е изправен и не се налага неговото преоразмеряване.

Тъй, като в правия преобразувател схемата трябва да бъде с 2 секции на първичната намотка, то необходимите 83 навивки се разделят на 2 секции с преблизително равен брой навивки 41 в първата секция и 42 във втората. Първата секция е обозначена на схемата, като бобина с наименование L1. Към тази намотка е включен и обратеният диод D1 от типа – 1N4937.

II. Проектиране на стабилизатора:

Предварителна стъпка на проектирането е определянето на основните параметри, които ключовият стабилизатор трябва да притежава. Това позволява на конструктора да определи дали изборът на схемното решение е правилен и да поръча достатъчно рано елементите на печатната платка. Освен това се получават и някои важни параметри, необходими при по-нататъчното

Page 15: Проект по Преобразувателна техника

15

проектиране. За разглеждане на стабилизатора като „черна кутия” е необходимо да се знаят само онези негови параметри, които имат значение за връзката му с останалите блокове на апаратурата. Понятието „черна кутия” означава описание на дадено устройство само чрез използване на входните и изходните параметри и на връзките между входа и изхода.

Параметрите на стабилизатора като „черна кутия” са следните:

1. Изходна мощност:

2. Входна мощност:

, където ηest е очакваният коефициент на полезно

действие.

3. Средни стойности на входните токове:

, където индексът nom означава номиналната стойност на вхдодното напрежение. За изчисляване на диаметъра на проводника в първичната намотка на трансформатора или този на бобината се взема най-голямата средна стойност на входния ток, която се получава при най-малкото входно напрежение.

4. Максимален входен ток:Неговата стойност зависи изцяло от избраното схемно решение и се определя от:

, където k=2,8 за прави и полумостови

стабилизатори.

5. Избор на мощните ключове и изправителните диоди:За всяко схемно решение предварително са известни максималното напрежение и ток с вероятност около 90%. Изборът на силовите елементи в този етап от проектирането спестява време, тъй като по-късно няма да е необходимо да се чака доставката им.

Page 16: Проект по Преобразувателна техника

16

За изправителните диоди избирам схемата DBB04G представляваща двуполупериоден изправител с 4 диода – така наречената схема Грец. Тъй като схемата DBB04G може да понесе максимално напрежение от 600V, то тя може да се включи непосредствено към мрежовото напрежение преди преобразувателя, като по този начин мрежовото напрежението ще бъде най-напред изпрвено и след това трансформирано. Това се налага, тъй като еднотактният прав трансформаторен преобразовател е предназначен да работи с постоянно напрежение на входа.

Въпреки, че напрежението идващо от мрежата е 220V при схема с MOSFET транзистор напрежението между гейта и сорса на транзистора достига почти 600V. Това налага изборът на мощен транзистор. Избирам да използвам транзисторът FQP7N80, чието максимално допустимо напрежение между гейта и сорса е 800V.

III. Изчисляване на бобините на филтрите:

Такива бобини се поставят в изходите на всеки прав преобразувател. Предназначението им е да натрупват енергия и да я „предоставят” на товара, когато мощните ключове са отворени. Електрическата функция на една такава бобина е да интегрира правоъгълните импулси и да отделя постоянната им съставка.

Изчислението е просто и започва с избор на магнитопровод. За тези стабилизатори обикновенно се използват тороиди от

Page 17: Проект по Преобразувателна техника

17

пермалой, тъй като не се нуждаят от въздушна междина. Възможно е и използването на феритни магнитопроводи с междина.В конкретният случай избирам да използвам тороид от пермалой и за двете бобини.

1. Изчисляване на бобината на изхода за 5V – LDR1:

Първата стъпка е да се определи минималната индуктивност, осигуряваща зададения изходен ток. Тя е:

, където:

Uin(max) е най-голямото импулсно напрежение подадено на токоизправителя;Uout е изходното напрежение;Toff(est) е очакваното време на изключване на мощния ключ при най-

голямото входно напрежение ( една добра стойност е 80% от );

Iout(min) е най-малкият очакван ток на този изход;

При по-малка индуктивност ще се получи нулиране за известно време на магнитния поток при минималния ток на този изход.

2. Изчисляване на бобината на изхода за 24V – LDR2:

Прави се по същият начин, както за първият изход: