close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Martynov 0E168241E3

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
А. А. Мартынов, О. Б. Чернышева
СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Учебно-методическое пособие
УДК 621.314
ББК 32.846.2
М29
Рецензенты:
кандидат технических наук М. В. Бураков
кандидат технических наук, доцент Р. Ш. Еникеев
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебно-методического пособия
М29
Мартынов, А. А.
Силовая электроника: учеб.-метод. пособие / А. А. Мартынов, О. Б. Чернышева. СПб.: ГУАП, 2018. – 167 с.
Является неотъемлемой частью учебно-методического обеспечения изучаемой дисциплины и должно способствовать реализации
трех основных функций практических занятий – познавательной,
развивающей и воспитательной.
Предназначено для студентов очной и заочной форм обучения,
изучающих курсы: «Силовая электроника»; «Полупроводниковые
преобразователи электрической энергии»; «Основы преобразовательной техники»; «Энергетическая электроника»; «Преобразовательные устройства систем управления»; «Преобразовательная техника»
и «Электромеханические и полупроводниковые преобразователи
электрической энергии».
Содержит методические материалы, необходимые для подготовки
и проведения практических занятий по перечисленным выше курсам.
УДК 621.314
ББК 32.846.2
© Мартынов А. А., Чернышева О. Б., 2018
© Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2018
ПРЕДИСЛОВИЕ
Практическое занятие является одной из основных форм организации учебного процесса, заключающейся в выполнении обучающимися под руководством преподавателя комплекса учебных заданий
с целью усвоения научно-теоретических основ учебной дисциплины,
приобретения умений и навыков, опыта творческой деятельности.
Целью практических занятий для обучающихся является формирование у студентов аналитического, творческого мышления
путем приобретения навыков практической деятельности по изучаемой дисциплине. Планируемые результаты при освоении обучающимися практических занятий:
– закрепление, углубление, расширение и детализация знаний, полученных в процессе лекционного обучения и самостоятельной работы;
– развитие познавательных способностей, самостоятельности
мышления, творческой активности;
– овладение новыми методами и методиками расчета и исследования полупроводниковых преобразователей;
– выработка способности логического осмысления полученных
знаний для выполнения заданий;
– обеспечение рационального сочетания коллективной и индивидуальной форм обучения;
– обеспечение студентам условий для проверки уровня освоения
полученных знаний;
– обеспечение преподавателю условий и возможностей контролировать уровень и эффективность самостоятельной работы студентов.
При проведении практических занятий основное внимание уделяется формированию у студентов конкретных умений и навыков,
что и определяет содержание деятельности студентов на практических занятиях – решение задач, освоение и уточнение методик
и методов расчета полупроводниковых преобразователей.
При подготовке к практическим занятиям студенты должны, используя конспекты лекций, методические указания, рекомендованную литературу по теме практического занятия, изучить методику
решения задачи и подготовиться к ответу на контрольные вопросы.
При решении каждой задачи студенты производят выбор стандартных полупроводниковых элементов, трансформаторов, конденсаторов и дросселей, параметры которых определены в процессе
расчета. Для удобства студентов в учебном пособии приведены справочные данные по этим элементам.
Каждый студент должен иметь индивидуальную рабочую тетрадь, в которую заносит результаты выполнения каждого пункта
3
задания (схемы, диаграммы, графики, таблицы, результаты расчетов, ответы на вопросы пунктов задания и т. п.).
За 10 мин до окончания занятия преподаватель проверяет объем выполненной на занятии работы и отмечает результат в рабочем журнале.
Оставшиеся невыполненными пункты задания практического
занятия студент обязан доделать самостоятельно.
После проверки рабочей тетради преподаватель может проводить
устный или письменный опрос студентов для контроля усвоения ими
основных теоретических и практических знаний по теме занятия
(студенты должны знать смысл полученных ими результатов и ответы на контрольные вопросы). По результатам проверки рабочей тетради и опроса выставляется оценка за практическое занятие.
В табл. 1 приведены 20 тем практических занятий и их трудоемкость для дисциплин: «Силовая электроника», «Полупроводниковые преобразователи электрической энергии», «Основы преобразовательной техники», «Энергетическая электроника», «Преобразовательные устройства систем управления», «Преобразовательная
техника» и «Электромеханические и полупроводниковые преобразователи электрической энергии».
Таблица 1
Практические занятия и их трудоемкость
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
4
Темы практических занятий
Расчет параметров неуправляемого выпрямителя с сетевым трансформатором
и выбор элементов выпрямителя
Расчет коэффициента пульсаций выходного
напряжения управляемого выпрямителя
Расчет параметров сглаживающих фильтров
Расчет энергетических показателей управляемых выпрямителей
Расчет регулировочных и внешних характеристик управляемых выпрямителей
Методика расчета активного выпрямителя напряжения
Формы
практических
занятий
Трудоемкость,
(час)
Модуль
уч.метод.
пособия
Решение
задач
4
1
2
1
Решение
задач
Решение
задач
Решение
задач
Решение
задач
Решение
задач
Решение
Методика расчета зависимого инвертора
задач
Методика расчета однофазного резонанс- Решение
ного инвертора
задач
2
2
4
6
2
4
1
1
1
1
2
2
Окончание табл. 1
Формы
практических
занятий
Трудоемкость,
(час)
Модуль
уч.метод.
пособия
Решение
задач
4
2
Решение
задач
4
2
4
2
4
2
Методика расчета трехфазного инверто- Решение
ра напряжения
задач
2
2
Методика расчета стабилизатора напряжения постоянного тока, выполненного
Решение
14 по схеме однотактного преобразователя
задач
постоянного напряжения с последовательным ключевым элементом (ОППН-I)
4
3
Методика расчета стабилизатора напряжения постоянного тока, выполненного
Решение
15 по схеме однотактного преобразователя
задач
постоянного напряжения с параллельным ключевым элементом (ОППН-II)
4
3
Методика расчета двухтактного преобразователя постоянного напряжения,
Решение
16 выполненного по схеме с выводом нулезадач
вой точки первичной обмотки трансформатора, ДППН-I
4
3
Методика расчета полномостовой схемы
Решение
17 двухтактного преобразователя постоянзадач
ного напряжения, ДППН-II
4
3
4
3
4
3
4
3
№
п/п
Темы практических занятий
Методика расчета однофазного одноплечевого инвертора напряжения
Методика расчета однофазного инверто10 ра напряжения с выводом нулевой точки
первичной обмотки трансформатора
Методика расчета однофазного полномо11
стового инвертора напряжения
Методика расчета однофазного полумо12
стового инвертора напряжения
9
13
Решение
задач
Решение
задач
Методика расчета полумостовой схемы
Решение
18 двухтактного преобразователя постоянзадач
ного напряжения, ДППН-III
Методика расчета однотактного прямо- Решение
19
ходового преобразователя, ОПП
задач
Методика расчета однотактного обрат- Решение
20
ноходового преобразователя, ООП
задач
5
С целью облегчения работы преподавателей и студентов материалы практических занятий разбиты на 3 модуля:
Модуль 1 – Выпрямители – 6 тем;
Модуль 2 – Инверторы – 7 тем;
Модуль 3 – Вторичные источники питания – 7 тем.
Каждый модуль включает в себя темы по основным разделам
перечисленных выше учебных дисциплин.
Перечень тем практических занятий и их трудоемкость для любой из перечисленных выше дисциплин подбирается преподавателем в соответствии с программой этой дисциплины.
6
1. ВЫПРЯМИТЕЛИ
Практические занятия этого модуля проводятся по разделам
курса: «Тиристорные выпрямители» и «Активные выпрямители
напряжения».
Содержание этих разделах изложено в [1], [4] и в конспектах лекций.
1.1. Основные параметры, характеризующие работу
тиристорных выпрямителей
Основными параметрами, характеризующими эксплуатационные свойства выпрямителей, являются [1]:
– средние значения выпрямленного напряжения и тока, Ud, Id,
соответственно;
– коэффициент полезного действия K;
– коэффициент мощности F;
– внешняя характеристика – зависимость напряжения нагрузки от тока нагрузки Ud f(Id) при постоянном и заданном значении
угла регулирования D;
– регулировочная характеристика – зависимость выпрямленного напряжения от угла регулирования Ud f(D);
– коэффициент пульсаций – отношение амплитуды высшей
гармоники (Uk m) (обычно основной) переменной составляющей выпрямленного напряжения (тока) к среднему значению выпрямленного напряжения (Ud) (тока)
kп k Ukm/Ud,
(1)
где k 1, 2, 3, … – номер гармоники.
Коэффициент пульсаций для первой гармоники kп1 определяется по формуле
kп1 U1m/Ud.
(2)
Частота каждой гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения связана с частотой питающей сети fс соотношением
fk kkтm2,
где kт – коэффициент тактности выпрямителя; m2 – число фаз вторичной обмотки трансформатора; k 1, 2, 3, 4, … – натуральный ряд чисел.
Работа сглаживающего фильтра характеризуется коэффициентом сглаживания s, который определяется отношением коэффициента пульсаций на входе фильтра kп1 к коэффициенту пульсаций на
выходе фильтра kп2:
s kп1/kп2.
(3)
7
Отметим, что важными параметрами, характеризующими работу трансформатора, являются кажущиеся расчетные мощности
первичной и вторичной обмоток Sтр1, Sтр2 и установленная мощность трансформатора Sтр и их связь с выходной мощностью выпрямителя Pd. Значения Sтр1 m1U1I1 и Sтр2 m2U2I2 характеризуют
одновременно допустимую мощность нагрузки обмоток при работе
в линейных цепях. Отношение кажущихся расчетных мощностей
обмоток Sтр1, Sтр2 и расчетной мощности трансформатора Sтр к выходной мощности выпрямителя Pd Ud maxIdN, определенной при
нулевом угле регулирования выпрямителя D 0, называются коэффициентами расчетной мощности обмоток первичной и вторичной,
kр.м1, kр.м2, и трансформатора, kр.м, соответственно.
jî.ê1
Sðî1
Pc0
; jî.ê2
Sðî2
Pc0
; jî.ê
Sðî
Pc0
.
(4)
Выражения (4) показывают, во сколько раз должна быть увеличена мощность обмоток трансформатора и трансформатора в целом,
вследствие несинусоидальности их токов в выпрямительной схеме,
по сравнению с линейной цепью для передачи в нагрузку мощности
при условии равенства нулю потерь энергии в обмотках.
Для выбора вентилей выпрямителя необходимо установить загрузку вентилей по току Iв.ср и напряжению Uв.обр max.
Коэффициент мощности выпрямителя F определяется отношением активной мощности, потребляемой выпрямителем из питающей
сети по первой (основной) гармоники Pc(1), к полной мощности Sс, потребляемой выпрямителем из питающей сети:
F Pc(1)/Sс.
(5)
В табл. 2 приведены основные расчетные соотношения параметров 8 схем полупроводниковых выпрямителей. Принятые в табл. 2
обозначения: kсх – коэффициент преобразования схемы выпрямления; I1/Id – относительная величина тока первичной обмотки трансформатора; I2/Id – относительная величина тока вторичной обмотки
трансформатора; Sтр1/Pd kр.м1 – коэффициент расчетной мощности
первичной обмотки трансформатора; Sтр2/Pd kр.м2 – коэффициент
расчетной мощности вторичной обмотки трансформатора; Sтр/Pd
kр.м – коэффициент расчетной мощности трансформатора; Iв.ср/Id –
относительное значение среднего тока вентиля; Iв m/ Id – относительное значение амплитуды тока вентиля; Iв.д / Iв.ср – относительное
значение действующего значения тока вентиля по отношению к среднему значению; ku Uв.обр max/Ud0 – относительное значение обратного напряжения на вентиле; fп/fc р – пульсность выпрямителя.
8
Таблица 2
Основные расчетные соотношения полупроводниковых выпрямителей
fп/fc
ku
Iв.д /Iв.ср
Iв m/Id
Iв.ср/Id
Вентили
Sтр/Pd
Sтр2 /Pd
Sтр1/Pd
kсх
I2/Id
Схема
выпрямления
I1/Id
Трансформатор
Однофазный
0,45 1,21 1,57 2,69 3,49 3,09 1,0 1,0 1,57 3,14 1
однотактный
Двухполупериодный с выводом
1,11 0,78 1,23 1,74 1,48
1,5
0,9
0,5 1,0
3,14 2
нулевой точки
1,0 0,78 1,11 1,57 1,30
1,41
трансформ
Однофазная
1,11 1,11 1,23 1,23 1,23
1,57
0,9
0,33 1,0
1,57 2
мостовая
1,0 1,0 1,11 1,11 1,11
1,41
Трехфазная
0,49 0,58 1,25 1,48 1,37
1,75
1,17
0,33 1,0
2,09 3
однотактная
0,47 0,57 1,21 1,48 1,35
1,73
Трехфазная
2,34 0,81 0,81 1,05 1.05 1,05 0,33 1,0 0,57 1,05 6
мостовая
Шестифазная
1,35 0,47 0,47 1,28 1,85 1,55 0,16 1,0 0,40 2,1 6
однотактная
Двойная
трехфазная
1,17 0,40 0,28 1,05 1,48 1,26 0,16 0,5 0,28 2,1 6
с уравнительным реактором
Кольцевая
2,34 0,81 0,57 1,05 1,48 1,26 0,16 1,0 0,40 2,1 6
Примечание:
– параметры, соответствующие активному характеру нагрузки (Ld 0),
приведены в числителе, активно-индуктивному характеру нагрузки (Ld f) –
в знаменателе;
– значение коэффициента I1/Id приведено для трансформатора, коэффициент трансформации которого равен 1.
Соотношения, приведенные в табл. 2, позволяют определить
значение тока первичной и вторичной обмоток трансформатора,
среднего и действующего токов вентилей, кажущуюся мощность
первичной, вторичной обмоток и трансформатора в целом при известном значении тока нагрузки Id и мощности нагрузки Pd.
Например: Схема выпрямления трехфазная мостовая, тока нагрузки Id 10 А.
Необходимо определить действующее значение тока вторичной
обмотки трансформатора I2 и cреднее значение тока вентиля Iв.ср.
Расчет:
I2 (I2/Id)Id 0,81˜10 8,1 А;
Iв.ср (Iв.ср/Id)Id 0,33˜10 3,3 А.
9
Аналогично следует рассчитывать и другие параметры выпрямителя.
Коммутация тока в выпрямителях – это процесс перехода тока
нагрузки с одного вентиля на другой вентиль. Длительность процесса коммутации определяется углом коммутации J.
В общем виде для любой схемы выпрямления угол коммутации
можно определить по формуле
ª
º
«
»
wò
Ic » D.
J arccos «cos D S
«
»
2U2é sin
«¬
jðl 2 »¼
(6)
где D – угол регулирования; xф 2SfcLф – индуктивное сопротивление фазы сети переменного тока выпрямителя; Id – среднее значение
тока нагрузки выпрямителя; Lф Ls Lдр – индуктивность фазы,
питающей выпрямитель, приведенная к вторичной обмотке трансформатора; Ls – индуктивность рассеяния обмоток трансформатора,
приведенная к вторичной обмотке трансформатора; Lдр – внешняя
индуктивность, включенная последовательно с первичной обмоткой
трансформатора, приведенная к вторичной обмотке трансформатора;
При отсутствии Lдр индуктивность Lф Ls.
Процесс коммутации тока в выпрямителе приводит к падению
выпрямленного напряжения.
В общем случае падение выпрямленного напряжения, вызванное процессом коммутации, можно рассчитать по формуле:
'Ucó
jðl2
wò Ic
2S
Óè Ic ,
(7)
где Xк – фиктивное коммутационное сопротивление.
Регулировочная характеристика тиристорного выпрямителя –
это зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от
угла регулирования D, т. е. Ud f(D). При непрерывном характере
тока нагрузки (нагрузка активно-индуктивная, Ld f) регулировочная характеристика выпрямителя, выполненного по любой схеме,
представляет собой косинусоиду при любом числе вторичных фаз.
Uc Uc0 cos D,
(8)
Ud0 kсхU2ф – среднее значение выпрямленного напряжения при
значении угла регулирования D 0q.
При конечном значении индуктивности цепи нагрузки регулировочные характеристики отклоняются от косинусоидальной формы.
10
Отклонение регулировочной характеристики от косинусоиды из-за
появления прерывистости тока цепи нагрузки происходит при тем
меньших углах регулирования, чем меньше число вторичных фаз (m2)
и чем меньше индуктивность сглаживающего дросселя (Ld).
Угол регулирования, соответствующий границе непрерывного
и прерывистого характера тока нагрузки, называется граничным
углом и обозначается как Dгр, а угол регулирования, при котором
выпрямленное напряжение равно нулю, называется углом запирания и обозначается как Dзап.
При чисто активном характере нагрузки (Ld 0) для любой схемы выпрямления на регулировочной характеристике можно выделить два участка.
Первый участок регулировочной характеристики, 0 D Dгр, ток
нагрузки непрерывен и регулировочная характеристика имеет косинусоидальный характер (8).
На втором участке регулировочной характеристики, Dгр D Dзап,
ток нагрузки имеет прерывистый характер и регулировочная характеристика определяется формулой
UcD
ª
§
S ·º
1 sin ¨ D ¸».
S «¬
jðl2 ¹ ¼
©
2 sin
jðl2
Ucn
(9)
Значения углов Dгр и Dзап, определяются следующими соотношениями:
S
S
S
S
D áî
; DåÞí
;
(10)
2 jðl2
2 jðl2
Внешняя характеристика тиристорного выпрямителя – это
зависимость среднего значения напряжения нагрузки от тока нагрузки, т. е. Ud f(Id) при постоянном (заданном) значении угла
регулирования D.
Выражение внешней характеристики выпрямителя при непрерывном характере тока нагрузки имеет вид
(11)
Uc Uc0 cos D 'Uó 'UR ò 'URLc jð 'Uà.íî .
В выражении (11) учтены следующие падения напряжения при
протекании тока нагрузки Id:
'Uх – индуктивное падение напряжения, вызванное явлением
коммутации;
'Uх ХкId;
(12)
11
'URф – падение напряжения на активных сопротивлениях
трансформатора и вентильного блока выпрямителя (активное падение напряжения):
(13)
'URф kтIdRф;
Rф Rтр Rв.дин – сумма активных сопротивлений обмотки трансформатора Rтр и динамического сопротивления вентиля Rв.дин.
Rтр R2 R1c,
где R2 – активное сопротивление фазы вторичной обмотки трансформатора; R1c – активное сопротивление первичной обмотки, приведенное к виткам вторичной обмотки трансформатора; 'URLd – падение напряжения на активном сопротивлении обмотки дросселя
фильтра (RLd): 'URLd IdRLd; 'Uв.пр – падение напряжения на открытом тиристоре.
При холостом ходе (Id 0) напряжение в режиме прерывистых
токов (Dгр D) может быть подсчитано по формуле (9).
Прерывистый характер тока имеет место при значениях токах
нагрузки Id в пределах 0 Id Iгр m.
Iгр m – граничное значение тока нагрузки выпрямителя. Термин
«граничное» означает промежуточное значение между непрерывном и прерывистым характером тока нагрузки.
Iáî l
Uc0
S
S
sin D(1 bsf
),
Zí Lc
jðl2
jðl2
(14)
где Zc kтm2Zc; Zc 2Sfc; fc – частота напряжения сети, питающей
выпрямитель; Ld – индуктивность дросселя сглаживающего фильтра цепи нагрузки выпрямителя.
Коэффициент полезного действия выпрямителя определяется отношением полезной мощности, выделенной в нагрузке выпрямителя
к активной мощности, потребленной выпрямителем из питающей сети
K
Pc
,
Pc ¦ 'P
(15)
где Рd – полезная мощность, выделенная в нагрузке выпрямителя;
¦'Р – суммарная мощность потерь выпрямителя; ¦'Р 'Ртр 'Рдр 'Рв; 'Ртр 'Рэл 'Рм; 'Ртр – потери в трансформаторе; 'Рм – магнитные потери трансформатора (потери в магнитопроводе трансформатора); 'Рэл – электрические потери в обмотках трансформатора; 'Рдр Id2RL – потери в обмотке дросселя; 'Рв – потери в вентилях выпрямителя; 'Рв kтId'Uв.пр kтIв.д2Rв.дин; Iв.д – действующее
значение тока, протекающего через вентиль.
12
Коэффициент мощности выпрямителя определяется отношением активной мощности, потребляемой выпрямителем из питающей
сети по первой (основной) гармоники P1(1) к полной мощности S1, потребляемой выпрямителем из питающей сети [1]:
P1(1)
w
,
S1
где P1(1) m1U1I1(1)cosM(1) – активная мощность, потребляемая выпрямителем из питающей сети по первой (основной) гармоники;
S1 m1U1I1 – полная мощность, потребляемая выпрямителем из питающей сети; m1 – число фаз сети, питающей выпрямитель; U1 – действующее значение напряжение фазы сети, питающей выпрямитель; I1 – действующее значение тока фазы сети, питающей выпрямитель; I1(1) – действующее значение первой гармоники тока фазы сети, питающей выпрямитель; M(1) – фазовый сдвиг первой гармоники тока фазы по отношению
к первой гармонике напряжения фазы сети, питающей выпрямитель;
l1U1 I1(1) cos M(1) I1(1)
w
cos M(1) jïâà jæïè ,
(16)
l1U1 I1
I1
где I1(1)/I1 kиск – коэффициент искажения формы тока питающей
сети; cosM(1) kсдв – коэффициент сдвига первой гармоники тока питающей сети по отношению к напряжению.
Для выпрямительного режима с учетом угла коммутации угол
M(1) DJ/2 и коэффициент сдвига управляемого выпрямителя следует определять по формуле (17):
1
jïâà cos(D J).
(17)
2
При J 30q более точные результаты определения kсдв дает формула
cos D cos(D J)
jïâà
.
(18)
2
Сглаживающие фильтры применяются для сглаживания (подавления) пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, который требуется по условиям эксплуатации в устройствах, питаемых
данным выпрямителем.
Коэффициент пульсации выходного напряжения любого выпрямителя (kп1) при заданном значении угла регулирования D определяется по формуле (19):
Ul(1)
2 cos D
(19)
jí1
1 (jðl2 )2 sf2 D .
Uc
(jðl2 )2 1
13
Оценка сглаживающего действия фильтра обычно производится по величине его коэффициента сглаживания s, который следует
определить по формуле (3).
Интегральный параметр фильтра LфCф определяется по формуле (20)
Lò Cò
r 1
Z2í
,
(20)
где Zп kтm2Zс – угловая частота пульсаций основной гармоники
переменной составляющей выпрямленного напряжения.
Выражение (20) не позволяет определить значения индуктивности и емкости фильтра, так как уравнение одно, а неизвестных два.
Поэтому определим сначала индуктивность фильтра.
Индуктивность сглаживающего фильтра можно рассчитать,
если известна допустимая величина амплитуды тока основной гармоники переменной составляющей тока нагрузки, Iог m. С целью
предотвращения прерывистого характера тока цепи нагрузки необходимо выполнение условия Iог m Iгр m.
Требуемое значение Ld можно определить из соотношения (14),
приравняв Iог m Iгр m:
Lc
Uc0 sin D
S
S
(1 bsf
).
Zí Iìá l
jðl2
jðl2
(21)
Далее следует по справочным данным, приведенным в табл. 50
и 51 (см. Прил.), выбрать дроссель, индуктивность которого должна
быть не менее рассчитанной по формуле (21).
Требуемую емкость конденсатора фильтра можно определить,
разделив интегральный параметр фильтра LфCф, определенный
по формуле (20), на величину индуктивности выбранного дросселя
фильтра. Конденсаторы фильтра выбираются по справочным данным, приведенным в табл. 60 и 61 (см. Прил.).
Далее необходимо провести проверку фильтра на резонанс. Для
исключения возможности появления резонанса необходимо, чтобы
частота собственных колебаний фильтра Zс.к была бы меньше половины частоты пульсаций напряжения Zп, т. е.:
Zс.к 0,5Zп.
Zï.è
14
1
.
Lò Cò
(22)
1.2. Тема практического занятия № 1.
Расчет параметров неуправляемого выпрямителя
с сетевым трансформатором и выбор элементов выпрямителя
Порядок выполнения задания:
1. Изучить по [1], [4] устройство, принцип работы, вывод основных
расчетных соотношений однофазных и трехфазных выпрямителей.
2. Перед получением задания каждый студент должен пройти коллоквиум по теме практического задания. Тестовые задания
к практическому заданию № 1 приведены в табл. 3.
Таблица 3
Тестовые вопросы для коллоквиума
№
п/п
Перечень вопросов для коллоквиума
а)
б)
г)
в)
А
А
К
А
Б
К
УЭ
К
УЭ
К
Э
е)
д)
К
С
П
З
1
И
З
Э
Укажите какой из рисунков (а, б, в, г, д, е) соответствует условному
изображению:
– биполярного транзистора (n-р-n-типа);
– диода;
– запираемого тиристора (двухоперационный управляемый вентиль) с управлением по катоду;
– тиристора (однооперационный управляемый вентиль) триодного
типа с управлением по катоду;
– комбинированного транзистора (IGBT) с каналом n-типа;
– полевого транзистора МDП-типа (с изолированным затвором) с индукционным каналом n-типа;
2
Укажите какие условия необходимо выполнить для того, чтобы через диод начал протекать ток?
3
Укажите какие условия необходимо выполнить для того, чтобы через тиристор начал протекать ток?
15
Окончание табл. 3
№
п/п
Перечень вопросов для коллоквиума
4
Укажите какое из трех нижеприведенных определений выпрямителя (1, 2 или 3) – правильное:
1. Выпрямитель преобразует электрическую энергию переменного
тока в электрическую энергию постоянного тока;
2. Выпрямитель преобразует электрическую энергию постоянного
тока в электрическую энергию переменного тока;
3. Выпрямитель преобразует электрическую энергию постоянного
тока с напряжением U1 в электрическую энергию постоянного тока
с напряжением U2.
5
Укажите на каких полупроводниковых приборах (транзисторах, тиристорах или диодах) выполняются неуправляемые выпрямители.
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Нарисуйте схему однофазного неуправляемого выпрямителя.
Нарисуйте схему трехфазного однотактного управляемого выпрямителя.
Нарисуйте схему трехфазного мостового неуправляемого выпрямителя.
Укажите для каких целей в выпрямителях применяют трансформаторы.
Определите чему будет равно среднее значение выпрямленного напряжения однофазного мостового неуправляемого выпрямителя, если на
его вход подано напряжение переменного тока, равное 100 В?
Определите чему будет равно среднее значение выпрямленного напряжения трехфазного мостового неуправляемого выпрямителя, если на
его вход подано напряжение переменного тока, равное 100 В?
Определите чему будет равно среднее значение выпрямленного напряжения трехфазного однотактного неуправляемого выпрямителя, если
на его вход подано напряжение переменного тока, равное 100 В?
Определите чему равно среднее значение тока диода однофазного мостового неуправляемого выпрямителя, если ток нагрузки равен 100 А.
Определите чему равно среднее значение тока диода трехфазного однотактного неуправляемого выпрямителя, если ток нагрузки равен 150 А.
Определите чему равно среднее значение тока диода трехфазного мостового неуправляемого выпрямителя, если ток нагрузки равен 150 А.
Определите чему равно максимальное амплитудное значение обратного напряжения диода однофазного мостового неуправляемого вы16
прямителя, если на его вход подано напряжение переменного тока,
действующее значение которого равно 100 В?
Определите чему равно максимальное амплитудное значение обратного напряжения диода трехфазного мостового неуправляемого вы17
прямителя, если на его вход подано напряжение переменного тока,
действующее значение которого равно 100 В?
16
Таблица 4
Варианты заданий к практическому занятию №1
Вар. m2 kт
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
1
1
1
1
1
1
1
1
3
3
3
3
3
3
3
2
2
2
2
2
2
2
2
1
1
1
1
1
1
2
fc,
Гц
50
50
400
400
50
50
400
400
50
50
400
400
50
50
400
Uф.с, UнгN, РнгN,
Вар. m2
В
В
Вт
kт
fc,
Гц
220
127
200
115
220
127
200
115
220
127
200
115
220
127
200
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
1
1
1
400
50
50
400
400
400
400
50
50
400
400
50
50
400
400
50
50
60
60
40
40
100
100
120
120
70
70
20
20
45
100
200
300
300
400
400
500
500
600
600
700
700
800
900
900
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
3
3
3
3
3
1
1
1
3
3
3
3
3
3
3
Uф.с, UнгN, РнгN,
В
В
Вт
115
220
127
200
115
200
115
220
127
200
115
220
127
200
115
50
50
60
65
70
130
140
150
150
160
170
180
190
200
210
1000
1000
1200
1300
1400
1300
1200
1100
900
900
800
700
600
500
400
3. После сдачи коллоквиума студент должен получить задание
для решения практической задачи. Варианты заданий к практическому занятию № 1 приведены в табл. 4.
4. Для заданного варианта задачи:
– нарисовать схему неуправляемого выпрямителя*;
– нарисовать временные диаграммы напряжений переменного
тока на входе выпрямителя и напряжение на выходе выпрямителя;
– рассчитать среднее значение тока вентиля, Iв.ср;
– максимальное обратное напряжение на закрытом вентиле, Uв. обр max;
– выбрать по справочным данным, приведенным в табл. 53 (см. Прил.),
неуправляемые вентили – диоды для неуправляемого выпрямителя;
– рассчитать действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора, U2ф;
– рассчитать действующее значение тока вторичной обмотки трансформатор, I2ф;
– рассчитать коэффициент трансформации трансформатора, kтр;
– рассчитать действующее значение тока первичной обмотки трансформатора, I1ф;
– рассчитать мощность вторичной обмотки трансформатора, Sтр2;
– рассчитать мощность первичной обмотки трансформатора, Sтр1;
17
– рассчитать мощность трансформатора, Sтр;
– выбрать по справочным данным, приведенным в табл. 46, сетевой трансформатор.
*Схема выпрямителя задана двумя параметрами:
– числом фаз сети переменного тока выпрямителя, m2 ;
– коэффициентом тактности выпрямителя kт
.
Напомним, что схемы выпрямителей с выводом нулевой точки
трансформатора имеют коэффициент тактности kт 1, а мостовые
схемы имеют коэффициент тактности kт 2.
Оформить результаты расчета в специальной тетради для практических занятий и представить их преподавателю.
За 10 мин до окончания занятия преподаватель проверяет объем выполненной на занятии работы и отмечает результат в рабочем
журнале. Оставшиеся невыполненными пункты задания практического занятия студент обязан доделать самостоятельно.
После проверки рабочей тетради преподаватель может проводить
устный или письменный опрос студентов для контроля усвоения ими
основных теоретических и практических знаний по теме занятия
(студенты должны знать смысл полученных ими результатов и ответы на контрольные вопросы). По результатам проверки рабочей тетради и опроса выставляется оценка за практическое занятие.
Принятые в табл. 4 обозначения: m2 – число фаз вторичной обмотки трансформатора; kт – коэффициент тактности выпрямителя;
Ld –индуктивность дросселя цепи постоянного тока; fc –частота напряжения сети, к которой подключен выпрямитель; Uф.с – напряжение фазы сети, к которой подключена первичная обмотка трансформатора; РнгN – номинальное значение мощности нагрузки.
Методические рекомендации для выполнения первого задания
приведены в [1], раздел 3.5 и в [4].
1.3. Тема практического занятия № 2.
Расчет коэффициента пульсаций
выходного напряжения управляемого выпрямителя
Порядок выполнения задания:
1. Изучить по [1] устройство, принцип работы однофазных и трехфазных выпрямителей. Изучить методику графо-аналитического
метода определения коэффициента пульсации выходного напряжения выпрямителя.
2. Перед получением задания каждый студент должен пройти коллоквиум по теме практического задания. Тестовые вопросы
к практическому занятию № 2 приведены в табл. 5.
18
Таблица 5
Тестовые вопросы для коллоквиума
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Перечень вопросов для коллоквиума
Укажите величину коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения однофазного мостового неуправляемого выпрямителя.
Укажите величину коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения трехфазного мостового неуправляемого выпрямителя.
Укажите величину коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения трехфазного однотактного неуправляемого выпрямителя.
Укажите величину коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения трехфазного однотактного неуправляемого выпрямителя.
Дайте определение понятию «Угол регулирования D».
Дайте определение понятию «граничное значение угла регулирования Dгр».
Укажите значение угла Dгр для однофазного мостового управляемого
выпрямителя, работающего на чисто активную нагрузку.
Укажите значение угла Dгр для трехфазного мостового управляемого
выпрямителя, работающего на чисто активную нагрузку.
Укажите значение угла Dгр для трехфазного однотактного управляемого выпрямителя, работающего на чисто активную нагрузку.
Дайте определение понятию «угол запирания Dзап».
Укажите значение угла Dзап для однофазного мостового управляемого
выпрямителя, работающего на чисто активную нагрузку.
Укажите значение угла Dзап для трехфазного мостового управляемого
выпрямителя, работающего на чисто активную нагрузку.
Укажите значение угла Dзап для трехфазного однотактного управляемого выпрямителя, работающего на чисто активную нагрузку.
3. После сдачи коллоквиума студент должен получить задание
для решения практической задачи. Варианты заданий к практическому занятию № 2 приведены в табл. 6.
Для заданного варианта задания:
– нариcовать схему управляемого выпрямителя;
– построить временные диаграммы напряжений сети переменного тока для указанной схемы выпрямления.
Используя временные диаграммы напряжений сети переменного
тока, построить временную диаграмму напряжения нагрузки для заданных значениях угла регулирования и индуктивности цепи нагрузки.
Пользуясь графо-аналитическим методом по временной диаграмме напряжения нагрузки определить коэффициент пульсаций
выпрямленного напряжения (kп1
).
Рассчитать аналитически коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения и сравнить его с значением, рассчитанным графоаналитическим методом.
19
Таблица 6
Варианты заданий к практическому занятию №2
Вар.
m2
kт
D, град.
Ld
Вар.
m2
kт
D, град.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
1
1
1
1
1
1
1
1
3
3
3
3
3
3
3
2
2
2
2
2
2
2
2
1
1
1
1
1
1
2
30
45
45
90
90
30
120
150
30
60
60
90
90
120
30
0
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
3
3
3
3
3
1
1
1
3
3
3
3
3
3
3
2
2
2
2
2
2
2
2
1
1
1
2
2
2
2
60
60
90
90
0
45
45
0
45
45
0
45
45
30
0
LdN
0
LdN
0
LdN
0
0
0
0
LdN
0
LdN
0
0
Ld
0
LdN
0
LdN
0
LdN
0
LdN
0
LdN
0
LdN
0
LdN
0
Принятые обозначения параметров выпрямителя приведены в задании № 1.
Методические рекомендации по расчету коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения приведены в [1], стр. 94–95.
В качестве примера в приложении 1 приведен пример решения
задачи № 1 для случая однофазной мостовой схемы выпрямления,
активно – индуктив-ном характере нагрузки и значении угла регулирования D 60q.
1.4. Тема практического занятия № 3.
Расчет параметров сглаживающего фильтра
Порядок выполнения задания:
1. Изучить по [1] и [4] устройство, принцип работы сглаживающих фильтров и методику расчета параметров их.
2. Перед получением задания каждый студент должен пройти коллоквиум по теме практического занятия. Тестовые вопросы
для коллоквиума по теме практического занятия № 3 приведены
в табл. 7.
3. После сдачи коллоквиума студент должен получить задание
для решения практической задачи. Варианты заданий к практическому занятию № 3 приведены в табл. 8.
20
Таблица 7
Тестовые вопросы для коллоквиума
№
п/п
Перечень вопросов для коллоквиума
для каких целей в выпрямителях применяют сглаживающие
1 Укажите
фильтры.
2 Нарисуйте схему С-фильтра.
3 Нарисуйте схему L-фильтра.
4 Нарисуйте схему L-С фильтра.
определение понятию «коэффициент пульсаций» выпрямлен5 Дайте
ного напряжения и напишите формулу.
определение понятию «коэффициент сглаживания» фильтра
6 Дайте
и напишите формулу.
и проанализируйте формулу для расчета коэффициента
7 Напишите
сглаживания L-фильтра.
и проанализируйте формулу для расчета коэффициента
8 Напишите
сглаживания L-С-фильтра.
Напишите и проанализируйте формулу для аналитического расчета
9 коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения управляемого
выпрямителя.
Укажите каким образом при известном значении произведения LC,
10 интегрального показателя L-C-фильтра, определить требуемое значение индуктивности L и емкости С-фильтра.
11 В чем заключается проверка параметров L-C-фильтра на резонанс?
параметры необходимо учитывать при выборе дросселя для сгла12 Какие
живающего фильтра?
Таблица 8
Варианты заданий к практическому занятию №3
D,
Вар. m2 kт
град.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
1
1
3
3
6
6
1
1
3
3
1
1
3
3
6
2
2
2
2
1
1
2
2
1
1
2
2
2
2
1
30
45
45
60
60
30
0
90
30
60
30
45
45
60
60
fc, Uф2, Iо.г.m,
kп1
Гц
В
А
50
50
400
400
50
50
400
400
50
50
400
400
50
50
400
220
127
200
115
220
127
200
115
220
127
200
115
220
127
200
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
0,5
1,5
2,0
2,5
3,0
0,08
0,09
0,01
0,01
0,02
0,03
0,14
0,15
0,10
0,10
0,05
0,06
0,01
0,03
0,02
D,
Вар. m2 kт
град.
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
6
3
3
3
3
1
1
3
3
6
6
3
3
3
3
1
2
2
1
1
2
2
2
2
1
1
2
2
1
1
90
90
0
30
60
0
15
15
30
30
45
45
60
60
75
fc, Uф2, Iо.г.m,
Гц
В
А
400
50
50
400
400
400
400
50
50
400
400
50
50
400
400
115
220
127
200
115
200
115
220
127
200
115
220
127
200
115
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
0,3
1,2
1,6
1,8
2,2
2,4
2,6
2,8
3,2
3,4
kп1
0,01
0,02
0,03
0,06
0,07
0,01
0,02
0,01
0,01
0,02
0,02
0,01
0,01
0,05
0,04
21
4. Для заданного варианта задачи:
– нариcовать схему сглаживающего фильтра;
– рассчитать частоту пульсаций напряжения на выходе выпрямителя;
– рассчитать величину коэффициента пульсации на выходе выпрямителя kп1;
– рассчитать величину коэффициента сглаживания фильтра s;
– рассчитать требуемую величину индуктивности дросселя сглаживающего фильтра, Ld;
– рассчитать требуемую величину емкости конденсатора сглаживающего фильтра, С;
– рассчитать частоту собственных колебаний сглаживающего
фильтра, Zс.к.
– сделать вывод о возможности возникновения резонанса в сглаживающем фильтре.
Принятые обозначения параметров выпрямителя приведены в задании № 1.
1.5. Тема практического занятия № 4.
Расчет энергетических показателей
управляемых выпрямителей
Порядок выполнения задания:
1. Изучить по [1], [4] устройство, принцип работы, вывод основных
расчетных соотношений однофазных и трехфазных выпрямителей.
2. Перед получением задания каждый студент должен пройти коллоквиум по теме практического задания. Тестовые вопросы для коллоквиума по теме практического занятия № 4 приведены в табл. 9.
3. После сдачи коллоквиума студент должен получить задание
для решения практической задачи. Варианты заданий к практическому занятию № 4 приведены в табл. 10.
4. Для заданного варианта задачи рассчитать:
– среднее значение тока нагрузки, Iнг;
– действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора, Iф2;
– ЭДС холостого хода выпрямителя, Ud0;
– напряжение вторичной обмотки, Uф2;
– полную мощность вторичной обмотки трансформатора, Sтр2;
– полную мощность первичной обмотки трансформатора, Sтр1;
– полную мощность трансформатора, Sтр;
– потери мощности в выпрямителе, 6Рпот;
– коэффициент мощности выпрямителя, F;
– коэффициент полезного действия выпрямителя, K.
22
Таблица 9
Тестовые вопросы для коллоквиума
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Перечень вопросов для коллоквиума
Дайте пояснение принципу работы управляемого выпрямителя.
Поясните каким образом осуществляется регулирование выходного
напряжения выпрямителя.
Напишите формулу для расчета среднего значения тока нагрузки.
Напишите формулу для расчета действующего значения тока вторичной обмотки трансформатора.
Напишите формулу расчета действующего значения тока вторичной
обмотки трансформатора.
Напишите формулу для расчета ЭДС холостого хода выпрямителя.
Напишите формулу для расчета действующего значения напряжения вторичной обмотки трансформатора.
Напишите формулу для расчета полной мощности вторичной обмотки трансформатора.
Напишите формулу для расчета полной мощности первичной обмотки трансформатора.
Напишите формулу для расчета полной мощности трансформатора.
Напишите формулу для расчета потерь мощности выпрямителя.
Напишите формулу для расчета коэффициента мощности выпрямителя.
Напишите формулу для расчета коэффициента полезного действия
выпрямителя.
Таблица 10
Варианты заданий к практическому занятию №4
Вар.
m2
kт
Dm, град.
fc, Гц
UнгN, В
PнгN, Вт
R сх, Ом
'Uв.пр, В
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
1
1
1
1
1
1
1
1
3
3
3
3
3
3
2
2
2
2
2
2
2
2
1
1
1
1
1
1
20
30
45
60
75
20
30
45
60
75
0
15
45
60
50
50
400
400
50
50
400
400
50
50
400
400
50
50
48
48
24
24
36
36
12
12
24
24
70
70
80
90
100
200
300
300
400
400
500
500
600
600
700
700
800
900
5,0
3,0
1,0
1,0
1,0
1,0
0,5
0,5
0,4
0,4
1,0
1,5
2,0
2,0
1,0
1,5
2,0
1,5
1,0
1,5
2,0
1,5
1,0
1,5
1,0
1,0
1,5
1,5
23
Окончание табл. 10
Вар.
m2
kт
Dm, град.
fc, Гц
UнгN, В
PнгN, Вт
R сх, Ом
'Uв.пр, В
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
1
1
1
2
2
2
2
2
2
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
75
20
30
45
60
75
20
30
40
50
65
25
35
55
70
80
400
400
50
50
400
400
200
200
200
200
400
400
50
50
400
400
90
100
100
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
900
1000
1000
1200
1300
1400
750
750
850
950
950
1100
1100
1250
1350
1450
3,0
3,0
4,0
4,0
5,0
5,0
1,2
1,4
2,2
2,4
3,2
3,4
4,2
4,4
5,2
5,4
2,0
2,0
1,5
1,5
1,0
1,0
1,5
1,5
1,75
1,75
2,0
2,0
1,5
1,5
1,0
1,0
Общие для всех заданий условие:
– ток нагрузки имеет непрерывный характер;
– колебание напряжения питающей сети, 'Uc r20.
Принятые в табл. 10 обозначения: m2 –число фаз вторичной обмотки трансформатора; kт – коэффициент тактности выпрямителя; Dm –
максимальное значения угла регулирования, для которого требуется
рассчитать энергетические характеристики; fc –частота напряжения
сети, к которой подключен выпрямитель; UнгN – номинальное значение напряжения нагрузки; РнгN – номинальное значение мощности
нагрузки; Rсх – активное сопротивление схемы выпрямления; xф –
индуктивное сопротивление рассеяния обмоток трансформатора;
'Uв.пр – прямое падение напряжения на открытом тиристоре.
1.6. Тема практического занятия № 5.
Расчет регулировочных и внешних характеристик
управляемых выпрямителей
Порядок выполнения задания:
1. Изучить по [1] и [4] устройство, принцип работы, вывод основных
расчетных соотношений однофазных и трехфазных выпрямителей.
2. Перед получением задания каждый студент должен пройти коллоквиум по теме практического задания. Тестовые вопросы
для коллоквиума по теме практического занятия №5 приведены
в табл. 11.
24
Таблица 11
Тестовые вопросы для коллоквиума
№
п/п
Перечень вопросов для коллоквиума
1
Дайте пояснение принципу работы управляемого выпрямителя.
Поясните каким образом осуществляется регулирование выходного
2
напряжения выпрямителя.
3 Напишите формулу для расчета граничного значения угла регулирования.
4 Напишите формулу для расчета угла запирания.
Напишите формулу для расчета регулировочной характеристики
5
выпрямителя при чисто активном характере нагрузки.
Напишите формулу для расчета регулировочной характеристики
6
выпрямителя при активно-индуктивном характере нагрузки.
7 Напишите формулу для расчета угла коммутации.
Напишите формулу для расчета внешней характеристики управляе8
мого выпрямителя с учетом наличия угла коммутации.
Напишите формулу для расчета коэффициента мощности выпрями9
теля с учетом угла коммутации.
Укажите какое влияние оказывает угол коммутации на внешнюю
10
характеристику выпрямителя.
Укажите какое влияние оказывает угол коммутации на величину
11
коэффициента мощности выпрямителя.
Укажите влияет ли угол коммутации на величину коэффициента по12
лезного действия выпрямителя.
3. После сдачи коллоквиума студент должен получить задание
для решения практической задачи. Варианты заданий к практическому занятию № 5 приведены в табл. 12.
4. Для заданного варианта задачи рассчитать:
– угол регулирования D Dгр;
– угол регулирования D Dзап;
– регулировочную характеристику при чисто активном характере нагрузки при номинальном значении тока нагрузки;
– регулировочную характеристику при активно-индуктивном
характере нагрузки (Ld of) при номинальном значении тока нагрузки;
– угол коммутации J при номинальном значении тока нагрузки;
– внешнюю характеристику при трех значениях угла регулирования D D1; D D2; D D3 с учетом угла коммутации J;
– коэффициент мощности управляемого выпрямителя с учетом
угла коммутации J.
25
Таблица 12
Варианты заданий к практическому занятию №5
Вар.
m2
kт
D1,
град.
D2,
град.
D3,
град.
fc,
Гц
Uф2 0,
В
РнгN,
Вт
R сх,
Ом
xф,
Ом
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
1
1
1
1
1
1
1
1
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
0
0
20
20
30
30
30
0
0
20
20
20
30
30
10
10
20
20
30
30
25
25
35
35
15
15
25
25
35
35
30
30
40
40
45
45
50
30
30
40
30
30
45
45
30
30
30
30
45
45
35
35
45
45
30
30
30
30
45
45
60
60
70
70
60
60
65
60
60
70
45
45
60
60
45
45
60
60
60
60
45
45
60
60
45
45
60
60
60
60
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
48
48
24
24
36
36
12
12
24
24
70
70
80
90
90
100
100
120
130
140
150
160
180
190
190
200
200
220
230
240
100
200
300
300
400
400
500
500
600
600
700
700
800
900
900
1000
1000
1200
1300
1400
750
750
850
950
950
1100
1100
1250
1350
1450
5,0
3,0
1,0
1,0
1,0
1,0
0,5
0,5
0,4
0,4
1,0
1,5
2,0
2,0
3,0
3,0
4,0
4,0
5,0
5,0
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
4,0
4,0
4,0
4,0
3,0
3,0
3,0
3,0
2,5
2,5
2,5
2,5
2,0
2,0
2,0
2,0
3,0
3,0
3,0
3,0
2,0
2,0
2,2
2,2
2,4
2,4
3,2
3,4
3,6
3,8
'Uв.
В
пр,
1,0
1,5
2,0
1,5
1,0
1,5
2,0
1,5
1,0
1,5
1,0
1,0
1,5
1,5
2,0
2,0
1,5
1,5
1,0
1,0
1,0
1,0
1,5
1,5
2,0
2,0
1,5
1,5
1,0
1,0
Построить на графике 1 регулировочные характеристики UdD f(D)
при чисто активном характере нагрузки и при активно-индуктивном
характере нагрузки (Ld of).
26
Построить на графике 2 внешние характеристики для трех заданных значений угла регулирования D.
Принятые в таблице 12 обозначения: m2 –число фаз вторичной обмотки трансформатора; kт – коэффициент тактности выпрямителя; D1,
D2, D3 – заданные значения угла регулирования, для которых требуется
рассчитать внешние характеристики; fc –частота напряжения сети, к которой подключен выпрямитель; Uф2 0 – напряжение вторичной обмотки
трансформатора при холостом ходе выпрямителя; РнгN – номинальное
значение мощности нагрузки; Rсх – активное сопротивление схемы выпрямления; xф – индуктивное сопротивление рассеяния обмоток трансформатора; 'Uв.пр – прямое падение напряжения на открытом тиристоре.
1.7. Основы методики расчета параметров
активного выпрямителя
Отличие активного выпрямителя (АВ) от тиристорного выпрямителя (ТВ):
– АВ выполняется на полностью управляемых вентилях с импульсными методами управления;
– ТВ выполняется на не полностью управляемых вентилях с фазовым методом управления;
– напряжение на выходе АВ одной полярности, а ток может менять свое направление;
– ток на выходе ТВ не может менять своего направления, а напряжение может менять знак.
На рис. 1 приведена функциональная схема активного выпрямителя напряжения. АВ подключается к питающей сети переменного
тока через сетевые реакторы L1, L2, L3 (Lдр).
Выходное напряжение активного выпрямителя напряжения Udс
выше выпрямленного напряжения неуправляемого выпрямителя
Ud0, поэтому при работе АВ напряжения должно выполняться условие
Udс ! U1m,
где U1m – амплитудное значение напряжения питающей сети.
На рис. 2 приведены временные диаграммы, поясняющие импульсный
метод управления транзисторами одного плеча АВ. Опорное напряжение
имеет треугольную форму, а напряжение управления – синусоидальную.
Частота опорного напряжения называется несущей частотой, а частота
напряжения управления – модулирующей частотой, равной частоте сети
переменного тока, питающей активный выпрямитель. Из рис. 2 видно,
как изменяется коэффициент заполнения импульсов транзисторов одного
плеча АВ на интервале одного периода модулирующего сигнала.
27
СУ
ИУ
isn
Usn
kу2
kу1
es1
ls
es2
ls
es3
ls
Us1 lдр
rдр
Us2 lдр
rдр
Us3 lдр
rдр
ls1
lv1
ИУ
iC
iZ
kу3
lv2
lv3
iH
kz
Uv1
C
ls2
Uv2
lH
ls3
rc
Uv3
lv4
Esm
Urc
lv5
rz
lv6
eH
Usn
ПИ-регулятор Us
ldv
Рис. 1. Функциональная схема АВ с сетевыми реакторами Lдр
при питании от сети переменного тока через трансформатор
Uоп
Uу1
1
Uоп
–1
Uоп
Uоп
Топ
–1 DUоп
kil
1 – kil
Рис. 2. Опорное напряжение, напряжение управления
и функции состояния транзисторов одного плеча
активного выпрямителя в режиме синусоидальной ШИМ
На рис. 3 приведена временная диаграмма линейного напряжения
АВ (UАВ) и спектрограмма этого напряжения при коэффициенте модуляции μ 0,5 и несущей частоте fн 5000 Гц, Udc 1073 В; kг.н1 128,7.
Одним из важных показателей, характеризующих работу выпрямителя, является коэффициент мощности.
28
1000
100
0
–100
–1000
4,95
4,955
4,96
4,965 4,97
Time (s)
4,975
4,98
4,985
90
Mag ( of Fundamental)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000
Frequency (Hz)
Рис. 3. Временная диаграмма линейного напряжения
активного выпрямителя UАВ и спектрограмма этого напряжения
Нетрудно показать, что коэффициент мощности ТВ определяется главным образом коэффициентом сдвига.
Приняв допущение kиск 1 и J 0, можно установить зависимость
коэффициента мощности выпрямителя и коэффициента сдвига
от степени регулирования выходного напряжения выпрямителя
Ср UdD /Ud0:
F cosD UdD/Ud0 Ср.
(23)
Таким образом, при регулировании выходного напряжения ТВ
в пределах от 0 до Ud0 (0 Ср 1) коэффициент мощности выпрямителя изменяется в тех же пределах, что и Ср: 0 F 1.
В связи с периодическими замыканиями источника Uс на дроссели
с некоторой «несущей частотой» (частотой fн) во входных токах АВ, помимо основной волны, имеются составляющие с частотой fн. В спектр
высших гармонических сетевого тока АВ входят группы комбинационных гармоник, расположенные вблизи несущей частоты fн и крат29
ных ей гармоник: 2fн, 3fн и 4fн. Порядок (номер) высших гармонических при синусоидальной ШИМ определяется соотношениями:
Q1,2 fн/fм r 1; Q3,4 2fн/fм r 1; Q5,6 3fн/fм r 1; Q7,8 4fн/fм r 1.
Для поддержания коэффициента мощности активного выпрямителя близким к 1, необходимо принимать меры к подавлению
высших гармонических тока, потребляемого выпрямителем из сети
переменного тока, и приближать форму кривой этого тока к синусоидальной. Функцию фильтра высших гармонических тока сети переменного тока выполняют так называемые сетевые фильтры, устанавливаемые в цепи переменного тока АВ. При этом эффективность
работы фильтра зависит от величины несущей частоты, с которой
переключаются транзисторы. На практике часто величину индуктивности дросселя сетевого фильтра определяют по приближенной
формуле (24):
Ucb
(24)
Lò
,
6Seë 'Iò
где Udс – напряжение цепи постоянного тока АВ; 'Iò já.ð Iò.ë 2 –
амплитуда пульсации сетевого тока АВ; kг.т – коэффициент гармоник сетевого тока АВ; fн – несущая частота ШИМ.
Дроссели требуемой индуктивности выбираем по справочным
данным табл. 50 и 51 (см. Прил.).
График зависимости коэффициента мощности ТВ от степени регулирования выходного напряжения выпрямителя приведен на рис. 4,
характеристика 1.
При повышенных требованиях к величине коэффициента гармоник сетевого тока и напряжения сети переменного тока в дополнении к индуктивному сетевому фильтру приходится устанавливать
и емкостной фильтр, [1]. Параметры сетевого Lф-C-фильтра можно
определить, воспользовавшись уравнениями (25) и (26):
Z2LфC (1 kг.н2kQ/Q2)/(1 kг.н2kQ),
(25)
2
Lф/C R2нг.э(1 Z LфC),
(26)
где kг.н2 – требуемое значение коэффициента гармоник сетевого напряжения, т. е. в точках подключения фильтра к питающей сети;
kQ – коэффициент режекции учитываемой высшей гармонической;
Rнг.э Рф/Iф2 – эквивалентное значение активного сопротивления нагрузки фазы; Q – порядковый номер высшей гармонической, имеющей
наименьший коэффициента режекции; Z 2Sfс – угловая частота.
Коэффициента гармоник сетевого напряжения kг.н2 по сути
определяет уровень электромагнитной совместимости активного
30
F
2
0,8
1
0,6
0,4
0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
СР
Рис. 4. Зависимость коэффициента мощности от степени
регулирования выходного напряжения: 1 – для тиристорного
выпрямителя; 2 – для активного выпрямителя напряжения
выпрямителя с питающей сетью переменного тока. Как правило,
величина kг.н2 принимается равной не более 0,05.
Уравнение (26) определяет отношение L/C сетевого фильтра из
условия обеспечения минимума суммарной относительной мощности фильтра. Коэффициент режекции гармоники напряжения Q –
го порядка, kQ, определяется по формуле (27):
kQ (U(1)/U(Q))Q2,
(27)
где U(1) – действующее значение первой гармоники входного напряжения АВ; U(Q) – действующее значение Q-ой гармоники входного
напряжения АВ. Параметр сетевого фильтра Z2LфC по существу характеризует величину установленной мощности фильтра. Для повышения точности расчета индуктивности сетевого фильтра АВ необходимо учитывать зависимость коэффициент гармоник напряжения
и тока от коэффициента модуляции напряжения.
Для установления этой зависимости определим расчетные соотношения для напряжений Uвх.л(1) и Uвх.л. Импульсы напряжения,
составляющие полуволну фазного напряжения АВ, имеют одинаковую амплитуду, равную Udc/2, а коэффициент заполнения этих
импульсов J, пропорциональный напряжению управления, изменяется по синусоидальному закону J μsinZt. Амплитуда первой гармоники фазного напряжения на входе АВ [1]:
Uвх.ф m(1) μUdc/2.
31
Действующее значение первой гармоники фазного напряжения
трехфазного АВ с синусоидальной ШИМ определяется по формуле (28):
1
Uàó.ò(1)
2 2
PUcb
0,3535PUcb .
(28)
Действующее значение первой гармоники линейного напряжения трехфазного АВ с синусоидальной ШИМ Uвх.л(1):
Uàó.é(1)
3Uàó.ò(1)
3
2 2
PUcb
0,612PUcb ,
(29)
где Udc – напряжение цепи постоянного тока АВ.
Действующее значение всей волны кривой линейного входного
напряжения АВ с синусоидальной ШИМ определим по методике,
изложенной в [1].
С учетом временных зависимостей напряжений управления нетрудно установить, что максимальная величина действующего значения отдельного импульса линейного напряжения, может быть
определена по формуле (30):
tæ.é.â.å l
Ucb J
Ucb
3
2
0,93Ucb .
(30)
Напомним, что это значение является наибольшим (максимальным) значением. Величина действующего значения отдельных импульсов линейного напряжения на полупериоде напряжения сети переменного тока АВ определяется в этом случае по
формуле (31):
tæ.é.â.å
3
Ucb P sin Zs
2
0,93Ucb P sin Zs .
(31)
Действующее значение линейного входного напряжения АВ:
Uàó.é.â.å
1 S 2
tæ.é.â.å cZs
S ³0
Ucb
3P
S
S
3 Uc2b
P sin ZscZs
2 S ³
0,742Ucb P .
0
(32)
Из (31) и (32) видно, что коэффициент модуляции по сути характеризует степень регулирования входного напряжения АВ.
32
С учетом (29) и (32) коэффициент гармоник входного напряжения АВ с синусоидальной ШИМ kг.н1 определяется по формуле (33):
já.ë1
2
2
Uàó.é
Uàó.é(1)
Uàó.é(1)
P 3 3 2
P
S
8
3 2
P
8
8
SP 3
1
1,472
1. (33)
P
Обратим внимание на то, что формулы (29), (32) и (33) выведены
при пренебрежении падением напряжения на элементах АВ при
протекании по ним нагрузочной составляющей тока.
По формуле (33) можно рассчитать и построить зависимость коэффициента гармоник входного напряжения АВ от коэффициента
модуляции kг.н1 f(μ) при синусоидальной ШИМ. Результаты расчета приведены в табл. 13.
По результатам расчетов, приведенным в табл. 12, на рис. 5 построен график зависимости коэффициента гармоник линейного напряжения на входе АВ от коэффициента модуляции при синусоидальной ШИМ.
Таблица 13
Зависимость коэффициента гармоник линейного напряжения
на входе АВ и параметра сетевого фильтра Z2LC
от коэффициента модуляции при синусоидальной ШИМ
μ
1,0
0,93
0,66
0,5
0,33
kг.н 1
Z2LC·10–4, ГнФ/с2
0,687
14,74
0,763
16,26
1,1
23,0
1,39
29,0
1,85
38,0
kгн1
1,5
0
0,5
0,33
0,66
P
Рис. 5. Зависимость коэффициента гармоник линейного напряжения АВ
от коэффициента модуляции при синусоидальной ШИМ
33
Отметим также, что по формуле (33) можно рассчитать коэффициент гармоник формы кривой входного напряжения АВ в целом,
не определяя спектр гармоник этой формы кривой напряжения.
Уравнения (25), (27) и (33) позволяют определить зависимость
интегрального параметра сетевого фильтра Z2LC от коэффициента модуляции и коэффициента режекции подавляемой гармоники
с учетом того, что kг.н2kQ!! 1:
1 já.ë2jQ / Q2
1 já.ë2jQ
Z2 LC
1
já.ë2 jQ
1
Q
2
1 já.ë2jQ / Q2
já.ë2jQ
UQ ·
1 §
1
¸.
2¨
U1já.ë2 ¹
Q ©
(34)
Приняв допущение UQ/U1 | kг.н1, можно получить зависимость
интегрального параметра сетевого фильтра Z2LC от коэффициента
модуляции, требуемой величины коэффициента гармоник напряжения, питающего АВ и порядкового номера высшей гармонической, имеющей наименьший коэффициента режекции:
§
·
1,472
1 ¸
¨
§
·
P
j
1
1
á.ë1 |
¨1 ¸.
Z2 LC |
¨1 ¸
¸
já.ë2 ¹ Q2 ¨
já.ë2
Q2 ©
¨¨
¸¸
©
¹
Ампл., от основной
гармоники
U, B
600
400
200
0
–200
–400
–600
0,5
Uab
3,465
3,47
3,475
3,48
Основная гармоника (50 Гц)
0,4
(35)
3,485
3,49
518,40 В; Кг
3,495
3,5
1,00
0,3
0,2
0,1
0
0
1000 2000
3000 4000 5000 6000
7000 8000
9000 10000
Рис. 6. Временная диаграмма линейного напряжения UА1В1
и спектрограмма этого напряжения при Pdc 30,67 кВт kг.н2 1%
34
60
40
20
0
–20
–40
–60
4,95
4,955
4,96
4,965
4,97
4,975
4,98
4,985
Time (s)
Mag ( of Fundamental)
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000
Frequency (Hz)
Рис. 7. Временная диаграмма фазного тока АВ и спектрограмма
этого тока при коэффициенте модуляции P 0,5 и несущей частоте
fн = 5000 Гц, Udc = 1085 В; kг.т = 0,063 (Сф = 20 мкФ)
Результаты расчета величины интегрального параметра сетевого
фильтра Z2LC от коэффициента модуляции при принятых значениях kг.н2 0,05 и Q 100 приведены в табл. 13.
На рис. 6 приведена временная диаграмма линейного напряжения сети UА1В1 и спектрограмма этого напряжения. Форма кривой
напряжения UА1В1 и спектрограмма этого напряжения показывают
эффективность работы сетевого фильтра На рис. 7 приведена временная диаграмма фазного тока АВ и спектрограмма этого тока при
коэффициенте модуляции μ 0,5 и Lф-C сетевом фильтре. Амплитуда любой гармоники тока на входе АВ можно определить делением
напряжения этой гармоник на полное сопротивление фазы для этой
гармоники iQ uQ/zQ.
Модуль полного сопротивления фазы для Q-ой гармоники
ZòQ
2
2
Rò
Q óòQ ,
35
где RфQ – эквивалентное активное сопротивление фазы с учетом
увеличение активного сопротивления из-за эффекта вытеснения
тока в проводниках при протекании по ним токов высокой частоты;
хфQ – индуктивное сопротивление фазы для Q-ой гармоники; хф(1)
индуктивное сопротивление фазы для 1-ой (т. е. основной) гармоники; хфQ Qхф(1); хф(1) 2Sf(1)Lф.
При пренебрежении эффектом вытеснения тока эквивалентное
активное сопротивление фазы равно активному сопротивлению для
основной гармоники тока и определяется по известной формуле
2
Îò / Iò
.
Rò
С целью упрощения, можно выполнить расчеты в первом приближении без учета эффекта вытеснения тока, что в определенной
мере может оказать влияние на точность расчета.
С учетом принятых допущений коэффициента гармоник тока можно определить, если известен коэффициент гармоник напряжения.
já.ð
já.ë.1
2
2
Rò
óò(1)
2
2
Rò
Q2 óò(1)
2
2
Rò
1 óò(1)
já.ë.1
2
2
1 í 2 óò(1)
Rò
.
(36)
Поскольку (óò(1) / Rò )2 1, формулу (36) можно упростить:
já.ð
já.ë.1
1
2
1 Q2 óò(1)
2
Rò
.
(37)
Здесь Q – номер наиболее сильно выраженной гармоники. Как
показывают результаты исследования АВ на достаточно большом диапазоне изменения коэффициента модуляции номер гармоники Q можно принять равным отношению fн/fc. Поскольку
Qóò(1) / Rò 2
!! 1, формулу (37) можно привести к виду:
já.ð
já.ë.1
Rò
Qóò(1)
.
(38)
Из (38) видно, что увеличение индуктивности фазы ведет к снижению коэффициента гармоник тока.
Величину коэффициента гармоник сетевого напряжения kг.н.2 можно определить, если известны коэффициент гармоник входного напряжения АВ, индуктивность сетевого реактора Lдр и индуктивность
рассеяния обмоток трансформатора Ls. При подключении АВ к сети
36
переменного тока через сетевой трансформатор индуктивность Ls определяется суммой индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора,
приведенной к вторичной обмотке трансформатора. Из (35) не трудно
получить зависимость коэффициента kг.н.2 от индуктивности сети переменного тока. Увеличение Lф способствует уменьшению kг.н.2.
já.ë.2 |
já.ë.1
,
2 2
Q Z Lò C 1
(39)
где Lф Lдр Ls.
При выборе параметров сетевого фильтра АВ с учетом полученных выше зависимостей коэффициента гармоник напряжения
и тока от коэффициента модуляции обеспечивается поддержание
коэффициента мощности АВ на всем диапазоне регулирования напряжения в пределах от 0,95 до 1,0 (см. характеристику 2 на рис. 4).
Требуемое значение емкости Cd конденсатора фильтра на выходе
АВ определяется исходя из заданной величины пульсаций напряжения цепи постоянного тока 'Ud шим по формуле:
Cc
Iò N 3
'Uc öæê eë 2
.
(40)
где IфN PdN/(3UфN) – номинальное значение фазного тока.
Конденсатор требуемой емкости выбираем по справочным данным табл. 60 и 61 (см. Прил.).
Действующее значение переменной составляющей выходного
тока АВН рассчитывается по следующей формуле:
IC
ª 3 §2 3 9 ·
º
¨¨
P ¸¸ cos2 (M 1 ) » .
Iò.ë P «
8 ¹
¬« 2S © S
¼»
(41)
Действующее значение переменной составляющей напряжения
конденсатора приближенно определим по формуле (42):
UAC |
'Uc öæê
2 2
.
(42)
Расчет потерь мощности
и тепловой расчет активного выпрямителя
Приведем перечень параметров, необходимых для расчетов.
А. Параметры режима работы АВН:
– Uф – действующее значение фазного напряжения сети, В;
37
– Udс – напряжение в звене постоянного тока, В;
– Iф – действующее значение фазного сетевого тока, А;
– Iф.ср – среднее значение модуля фазного сетевого тока за половину периода сети, А;
– ХL – индуктивное сопротивление сетевого реактора, Ом;
– RL – активное сопротивление обмотки сетевого реактора, Ом;
– M – фазовый сдвиг между первыми гармониками сетевых напряжения и тока, рад;
– M(1) – фазовый сдвиг между первыми гармониками сетевого
тока и напряжения на входе полупроводникового коммутатора, рад;
– Iв.д – действующее значение тока диода, А;
– Iв.ср – среднее значение тока диода за период сети, А;
– Iв N – номинальное среднее значение тока диода (справочные
данные), А;
– IVT д – действующее значение тока транзистора, А;
– IVT ср – среднее значение тока транзистора за период сети, А;
– IVT N – номинальное значение тока транзистора (справочные
данные), А;
– fк VT – частота коммутации тока транзистора, Гц;
– fк VD – частота коммутации тока диода, Гц;
– P – глубина модуляции, о. е.
Б. Параметры полупроводниковых приборов:
Условные обозначения параметров:
– ЕVT – суммарная энергия отпирания и запирания транзистора
при номинальных значения тока IVT N и напряжения UVT N, [Дж];
– 'Uк-э.нас – прямое падение напряжения на открытом транзисторе (определяется из кусочно-линейной аппроксимации ВАХ), В;
– RVT дин – активное сопротивление открытого транзистора (определяется из кусочно-линейной аппроксимации ВАХ), Ом;
– ЕVD – энергия восстановления диода, Дж;
– 'UVD пр – прямое падение напряжения на диоде (определяется
из кусочно-линейной аппроксимации ВАХ), В;
– RVD дин – активное сопротивление открытого диода (определяется из кусочно-линейной аппроксимации ВАХ), Ом;
В. Параметры теплопроводящей цепи:
– Tтн – температура теплоносителя, qС;
– Tох – температура охладителя, qС;
– TVT – температура транзистора, qС;
– TVD – температура диода, qС;
– Rт. тр-к – тепловое сопротивление транзистор–корпус, qС/Вт;
– Rт. д-к – тепловое сопротивление диод–корпус, qС/Вт;
38
– Rт.к-о – тепловое сопротивление корпус–охладитель, qС/Вт;
– Rт.тр-о – тепловое сопротивление транзистор–охладитель, qС/Вт;
– Rт. д-о – тепловое сопротивление диод–охладитель, qС/Вт;
– Rт.о-тн – тепловое сопротивление охладитель–теплоноситель, qС/Вт.
Тепловой расчет ведется при допущении о синусоидальности сетевых токов, что является правомочным при использовании ШИМалгоритмов управления силовыми ключами.
Потери в полупроводниковом коммутаторе вычисляются как
сумма статических и динамических потерь диодов и транзисторов.
Расчет статических потерь транзисторов и диодов ведется на основе замещения открытого прибора источником напряжения с последовательным сопротивлением ('Uк-э нас. и RVT дин) для транзистора и ('UVD пр и RVD дин) для диода.
Тогда статические потери транзистора:
Pcт. VT IVT ср.'Uк-энас I2VTRVT дин,
(43)
аналогично, статические потери диода:
Pст. VD Iв.ср.'UVD пр I2вRVD дин.
(44)
Действующее и среднее по модулю значения фазного сетевого
тока (без учета потерь активной мощности в АВН):
Iф Pd/(3Uф);
(45)
Iò ïî.
Iò
2 2
.
S
(46)
Среднее и действующее значения тока транзистора определяются как:
Iò ïî. § 1 SP
·
Iðî ïî.
cos M 1 ¸;
(47)
¨ 2 Ní © 2 8
¹
Iðî
Iò
Ní
§ 1 2P
·
cos M 1 ¸.
¨ © 4 3S
¹
(48)
Среднее и действующее значения тока диода:
Iâ ïî.
Iâ
Iò ïî. § 1 SP
cos M 1
¨ 2 Ní © 2 8
·¸¹;
Iò
§ 1 2P
¨ cos M 1
Ní © 4 3S
·¸¹.
(49)
(50)
39
Фазовый сдвиг между первыми гармониками сетевого тока и напряжения на входе полупроводникового коммутатора рассчитывается как:
§
·
Iò XL cos M RL sin M þqbsf ¨
,
¨ Uò Iò RL cos M XL sin M ¸¸
©
¹
коэффициент модуляции:
M1
P
2 2 Uòï
Ucï
(51)
(52)
при синусоидальной ШИМ без амплитудной перемодуляции
μ 0, …, 1,0. Модифицированная синусоидальная ШИМ и векторная ШИМ позволяют получить коэффициент модуляции
2
P 0,...,
.
3
Динамические (коммутационные) потери транзистора определяются частотой коммутации и энергиями отпирания и запирания EVT.
Эти энергии, в свою очередь, зависят от коммутируемого тока и напряжения. Достаточная точность может быть получена при линейной аппроксимации данной зависимости. В этом случае мощность
коммутационных потерь транзистора может быть рассчитана как:
Iò.ïî. Uc
Pè.ðî eè.ðî. E VT
.
(53)
Iðî.ë Uðî.ë
Динамические (коммутационные) потери диода зависят от частоты коммутации тока диода и энергии его восстановления. Величина
этой энергии является функцией тока и прикладываемого напряжения. При использовании линейной аппроксимации данной зависимости коммутационные потери диода составляют:
Iò.ïî. Uc
Pè.â eè.â EVÂ
.
(54)
Iðî.ë Uðî .ë
Суммарные мощности потерь транзистора и диода, соответственно:
PVD Pст. VD Pк VD,
(55)
PVT Pст. VT Pк VT.
(56)
Мощность потерь одного ключа:
Pкл. PVT PVD.
(57)
Мощность, выделяемая на охладителе:
Pо Pкл.
(58)
40
Суммарная мощность потерь полупроводникового коммутатора,
содержащего N ключей:
Pпк NPкл.
(59)
Температура охладителя определяется как:
To PоRт о-тн Tтн.
(60)
Температуры полупроводниковых переходов транзисторов и диодов вычисляется по формулам:
TVT PVTRт тр-о To,
(61)
TVD PVDRт д-о To.
(62)
или
TVT PVT(Rт тр-к Rт к-о) To,
(63)
TVD PVD(Rт д-к Rт д-о) To.
(64)
Совершенно очевидно, что рассчитанные по (61)–(64) температуры полупроводниковых переходов транзисторов и диодов не должны превышать допустимых по паспорту значений.
1.8. Тема практического занятия № 6.
Методика расчета активного выпрямителя напряжения
Порядок выполнения задания:
1. Изучить по [1] устройство, принцип работы, вывод основных
расчетных соотношений активного выпрямителя напряжения.
2. Перед получением задания каждый студент должен пройти коллоквиум по теме практического задания. Тестовые вопросы для коллоквиума по теме практического занятия № 6 приведены в табл. 14.
3. После сдачи коллоквиума студент должен получить задание
для решения практической задачи. Варианты заданий к практическому занятию № 6 приведены в табл. 15.
4. Для заданного варианта задачи рассчитать:
– номинальное значение фазного тока, IфN;
– среднее значение модуля фазного сетевого тока за полупериод
сети, Iф.ср;
– индуктивность сетевого реактора, Lр;
– емкость сетевого фильтра, С;
– емкость фильтра цепи постоянного тока, Сd;
– коэффициент модуляции μN при заданных значениях напряжения фазы сети Uф.с и напряжения цепи постоянного тока Udc;
– фазовый сдвиг между первыми гармониками сетевого тока и напряжения на входе полупроводникового коммутатора M1 для номинального режима;
41
Таблица 14
Тестовые вопросы для коллоквиума
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Перечень вопросов для коллоквиума
Дайте пояснение принципу работы активного выпрямителя.
Поясните каким образом осуществляется регулирование выходного
напряжения активного выпрямителя.
Поясните для чего нужен входной фильтр АВ.
Напишите формулу для расчета индуктивности сетевого фильтра.
Напишите формулу для расчета входного тока АВ.
Напишите формулу для расчета емкости конденсатора цепи постоянного тока АВ.
Напишите формулу для расчета коэффициента модуляции АВ.
Напишите формулу для расчета коэффициента гармоник напряжения на входе АВ, kн1.
Напишите формулу для расчета коэффициента гармоник сетевого
напряжения АВ, kн2.
Напишите формулу для расчета среднее значения тока транзистора.
Напишите формулу для расчета среднее значения тока диода.
Напишите формулу для расчета действующего значения тока транзистора.
Напишите формулу для расчета действующего значения тока диода.
Напишите формулу для расчета статических потерь в транзисторе.
Напишите формулу для расчета статических потерь в диоде.
Напишите формулу для расчета динамических потерь в транзисторе.
Напишите формулу для расчета динамических потерь в диоде.
Напишите формулу для расчета температура полупроводниковых
переходов транзисторов.
Напишите формулу для расчета температура полупроводниковых
переходов диодов.
Таблица 15
Варианты заданий к практическому занятию №6
Вар. РdN, Udс, Uфс N, mc kт
кВт
В
В
1
2
3
4
5
42
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
460
460
480
480
500
127
127
127
127
127
3
3
3
3
3
2
2
2
2
2
fc,
Гц
kп.н2
kг.т
'Ud шим,
В
fн,
кГц
То.ср,
qС
M,
рад
50
50
50
50
50
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,05
0,05
0,04
0,04
0,05
15,0
12,0
10,0
8,0
6,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
25
30
35
40
45
0,1
0,1
0,1
0,1
0,15
Продолжение табл. 15
Вар. РdN, Udс, Uфс N, mc kт
кВт
В
В
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
11,0
12,0
13,0
14,0
15,0
16,0
17,0
18,0
19,0
20,0
21,0
22,0
22,0
23,0
24,0
25,0
26,0
27,0
28,0
29,0
30,0
500
520
520
540
540
560
400
400
420
420
440
440
460
460
480
480
500
410
410
430
430
450
450
470
470
490
127
127
127
127
127
127
115
115
115
115
115
115
115
115
115
115
115
115
115
115
115
115
115
115
115
115
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
fc,
Гц
kп.н2
kг.т
50 0,05 0,05
50 0,04 0,05
50 0,03 0,05
50 0,02 0,04
50 0,01 0,04
50 0,02 0,04
400 0,01 0,05
400 0,02 0,04
400 0,03 0,03
400 0,04 0,05
400 0,05 0,04
400 0,04 0,03
400 0,03 0,04
400 0,02 0,05
400 0,01 0,04
400 0,02 0,03
400 0,03 0,04
400 0,015 0,05
400 0,025 0,04
400 0,035 0,03
400 0,04 0,05
400 0,05 0,04
400 0,04 0,03
400 0,03 0,04
400 0,02 0,05
400 0,01 0,04
'Ud шим,
В
fн,
кГц
То.ср,
qС
M,
рад
5,0
7,0
8,0
9,0
11,0
13,0
13,0
12,0
11,0
10,0
9,0
8,0
7,0
6,0
5,0
4,0
3,0
13,0
12,0
11,0
10,0
9,0
8,0
7,0
6,0
5,0
10,0
9,0
8,0
7,0
6,0
5,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
9,0
8,0
7,0
6,0
5,0
5,5
6,5
7,5
8,5
9,5
11,0
12,0
13,0
14,0
50
45
40
35
30
25
25
30
35
40
45
50
45
40
35
30
25
25
30
35
40
45
50
45
40
35
0,15
0,15
0,15
0,2
0,2
0,2
0,1
0,1
0,1
0,1
0,15
0,15
0,15
0,15
0,2
0,2
0,2
0,1
0,1
0,1
0,1
0,15
0,15
0,15
0,15
0,2
– рассчитать и построить регулировочную характеристику АВ,
Udc f(P) при изменении 1 ! P ! PN;
– рассчитать и построить зависимость, kн1 f(P) при изменении
1 !P !PN;
– среднее значения тока транзистора;
– действующее значения тока транзистора;
– максимальное амплитудное значение тока транзистора;
– среднее значение тока диода;
– действующее значения тока диода;
43
– статические потери в транзисторе;
– статические потери в диоде;
– динамические потери в транзисторе;
– динамические потери в диоде;
– мощность потерь одного ключа;
– суммарная мощность потерь полупроводникового коммутатора;
– температура охладителя;
– температура полупроводниковых переходов транзисторов;
– температура полупроводниковых переходов диодов;
– рассчитать и построить зависимость коэффициента гармоник
сетевого напряжения kн2 f(μ) при изменении 1 !P !PN;
– рассчитать и построить зависимость коэффициента гармоник
сетевого тока kг.т f(P) при изменении 1 !P !PN.
44
2. ИНВЕРТОРЫ
Практические занятия этого модуля проводятся по разделам
курса: «Зависимый инвертор», «Инверторы тока» и «Инверторы напряжения».
Содержание этих разделах изложено в [1] (Зависимый инвертор)
и в [2], а также в конспектах лекций.
2.1. Основные параметры,
характеризующие работу зависимых инверторов
Зависимый инвертор преобразует электрическую энергию постоянного тока в электрическую энергию переменного тока. Любой управляемый выпрямитель может быть переведен в режим инвертирования. Так, если выход управляемого выпрямителя подключен к якорю
электрической машины постоянного тока, работающей в двигательном режиме, то для перевода выпрямителя в режим инвертирования
необходимо изменить величину и полярность ЭДС машины Ed и напряжения преобразователя Ud так, чтобы Ed ! Ud, а ток цепи постоянного тока сохранил бы свое неизменное направление. Электрическая
машина должна быть переведена в генераторный режим. Для этого
необходимо к валу этой машины подвести механическую энергию от
внешнего источника механической энергии (постороннего двигателя).
Полупроводниковый преобразователь переходит в режим приемника
электрической энергии. Электрическая энергия переменного тока, вырабатываемая зависимым инвертором, передается в сеть переменного
тока, в которой кроме потребителей электрической энергии содержатся и генераторы. Поэтому величина и частота напряжения переменного тока зависимого инвертора определяется параметрами сети переменного тока, к которой подключен выход зависимого инвертора.
Действующее значение тока цепи переменного тока зависимого
инвертора можно рассчитать, воспользовавшись коэффициентом
(I2/Id), приведенным в табл. 1 для заданной схемы преобразователя:
I2 (I2/Id)IdN.
(65)
Выражение внешней характеристики зависимого инвертора
Ud Ud0cosE 'Ux 'URф 'ULф 'Uв.пр.
(66)
Здесь 'Uх, 'URф, 'ULф, 'Uв.пр – падения напряжения на элементах схемы (см. формулы (11), (12), (13)).
Угол E – это угол сопряженный с углом D:
E 180q – D или D 180q – E.
(67)
45
После подстановки значений 'Uх, 'URф, 'ULф, 'Uв.пр в формулу (66), получим:
jl
Uc Ec Uc0 cos E Ic ( ð 2 wò Rò RLò ) jð 'Uà.íî ,
(68)
2S
где Ud Ed – напряжение источника постоянного тока; Ud0 kсхUф2N –
напряжение цепи постоянного тока при работе в выпрямитель-ном
режиме с углом регулирования D 0.
Id – ток, потребляемый инвертором от источника постоянного тока:
Ic
Ec Uc0 cos E jð 'Uà.íî
.
jðl2
wò Rò RLò
2S
(69)
Обозначим
jðl2
wÒ RÒ RLÒ
2S
Rbw ,
где Rсх – эквивалентное сопротивление схемы.
Тогда внешняя характеристика зависимого инвертора принимает вид
Ud Ed Ud0cosEIdRсх kт'Uв.пр.
(70)
Нетрудно видеть, что для увеличения тока Id, а значит и для увеличения инвертируемой мощности, необходимо: увеличивать напряжение источника постоянного тока (Ud Ed) (при постоянном
угле E) или уменьшать угол E (при постоянном напряжении источника постоянного тока).
Внешние характеристика Ud f(Id) для выпрямительного (0 D 90q)
и инверторного (90q D 180q) режимов приведена на рис. 8.
Важным параметром, определяющим устойчивость работы зависимого инвертора, является угол Gз. На интервале, определяемым углом
Gз, к выключаемому тиристору приложено отрицательное напряжение. Для устойчивой работы инвертора необходимо, чтобы угол Gз превышал угол, необходимый для восстановления запирающих свойств
тиристора, который при частоте 50 Гц находится в пределах
Gàìïïð |
360D
sp
Tb
360D
sp
0,02
Gå lhm ,
где tq – время, необходимое для восстановления управляющих свойств
тиристора.
Тс 1/fc.
При fc 50 Гц Тс 0,02 с.
46
Угол Gз зависит от угла E и угла коммутации J:
Gз E – J,
где
ª
º
«
»
wò
Ic » D.
J arccos «cos D S
«
»
2U2é sin
«¬
jðl 2 »¼
(71)
При режиме инвертирования 90q D180q cosD –cos E и выражение (71) приобретает вид:
ª
º
«
»
wò
Ic » 180 E.
J arccos « cos E S
«
»
2U2é sin
«¬
jðl 2 »¼
(72)
Зависимость противо-ЭДС инвертора Ud от допустимого инвертируемого тока Id при Gз const называют ограничительной характеристикой, выражение которой
Uc
3
( 6U2òN cos Gå lhm Ic wò ).
S
(73)
Ограничительная характеристика приведена на рис. 8.
Ud
a1
0q
a2 ! a1
a3 ! a2
a4
Id
90q
a5 ! 90q
a7 ! a6
a6 > a5
Ограничительная
характеристика
Рис. 8. Внешние характеристики выпрямителя
и зависимого инвертора
47
Коэффициент мощности зависимого инвертора рассчитывается
по такой же формуле, что и для управляемого выпрямителя
P1(1)
w
jæïè jïâà .
S1
С учетом того, что D S – E для зависимого инвертора
J
w jæïè cos(E ).
(74)
2
При непрерывном характере тока цепи постоянного тока зависимого инвертора коэффициент искажения можно принять постоянным и равным 0,955. С учетом этого коэффициент мощности зависимого инвертора можно рассчитать по формуле:
J
w 0,955 cos(E ).
(75)
2
Коэффициент полезного действия зависимого инвертора
K
P2
Pc
Pc ¦ Pí
Pc
1
¦ Pí ,
Pc
(76)
где Pd UdId – мощность, потребляемая инвертором от источника
электрической энергии постоянного тока; P2 m2U2I2F – активная
мощность, отдаваемая инвертором в сеть переменного тока; 6Pп –
сумма потерь мощности инвертора.
6Pп Id2Rсх kт'Uв.прId.
(77)
Pd m1U1I1F 6Pп.
2.2. Тема практического занятия № 7.
Методика расчета зависимого инвертора
Порядок выполнения задания:
1. Изучить по [1] устройство, принцип работы, вывод основных
расчетных соотношений зависимого инвертора.
2. Перед получением задания каждый студент должен пройти коллоквиум по теме практического задания. Тестовые вопросы
для коллоквиума по теме практического занятия № 7 приведены
в табл. 16.
3. После сдачи коллоквиума студент должен получить задание
для решения практической задачи. Варианты заданий к практическому занятию № 7 приведены в табл. 17.
4. Для заданного варианта задачи рассчитать:
– напряжение цепи постоянного тока Ud0;
48
Таблица 16
Тестовые вопросы для коллоквиума
№
п/п
Перечень вопросов для коллоквиума
1
Дайте пояснение принципу работы зависимого инвертора.
Поясните каким образом осуществляется перевод управляемого вы2
прямителя в режим инвертирования.
Укажите способы регулирования величины мощности, отдаваемой
3
зависимым инвертором в сеть переменного тока.
4 Напишите формулу для расчета напряжения Ud0.
5 Напишите формулу для расчета угла коммутации J.
Напишите формулу для расчета угла восстановления управляющей
6
способности тиристора, Gвосст, град.
Напишите формулу для расчета внешней характеристики зависимо7
го инвертора, Ud f(Id).
Напишите формулу для расчета ограничительной характеристики
8
зависимого инвертора Ud f(Id).
Напишите формулу для расчета коэффициента полезного действия
9
зависимого инвертора.
Напишите формулу для расчета коэффициента мощности зависимо10
го инвертора.
Таблица 17
Варианты заданий к практическому занятию №7
IdN, Uф2N,
mc
Вар.
В
А
1
3,0
127
3
2
6,0
127
3
3
4,0
220
3
4
5,0
220
3
5
15,0 127
3
6
16,0 127
3
7
8,0
220
3
8
9,0
220
3
9
25,0 127
3
10 27,0 127
3
11 14,0 220
3
12
2,0
127
3
13
4,0
127
3
14
5,0
220
3
15
6,0
220
3
16
7,0
127
3
kт
fc,
Гц
х ф,
Ом
Rcх,
Ом
'Uв.пр,
В
tq,
мкс
E1,
град
E2,
град
E3,
град
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
5,0
3,0
4,0
4,0
1,0
1,0
2,0
2,0
0,5
0,5
1,0
0,5
0,5
0,4
0,4
0,4
1,0
0,9
0,8
0,9
0,5
0,5
0,6
0,7
0,8
0,4
0,5
1,0
1,0
0,9
0,9
0,8
1,5
1,75
2,0
1,5
1,75
2,0
1,5
1,75
2,0
1,5
1,75
1,5
1,75
2,0
1,5
1,75
50
75
100
125
150
50
75
100
125
150
125
60
65
70
75
80
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
45
45
45
45
45
45
45
45
45
45
45
45
45
45
45
45
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
49
Окончание табл. 17
Вар.
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
IdN, Uф2N,
mc
В
А
9,0
127
3
10,0 220
3
11,0 220
3
12,0 127
3
13,0 127
3
15,0 220
3
4,5
127
3
5,5
220
3
6,5
220
3
7,5
127
3
8,5
127
3
9,5
220
3
10,5 220
3
11,5 127
3
12,5 127
3
kт
fc,
Гц
хф,
Ом
Rcх,
Ом
'Uв.пр,
В
tq,
мкс
E 1,
град
E2,
град
E3,
град
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
0,4
0,3
0,3
0,25
0,25
0,2
0,5
0,4
0,4
0,4
0,4
0,3
0,3
0,25
0,25
0,8
0,6
0,6
0,5
0,5
0,4
1,5
0,9
0,9
0,8
0,8
0,6
0,6
0,5
0,5
2,0
1,5
1,75
2,0
1,5
1,75
1,75
20,
1,5
1,75
2,0
1,5
1,75
2,0
1,5
85
95
100
110
120
125
75
100
125
150
50
75
100
125
150
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
45
45
45
45
45
45
45
45
45
45
45
45
45
45
45
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
– номинальное значение тока цепи переменного тока, I2N;
– угол коммутации J, град;
– угол, необходимый для восстановления управляющей способности тиристора, Gвосст, град;
– и построить внешнюю характеристику зависимого инвертора,
Ud f(Id) при заданных значениях угла E, E E1; E E2; E E3 и изменении тока Id в пределах: 0 Id IdN;
– и построить ограничительную характеристику зависимого инвертора, Ud f(Id) при рассчитанном значении Gз min Gвосст и 4–5 значениях тока цепи постоянного тока Id в пределах: 0 Id IdN;
– и построить зависимость коэффициента мощности зависимого
инвертора, F, для трех заданных значениях угла E и изменении тока
Id в пределах: 0 Id IdN;
– и построить зависимость коэффициента полезного действия зависимого инвертора в функции тока, K f(Id), для трех заданных
значениях угла E и изменении тока Id в пределах: 0 Id Id N;
2.3. Основные параметры, характеризующие работу
инвертора тока последовательного типа в резонансном режиме
Рассмотрим работу резонансного инвертора на примере однофазной полумостовой схемы резонансного инвертора, схема которого
приведена на рис. 9. Резонансным режимом называется режим, при
котором частота собственных колебаний инвертора совпадает с ча50
ic1
VS1
Ud
Zнг
Lk1
Lk2
C1
O2
O1
iнг
VS2
ic2
C2
Рис. 9. Однофазная полумостовая схема резонансного инвертора
стотой управления инвертора. Частота собственных колебаний Z0
последовательного L-C-Rнг контура определяется по формуле
Z0
2
1 Rëá
2,
LC 4L
(78)
где L – эквивалентная индуктивность резонансного контура, Гн;
С – емкость конденсатора резонансного контура, Ф; Rнг – активное
сопротивление нагрузки, Ом.
В зависимости от соотношения частоты собственных колебаний Z0 и частоты переключения вентилей Zу, задаваемой системой
управления, различают три возможных режима работы инвертора:
– частота собственных колебаний ниже частоты переключения
вентилей, Z0 Zу – режим принудительной коммутации;
– частота собственных колебаний равна частоте переключения
вентилей, Z0 Zу – граничный режим;
– частота собственных колебаний выше частоты переключения,
Z0 !Zу – режим естественной коммутации.
Расчетная емкость резонансного контура С С1 С2.
На практике наиболее широкое применение находят граничный
режим и режим естественной коммутации тиристоров, обеспечивающие синусоидальную форму кривой тока нагрузки и достаточно
большой угол выключения E Gз.
Последнее дает возможность использовать инвертор последовательного типа на высоких рабочих частотах. Временные диаграммы токов
и напряжений для граничного режима представлены на рис. 10.
На рис. 10 отмечен угол E, на интервале которого к тиристору
прикладывается напряжение в обратном, т. е. запирающем направ51
а)
ivs1
б)
S
0
2S
Zt
3S
Zt
ivs2
uc
в)
Zt
u
г)
i
u
д)
uнг; iнг
'U
Zt
Uv1 = Uv2
E
Zt
Uvs1
e)
Uvs2
E
Uv3 = Uv4
Zt
Рис. 10. Временные диаграммы, поясняющие работу
резонансного инвертора: а – ток тиристора VS1; б – ток
тиристора VS2; в – напряжение на конденсаторе; г – напряжение uнг
и ток нагрузки iнг; д – напряжение на тиристоре VS1;
е – напряжение на тиристоре VS2
лении. При устойчивой работе инвертора угол E должен быть больше Eсх.min. Величина Eсх. min определяется величиной времени, необходимом тиристору для восстановления управляющих свойств (tq),
которое приводится в паспортных данных тиристора:
Eсх.min kзZуtq180/S,
где kз – коэффициент запаса. Как правило, kз принимается равным 2.
Для расчета инвертора, работающего в резонансном режиме
должны быть заданы следующие параметры:
– выходная мощность инвертора, Sнг N, ВА;
– выходное напряжение, Uнг N, В;
– коэффициент мощности нагрузки, cosMнг;
– пределы изменения выходной мощности: Sнг min Sнг Sнг N.
– частота управления инвертора fу.
Параметры нагрузки:
– номинальное значение тока нагрузки Iнг Sнг/Uнг;
52
– полное сопротивление нагрузки Zнг Uнг/Iнг;
– активное сопротивление нагрузки Rнг ZнгcosMнг;
– индуктивное сопротивления нагрузки: хнг ZнгsinMнг.
Индуктивность нагрузки Lнг хнг/(2Sfу).
При режиме естественной коммутации производиться выбор отношения частоты собственных колебаний резонансного контура инвертора (Z0) и частоты управления (Zу). Как правило, это отношение
принимается равным 1,1.
Важным параметром, характеризующим работу резонансного
инвертора, является добротность Q последовательного L-C-R контура. При резонансе напряжений
L
Q
C
Rëá
wL
Rëá
wb
,
Rëá
(79)
L
где
C – волновое сопротивление колебательного контура; xL 2SfуL –
индуктивное сопротивление цепи колебательного контура; xc 1/(2SfуC) –
емкостное сопротивления цепи колебательного контура.
Следует отметить, что добротность колебательного контура, рассчитанная по формуле (79), справедлива при резонансе, т. е. при равенстве частоты управления частоте собственных колебаний.
Из (79) можно определить требуемую величину индуктивности
цепи колебательного контура
L QRнг/(2Sfу)
(80)
При практических расчетах добротность колебательного контура может быть принята в пределах от 1 до 2. Ограничение величины
добротности в указанных пределах объясняется тем, что с увеличением добротности происходит увеличение напряжения на реактивных элементах, а при уменьшении добротности происходит ухудшение формы кривой напряжения нагрузки.
При активно-индуктивном характере нагрузки при расчете параметров колебательного контура необходимо учитывать индуктивность коммутирующего дросселя Lк и индуктивность нагрузки Lнг. В этом случае
L Lк Lнг.
(81)
Из (81) нетрудно определить требуемую индуктивность коммутирующего
Lк L – Lнг.
Емкость коммутирующего конденсатора С С1 С2 можно определить, воспользовавшись формулой для частоты собственных ко53
лебаний резонансного контура с учетом активного сопротивления
нагрузки (78):
2
1 Rëá
Z20
2.
LC 4L
1
.
(82)
2 ·
§ 2 Rëá
L ¨ Z0 2 ¸
¨
4L ¸¹
©
Емкость каждого из двух конденсаторов С1 С2 С/2.
Напомним, что при режиме естественного выключения вентилей частота собственных колебаний резонансного контура больше
частоты управления и вследствие этого работавший ранее тиристор
выключается раньше, чем поступит импульс управления на второй
тиристор. Таким образом при работе инвертора на каждом полупериоде появляется бестоковая пауза, время которой обозначим через tп.
Определим время бестоковой паузы tп:
tп S/Zу – S/Z0.
Угол задержки (между моментами выключения одного тиристора и включением другого), соответствующий интервалу бестоковой
паузы, tп, обозначим через Eп:
Eп Zуtп180/S.
(83)
Отметим, наличие бестоковой паузы (tп) и, конечно, угла задержки (Eп) увеличивает время, предоставляемое схемой каждому тиристору инвертора для восстановления их управляющих свойств и,
соответственно, повышает устойчивость работы инвертора. Часто,
в том случае, когда время бестоковой паузы (tп) больше времени tq,
реальное время, предоставляемое схемой тиристору для восстановления его управляющих способностей, не рассчитывают, так как
устойчивость работы инвертора уже обеспечена.
Следовательно, инвертор при выбранных параметрах и номинальном режиме работы будет работать устойчиво. Причем при
увеличении тока нагрузки (уменьшении проводимости нагрузки)
частота собственных колебаний увеличивается, угол Eп увеличивается, т. е. инвертор будет работать устойчиво вплоть до короткого
замыкания нагрузки. И, наоборот, уменьшении тока нагрузки (увеличении проводимости нагрузки) частота собственных колебаний
уменьшается и инвертор переходит из режима естественного выключения в граничный режим и далее в режим принудительной
коммутации.
C
54
С учетом этого при расчете резонансного инвертора необходимо
выполнить проверку устойчивости работы при минимальном токе
нагрузки.
Минимальный (допустимый) ток нагрузки, при котором еще будет обеспечивается надежное запирание тиристоров, т. е. при котором угол запирания E Eсх. min:
Iëá.âìí
sfEïó
min Uëá ïnrMëá
Uëá sin Mëá
wb
.
(84)
В задании указан диапазон регулирования мощности нагрузки,
исходя из которого можно установить минимальное значение тока
нагрузки, соответствующее минимальной нагрузке:
Iнг min Iнг N(Sнг min/Sнг N)
(85)
При устойчивой работе инвертора необходимо, чтобы Iнг min ! Iнг доп.
При переходе инвертора из режима естественного выключения
в граничный режим бестоковая пауза исчезает (tп 0) и устойчивость работы инвертора определяется углом E, значение которого
рассчитывается по формуле (86):
sfE
xëá
sfMëá ,
cos Mëá
§ xëá
·
E þqbsf ¨
sfMëá ¸,
¨ cos Mëá
¸
©
¹
(86)
где
xëá
xëá
ZÏ
1
.
Zëá ZÏ
(87)
y*нг – относительное значение проводимости нагрузки.
Схема будет устойчива при выполнении условия:
Et Emin kзZtq180/S.
(89)
Расчет требуемого значения
величины напряжения источника питания Ud
Для вывода зависимости напряжения источника питания от напряжения нагрузки и от отношения Z0/Zу, воспользуемся уравнением баланса мощностей (пренебрегая потерями):
UdId UнгIнгcosMнг.
(90)
55
Среднее значение тока Id за полупериод рабочей частоты можно
выразить через ток импульса Id имп., имеющий место при включении тиристоров:
Id Id импZу/Z0,
(91)
где Id имп – среднее значение тока импульса за полупериод собственной частоты контура.
2 2
(92)
Iæêí ,
S
где Iимп – действующее значение импульсного тока за полупериод
собственной частоты.
Тогда
Ic æêí
Ic
Zñ
2 2
Iæêí
S
Z0
Zñ
2 2
Iëá
S
Z0
Z0
Zñ
Zñ
2 2
.
Iëá
S
Z0
(93)
Подставляя (93) в (90), имеем:
Uc
Zñ
2 2
Iëá
S
Z0
Uëá Iëá cos Mëá ,
(94)
Z0
cos Mëá .
Zñ
(95)
откуда
Uc
S
2 2
Uëá
Формула (95) устанавливает связь между действующим значением напряжения нагрузки (Uнг) и средним значением напряжения
источника питания (Ud). По этому выражению можно определить
требуемое значение напряжения источника питания для получения
заданного значения напряжения нагрузки при заданном значении
коэффициента мощности нагрузки и отношении частот Z0/Zу.
Для учета потерь в инверторе необходимо полученное значение Ud (95) разделить на КПД инвертора.
Ucc
S
Kæë 2 2
Uëá
Z0
cos Mëá .
Zñ
(96)
Используя соотношения (96) и (93) можно рассчитать требуемое
значение напряжения источника питания (Ud) для обеспечения условия постоянства напряжения нагрузки, Uнг 115 В, и среднее значение входного тока, Id, при постоянном коэффициенте мощности
нагрузки (cosMнг 0,7) и трех значениях тока нагрузки (Iнг N; 1,1Iнг N
и 0,75Iнг N). КПД инвертора можно принять равным 0,8.
56
Определение максимальных значений обратного и прямого напряжений, а также среднего значения тока тиристора.
Расчет следует провести для режима максимальной нагрузки.
Для данного режима работы инвертора:
– ток нагрузки, Iнг Iнг max;
– индуктивность нагрузки, Lнг Гн;
– общая индуктивность, Lобщ Гн;
– активное сопротивление нагрузки, Rнг Ом;
– частота собственных колебаний, Z0 с–1.
Для расчета напряжений на тиристоре необходимо предварительно рассчитать коэффициент U:
U
1
1 dS 2Q
.
(97)
Причем добротность Q в формуле (97) необходимо рассчитать для
частоты равной частоте собственных колебаний при заданных параметрах колебательного контура:
Q Z0Lобщ/Rнг
Максимальное обратное напряжение на тиристоре, Uобр max:
Uобр max Ud(2ULк/Lобщ – 1).
(98)
Максимальное прямое напряжение на тиристоре, Uпр max:
Uпр max Ud2ULк/Lобщ.
(99)
Поскольку Uпр max !Uобр max тиристоры необходимо выбирать по
максимальному прямому напряжению с учетом коэффициента запаса по напряжению, kз.н 2.
В этом случае классификационное напряжение вентиля Uв. кл. 2Uпр max.
Определим среднее значение тока тиристора, Iв.ср.
Среднее значение тока тиристора равно половине среднего значения тока импульса, определяемого по формуле (93), т. е. Iв.ср 0,5Id:
Ià.ïî
0,5
Zñ
2 2
Iëá
.
S
Z0
(100)
Выбор тиристора производится с учетом коэффициента запаса по
току. Обычно kз.т 2.
Тиристоры выбираются по справочным данным, приведенным
в табл. 55 и 56 (см. Прил.).
57
Выбор разделительных конденсаторов
Разделительные конденсаторы выбираем по величине емкости
и максимальному рабочему напряжению.
Величина емкости каждого конденсатора С1 С2 С/2, а максимальное напряжение на конденсаторе, Uc max:
Uc max QUнг.
Конденсаторы выбираем по справочным данным, приведенным
в табл. 59–62 (см. Прил.).
Выбор коммутирующего дросселя
Как видно из схемы инвертора коммутирующий дроссель должен
иметь обмотку с выводом средней точки. Обмотка дросселя должна
размещаться на одном сердечнике магнитопровода. Индуктивность
одной полуобмотки дросселя должна быть равна Lк L – Lнг.
Сечение провода обмотки дросселя должно быть рассчитано на
действующее значение тока, Iдр. (S/2)Iв.ср.
2.4. Тема практического занятия № 8.
Методика расчета однофазного резонансного инвертора
Порядок выполнения задания:
1. Изучить по [2] устройство, принцип работы, вывод основных
расчетных соотношений однофазных резонансных инверторов.
2. Перед получением задания каждый студент должен пройти коллоквиум по теме практического задания. Тестовые вопросы для коллоквиума по теме практического занятия № 8 приведены в табл. 18.
3. После сдачи коллоквиума студент должен получить задание
для решения практической задачи. Варианты заданий к практическому занятию № 8 приведены в табл. 19.
4. Для заданного варианта задачи рассчитать:
– параметры цепи нагрузки, Zнг, Rнг, Xнг, Lнг;
– индуктивноcть цепи колебательного контура, L;
– индуктивность коммутирующего реактора, Lк;
– емкость коммутирующего конденсатора, С;
Таблица 18
Тестовые вопросы для коллоквиума
№
п/п
1
2
58
Перечень вопросов для коллоквиума
Дайте пояснение принципу работы резонансного инвертора.
Поясните каким образом достигается резонансный режим работы
инвертора.
Окончание табл. 18
№
п/п
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Перечень вопросов для коллоквиума
Приведите формулу для расчета частоты собственных колебаний Z0
последовательного L-C-Rнг контура.
Приведите формулу для расчета добротности L-C-Rнг последовательного
контура.
При каком соотношении частот Z0 и Zу достигается граничный режим
инвертора.
При каком соотношении частот Z0 и Zу достигается режим естественной
коммутации инвертора.
При каком соотношении частот Z0 и Zу достигается режим принудительной коммутации инвертора.
Приведите формулу для расчета величины индуктивности цепи колебательного контура.
Приведите формулу для расчета величины индуктивности цепи нагрузки.
Приведите формулу для расчета величины индуктивности коммутирующего дросселя.
Приведите формулу для расчета величины емкости коммутирующего
конденсатора.
Приведите формулу для расчета угла Eп, соответствующего бестоковой паузе tп.
Приведите формулу для расчета минимального (допустимого) ток нагрузки.
Приведите формулу для расчета среднего значения входного тока инвертора.
Приведите формулу для расчета требуемой величины входного напряжения инвертора при заданном значении коэффициента мощности нагрузки и отношении частот Z0/Zу.
Приведите формулу для расчета максимальной величины прямого
напряжения на тиристоре.
Приведите формулу для расчета среднего значения тока тиристоре.
Таблица 19
Варианты заданий к практическому занятию №8
Вар.
1
2
3
4
5
6
7
Sнг N, Uнг N,
S
,
cosMнг нг min
ВА
В
ВА
100
200
300
400
500
600
700
127
127
220
220
127
127
220
0,8
0,9
1,0
0,7
0,8
0,9
1,0
50
120
210
320
450
300
420
fу,
Гц
Вар.
50
50
50
50
50
50
50
17
18
19
20
21
22
23
Sнг N, Uнг N,
S
,
cosMнг нг min
ВА
В
ВА
600
700
800
900
1000
1100
150
115
200
200
115
115
200
115
0,9
1,0
0,7
0,8
0,9
1,0
0,58
350
400
500
700
800
900
700
fу,
Гц
400
400
400
400
400
400
200
59
Окончание табл. 19
Вар.
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Sнг N, Uнг N,
S
,
cosMнг нг min
ВА
В
ВА
800
900
1000
1100
100
200
300
400
500
220
127
127
220
115
115
200
200
115
0,7
0,8
0,9
1,0
0,8
0,9
1,0
0,7
0,8
560
720
900
800
60
100
200
300
400
fу,
Гц
50
50
50
50
400
400
400
400
400
Вар.
24
25
26
27
28
29
30
31
Sнг N, Uнг N,
S
,
cosMнг нг min
ВА
В
ВА
250
350
450
550
650
750
850
950
115
200
115
115
200
200
115
115
0,9
1,0
0,6
0,75
1,0
0,7
0,8
0,9
150
220
300
250
400
500
600
700
fу,
Гц
200
200
200
200
200
200
200
200
Таблица 20
Результаты расчета параметров инвертора
Iнг, А
—(Z0/Zу)
— (Zу/Z0)
Ud, В
Id, А
Iнг max, А
Iнг N, А
Iнг min, А
– минимальный угол запирания Eсх. min;
– минимальный (допустимый) ток нагрузки, Iнг min;
– параметры инвертора Ud и Id при значениях тока нагрузки
Iнг min 0,75Iнг N, Iнг N и Iнг max 1,1 Iнг N; результаты расчетов свести
в табл. 20;
– максимальное прямое напряжение на тиристоре, Uпр max;
– среднее значение тока тиристора, Iв.ср;
– выбрать тиристоры для инвертора;
– выбрать коммутирующий конденсатор;
– выбрать коммутирующий реактор.
По результатам расчета, приведенным в табл. 20, построить зависимости Ud f(Iнг) и Id f(Iнг).
Обозначения параметров, принятые в табл. 19: Sнг N – номинальная
выходная мощность инвертора; Uнг N – номинальное выходное напряжение; cosMнг – коэффициент мощности нагрузки; Sнг min Sнг Sнг –
пределы изменения выходной мощности; fу – частота управления инвертора.
2.5. Основные параметры, характеризующие работу
однофазных инверторов напряжения
Схемы однофазных инверторов напряжения приведены на рис. 11–14.
Схема однофазного одноплечевого инвертора приведена на рис. 11.
60
Схема однофазного инвертора напряжения с выводом нулевой
точки первичной обмотки трансформатора приведена на рис. 12.
Схема однофазного полномостового инвертора приведена на рис. 13.
Схема однофазного полумостового инвертора приведена на рис. 14.
В схемах, приведенных на рис. 11 и рис. 13, напряжение источника питания прикладывается к нагрузке (или к первичной обмотки трансформатора) полностью, а в схеме, приведенной на рис. 14,
к нагрузке прикладывается напряжение одного из конденсаторов,
Ud
VT1
VД1
VT2
VД2
–
Lнг
Rнг
Ud
–
Рис. 11. Однофазный одноплечевой инвертор напряжения
VT1
T
VD1
–
Zнг
Ud
VD2
VT2
Рис. 12. Однофазный инвертор напряжения
с выводом нулевой точки первичной обмотки трансформатора
61
V1
V3
W1
W2
V2
V2
C1
–
C2
L
Z
Рис. 13. Однофазный полномостовой (мостовой) инвертор напряжения
С1
VT1
VD1
VT2
VD2
Ud
Zнг
С2
–
Рис. 14. Однофазная полумостовая схема инвертора
равное половине напряжения источника питания. Это обстоятельство следует учитывать при расчете напряжения нагрузки (или первичной обмотки трансформатора).
Выходы инверторов напряжения, схемы которых приведены на рис. 11
и рис. 14, подключены непосредственно к нагрузке, а выходы инверторов,
схемы которых приведены на рис. 12 и рис. 13, подключены к нагрузке
через согласующий трансформатор Т. Применение того или иного способа
62
подключения нагрузки к выходу инвертора зависит от того требуется ли
согласование напряжения нагрузки с напряжением источника питания.
А это определяется параметрами источника питания и нагрузки, указанными в техническом задании на проектирование инвертора.
При широтном способе регулирования выходного напряжения инвертора необходимо регулировать ширину импульса напряжения (tи)
на интервале одного полупериода (T/2). Отношение длительности импульса к длительности полупериода выходного напряжения принято
называть коэффициентом заполнения импульса D, т. е.:
D tи/Тc,
(101)
где Тc T/2 – длительность полупериода выходного напряжения.
Гармонический состав выходного напряжения всех четырех схем при
реализации широтного способа регулирования одинаков и может быть
представлен разложением в ряд Фурье. Отличие заключается в величине коэффициента перед символом напряжения источника питания Ud.
Для схем инверторов, приведенных на рис. 11, рис. 12 и рис. 13:
4Uc §
DS
1
3 DS
sin Zs sin
sin 3Zs ¨ sin
2
3
2
S ©
1
5DS
1
QDS
·
sin 5Zs ˜˜˜ sin
sin QZs ¸.
sin
5
2
2
Q
¹
tàùó
(102)
Для схемы инвертора, приведенной на рис. 14:
2Uc §
DS
1
3 DS
sin Zs sin
sin 3Zs ¨ sin
2
3
2
S ©
1
5DS
1
Q DS
·
sin 5Zs ˜˜˜ sin
sin QZs ¸.
sin
5
2
Q
2
¹
tàùó
(103)
Из (102) и (103) видно, что амплитуда любой высшей гармоники напряжения обратно пропорционально номеру этой гармоники
и для схем рис. 11–13 определяется по формуле (104):
UQl
4Uc
Q DS
sin
,
QS
2
а для схемы рис. 14 – по формуле (105):
2Uc
Q DS
UQl
sin
.
QS
2
(104)
(105)
Действующее значение первой гармоники напряжения, U1, при
изменении коэффициента заполнения импульса в пределах 0 D 1
для схем рис. 11, рис. 12 и рис. 13 можно определить по формуле (106):
63
U1l
Uàùó (1)
2
0,9Uc sin
DS
,
2
(106)
а для схемы рис. 14 – по формуле (107):
U1l
DS
(107)
Uàùó (1)
0,45Uc sin
.
2
2
Действующее значение выходного напряжения инвертора с учетом всех гармоник, Uвых, для схем рис. 11, рис. 12 и рис. 13 можно
определить по формуле (108):
Uàùó
1
S
DS
2
³ (Uc )
cZs
Uc D ,
(108)
Uc
2
(109)
0
а для схемы рис. 14 – по формуле (108):
Uàùó
1
S
DS
³
0
2
§ Uc ·
¨
¸ cZs
© 2 ¹
D.
Для расчета согласующего трансформатора необходимо определить коэффициент трансформации трансформатора:
kтр W1/W2,
где W1 – число витков первичной обмотки трансформатора; W2 –
число витков вторичной обмотки трансформатора.
Поскольку величина напряжения на вторичной обмотки трансформатора определяется не только величиной коэффициента трансформации kтр, но величиной коэффициента заполнения импульса D,
то при расчете коэффициента трансформации необходимо учитывать
и коэффициент заполнения импульса D. Определение коэффициента трансформации трансформатора, kтр, проведем для случая минимального напряжения источника питания, Ud min. В этом режиме работы инвертора для обеспечения требуемого номинального значения
напряжения нагрузки коэффициент заполнения импульса должен
иметь максимальное значение, Dmax. Величина Dmax может быть
принята в пределах 0,9–0,95.
Величина Ud min Ud N(1 – 'Uc/100), где 'Uc – отклонение напряжения сети, указанное в техническом задании.
Кроме этого, необходимо учесть величину падения напряжения
на элементах схемы:
– 'Uтр – падение напряжения на обмотках трансформатора, приведенное к вторичной обмотке;
– 'Uкэ.нас – падение напряжения на открытом транзисторе.
64
Поскольку элементы инвертора еще не выбраны и их параметры не
известны, необходимо задаться значениями этих падений напряжения.
Можно принять 'Uтр (0,01–0,02)Uнг N. Падение напряжения
на одном открытом транзисторе 'Uкэ.нас 12 В.
Коэффициент трансформации трансформатора схем рис. 11 (при наличии согласующего трансформатора) и рис. 12:
kтр (Ud min – 'Uкэ.нас)Dmax/[Uнг N ('Uтр)Dmax].
(110)
Коэффициент трансформации трансформатора схемы рис. 13:
kтр (Ud min – 2'Uкэ.нас)Dmax/[Uнг N ('Uтр)Dmax].
(111)
Коэффициент трансформации трансформатора схемы рис. 14
(при наличии согласующего трансформатора):
kтр (0,5Ud min – 'Uкэ.нас)Dmax/[Uнг N ('Uтр)Dmax].
(112)
Далее необходимо определить номинальное значение коэффициента заполнения импульса DN:
– для схем рис. 11 и рис. 12:
S 2Uëá N jðî
2
arcsin
.
S
4(UcN 'Uèû ëÞï )
(113)
S 2Uëá N jðî
2
arcsin
.
S
4(UcN 2'Uèû ëÞï )
(114)
DN
– для схемы рис. 13:
DN
– для схемы рис. 14:
DN
S 2Uëá N jðî
2
arcsin
.
S
4(0,5UcN 2'Uèû. ëÞï. )
(115)
Действующее значение первой (основной) гармоники первичной
обмотки трансформатора:
– для схем рис. 11 и рис. 12:
4(UcN 'Uèû.ëÞï )
(116)
U1N
sin(SDN / 2).
S 2
– для схемы рис. 13:
4(UcN 2'Uèû.ëÞï )
(117)
U1N
sin(SDN / 2).
S 2
– для схемы рис. 14:
4(0,5UcN 'Uèû.ëÞï )
(118)
U1N
sin(SDN / 2).
S 2
65
Воспользовавшись формулами (116)–(118), необходимо рассчитать минимальные значения коэффициента заполнения импульса Dmin для каждой схемы инвертора. При этом вместо UdN следует
подставить
Udmax UdN(1 'Uc/100).
Напряжение вторичной обмотки трансформатора:
U2N U1N/kтр.
(119)
Для выполнения задания по обеспечению требуемого качества
напряжения нагрузки на выходе инвертора необходимо установить
выходной фильтр, так как это показано на рис. 13. В этом случае
емкость конденсатора С2 выбирается из условия компенсации реактивной составляющей тока нагрузки Iнг.р IнгsinMнг Ic2.
Емкостное сопротивление конденсатора С2:
xc2 Uнг/Ic2.
Требуемая величина емкости конденсатора С2:
С2 1/(2Sfxc2).
(120)
При наличии в цепи нагрузки конденсатора С2 по вторичной обмотке трансформатора протекает только активная составляющая
тока нагрузки, действующее значение которой определяется по формуле (121):
I2 Iнг.а IнгсosMнг.
(121)
Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора
для схем рис. 11, рис. 13 и рис. 14:
I1 I2/kтр.
(122)
Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора
для схемы рис. 12:
(123)
I1 I2 / ( 2jðî ).
Для выбора транзисторов необходимо определить значение максимального коллекторного тока транзистора Iк m и максимальное значение напряжения, прикладываемого к закрытому транзистору, Uкэ m.
Амплитудное значение коллекторного тока транзистора для
схем рис. 11, рис. 12 и рис. 13 определяется по формуле (124):
Iè l
2I2 / jðî .
(124)
Амплитудное значение коллекторного тока транзистора для схемы рис. 14 определяется по формуле (125):
Iè l
66
2 2I2 / jðî .
(125)
Максимальное напряжение Uкэ m транзисторов схем рис. 11
и рис. 12:
Uкэ m 2Ud.
(126)
Максимальное напряжение Uкэ m транзисторов схемы рис. 13
и рис. 14:
Uкэ m Ud.
(127)
Выбор транзисторов следует производить с учетом коэффициента запаса по току kз.т 2 и напряжению kз.н 2:
– номинальное значение тока коллектора Iк N !2Iк m,
– номинальное значение напряжение коллектор – эмиттер
Uкэ N !2Uкэ m.
Емкость конденсатора входного делителя для полумостовой схемы необходимо рассчитывать исходя из допустимой амплитуды (размаха) пульсаций Um п выбранного типа конденсатора по формуле:
С1 Рнг/(4KfпUm пUd min),
(128)
где fп – частота пульсаций напряжения на входе инвертора, fп 2fр;
Ud min – минимальное значение входного напряжения; K – коэффициент полезного действия инвертора (можно принять K | 0,9); fр –
частота выходного напряжения инвертора.
Расчет трансформатора
Для расчета трансформатора необходимо определить установленную (расчетную) мощность трансформатора, Sтр:
– для схем рис. 11, рис. 13 и рис. 14
Sтр (U1N I1N U2NI2N)/2;
(129)
– для схемы рис. 12
Sтр (2U1NI1N U2N I2N)/2.
(130)
Определим сечение сердечника трансформатора, Sc, воспользовавшись рекомендациями, изложенными в [3].
Sb
C
Sðî.D106
eBi
, ê2 .
(131)
Постоянный коэффициент С может быть принят равным: 0,5 –
для трансформаторов стержневого типа с круглыми катушками;
0,7 – для трансформаторов броневого типа. Коэффициент D Gc/Gм,
где Gc – вес стали сердечника, а Gм – вес меди обмоток.
При минимуме стоимости трансформатора D 4,5–5,5.
При минимуме веса трансформатора коэффициент D следует принимать равным от 2 до 3.
67
В – индукция в сердечнике трансформатора. При рабочей частоте f
равной 50 Гц значение индукции следует принимать равной 1,1–1,2 Тл,
а при рабочей частоте f равной 400 Гц значение индукции следует принимать равной 0,8–0,9 Тл.
Значение плотности тока j в обмотках трансформатора следует
принимать в зависимости от мощности трансформатора. При мощности трансформатора до 100 Вт плотность тока может быть принята в пределах 4,5–3,5 А/мм2, при мощности трансформатора от
100 Вт до 300 Вт плотность тока может быть принята в пределах от
3,5 до 2,5 А/мм2. При мощности трансформатора более 300 Вт плотность тока следует брать 2 А/мм2.
Например, для трансформатора с рабочей частотой 50 Гц и мощностью 200 Вт можно принять параметры равными: С 0,7; D 2,0;
В 1,1 Тл; j 2,5 А/мм2.
Коэффициент С принят равным 0,7, поскольку трансформатор
удобнее (технологичнее) выполнять на сердечнике с ленточным магнитопроводом типа ШЛ, который имеет броневую конструкцию.
Определим число витков первичной обмотки, W1:
W1 U1/(4BScf).
(132)
Округляем до целого числа.
Число витков вторичной обмотки, W2:
W2 W1/kтр.
Округляем до целого числа.
Уточним величину коэффициента трансформации:
kтр W1/W2.
Сечение провода первичной обмотки, q1:
q1 I1N/j,
где j – плотность тока в обмотке.
Сечение провода вторичной обмотки, q2:
q2 I2N/j.
Провода для обмоток выбираем по справочным данным, приведенным в табл. 52.
Определим коэффициент заполнения окна трансформатора:
– для схем рис. 11, рис. 13 и рис. 14:
kзап (q1W1 q2W2)/Sок;
(133)
– для схемы рис. 12
kзап (2q1W1 q2W2)/Sок.
68
(134)
Коэффициент заполнения окна трансформатора не должен превышать 0,3, т. е. kзап d 0,3.
Расчет параметров выходного фильтра
Качество напряжения переменного тока оценивается коэффициентом гармоник. Коэффициент гармоник (или коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения), kг – это отношение
действующего значения напряжения всех высших гармоник к действующему значению напряжению первой гармоники:
f
¦ UQ2
já
2
U1
,
(135)
где Q – номер гармоники; UQ – действующее значение Q-ой гармоники напряжения.
Для cинусоидального напряжения kг 0.
Выходное напряжение инвертора, при широтном регулировании
содержит все нечетные гармоники, включая третью и кратные ей.
Для расчета параметров выходного фильтра необходимо определить
значения коэффициент режекции на всем диапазоне изменения коэффициента заполнения импульса, а именно: для D1 D1max 0,9;
D2 DN; D3 Dmin для гармоник, имеющих наименьшие частоты
(третьей и пятой).
Коэффициент режекции kN для любой высшей гармоники при широтном способе регулирования можно рассчитать по формуле (136):
jN
sin(DS / 2) 3
Q ,
sin(QDS / 2)
(136)
где Q – номер гармоники в составе выходного напряжения инвертора.
Результаты расчета коэффициентов режекции для третьей (k3)
и пятой (k5) гармоник для рассчитанных ранее значений коэффициентов заполнения импульса необходимо свести в табл. 21.
Таблица 21
Расчет значений коэффициента режекции
Значения D
D1
Значения коэффициента kN
Для третьей гармоники (Q 3)
Для пятой гармоники (Q 5)
D max
D2 DN
D3 Dmin
69
Фильтр следует рассчитывать на подавление высшей гармоники,
имеющей наименьший коэффициент режекции.
Затем следует рассчитать параметры выходного фильтра дросселя L и конденсатора С1.
Для определения значений индуктивности L и емкости конденсатора фильтра С1, воспользуемся уравнениями (137) и (138):
Z2LC1 (1 kг.выхkN/Q2)/(1 kг.выхkN).
(137)
L/C1 2R2нг(1 – Z2LC1),
(138)
Решая эти уравнения определяем значения индуктивности дросселя фильтра L и конденсатора фильтра С1. Дроссель и конденсатор выбираем по справочным данным, приведенным в табл. 48–50 (см. Прил.).
Расчет потерь мощности и КПД инвертора
Потери мощности в трансформаторе 'Ртр включают в себя потери
мощности в обмотках трансформатора (электрические потери) 'Рэл
и потери мощности в магнитопроводе трансформатора (магнитные
потери) 'Рм:
'Ртр 'Рэл 'Рм.
(139)
2
'Рэл.тр I dRтр,
где Rтр – активное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное к вторичной обмотке
Rðî
jRLUc 103 eî Bl
4
.
Ic eî Bl
Uc Ic
(140)
где Id – ток, потребляемый инвертором из источника постоянного
тока; Ud – напряжение источника питания инвертора; fр – рабочая частота инвертора; Bm – максимальное значение индукции в сердечнике
трансформатора; krL 6,5Â103 – коэффициент, учитывающий фазность
трансформатора.
Потери в магнитопроводе трансформатора:
'Рм.тр Рудm,
(141)
где Руд – удельные магнитные потери электротехнической стали, из
которой выполнен сердечник трансформатора; m – масса сердечника магнитопровода, кг.
Потери мощности в транзисторах,
в диодах и дросселе фильтра
Потери мощности в транзисторе имеют две составляющие – статические потери, 'РVT ст, и динамические, 'РVT дин.
70
'РVT 'РVT ст 'РVT дин.
(142)
'РVT ст 'Uкэ.насIк. ср;
'РVT дин UdIdÂNfр(tвкл tвыкл)/2;
где tвкл и tвыкл – время включения и выключения транзистора.
Потери мощности на диоде:
'РVD 'Uв.прIVD.
Потери мощности на активном сопротивлении обмотки дросселя, RL, с учетом того, что Iдр Iнг N.
'Рдр Iдр2RL.
КПД инвертора при номинальном режиме работы:
K Рнг/(Рнг 6'Рп).
(143)
где 6'Рп 'Ртр 'РVT 'РVD 'Рдр – суммарные потери инвертора.
Расчет площади радиатора для транзистора
Определим площадь радиатора Sp необходимого для отвода тепла, выделяемого транзистором при его работе:
Sp ! 1000/(Rр.сVт),
(144)
где Vт – коэффициент теплоотдачи от радиатора в окружающую среду; Rр.с – тепловое сопротивление радиатор – окружающая среда;
Rр.с Rт – Rп.к – Rк.р;
Rт – суммарное тепловое сопротивление, qС/Вт; Rп.к – тепловое сопротивление р-n переход – корпус транзистора (из справочных данных транзистора); Rк.р |0,33 qС/Вт – тепловое сопротивление корпус–радиатор;
Rт (4п.доп – 4ср) /'PVT;
4п.доп – допустимая температура перехода транзистора; 4ср – температура окружающей среды (указана в задании на проектирование).
Площадь радиатора следует выбирать с запасом не менее чем
в 1,5–2 раза.
Статический расчет
замкнутой по напряжению системы инвертора
Цель статического расчета – определение коэффициента усиления предварительного усилителя, который обеспечит требуемую
точность поддержания напряжения нагрузки. Требуемая точность
поддержания напряжения нагрузки приводится в техническом задании на расчет инвертора.
71
Введем обозначения: ПУ –предварительный усилитель; Ин – инвертор вместе с системой управления; ДН – датчик напряжения;
UG Uз – Uосн – напряжение рассогласования; Uз – напряжение задания; Uосн – напряжение обратной связи; Uу – напряжение управления на входе системы управления инвертора; kп.у – коэффициент
усилия предварительного усилителя; kин – коэффициент усиления
силовой схемы инвертор; kд.н – коэффициент передачи датчика напряжения; Еин – ЭДС на выходе инвертора (на вторичной обмотке
трансформатора); Rсх – активное сопротивление элементов схемы,
по которым протекает ток нагрузки.
Соотношения между параметрами схемы:
UG Uз – Uосн;
(145)
Uосн kд.нUнг;
(146)
Uу kп.уUG;
(147)
Еин kинUу;
(148)
Еин Uнг N Iнг NRc Uнг N 'Uнг.р,
(149)
где 'Uнг.р Iнг NRcx – падение напряжения на элементах схемы при
разомкнутой системе.
При широтном регулировании напряжения регулировочная характеристика системы управления линейная.
Njу D, а Njу max Dmax, следовательно:
Uу max Njу max Uоп max.
Величина Uоп max выбирается при разработке системы управления. Наиболее приемлемые значения Uоп max 5 В или Uоп max 10 В.
Если принято Uоп max 5 В, то Uу max 5Njу max 5Dmax В.
Если принято Dmax 0,9, то Uу max 4,5 В.
Определив величину Uу max и величину Еин, можно определить
коэффициент усиления преобразователя, kин:
kин Еин/Uу max.
Решая уравнения (145)–(149), получим:
(Uз – kд.нUнг N)kп.уkин Uнг N 'Uнг.р
Uнг N (1 kп.уkд.нkин)
Uнг N
kп.уkинUз 'Uнг.р
((kп.уkин)Uз/(1 К)) – 'Uнг.р/(1 К),
(150)
где ((kп.уkин)Uз/(1 К)) Uин0 – напряжение холостого хода инвертора при замкнутой системе.
'Uнг.р/(1 К) 'Uнг.з – отклонение напряжения нагрузки при
замкнутой системе.
72
Величина К определяется из соотношения:
'Uнг.р/'Uнг.з К 1.
(151)
К ('Uнг.р/'Uнг.з) – 1 kп.уkд.нkин.
(152)
Далее необходимо определить значение коэффициентов kп.у и kдн.
Поскольку неизвестны значения двух коэффициентов, необходимо
еще одно уравнение в дополнение к уравнению
kп.уkд.нkин К.
Это второе уравнение можно вывести из вышеприведенных уравнений:
kп.у Uy/UG Uу max/(Uз – kд.нUнг N).
(153)
Приняв Uз 5 В и, зная значения Uу max и Uнг N, можно рассчитать kп.у и kд.н.
2.6. Тема практического занятия № 9.
Методика расчета
однофазного одноплечевого инвертора напряжения
Схема инвертора, приведенная на рис. 11, должна содержать согласующий трансформатор и выходной фильтр, аналогично схеме рис. 13.
Порядок выполнения задания:
1. Изучить по [2] устройство, принцип работы, вывод основных
расчетных соотношений однофазного одноплечевого инвертора напряжения.
2. Перед получением задания каждый студент должен пройти коллоквиум по теме практического задания. Тестовые вопросы
для коллоквиума по теме практического занятия № 9 приведены
в табл. 22.
3. После сдачи коллоквиума студент должен получить задание
для решения практической задачи. Варианты заданий к практическому занятию № 9 приведены в табл. 23.
4. Для заданного варианта задачи рассчитать:
– загрузку транзисторов и диодов по току и напряжению и выбрать их;
– напряжение первичной и вторичной обмоток трансформатора;
– трансформатор;
– параметры выходного фильтра и выбрать дроссель и конденсатор фильтра;
– потери мощности и КПД инвертора;
– радиатор для отвода тепла от транзисторов;
– статический расчет замкнутой по напряжению системы.
73
Таблица 22
Тестовые вопросы для коллоквиума
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
74
Перечень вопросов для коллоквиума
Дайте пояснение принципу работы однофазного одноплечевого инвертора напряжения.
Сформулируйте достоинства и недостатки одноплечевого инвертора
напряжения.
Поясните каким образом осуществляется регулирование выходного
напряжения инвертора.
Приведите формулу для расчета действующего значения основной гармоники выходного напряжения инвертора при широтном регулировании.
Приведите формулу для расчета действующего значения выходного
напряжения инвертора при широтном регулировании.
Постройте регулировочную характеристику одноплечевого инвертора напряжения, U*нг f(D).
Приведите формулу для расчета коэффициента режекции выходного
напряжения инвертора.
Приведите формулу для расчета коэффициента гармоник выходного
напряжения инвертора.
Приведите формулу для расчета номинального значения коэффициента заполнения импульса, DN.
Приведите формулу для расчета установленной мощности трансформатора.
Приведите формулу для расчета cечения сердечника трансформатора.
Приведите формулу для расчета числа витков первичной обмотки
трансформатора.
Приведите формулу для расчета числа витков вторичной обмотки
трансформатора.
Приведите формулу для расчета коэффициента заполнения окна сердечника трансформатора.
Приведите формулу для расчета электрических потерь мощности
трансформатора.
Приведите формулу для расчета магнитных потерь мощности трансформатора.
Приведите формулу для расчета КПД трансформатора.
Приведите формулу для расчета потерь мощности транзистора.
Приведите формулу для расчета потерь мощности диода.
Приведите формулу для расчета потерь мощности в дросселе выходного фильтра.
Приведите формулу для расчета общего коэффициента усиления замкнутой системы инвертора напряжения.
Приведите формулу для расчета коэффициента усиления предварительного усилителя.
Приведите формулу для расчета коэффициента передачи датчика напряжения.
Таблица 23
Варианты заданий к практическому занятию № 9
Вар.
Uнг N, В
Iнг N, А
cosMнг
UdN, Вт
'Ud
fр, Гц
kвых
1
127
1,0
0,6
24
10
50
0,05
2
220
2,0
0,7
24
15
50
0,06
3
127
3,0
0,8
48
20
50
0,07
4
220
4,0
0,9
48
25
50
0,08
127
5,0
0,8
36
30
50
0,07
6
220
6,0
0,7
24
25
50
0,06
7
127
7,0
0,6
36
20
50
0,05
8
220
8,0
0,7
48
15
50
0,06
9
127
9,0
0,8
24
10
50
0,07
10
220
10,0
0,9
36
15
50
0,06
11
127
9,0
0,8
48
20
50
0,05
12
115
8,0
0,7
24
25
400
0,04
13
200
7,0
0,6
36
30
400
0,05
14
40
6,0
0,7
48
25
400
0,06
15
115
5,0
0,8
24
20
400
0,07
16
200
4,0
0,9
36
15
400
0,08
17
40
3,0
0,8
48
10
400
0,07
18
115
2,0
0,7
24
15
400
0,06
19
200
1,0
0,6
36
20
400
0,05
20
40
2,0
0,7
48
25
400
0,06
21
115
3,0
0,8
24
30
400
0,07
22
200
4,0
0,9
36
25
400
0,08
23
200
7,5
0,65
50
35
300
0,05
24
40
6,5
0,75
55
25
300
0,06
25
115
5,5
0,85
60
20
300
0,07
26
200
4,5
0,95
65
15
300
0,08
27
40
3,5
0,85
70
10
300
0,07
28
115
2,5
0,75
75
15
300
0,06
29
200
1,5
0,65
80
20
300
0,05
30
40
2,5
0,75
85
25
300
0,06
31
115
3,5
0,85
60
30
300
0,07
32
200
4,5
0,95
36
35
300
0,08
75
2.7. Тема практического занятия № 10.
Методика расчета однофазного инвертора напряжения
с выводом нулевой точки первичной обмотки трансформатора
Схема инвертора, приведенная на рис. 12, должна содержать выходной фильтр, аналогично схеме рис. 13.
Порядок выполнения задания:
1. Изучить по [2] устройство, принцип работы, вывод основных
расчетных соотношений однофазного инвертора напряжения с выводом нулевой точки первичной обмотки трансформатора.
2. Перед получением задания каждый студент должен пройти коллоквиум по теме практического задания. Тестовые вопросы для коллоквиума по теме практического занятия № 10 приведены в табл. 24.
3. После сдачи коллоквиума студент должен получить задание
для решения практической задачи. Варианты заданий к практическому занятию № 10 приведены в табл. 25.
Таблица 24
Тестовые вопросы для коллоквиума
№
п/п
Перечень вопросов для коллоквиума
1
Дайте пояснение принципу работы однофазного инвертора напряжения с выводом нулевой точки первичной обмотки трансформатора.
2
Сформулируйте достоинства и недостатки однофазного инвертора напряжения с выводом нулевой точки первичной обмотки трансформатора.
3
Поясните каким образом осуществляется регулирование выходного
напряжения инвертора.
4
Приведите формулу для расчета действующего значения основной гармоники выходного напряжения инвертора при широтном регулировании.
5
Приведите формулу для расчета действующего значения выходного напряжения инвертора (с учетом всех гармоник) при широтном регулировании.
Приведите формулу для расчета коэффициента режекции выходного напряжения инвертора.
Приведите формулу для расчета коэффициента гармоник выходного
7
напряжения инвертора.
Приведите формулу для расчета номинального значения коэффици8
ента заполнения импульса, DN.
Приведите формулу для расчета cечения сердечника магнитопрово9
да трансформатора.
Приведите формулу для расчета установленной мощности трансфор10
матора.
6
76
Окончание табл. 24
№
п/п
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Перечень вопросов для коллоквиума
Приведите формулу для расчета числа витков первичной обмотки
трансформатора.
Приведите формулу для расчета числа витков вторичной обмотки
трансформатора.
Приведите формулу для расчета коэффициента заполнения окна
сердечника трансформатора.
Приведите формулу для расчета действующего значения тока первичной обмотки трансформатора.
Приведите формулу для расчета электрических потерь мощности
трансформатора.
Приведите формулу для расчета магнитных потерь мощности трансформатора.
Приведите формулу для расчета КПД трансформатора.
Приведите формулу для расчета потерь мощности транзистора.
Приведите формулу для расчета потерь мощности диода.
Приведите формулу для расчета потерь мощности в дросселе выходного фильтра.
Приведите формулу для расчета общего коэффициента усиления
замкнутой системы инвертора напряжения.
Приведите формулу для расчета коэффициента усиления предварительного усилителя.
Приведите формулу для расчета коэффициента передачи датчика
напряжения.
Таблица 25
Варианты заданий к практическому занятию № 10
Вар.
Uнг N, В
Iнг N, А
cosMнг
UdN, В
'Ud
fр, Гц
kвых
1
2
3
4
5
7
8
9
10
127
220
127
220
127
220
127
220
127
220
1,5
2,5
3,5
4,5
5,5
6,5
7,5
8,5
9,5
10,0
0,6
0,7
0,8
0,9
0,8
0,7
0,6
0,7
0,8
0,9
24
24
12
12
36
24
36
12
24
36
10
15
20
25
30
25
20
15
10
15
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
0,05
0,06
0,07
0,08
0,07
0,06
0,05
0,06
0,07
0,06
77
Окончание табл. 25
Вар.
Uнг N, В
Iнг N, А
cosMнг
UdN, В
'Ud
fр, Гц
kвых
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
127
115
200
40
115
200
40
115
200
40
115
200
200
40
115
200
40
115
200
40
115
9,5
8,5
7,5
6,5
5,5
4,5
3,5
2,5
1,5
2,5
3,5
4,5
7,5
6,5
5,5
4,5
3,5
2,5
1,5
2,5
3,5
0,8
0,7
0,6
0,7
0,8
0,9
0,8
0,7
0,6
0,7
0,8
0,9
0,65
0,75
0,85
0,9
0,85
0,75
0,65
0,75
0,85
12
24
36
12
24
36
12
24
36
12
24
36
40
46
48
50
55
48
36
24
48
20
25
30
25
20
15
10
15
20
25
30
25
30
25
20
15
10
15
20
25
30
50
400
400
400
400
400
400
400
400
400
400
400
300
300
300
300
300
300
300
300
300
0,05
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,07
0,06
0,05
0,06
0,07
0,08
0,05
0,06
0,07
0,08
0,07
0,06
0,05
0,06
0,07
4. Для заданного варианта задачи рассчитать:
– загрузку транзисторов и диодов по току и напряжению и выбрать их;
– напряжение первичной и вторичной обмоток трансформатора;
– трансформатор;
– параметры выходного фильтра и выбрать дроссель и конденсатор фильтра;
– потери мощности и КПД инвертора;
– радиатор для отвода тепла от транзисторов;
– статический расчет замкнутой по напряжению системы.
2.8. Тема практического занятия № 11.
Методика расчета
однофазного полномостового инвертора напряжения
Схема инвертора приведена на рис. 13.
Порядок выполнения задания:
1. Изучить по [2] устройство, принцип работы, вывод основных расчетных соотношений однофазного полномостового инвертора напряжения.
78
2. Перед получением задания каждый студент должен пройти коллоквиум по теме практического задания. Тестовые вопросы для коллоквиума по теме практического занятия № 11 приведены в табл. 26.
3. После сдачи коллоквиума студент должен получить задание
для решения практической задачи. Варианты заданий к практическому занятию № 11 приведены в табл. 27.
Таблица 26
Тестовые вопросы для коллоквиума
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Перечень вопросов для коллоквиума
Дайте пояснение принципу работы однофазного полномостового инвертора напряжения.
Поясните в чем отличие полномостового от полумостового инвертора
напряжения.
Поясните каким образом осуществляется регулирование выходного
напряжения инвертора.
Приведите формулу для расчета действующего значения основной гармоники выходного напряжения инвертора при широтном регулировании.
Приведите формулу для расчета действующего значения выходного
напряжения инвертора при широтном регулировании.
Приведите формулу для расчета коэффициента режекции выходного
напряжения инвертора.
Приведите формулу для расчета коэффициента гармоник выходного
напряжения инвертора.
Приведите формулу для расчета номинального значения коэффициента заполнения импульса, DN.
Приведите формулу для расчета сечения сердечника магнитопровода
трансформатора.
Приведите формулу для расчета установленной мощности трансформатора.
Приведите формулу для расчета числа витков первичной обмотки
трансформатора.
Приведите формулу для расчета числа витков вторичной обмотки
трансформатора.
Приведите формулу для расчета коэффициента заполнения окна сердечника магнитопровода трансформатора.
Приведите формулу для расчета электрических потерь мощности
трансформатора.
Приведите формулу для расчета магнитных потерь мощности трансформатора.
Приведите формулу для расчета КПД трансформатора.
Приведите формулу для расчета потерь мощности транзистора.
Приведите формулу для расчета потерь мощности диода.
Приведите формулу для расчета потерь мощности в дросселе выходного фильтра.
79
Окончание табл. 26
№
п/п
Перечень вопросов для коллоквиума
Приведите формулу для расчета общего коэффициента усиления замкнутой системы инвертора напряжения.
Приведите формулу для расчета коэффициента усиления предвари21
тельного усилителя.
Приведите формулу для расчета коэффициента передачи датчика на22
пряжения.
20
Таблица 27
Варианты заданий к практическому занятию № 11
Вар.
Uнг N, В
Iнг N, А
cosMнг
UdN, В
'Ud
fр, Гц
kвых
1
2
3
4
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
127
220
127
220
127
220
127
220
127
220
127
115
200
40
115
200
40
115
200
40
115
200
200
100
115
200
48
115
200
48
115
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
9,0
8,0
7,0
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
2,0
3,0
4,0
7,5
6,5
5,5
4,5
3,5
2,5
1,5
2,5
3,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0,8
0,7
0,6
0,7
0,8
0,9
0,8
0,7
0,6
0,7
0,8
0,9
0,8
0,7
0,6
0,7
0,8
0,9
0,6
0,7
0,8
0,9
0,8
0,7
0,6
0,7
0,8
110
110
150
150
110
110
150
150
110
110
150
150
110
110
150
150
110
110
150
150
110
110
110
110
150
150
110
110
150
150
110
10
15
20
25
30
25
20
15
10
15
20
25
30
25
20
15
10
15
20
25
30
25
10
15
20
25
30
25
20
15
10
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
400
400
400
400
400
400
400
400
400
400
400
300
300
300
300
300
300
300
300
300
0,05
0,06
0,07
0,08
0,07
0,06
0,05
0,06
0,07
0,06
0,05
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,07
0,06
0,05
0,06
0,07
0,08
0,05
0,06
0,07
0,08
0,07
0,06
0,05
0,06
0,07
80
4. Для заданного варианта задачи рассчитать:
По заданным параметрам, приведенным в табл. 27, рассчитать:
– загрузку транзисторов и диодов по току и напряжению и выбрать их;
– напряжение первичной и вторичной обмоток трансформатора;
– трансформатор;
– параметры выходного фильтра и выбрать дроссель и конденсатор фильтра;
– потери мощности и КПД инвертора;
– радиатор для отвода тепла от транзисторов;
– статический расчет замкнутой по напряжению системы.
2.9. Тема практического занятия № 12.
Методика расчета
однофазного полумостового инвертора напряжения
Схема инвертора, приведенная на рис. 14, должна быть дополнена согласующим трансформатором и выходным фильтром, аналогично схеме рис. 13.
Порядок выполнения задания:
1. Изучить по [2] устройство, принцип работы, вывод основных расчетных соотношений однофазного полумостового инвертора напряжения.
2. Перед получением задания каждый студент должен пройти коллоквиум по теме практического задания. Тестовые вопросы для коллоквиума по теме практического занятия № 12 приведены в табл. 28.
3. После сдачи коллоквиума студент должен получить задание
для решения практической задачи. Варианты заданий к практическому занятию № 12 приведены в табл. 29.
Таблица 28
Тестовые вопросы для коллоквиума
№
п/п
1
2
3
4
5
Перечень вопросов для коллоквиума
Дайте пояснение принципу работы однофазного полумостового инвертора напряжения.
Укажите отличия полумостового и полномостового инверторов напряжения.
Поясните каким образом осуществляется регулирование выходного
напряжения инвертора.
Приведите формулу для расчета действующего значения основной гармоники выходного напряжения инвертора при широтном регулировании.
Приведите формулу для расчета действующего значения выходного
напряжения инвертора при широтном регулировании.
81
Окончание табл. 28
№
п/п
Перечень вопросов для коллоквиума
Постройте регулировочную характеристику полномостового инвертора напряжения.
Приведите формулу для расчета конденсатора входного делителя.
Приведите формулу для расчета коэффициента режекции выходного
напряжения инвертора.
Приведите формулу для расчета коэффициента гармоник выходного
напряжения инвертора.
Приведите формулу для расчета номинального значения коэффициента заполнения импульса, DN.
Приведите формулу для расчета сечения сердечника трансформатора.
Приведите формулу для расчета установленной мощности трансформатора.
Приведите формулу для расчета числа витков первичной обмотки
трансформатора.
Приведите формулу для расчета числа витков вторичной обмотки
трансформатора.
Приведите формулу для расчета коэффициента заполнения окна сердечникаагнитопровода трансформатора.
Приведите формулу для расчета электрических потерь мощности
трансформатора.
Приведите формулу для расчета магнитных потерь мощности трансформатора.
Приведите формулу для расчета КПД трансформатора.
Приведите формулу для расчета потерь мощности транзистора.
Приведите формулу для расчета потерь мощности диода.
Приведите формулу для расчета потерь мощности в дросселе выходного фильтра.
Приведите формулу для расчета общего коэффициента усиления замкнутой системы инвертора напряжения.
Приведите формулу для расчета коэффициента усиления предварительного усилителя.
Приведите формулу для расчета коэффициента передачи датчика напряжения.
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
Таблица 29
Варианты заданий к практическому занятию №12
Вар.
Uнг N, В
Iнг N, А
cosMнг
UdN, В
'Ud
fр, Гц
kвых
1
2
3
4
127
220
127
220
127
1,5
2,5
3,5
4,5
5,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0,8
500
500
400
400
300
10
15
20
25
30
200
200
200
200
200
0,05
0,06
0,07
0,08
0,07
82
Продолжение табл. 29
Вар.
Uнг N, В
Iнг N, А
cosMнг
UdN, В
'Ud
fр, Гц
kвых
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
220
127
220
127
220
127
115
200
40
115
200
6,5
7,5
8,5
9,5
10,0
9,5
8,5
7,5
6,5
5,5
4,5
0,7
0,6
0,7
0,8
0,9
0,8
0,7
0,6
0,7
0,8
0,9
300
400
400
500
500
400
400
300
300
400
400
25
20
15
10
15
20
25
30
25
20
15
200
200
200
200
200
200
400
400
400
400
400
0,06
0,05
0,06
0,07
0,06
0,05
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
40
115
200
40
115
200
200
48
115
200
48
115
200
48
115
3,5
2,5
1,5
2,5
3,5
4,5
7,0
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
2,0
3,0
0,8
0,7
0,6
0,7
0,8
0,9
0,6
0,7
0,8
0,9
0,8
0,7
0,6
0,7
0,8
500
500
400
400
300
300
350
350
450
450
550
550
450
450
350
10
15
20
25
30
25
10
15
20
25
30
25
20
15
10
400
400
400
400
400
400
300
300
300
300
300
300
300
300
300
0,07
0,06
0,05
0,06
0,07
0,08
0,05
0,06
0,07
0,08
0,07
0,06
0,05
0,06
0,07
4. По заданным параметрам, приведенным в табл. 29, рассчитать:
– загрузку транзисторов и диодов по току и напряжению и выбрать их;
– напряжение первичной и вторичной обмоток трансформатора;
– трансформатор;
– емкость конденсатора входного делителя;
– параметры выходного фильтра и выбрать дроссель и конденсатор фильтра;
– потери мощности и КПД инвертора;
– радиатор для отвода тепла от транзисторов;
– статический расчет замкнутой по напряжению системы.
83
2.10. Основные параметры,
характеризующие работу трехфазного инвертора напряжения
Силовая схема трехфазного инвертора напряжения приведена
на рис. 15
Действующее значение линейного напряжения нагрузки инвертора напряжения с синусоидальной ШИМ
3
(154)
PUàó,
2 2
где Uвх – среднее значение напряжения на входе инвертора; P – коэффициент модуляции.
Пользуясь (154) можно определить требуемое значение напряжения
постоянного тока на входе инвертора, если задано значение линейного
напряжения нагрузки (например, асинхронного двигателя).
Uëá.é
Uàó
2 2 Uëá.é N
,
3 Pmax
(155)
где Uнг.л N – номинальное значение линейного напряжения нагрузки;
Pmax – максимальное значение коэффициента скважности.
При практических расчетах можно принять Pmax 0,9.
Обратим внимание на то, что при синусоидальной широтно – импульсной модуляции действующее значение выходного напряжения инвертора (Uнг.л) даже при коэффициенте модуляции равном
единице меньше того значения выходного напряжения инвертора,
которое имеет место быть при управлении инвертора с постоянной
Uвх
VT1
Uy1
A
VT4
VD3
VD5
Uy5
B
VD6
Uy6
Uy4
VT5
VT3
VD1
Uy3
VT6
C
VD2
VD6
Uy2
VT2
–
Нагрузка
Рис. 15. Схема трехфазного инвертора напряжения
84
длительностью сигнала управления транзистора (Oи.у 180q). Действительно,
3
2
Uàó Uàó .
2 2
3
При двигательном характере нагрузки необходимо по паспортным
данным АД определить номинальное значение тока фазы двигателя:
IòN
P2N
,
3K cos MUòN
(156)
где K – КПД асинхронного двигателя.
В динамических режимах работы АД ток может достигать значения Iф max (Iп/IN)IфN, а амплитудное значение этого тока
Iò l max
2Iò max .
(157)
Именно это значение тока необходимо использовать при расчете
загрузки транзисторов и диодов по току.
Среднее значение тока транзистора, Ivт ср.
Iò l max
SP
Iuð ïî
(1 cos Mëá ).
(158)
2S
4
где Iф m max – максимальное амплитудное значение тока фазы нагрузки; cosMнг – коэффициент мощности нагрузки.
При малых значениях частоты модулирующего сигнала (частоты выходного напряжения) среднее значение тока транзистора имеет максимальное значение:
(159)
Ivт ср max Iф m max(1 P)/2.
Максимальное значение тока коллектора, Iк max, по которому
следует выбирать транзистор определяется по формуле (160):
(160)
Iè lþw Iò l max
2Iò lþw ,
где Iф max– максимальное действующее значение тока фазы инвертора.
Выбор диодов обратного тока следует проводить по среднему значению тока, Ivд ср:
Iò l max
SP
(161)
Iuâ ïî
(1 cos Mëá ).
S
2
4
При малых значениях частоты модулирующего сигнала (частоты выходного напряжения) среднее значение тока диода имеет максимальное значение:
Ivд ср max Iф m max(1 – P)/2.
(162)
85
Максимальное напряжение на транзисторах и диодах обратного
тока можно принять равным максимальному значению напряжения, питающего инвертор, т. е.
Uкэ Uvд Ud max.
(163)
При питании инвертора напряжения от источника постоянного
напряжения с односторонней проводимостью (от выпрямителя) возникает необходимость в установке на входе инвертора компенсирующего конденсатора, который должен принимать энергию в моменты времени, когда ток направлен от инвертора к источнику питания. Емкость компенсирующего конденсатора может быть найдена
по следующей формуле [3]:
C0
Mëá(1) S / 6
3 PIò l max
sin
,
2 eëãï 'Ub
2
(164)
где 'Uc – допустимое перенапряжение на конденсаторе; Iнг m – амплитудное значение тока нагрузки; fнес – несущая частота ШИМ;
Mнг(1) – фазовый угол между первыми гармониками напряжения
и тока.
Расчет значения С0 следует провести для двух значениях несущей частоты, fнес 1 2,5 кГц и fнес 2 5,0 кГц.
Значение 'Uc следует принять в пределах от 0,05Uвх N до 0,1Uвх N.
Расчетное соотношение (163) показывает, что емкость компенсирующего конденсатора не зависит от выходной частоты. Это обстоятельство позволяет использовать инверторы с ШИМ для работы на
очень низких выходных частотах. Далее, емкость компенсирующего конденсатора обратно пропорциональна несущей частоте. Благодаря тому, что несущая частота достаточно высока, емкость компенсирующего конденсатора в инверторах напряжения с ШИМ всегда
меньше чем у инверторов без ШИМ.
2.11. Тема практического занятия № 13.
Методика расчета трехфазного инвертора напряжения
Схема инвертора приведена на рис. 15.
Порядок выполнения задания:
1. Изучить по [2] устройство, принцип работы, вывод основных
расчетных соотношений трехфазного инвертора напряжения.
2. Перед получением задания каждый студент должен пройти коллоквиум по теме практического задания. Тестовые вопросы
для коллоквиума по теме практического занятия № 13 приведены
в табл. 30 решения практической задачи.
86
Таблица 30
Тестовые вопросы для коллоквиума
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
14
Перечень вопросов для коллоквиума
Дайте пояснение принципу работы трехфазного инвертора напряжения.
Поясните каким образом осуществляется регулирование частоты
выходного напряжения инвертора.
Поясните каким образом осуществляется регулирование величины
выходного напряжения инвертора.
Приведите формулу для расчета действующего значения основной
гармоники выходного напряжения инвертора при широтно – импульсной модуляции.
Приведите формулу для расчета среднего значения напряжения источника питания инвертора напряжения.
Приведите формулу для расчета среднего значения коллекторного
тока транзистора инвертора напряжения.
Приведите формулу для расчета максимального (амплитудного) значения коллекторного тока транзистора инвертора напряжения.
Укажите по какому значению – максимальному (амплитудному)
или среднему значению следует выбирать транзистор.
Приведите формулу для расчета среднего значения тока диода инвертора напряжения.
Укажите чему равно максимальное напряжение на закрытом транзисторе и диоде.
Приведите формулу для расчета емкости компенсирующего конденсатора.
Укажите для каких целей следует применять компенсирующий конденсатор.
Укажите каким образом можно осуществить реверс направления
вращения асинхронного двигателя, питающегося от инвертора.
3. После сдачи коллоквиума студент должен получить задание
для решения практической задачи. Варианты заданий к практическому занятию № 13 приведены в табл. 31.
4. Для заданного варианта задачи рассчитать:
– загрузку транзисторов и диодов по току и напряжению и выбрать их;
– регулировочную характеристику инвертора и построить ее;
– емкость компенсирующего конденсатора при двух значениях несущей частоты fнес1 2,5 кГц и fнес2 5,0 кГц и двух допустимых значений перенапряжений конденсатора 'Uc1 0,05Uвх N и 'Uc2 0,1 Uвх N.
87
Таблица 31
Варианты заданий к практическому занятию № 13
U , Рдв N,
Вар. ф N
cosMнг
В
Вт
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
220
220
220
220
220
220
220
220
220
220
220
220
220
220
220
220
0,25
0,55
1,1
2,2
4,0
7,5
15,0
30,0
45,0
55,0
75
0,12
0,18
0,37
0,75
1,5
0,77
0,86
0,87
0,87
0,89
0,86
0,82
0,92
0,81
0,92
0,89
0,70
0,76
0,86
0,87
0,85
K
0,68
0,73
0,77
0,83
0,86
0,88
0,87
0,90
0,91
0,91
0,91
0,63
0,66
0,70
0,77
0,81
Iп/ fN,
U , Рдв N,
Вар. ф N
cosMнг
В
Вт
IN Гц
2,2
2,2
2,2
2,3
2,3
2,3
2,4
2,4
2,4
2,5
2,5
2,2
2,2
2,2
2,3
2,3
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
220
220
220
220
220
220
220
220
220
220
220
220
220
220
220
3,0
5,5
11
18,5
22
37
0,18
0,37
0,75
1,5
3,0
5,5
11
18,5
22
0,87
0,86
0,90
0,92
0,91
0,89
0,76
0,86
0,87
0,85
0,87
0,86
0,90
0,92
0,91
K
0,84
0,83
0,88
0,88
0,88
0,9
0,65
0,75
0,75
0,85
0,85
0,80
0,80
0,90
0,90
Iп/ fN,
IN Гц
2,3
2,3
2,4
2,4
2,4
2,4
2,2
2,2
2,3
2,3
2,3
2,3
2,4
2,4
2,4
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
В табл. 31 приведены параметры асинхронных двигателей серии 4А, имеющих синхронную скорость вращения поля статора
равную 3000 об/мин и используемых в качестве нагрузки трехфазного инвертора напряжения.
88
3. ВТОРИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
Практические занятия этого модуля проводятся по разделам курса:
«Однотактные преобразователи постоянного напряжения», «Двухтактные преобразователи постоянного напряжения», «Прямоходовые
и обратноходовые однотактные преобразователи». Содержание этого
модуля изложено в [3] и в конспектах лекций.
3.1. Основные параметры, характеризующие работу
однотактного преобразователя постоянного напряжения
с последовательным ключевым элементом ОППН-I
На рис. 16 приведена схема ОППН-I с обратной связью по напряжению.
Расчет загрузки элементов схемы и их выбор
Величина напряжения нагрузки ОППН-I без учета падения напряжения на элементах схемы:
Uнг Uвхtи/T UвхD,
где D tи/T – коэффициент заполнения импульса; tи – длительность
импульса; T 1/fp – период следования импульсов управления.
Определим в первом приближении минимальное, максимальное
и номинальное значения коэффициента заполнения импульса Dmin,
Dmax, DN соответственно с учетом падения напряжения на элементах схемы и отклонений входного напряжения:
Dmax (Uнг N 'URL2)/(Uвх min – 'URL1 – 'Uкэ.нас);
(165)
Dmin (Uнг N 'URL2)/(Uвх max – 'URL1 – 'Uкэ.нас);
(166)
DN (Uнг N 'URL2)/(Uвх N – 'URL1 – 'Uкэ.нас).
(167)
Поскольку дроссель сглаживающего фильтра и транзистор еще не
выбраны, примем падение напряжения на активном сопротивлении обмотки дросселя Lф, 'URL, исходя из общепринятых рекомендаций [3]:
'URL (0,01–0,04)Uвх N;
а 'Uкэ.нас примем в пределах 1,5–2 В.
VT
ШИММОДУЛЯТОР
С1
VD
–
ИОН
Uвых
С2
–
–
Рис. 16. Схема ОППН-I с обратной связью по напряжению
89
Далее необходимо рассчитать коэффициента пульсаций kп1 на
входе фильтра Lф – С2 при двух значениях коэффициента заполнения импульса Dmax и Dmin.
kп1 [2/(SD)]sin (180qD).
(168)
Расчет параметров фильтра следует вести для режима работы
ОППН I при том значении D, при котором коэффициент пульсаций
kп1 принимает наибольшее значение.
Расчет критического значения индуктивности дросселя Lкр:
Lкр UвхD(1 – D)/(2Iнгfр).
(169)
Для гарантированного обеспечения непрерывности тока нагрузки индуктивность дросселя Lф должна быть в 1,5–2 раза больше
рассчитанного значения индуктивности Lкр.
Рабочая частота переключения транзистора fр выбирается исходя из условия минимизации массы и габаритов проектируемого
ОППН-I с учетом частотных характеристик транзисторов, которые
могут быть применены при реализации проектируемого ОППН-I.
При значениях fр 1–5 кГц возможно применение биполярных
транзисторов, при значениях fр 5–15 кГц возможно применение
транзисторов IGBT, а при fр 15–100 кГц следует применять полевые транзисторы (MOSFET).
Определим величину максимального отклонения тока цепи нагрузки 'IL2:
'IL2 Imax – Imin (Uвх – Uнг)Dmin/(Lфf),
а действующее значение этого тока
'IL2Â.Å
'IL2
12.
Для расчета требуемого значения емкости конденсатора С2 необходимо рассчитать интегральный параметр фильтра LфC2
LфC2 (1 – D)/8kп2f2), ГнÂФ.
(170)
Требуемую величину емкости конденсатора C2 определим, разделив интегральный параметр LфC2 на индуктивность выбранного
дросселя Lф.
C2 (LфC2)/Lф, мкФ.
(171)
Конденсатор можно выбрать по справочным данным, приведенным в табл. 60–62 (см. Прил.). Емкость которого должна быть не менее рассчитанного значения С2, а рабочее напряжение конденсатора
должно быть не менее 2Uнг. Записать параметры:
– номинальное значение емкости СN;
– номинальное значение напряжения UСN;
90
– допустимое максимальное значение тока переменной составляющей Iпер max;
– внутреннее сопротивление конденсатора rС.
Если Iпер.д.з ! 'IL2 д.з, то условие выбора конденсатора фильтра
выполнено.
Iíãî. â.å Iíãî lþw / 2.
Далее необходимо провести проверку фильтра на резонанс. Для
отсутствия резонанса необходимо, чтобы частота собственных колебаний фильтра Zс.к была бы меньше половины частоты пульсаций
напряжения Zп, т. е.:
Zс.к 0,5Zп,
Zï.è 1
Lò C2 ,
Zп 2Sfр.
От параметров выбранного конденсатора зависит величина коэффициента пульсаций напряжения нагрузки kп2.
Определим полный размах пульсации выходного напряжения
на полном сопротивлении конденсатора
UÍ2
'IL wC2 2 qC22 ,
(172)
где 'IL2 Imax – Imin (Uвх – Uнг)Dmin/(Lфf), а коэффициент пульсаций напряжения нагрузки kп2 Uп2/(2Uнг).
Полученное значение kп2 необходимо сравнить с коэффициентом kп2, указанном в задании. Если рассчитанное значение коэффициента kп2 меньше заданного, то параметры фильтра выбраны
правильно.
Определим загрузку транзистора VT по току и напряжению.
Максимальное значение тока коллектора Iк max определим по
формуле
Iк max I2 (tиULи)/(2Lф),
(173)
где I2 – среднее значение тока нагрузки; tи – длительность импульса
тока; ULи – напряжение на дросселе Lф на интервале импульса; Lф –
индуктивность дросселя Lф.
ULи Uвх N – Uнг N – 'Uкэ.нас – 'URL1,
(174)
tи DmaxТ.
Напряжение на закрытом транзисторе Uкэ и на закрытом диоде
UVD определяем по формуле (174):
Uкэ UVD Uвх.
(175)
91
Выбираем по справочным данным, приведенным в табл. 63–68
(см. Прил.), транзистор с двойным запасом по току и напряжению. Следует записать номинальные значения параметров выбранного транзистора:
Iк.и max ; Uкэ N В; 'Uкэ.нас В; tвкл мкс, tвыкл мкс, коэффициент передачи по току h21Э, максимальная рассеиваемая мощность
Вт, граничная частота fгр
мГц, тепловое сопротивление
Pmax
р-n переход – корпус транзистора Rп.к qС/Вт.
Загрузка диода по току определяется по формуле (176):
Iïî VD
1
T
sí
³ h2 (s)cs
Iëá (1 D).
(176)
0
Выбираем по справочным данным, приведенным в табл. 54
(см. Прил.), диод с двойным запасом по току и напряжению. Номинальные значения параметров диода:
Uобр max В, IN А, 'Uв.пр В, tвосст нс.
Внешняя характеристика. Внешней характеристикой ОППН-I принято называть зависимость Uн f(Iн) при Uвх const, f const, D const.
Uн (Uвх – 'UVТ)D – IнRсх,
(177)
где 'UVТ – падение напряжения на открытом транзисторе; Rсх RL Rпр–
активные сопротивления обмотки дросселя RL и соединительных проводников Rпр.
Регулировочная характеристика. Регулировочной характеристикой ОППН-I принято называть зависимость Uн f(D) при Uвх const,
f const, Iн IнN const. Расчет регулировочной характеристики выполняется по формуле (176).
Расчет потерь мощности и КПД
В этой схеме потери мощности выделяются на активном сопротивлении обмотки дросселя, 'Рдр, на транзисторе, 'РVT, и на диоде, 'РVD.
При номинальном токе нагрузки и номинальном коэффициенте
заполнении импульса, DN, потери мощности составляют: потери
на активном сопротивлении обмотки дросселя, RL:
'Рдр Iдр2RL, Вт.
Потери на транзисторе имеют две составляющие – статические
потери, 'РVT ст, и динамические, 'РVT дин.
'РVT 'РVT ст 'РVT дин.
Среднее значение тока, протекающего через транзистор:
Iк.ср Iнг ND, А.
92
'РVT ст 'Uкэ.насIк.ср, Вт;
'РVT дин. UнгIнг Nfр(tвкл tвыкл)/2, Вт.
Потери мощности на диоде:
'РVD 'Uв.прIVD, Вт.
КПД преобразователя при номинальном режиме работы
K Рнг/(Рнг 6'Рп),
где 6'Рп 'Рдр 'РVT 'РVD.
(178)
Расчет площади радиатора для транзистора
Определим площадь радиатора Sp необходимого для отвода тепла, выделяемого транзистором при его работе:
Sp ! 1000 /( Rр.сVт),
(179)
где Vт – коэффициент теплоотдачи от радиатора в окружающую среду;
Rр.с – тепловое сопротивление радиатор – окружающая среда.
Rр.с Rт – Rп.к – Rк.р;
(180)
Rт – суммарное тепловое сопротивление; Rп.к 0,3 qС/Вт – тепловое сопротивление р-n переход – корпус транзистора (из справочных
данных транзистора); Rк.р 0,33 qС/Вт – тепловое сопротивление
корпус–радиатор.
Rт (4п.доп – 4ср)/'PVT;
(181)
4п.доп – допустимая температура перехода транзистора; 4ср – температура окружающей среды (указана в задании на проектирование).
Площадь радиатора следует выбирать с запасом не менее чем
в 1,5–2 раза.
Статический расчет замкнутой по напряжению системы
Введем относительные параметры: Njу Uу/Uоп max – относительное значение напряжения управления на входе системы управления; Uоп max – максимальное значение опорного сигнала системы
управления; Ɯпр Епр/Епр0 – относительное значение ЭДС на выходе
преобразователя.
Епр0 – это ЭДС холостого хода на выходе преобразователя при номинальном значении входного напряжения (Uвх N) и коэффициенте
заполнении импульса, равном единице, т. е. D 1. Следовательно:
Епр0 Uвх N, а Ɯпр Епр/Uвх N.
Определим требуемую величину ЭДС преобразователя с учетом
отклонения напряжения источника питания. Примем значение
тока нагрузки равным номинальному значению.
93
Епр Uвх minDmax Uнг N Iнг NRcx 'Uкэ.нас,
(182)
где Uвх min Uвх N – 'Uвх Uвх N [1 – ( 'Uвх)/100]; Dmax – максимальное значение коэффициента заполнения импульса; Rcx RLф – эквивалентное сопротивление схемы; 'Uкэ.нас – падение напряжения на
открытом транзисторе.
Максимальное значение коэффициента заполнения импульса:
Dmax (Uнг N Iнг NRcx 'Uкэ.нас)/(Uвх min).
(183)
В режиме непрерывного тока регулировочная характеристика
имеет линейный характер.
Следовательно, Njу D, а Njу max Dmax, и Uу max Njу maxUоп max.
Величина Uоп max выбирается при разработке системы управления. Наиболее приемлемые значения Uоп max 5 В или Uоп max 10 В.
Если принято Uоп max 5 В, то Uу max 5Njу max 5Dmax, В. Определив величину Uу max и величину Епр, можно определить коэффициент усиления преобразователя, kпр:
kпр Епр/Uу max.
(184)
На рис. 17 приведена структурная схема ОППН-I с обратной связью по напряжению.
Условные обозначения элементов схемы и параметров, принятые на
рис. 17: ПУ – предварительный усилитель; ПР – преобразователь вместе с системой управления; ДН – датчик напряжения; UG Uз – Uосн –
напряжение рассогласования; Uз – напряжение задания; Uосн – напряжение обратной связи; Uу – напряжение управления на входе преобразователя; kп.у – коэффициент усилия предварительного усилителя;
kпр – коэффициент усиления преобразователя; kд.н – коэффициент
передачи датчика напряжения; Епр – ЭДС на выходе преобразователя;
Rсх – активное сопротивление элементов схемы, по которым протекает
ток нагрузки.
kпр
kпу
Uкз нас
Uį
Uзад
–
Uосн
–
Uy
ПУ
I2
R1
Rнг
Rcx
En
R2
ДН
Рис. 17. Структурная схема ОППН-I с обратной связью по напряжению
94
Соотношения между параметрами схемы:
UG Uз – Uосн;
(185)
Uосн kд.нUнг;
(186)
Uу kп.уUG;
(187)
Епр kпрUу;
(188)
Епр Uнг N Iнг NRcx 'Uкэ.нас Uнг N 'Uнг.р,
(189)
где 'Uнг.р Iнг NRcx 'Uкэ.нас – падение напряжения на элементах
схемы при разомкнутой системе.
Решая уравнения (185)–(189), получим:
(Uз – kд.нUнг N)kп.уkпр Uнг N 'Uнг.р
Uнг N (1 kп.уkд.нkпр) kп.уkпрUз 'Uнг.р
Uнг N ((kп.уkпр)Uз/(1 К)) – 'Uнг.р/(1 К),
(190)
где ((kп.уkпр)Uз/(1 К)) Uпр0 – напряжение холостого хода преобразователя при замкнутой системе.
'Uнг.р/(1 К) 'Uнг.з – отклонение напряжения нагрузки при замкнутой системе.
Величина К определяется из соотношения:
'Uнг.р/ 'Uнг.з К 1.
(191)
К ('Uнг.р/'Uнг.з) – 1 kп.уkд.нkпр.
(192)
Далее необходимо определить значение коэффициентов kп.у и kдн.
Поскольку неизвестны значения двух коэффициентов, необходимо
еще одно уравнение в дополнение к уравнению:
kп.уkд.нkпр К.
Это уравнение можно вывести из вышеприведенных уравнений:
kп.у Uy/UG Uу max/(Uз – kд.нUнг N).
(193)
Приняв Uз 5 В и, зная значения Uу max и Uнг N, можно рассчитать kп.у и kд.н. Для проверки правильности выполненных расчетов
необходимо рассчитать значение Uнг N по формуле (189).
3.2. Тема практического занятия № 14.
Методика расчета стабилизатора напряжения
постоянного тока, выполненного по схеме
однотактного преобразователя постоянного напряжения
с последовательным ключевым элементом (ОППН-I)
Схема ОППН-I приведена на рис. 16.
Порядок выполнения задания:
1. Изучить по [3] устройство, принцип работы, вывод основных расчетных соотношений стабилизатора напряжения постоянного тока,
95
выполненного по схеме однотактного преобразователя постоянного напряжения с последовательным ключевым элементом (ОППН-I).
2. Перед получением задания каждый студент должен пройти коллоквиум по теме практического задания. Тестовые вопросы для коллоквиума по теме практического занятия № 14 приведены в табл. 32.
3. После сдачи коллоквиума студент должен получить задание
для решения практической задачи. Варианты заданий к практическому занятию № 14 приведены в табл. 33.
Таблица 32
Тестовые вопросы для коллоквиума
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
96
Перечень вопросов для коллоквиума
Дайте пояснение принципу работы однотактного преобразователя
постоянного напряжения с последовательным ключевым элементом,
ОППН-I.
Поясните каким образом осуществляется cтабилизация выходного
напряжения преобразователя.
Напишите формулу для расчета коэффициента заполнения импульса.
Напишите формулы для расчета минимального, максимального
и номинального значения коэффициента заполнения импульса.
Напишите формулы для расчета коэффициента пульсаций напряжения на входе сглаживающего фильтра.
Напишите формулы для расчета требуемого значения индуктивности дросселя сглаживающего фильтра.
Напишите формулы для расчета требуемого значения емкости конденсатора сглаживающего фильтра.
Напишите формулы для расчета частоты собственных колебаний сглаживающего фильтра.
Укажите по каким параметрам следует выбирать транзистор. Напишите формулы для определения этих параметров.
Укажите по каким параметрам следует выбирать диод. Напишите
формулы для определения этих параметров.
Напишите формулы для расчета потерь мощности на элементах преобразователя.
Напишите формулу для расчета площади радиатора для охлаждения
транзистора и дайте необходимые пояснения.
Укажите в чем заключается суть статического расчета спроектированного преобразователя.
Напишите формулу для расчета коэффициента усиления преобразователя.
Укажите каким образом следует рассчитать требуемый коэффициент
усиления предварительного усилителя.
Таблица 33
Варианты заданий к практическому занятию №14
Вар.
Uнг N, В
Iнг N, А
r'Uнг, kп2
Uвх, В
r'Uвх.
4ср, qС
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
12
12
14
14
16
16
18
18
20
20
22
22
24
24
36
36
48
48
50
50
60
60
28
28
32
32
44
44
48
48
52
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
11,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
3,0
2,5
3,5
4,5
5,5
5,5
4,5
3,5
2,5
1,5
0,10
0,11
0,12
0,13
0,14
0,15
0,15
0,14
0,13
0,12
0,11
0,10
0,11
0,12
0,13
0,14
0,15
0,15
0,14
0,13
0,12
0,11
0,16
0,16
0,17
0,17
0,18
0,18
0,17
0,17
0,16
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,08
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
20
24
24
28
30
32
34
36
38
40
42
44
46
48
50
54
56
60
66
70
75
75
50
50
60
60
65
65
70
70
75
10
15
20
25
30
30
25
20
15
10
15
10
15
20
25
30
30
25
20
15
10
15
25
30
25
20
20
25
25
20
20
20
25
30
35
40
45
40
35
30
25
20
20
25
30
35
40
45
40
35
30
25
20
25
30
35
40
45
40
35
30
25
4. Для заданного варианта задачи рассчитать:
– значения коэффициента заполнения импульса Dmax, Dmin, DN
при различных значениях входного напряжения;
– максимальное значение коэффициент пульсаций на входе сглаживающего фильтра kп1;
– параметры слаживающего фильтра Lф и С2 и выбрать дроссель
и конденсатор фильтра;
– выполнить проверку фильтра на отсутствие резонанса и обеспечение заданного коэффициента пульсаций напряжения нагрузки;
97
– загрузку транзистора и диода по току и напряжению и выбрать их;
– и построить регулировочную характеристику ОППН-I;
– и построить внешнюю характеристику ОППН-I;
– потери мощности и КПД преобразователя;
– площадь радиатора для охлаждения транзистора;
– выполнить статический расчет спроектированного стабилизатора напряжения;
– используя программу SIMULINK, оценить реакцию спроектированной системы на возмущение по каналу управления и по цепи
нагрузки.
Обозначения параметров, принятые в табл. 33: Uнг N – номинальное значение напряжения нагрузки; Iнг N – номинальное значение
тока нагрузки; r'Uнг, – допустимое отклонение напряжения нагрузки, в процентах; kп2 – требуемое значение коэффициента пульсаций напряжения нагрузки, о. е.; Uвх N – номинальное значение
входного напряжения; r'Uвх. – отклонение входного напряжения
преобразователя, в процентах; 4ср, qС – температура окружающей
среды, градусы Цельсия.
3.3. Основные параметры, характеризующие работу
однотактного преобразователя постоянного напряжения
с параллельным ключевым элементом ОППН-II
На рис. 18 приведена схема ОППН-II.
Расчет загрузки элементов схемы и их выбор
Определим в первом приближении значения коэффициента заполнения импульса D: DN – номинальное значение; Dmax – максимальное значение; Dmin – минимальное значение.
L1
Iнг
VD
iк
Uнг
Uвх
VT
С
Rнг
Uy.vt
–
Рис. 18. Схема однотактного преобразователя постоянного напряжения
с параллельным ключевым элементом, ОПНН-II
98
С учетом рекомендаций [3] примем значение падения напряжения
на элементах схемы: 'URL (0,01–0,03)Uвх – падение напряжения на
активном сопротивлении обмотки дросселя; 'Uкэ.нас 1–1,5 В – падение напряжения на открытом транзисторе; 'Uв. пр 1–1,5 В – прямое
падение напряжения на открытом диоде.
Определим значения коэффициента заполнения импульса из соотношения для напряжения нагрузки:
Uнг (Uвх – 'URL – 'Uв. пр)/(1 – D);
(194)
DN 1 – (Uвх N – 'URL – 'Uв. пр)/Uнг N;
(195)
Dmax 1 – (Uвх min – 'URL – 'Uв. пр)/Uнг N;
(196)
Dmin 1 – (Uвх max – 'URL – 'Uв. пр)/Uнг N.
(197)
Расчет требуемого значения индуктивности дросселя L:
Наибольшая величина индуктивности необходима при значении
коэффициента заполнения импульса D Dmin и входном напряжении Uвх Uвх max:
Lкр [Uвх max Dmin(1 – Dmin)]/(2Iнгfp),
(198)
где fp – частота переключения транзистора.
Среднее значение тока дросселя
Iдр Iнг/(1 – DN).
(199)
Необходимо выбрать дроссель с индуктивностью, величина которой больше в 1,5–2 раза рассчитанной Lкр.
По параметрам выбранного дросселя (RL) определить падение напряжения на активном сопротивлении обмотки дросселя
'URL IдрRL [Iнг/(1 – Dmax)]RL.
(200)
Рассчитанную величину 'URL сравнить с принятым ранее падением напряжения на активном сопротивлении обмотки дросселя.
При большом расхождении этих значений выполнить заново расчет
значений коэффициентов заполнения импульса.
Расчет параметров транзистора
Определим максимальное значение тока коллектора транзистора, Iк max:
Iк max [Iнг/(1 – D)](tиULи)/(2L),
(201)
где ULи Uвх – 'Uкэ.нас – 'URL – напряжение на обмотке дросселя на
интервале открытого состояния транзистора, tи.
При D Dmax
tи DmaxТ Dmax/fp.
99
Напряжение на коллекторе закрытого транзистора
Uкэ Uнг N 'Uв. пр.
(202)
Среднее значение тока транзистора при D DN
Iк. ср (IнгDN)/( 1 – DN).
(203)
Выбираем транзистор с учетом коэффициентов запаса по току
kз.т 2 и напряжению kз.н 2.
Номинальные значения параметров транзистора: Iк.и max; Uкэ N;
'Uкэ.нас; tвкл; tвыкл; h21Э; Pmax; fгран.
Расчетная мощность транзистора:
РVT Uкэ.насIк max [Iнг/(1 – Dmax)]Uнг Рнг/(1 – Dmax). (204)
Расчет параметров диода
Средний ток диода IVD Iнг.
Напряжение на диоде:
UVD обр max Uнг N 'Uкэ.нас.
(205)
Выбираем диод с учетом коэффициентов запаса по току kз.т 2
и напряжению kз.н 2.
Параметры выбранного диода: IVD N; UVD обр max; 'Uв. пр.
Внешние характеристики преобразователя в режиме непрерывного тока. при учете конечного сопротивления схемы Rсх:
Uнг (Uвх – 'URL – 'Uв.пр)(1 – DN)/[(1 – DN)2 (Rсх/Rнг)]. (206)
Регулировочная характеристика ОППН-II представляет собой
зависимость Uнг f(D) при Uвх const и Rнг Rнг N и Rсх RL рассчитывается по формуле (206):
Uнг (Uвх – 'URL – 'Uв.пр)(1 – D)/[(1 – D)2 (Rсх/Rнг)]. (206)
Расчет величины емкости фильтра
Пульсации напряжения на конденсаторе равны пульсациям напряжения на нагрузке:
'UС2 IнгD/(fС2).
(207)
Из формулы (206) легко определить требуемую величину емкости фильтра, С2, при известных значениях тока нагрузки, Iнг, коэффициента заполнения импульса, D, и требуемой по техническому
заданию величины напряжения пульсаций, Uпул:
С2 IнгD/(fUпул),
(208)
где Uпул kп2Uнг.
100
Конденсатор требуемой емкости выбираем по справочным данным, приведенным в табл. 61–62 (см. Прил.).
Расчет потерь мощности и КПД преобразователя
В этой схеме потери мощности выделяются на дросселе, 'Рдр, на
транзисторе, 'РVT, и на диоде, 'РVD.
При номинальном токе нагрузки и номинальном коэффициенте
заполнения импульса, DN, потери мощности на активном сопротивлении обмотки дросселя составят:
'Рдр Iдр2RL [Iнг/(1 – DN)]2RL.
(209)
Потери на транзисторе имеют две составляющие – статические
потери, 'РVT ст, и динамические, 'РVT дин:
'РVT ст 'Uкэ.насIVT ср 'Uкэ.нас[(IнгDN)/(1 – DN)].
(210)
'РVT дин UнгIVT срfр(tвкл tвыкл)/2.
(211)
Потери мощности на диоде
'РVD 'Uв.прIVD.
(212)
Определим КПД K спроектированного преобразователя при номинальном режиме работы:
K Рнг/(Рнг 6'Рп),
(213)
где 6'Рп 'РVT 'РVD 'Рдр – суммарные потери преобразователя.
Расчет площади радиатора для отвода тепла, выделяемого транзистором, проводится по методике, приведенной в п. 3.1.
Статический расчет системы выполняется по методике, приведенной в п. 3.1.
3.4. Тема практического занятия № 15.
Методика расчета стабилизатора напряжения
постоянного тока, выполненного по схеме
однотактного преобразователя постоянного напряжения
с параллельным ключевым элементом (ОППН-II)
Схема ОППН-I приведена на рис. 18.
Порядок выполнения задания:
1. Изучить по [3] устройство, принцип работы, вывод основных
расчетных соотношений стабилизатора напряжения постоянного
тока, выполненного по схеме однотактного преобразователя постоянного напряжения с параллельным ключевым элементом (ОППН-I).
2. Перед получением задания каждый студент должен пройти коллоквиум по теме практического задания. Тестовые вопросы для коллоквиума по теме практического занятия № 15 приведены в табл. 34.
101
Таблица 34
Тестовые вопросы для коллоквиума
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Перечень вопросов для коллоквиума
Дайте пояснение принципу работы однотактного преобразователя постоянного напряжения с параллельным ключевым элементом, ОППН-II.
Поясните каким образом осуществляется cтабилизация выходного
напряжения преобразователя.
Напишите формулу для расчета коэффициента заполнения импульса.
Напишите формулы для расчета минимального, максимального
и номинального значения коэффициента заполнения импульса.
Напишите формулы для расчета требуемого значения индуктивности дросселя на входе преобразователя.
Напишите формулы для расчета требуемого значения емкости конденсатора сглаживающего фильтра.
Укажите по каким параметрам следует выбирать транзистор. Напишите формулы для определения этих параметров.
Укажите по каким параметрам следует выбирать диод. Напишите
формулы для определения этих параметров.
Напишите формулы для расчета потерь мощности на элементах преобразователя.
Напишите формулу для расчета площади радиатора для охлаждения
транзистора и дайте необходимые пояснения.
Укажите в чем заключается суть статического расчета спроектированного преобразователя.
Напишите формулу для расчета коэффициента усиления преобразователя.
Укажите каким образом следует рассчитать требуемый коэффициент усиления предварительного усилителя.
3. После сдачи коллоквиума студент должен получить задание
для решения практической задачи. Варианты заданий к практическому занятию № 15 приведены в табл. 35.
4. Для заданного варианта задачи рассчитать:
– значения коэффициента заполнения импульса Dmax, Dmin, DN
при различных значениях входного напряжения;
– индуктивность дросселя и выбрать его;
– емкость конденсатора фильтра Сф и выбрать его;
– выполнить проверку фильтра на обеспечение заданного коэффициента пульсаций напряжения нагрузки;
– загрузку транзистора и диода по току и напряжению и выбрать их;
– и построить регулировочную характеристику ОППН-II;
102
Таблица 35
Варианты заданий к практическому занятию № 15
Вар.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Uнг N, В
100
100
110
110
120
120
140
140
150
150
160
160
170
170
180
180
200
200
220
220
230
230
165
165
170
170
175
175
180
180
185
Iнг N, А
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
2,0
2,5
3,0
3,0
2,5
2,5
2,0
2,0
1,5
1,5
1,0
1,0
3,5
3,5
2,5
2,5
2,0
2,0
1,5
1,5
1,0
r'Uнг,
0,10
0,11
0,12
0,13
0,14
0,15
0,15
0,14
0,13
0,12
0,11
0,10
0,11
0,12
0,13
0,14
0,15
0,15
0,14
0,13
0,12
0,11
0,11
0,12
0,13
0,14
0,15
0,15
0,14
0,13
0,12
kп2
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,8
0,09
0,08
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,06
0,07
0,08
0,09
0,09
0,08
0,08
0,07
0,07
Uвх, В
50
60
55
65
60
65
70
75
80
85
90
95
100
110
120
130
140
140
150
150
160
165
100
100
110
110
120
120
130
130
140
r'Uвх.
10
15
20
25
30
30
25
20
15
10
15
10
15
20
25
30
30
25
20
15
10
15
25
25
30
30
25
25
20
20
15
4ср, qС
20
25
30
35
40
45
40
35
30
25
20
20
25
30
35
40
45
40
35
30
25
20
25
30
35
40
45
40
35
30
25
– и построить внешнюю характеристику ОППН-II;
– потери мощности и КПД преобразователя;
– площадь радиатора для охлаждения транзистора;
– выполнить статический расчет спроектированного стабилизатора напряжения;
– используя программу SIMULINK, выполнить оценку реакции
спроектированной системы на возмущение по каналу управления
и по цепи нагрузки.
103
Обозначения параметров, принятые в табл. 35: Uнг N – номинальное значение напряжения нагрузки; Iнг N – номинальное значение
тока нагрузки; r'Uнг, – допустимое отклонение напряжения нагрузки, в процентах; kп2 – требуемое значение коэффициента пульсаций напряжения нагрузки, о. е.; Uвх N – номинальное значение
входного напряжения; r'Uвх. – отклонение входного напряжения
преобразователя, в процентах; 4ср, qС – температура окружающей
среды, градусы Цельсия.
3.5. Основные параметры, характеризующие работу
двухтактного преобразователя постоянного напряжения,
выполненного по схеме с выводом нулевой точки
первичной обмотки трансформатора, ДППН-I
На рис. 19 приведена схема ДППН-I.
Расчет загрузки элементов схемы и их выбор
Для определения коэффициента трансформации трансформатора, kтр, зададимся максимальным коэффициентом заполнения импульса Dmax 0,9.
Это значение Dmax будет при минимальном входном напряжении, Uвх min:
Uвх min Uвх N(1 – 'Uвх./100)
(214)
и номинальном токе нагрузки Iнг N.
Определим требуемую величину коэффициента трансформации
трансформатора, kтр W1/W2:
kтр (Uвх min – 2'Uкэ.нас)Dmax/
(215)
[Uнг N 'URL ('Uтр 'Uв.пр)Dmax],
где 'Uтр – падение напряжения на обмотках трансформатора, приведенное к вторичной обмотке.
T
VD1
Lф
w 1 w2
Uвх
VT1
VT2
+
Сф
VD2
Uнг
–
–
Рис. 19. Схема двухтактного преобразователя постоянного напряжения,
выполненного по схеме c выводом нулевой точки первичной обмотки
трансформатора, ДППН-I
104
Можно рекомендовать задаваться величиной 'Uтр (0,01 –
– 0,02)Uнг N [3].
'Uв.пр – падение напряжения на открытом диоде.
Примем 'Uв.пр 1 В.
'URL – падение напряжения на активном сопротивлении обмотки дросселя сглаживающего фильтра. Можно рекомендовать задаваться величиной 'URL (0,01–0,02)Uнг N [3].
'Uкэ.нас – падение напряжения на открытом транзисторе. Зададимся величиной 'Uкэ.нас 1 В.
Определим амплитудное значение напряжения вторичной обмотки трансформатора при номинальном значении входного напряжения, Uвх N:
U2m N (Uвх N – 2'Uкэ.нас)/ kтр.
(216)
Номинальное значение коэффициента заполнения импульса, DN,
определим из соотношения
(U2m N – 'Uтр – 'Uв.пр)DN Uнг N 'URL;
DN (Uнг N 'URL) /(U2m N – 'Uтр – 'Uв.пр).
(217)
Определим минимальный коэффициент заполнения импульса, Dmin:
Dmin (Uнг N 'URL)/(U2m max – 'Uтр – 'Uв.пр).
Максимальное значение амплитуды напряжения вторичной обмотки трансформатора U2m max определим по формуле (217):
U2m max (Uвх max – 2'Uкэ.нас)/kтр.
(218)
Далее следует определить действующее значение напряжения
вторичной обмотки трансформатора в номинальном режиме
U2N
(4 S 2)U2l N sin(SDN 2).
(219)
Действующее значение напряжения первичной обмотки трансформатора
U1N U2Nkтр.
Это же напряжение может быть определено через входное напряжение Uвх N и DN:
U1N
(4 S 2)(Uàó N 2'Uèû.ëÞï )sin(SDN 2).
(220)
Рассчитанные значения U1N должны быть одинаковы.
Определим действующие значения токов первичной и вторичной
обмоток трансформатора.
Действующее значение тока вторичных обмоток трансформатора
I2N (I2/Id)Iнг N.
(221)
105
Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора
I1N (I1/Id)Iнг N/kтр.
(222)
Для однофазных обмоток с выводом нулевой (средней) точки обмотки коэффициент, определяющий отношение действующего значения тока обмотки к среднему значению тока цепи постоянного
тока, равен 0,78 (см. табл. 1).
Расчет промежуточного
высокочастотного трансформатора
С целью минимизации размеров стабилизатора напряжения целесообразно увеличивать рабочую частоту трансформатора. Рабочее
значение частоты в первую очередь зависит от магнитных свойств
феромагнитного материала, из которого выполнен сердечник трансформатора. При использовании сердечника из пермаллоя рабочая
частота трансформатора может быть принята в пределах 5–10 кГц.
Расчетная мощность трансформатора, первичная и вторичная
обмотки которого выполнены с выводом нулевой точки определяется по формуле (223):
Sтр (2U1NI1N 2U2NI2N).
(223)
Определим сечение сердечника трансформатора
Sb
C Sð D106 (eBi) [ê2 ].
(224)
Коэффициент С 0,5. Принимаем остальные параметры равными D 2–4; f 5000 Гц; В 0,5 Тл; j 2,5 А/мм2.
Далее следует выбрать стандартный сердечник.
Габаритные размеры сердечников высокочастотных трансформаторов, выполненных из сплава 79НМ, приведены в табл. 2 [3].
Определим число витков первичной обмотки
W1 U1/(4BScf).
(225)
Число витков вторичной обмотки
W2 W1/kтр.
Уточним величину коэффициента трансформации:
kтр W1/W2.
Сечение провода первичной обмотки
q1 I1N/j.
Сечение провода вторичной обмотки
q2 I2N/j.
106
Провода для обмоток выбираем по справочным данным, приведенным в табл. 52 (см. Прил).
Определим коэффициент заполнения окна трансформатора kзап.
Учтем при этом, что трансформатор содержит две первичные и две
вторичные обмотки.
kзап (2q1W1 2q2W2)/Sок.
(226)
где Sок – площадь окна выбранного ранее сердечника магнитопровода трансформатора.
Коэффициент заполнения окна трансформатора с тороидальным
сердечником не должен превышать 0,2, т. е. kзап d 0,2.
Определим в первом приближении активное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное к вторичной обмотке [3]:
Rðî
jRLUc 103 eb Bl
4
.
Ic eBl
Uc Ic
(227)
Электрические потери в обмотках трансформатора:
'Рэл.тр I2dRтр.
(228)
Потери в магнитопроводе трансформатора:
'Рм Рудm.
(229)
где Руд – удельные потери пермаллоя, Вт/кг; m – масса сердечника
магнитопровода, кг.
Суммарные потери в трансформаторе
Ртр Рэл.тр Рм.
(230)
Расчет параметров сглаживающего фильтра
Определим значения коэффициента пульсаций выпрямленного
напряжения на входе фильтра, kп1, для двух значений коэффициента заполнения импульса Dmin и Dmax:
2
jí1
sin DS.
DS
Для расчета параметров сглаживающего фильтра принимаем
наибольшее из рассчитанных значений kп1.
Частота пульсаций напряжения нагрузки fп 2fр.
Индуктивность сглаживающего фильтра рассчитаем по формуле (230):
Lmin !Uнг(1 – Dmin)/(2Iнг minfп).
(231)
По справочным данным, приведенным в табл. 48–51 (см. Прил.)
выбираем дроссель, параметры которого:
– индуктивность, L Гн;
107
– допустимое действующее значение тока обмотки, Iд.з А;
– активное сопротивление обмотки, RL Ом.
Емкость конденсатора Сф определяется с учетом требований по
пульсациям выпрямленного напряжения Uп2:
Uп2 kп2Uнг;
Сф Uнг(1 – Dmin)/(8LUп2f2п).
(232)
По справочным данным, приведенным в табл. 60–61 (см. Прил.),
выбираем конденсатор, емкость которого не менее рассчитанной,
рабочее напряжение не менее 2Uнг N В, а величина допустимого действующего значения тока переменной составляющей Iпер.д.з не менее
действующего значения переменной составляющей тока фильтра
'ILâ.å
'IL
12 .
Величину 'IL 'IC определим по формуле
'IL 'IC
ILmax – ILmin [(Uвх. max/kтр) – Uнг]Dmin/(4Lfп). (233)
Определим коэффициент пульсаций напряжения нагрузки, kп2,
который будет при выбранных элементах фильтра.
Падение напряжения на полном сопротивлении конденсатора
фильтра
Uí2
'ILl wC2 qC2 .
(234)
kп2 Uп2/Uнг.
Рассчитанное значение kп2 надо сравнить со значением, указанным в задании на проект.
Параметры фильтра должны удовлетворять требованию задания
по уровню подавления пульсаций выпрямленного напряжения.
Проверка фильтра на резонанс.
При выполнении условия Zï.è 1 Lò Cò 0,5Zí параметры
фильтра удовлетворяют требованию отсутствия резонанса.
Расчет загрузки транзисторов по току и напряжению
и их выбор
Максимальное амплитудное значение тока вторичной обмотки
трансформатора
I2m max Iнг N 'IL/2.
(235)
Максимальное амплитудное значение тока первичной обмотки
трансформатора
I1m max I2m max/kтр.
(236)
108
Среднее значение тока транзистора
IVT ср Iк m maxDmax.
(237)
Максимальное напряжение на коллекторе транзистора, Uкэ, равно напряжению Uвх max. Транзисторы выбираем с учетом коэффициентов запаса по току и напряжению:
kз.т 2 и kз.н 2.
По справочным данным, приведенным в табл. 63–68 (см. Прил.)
выбираем транзисторы. Параметры этих транзисторов:
– максимальный ток стока, Ic max А;
– напряжение сток-исток, Uс-и В;
– напряжение насыщения, Uс-и нас В;
– время включения, tвкл нс;
– время спада, tсп нс;
– максимальная рассеиваемая мощность, Ррасс max Вт;
– тип корпуса, ТО-220.
Для управления этими транзисторами необходимо выбирать
драйверы.
Расчет загрузки диодов выпрямителя и их выбор
Среднее значение тока диода IVD ср 0,5Iнг.
Обратное напряжение на диодах выпрямителя равно напряжению нагрузки Uнг.
Выбираем диоды с учетом коэффициентов запаса по току kз.т 2
и напряжению kз.н 2.
Расчет потерь и коэффициента мощности преобразователя
Выше были определены потери мощности трансформатора:
'Ртр 'Рэл 'Рм.
Потери мощности на активном сопротивлении обмотки дросселя:
'Рдр I2нгRL.
Потери на транзисторе имеют две составляющие:
– статические потери
'РVT ст 'Uкэ.насIVT ср.
– динамические потери
'РVT дин UвхIVT срfр(tвкл tвыкл)/2.
Суммарные потери мощности на одном транзисторе
'РVT 'РVT ст 'РVT дин.
109
Потери мощности на диодах выпрямителя
'РVD IVD ср'Uв.пр.
Итак, суммарные потери мощности на элементах схемы преобразователя
¦'Рп 'Ртр 'Рдр 'РVT 'РVD.
Коэффициент полезного действия преобразователя
K Рнг/(Рнг ¦'Рп).
Расчет площади радиаторов для транзисторов проводится по методики, приведенной п. 3.1.
Статический расчет системы выполняется по методики, приведенной в п. 3.1.
3.6. Тема практического занятия № 16.
Методика расчета двухтактного преобразователя
постоянного напряжения, выполненного по схеме
с выводом нулевой точки первичной обмотки
трансформатора, ДППН-I
Схема ДППН-I приведена на рис. 19.
Порядок выполнения задания:
1. Изучить по [3] устройство, принцип работы, вывод основных
расчетных соотношений двухтактного преобразователя постоянного напряжения, выполненного по схеме с выводом нулевой точки
первичной обмотки трансформатора, ДППН-I.
2. Перед получением задания каждый студент должен пройти коллоквиум по теме практического задания. Тестовые вопросы для коллоквиума по теме практического занятия № 16 приведены в табл. 36.
Таблица 36
Тестовые вопросы для коллоквиума
№
п/п
Перечень вопросов для коллоквиума
1
Дайте пояснение принципу работы двухтактного преобразователя
постоянного напряжения, выполненного по схеме с выводом нулевой
точки первичной обмотки трансформатора, ДППН-I.
2
Поясните каким образом осуществляется cтабилизация выходного
напряжения преобразователя.
3
4
110
Приведите формулу для расчета коэффициента трансформации
трансформатора.
Приведите формулу для расчета действующего значения напряжения вторичной обмотки трансформатора.
Окончание табл. 36
№
п/п
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Перечень вопросов для коллоквиума
Приведите формулу для расчета действующего значения напряжения первичной обмотки трансформатора.
Приведите формулу для расчета действующего значения тока первичной обмотки трансформатора.
Приведите формулу для расчета действующего значения тока вторичной обмотки трансформатора.
Приведите формулу для расчета площади сечения сердечника магнитопровода трансформатора .
Приведите формулу для расчета числа витков первичной обмотки
трансформатора.
Приведите формулу для расчета числа витков вторичной обмотки
трансформатора.
Приведите формулу для расчета коэффициента заполнения окна сердечника трансформатора.
Приведите формулы для расчета электрических и магнитных потерь
трансформатора.
Приведите формулы для расчета индуктивности и емкости сглаживающего фильтра.
Приведите формулы для расчета загрузки транзисторов по току и напряжению.
Приведите формулы для расчета загрузки диодов по току и напряжению.
Приведите формулы для расчета потерь мощности в транзисторах.
Приведите формулы для расчета потерь мощности в диодах.
Приведите формулы для расчета КПД преобразователя.
Напишите формулу для расчета площади радиатора для охлаждения
транзистора и дайте необходимые пояснения.
Укажите в чем заключается суть статического расчета спроектированного преобразователя.
Напишите формулу для расчета коэффициента усиления преобразователя.
Укажите каким образом следует рассчитать требуемый коэффициент
усиления предварительного усилителя.
3. После сдачи коллоквиума студент должен получить задание
для решения практической задачи. Варианты заданий к практическому занятию № 14 приведены в табл. 37.
4. По заданным параметрам ДППН-I, приведенным в табл. 36,
рассчитать:
– значения коэффициента заполнения импульса Dmax, Dmin, DN
при различных значениях входного напряжения;
– индуктивность дросселя и выбрать его;
– емкость конденсатора фильтра Сф и выбрать его;
111
Таблица 37
Варианты заданий к практическому занятию № 16
Вар.
Uнг N, В
Iнг N, А
r'Uнг, kп2
Uвх, В
r'Uвх.
4ср, qС
1
2
10
10
12
12
15
15
18
18
20
20
24
24
20
20
18
18
15
15
12
12
10
10
22
22
20
20
18
18
16
16
14
5,0
7,0
9,0
11,0
12,0
15,0
12,0
10,0
8,0
6,0
4,0
10
12
15
20
25
22
20
18
15
12,0
10,0
10
10
12
12
14
14
16
16
18,0
0,10
0,11
0,12
0,13
0,14
0,15
0,15
0,14
0,13
0,12
0,11
0,10
0,11
0,12
0,13
0,14
0,15
0,15
0,14
0,13
0,12
0,11
0,10
0,11
0,12
0,12
0,13
0,13
0,14
0,14
0,13
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,08
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
20
24
30
34
36
38
40
38
36
30
18
16
12
12
10
8
6
8
18
20
24
26
14
14
12
12
10
10
8
8
10
10
15
20
25
30
30
25
20
15
10
15
10
15
20
25
30
30
25
20
15
10
15
25
25
30
30
20
20
20
15
15
20
25
30
35
40
45
40
35
30
25
20
20
25
30
35
40
45
40
35
30
25
20
25
30
35
40
45
40
35
30
25
4
5
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
– выполнить проверку фильтра на обеспечение заданного коэффициента пульсаций напряжения нагрузки и отсутствие резонанса;
– загрузку транзистора и диода по току и напряжению и выбрать их;
– и построить регулировочную характеристику ДППН-I;
– и построить внешнюю характеристику ДППН-I;
– потери мощности и КПД преобразователя;
– площадь радиатора для охлаждения транзистора;
– выполнить статический расчет спроектированного стабилизатора напряжения;
112
– используя программу SIMULINK, выполнить оценку реакции
спроектированной системы на возмущение по каналу управления
и по цепи нагрузки.
Обозначения параметров, принятые в табл. 36: Uнг N – номинальное
значение напряжения нагрузки; Iнг N – номинальное значение тока нагрузки; r'Uнг, – допустимое отклонение напряжения нагрузки, в процентах; kп2 – требуемое значение коэффициента пульсаций напряжения
нагрузки, о. е.; Uвх N – номинальное значение входного напряжения;
r'Uвх. – отклонение входного напряжения преобразователя, в процентах; 4ср, qС – температура окружающей среды, градусы Цельсия.
3.7. Основные параметры, характеризующие работу
двухтактного преобразователя постоянного напряжения,
выполненного по полномостовой схеме, ДППН-II
На рис. 20 приведена схема ДППН-II.
Расчет загрузки элементов схемы и их выбор
Для определения коэффициента трансформации трансформатора, kтр, зададимся максимальным заполнения импульса Dmax 0,9.
Это значение D max будет при минимальном входном напряжении, Uвх min:
Uвх min Uвх N (1 – 'Uвх /100 ).
и номинальном токе нагрузки Iнг N.
Определим требуемую величину коэффициента трансформации
трансформатора, kтр W1/W2:
kтр (Uвх min – 2'Uкэ.нас)Dmax/
[Uнг N 'URL ('Uтр 'Uв.пр)Dmax],
(238)
VT1
VT3
T
VD1
Uвх
w1 w2
–
Lф
VT4
VD2
–
Сф
VT2
Рис. 20. Полномостовая схема двухтактного преобразователя
постоянного напряжения, ДППН-II
113
где 'Uтр – падение напряжения на обмотках трансформатора, приведенное к вторичной обмотке.
Можно рекомендовать задаваться величиной 'Uтр (0,01–0,02)Uнг N [3].
'Uв.пр – падение напряжения на открытом диоде.
Примем 'Uв.пр 1–1,5 В.
'URL – падение напряжения на активном сопротивлении обмотки дросселя сглаживающего фильтра. Можно рекомендовать задаваться величиной 'URL (0,01–0,02)Uнг N [3].
'Uкэ.нас – падение напряжения на открытом транзисторе. Зададимся величиной 'Uкэ.нас 1–1,5 В.
Определим амплитудное значение напряжения вторичной обмотки трансформатора при номинальном значении входного напряжения, Uвх N:
U2m N (Uвх N – 2'Uкэ.нас)/kтр.
Номинальное значение коэффициента заполнения импульса, DN,
определим из соотношения
(U2m N – 'Uтр – 'Uв.пр)DN Uнг N 'URL;
DN (Uнг N 'URL)/(U2m N – 'Uтр – 'Uв.пр).
(239)
Определим минимальный коэффициент заполнения импульса, Dmin:
Dmin (Uнг N 'URL)/(U2m max – 'Uтр – 'Uв.пр).
(240)
U2m max (Uвх max–2'Uкэ.нас)/kтр.
(241)
Далее определим действующее значение напряжения вторичной
обмотки трансформатора в номинальном режиме
U2N
(4 S 2)U2l N sin(SDN 2).
(242)
Действующее значение напряжения первичной обмотки трансформатора
U1N U2Nkтр.
(243)
Это же напряжение может быть определено через входное напряжение Uвх N и DN:
U1N
(4 S 2)(Uàó N 2'Uèû.ëÞï )sin(SDN 2).
Равенство рассчитанных значений U1N свидетельствует о точности выполненных расчетов.
Определим действующие значения токов первичной и вторичных обмоток трансформатора.
Действующее значение тока вторичных обмоток трансформатора
I2N (I2/Id)Iнг N.
(244)
114
Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора
I1N (I1/Id)IнгN/kтр.
(245)
Значения коэффициентов (I2/Id) и (I1/Id) приведены в табл. 1. При
выборе этих коэффициентов необходимо обращать внимание на схему выполнения обмоток.
Расчет промежуточного
высокочастотного трансформатора
С целью минимизации размеров стабилизатора напряжения целесообразно увеличивать рабочую частоту трансформатора. Рабочее
значение частоты в первую очередь зависит от магнитных свойств
феромагнитного материала, из которого выполнен сердечник трансформатора. При использовании сердечника из пермаллоя рабочая
частота трансформатора может быть принята в пределах 5–10 кГц.
Определим расчетную мощность трансформатора
Sтр (U1NI1N 2U2NI2N)/2.
(246)
Определим сечение сердечника трансформатора. Сердечник выполнен из пермаллоя 79 НМ.
Sb
C Sð D106 (eBi) [ê2 ].
(247)
Коэффициент С 0,5. Принимаем остальные параметры равными
D 2–4; f 5000 Гц; В 0,5 Тл; j 2,5 А/мм2.
Определим число витков первичной обмотки
W1 U1/(4BScf).
Число витков вторичной обмотки
W2 W1/kтр.
Уточним величину коэффициента трансформации:
kтр W1/W2.
Сечение провода первичной обмотки
q1 I1N/j.
Сечение провода вторичной обмотки
q2 I2N/j.
Провода для обмоток выбираем по справочным данным, приведенным в табл. 52.
Определим коэффициент заполнения окна трансформатора kзап.
Учтем при этом, что трансформатор содержит две вторичные обмотки.
kзап (q1W1 2q2W2)/Sок.
115
Коэффициент заполнения окна трансформатора с торроидальным сердечником не должен превышать 0,2, т. е. kзап d 0,2.
Определим в первом приближении активное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное к вторичной обмотке [3]:
Rðî
jRLUc 103 eb Bl
4
.
Ic eBl
Uc Ic
(248)
Электрические потери в обмотках трансформатора:
'Рэл.тр I2dRтр.
Потери в магнитопроводе трансформатора:
'Рм Рудm.
где Руд – удельные потери пермаллоя, Вт/кг; m – масса сердечника
магнитопровода, кг.
Суммарные потери в трансформаторе
Ртр Рэл.тр Рм.
Расчет параметров сглаживающего фильтра
Определим значения коэффициента пульсаций выпрямленного
напряжения на входе фильтра, kп1, для двух значений коэффициента заполнения импульса Dmin и Dmax
jí1
2
sin DS.
DS
Для расчета параметров сглаживающего фильтра принимаем
наибольшее из рассчитанных значений kп1.
Частота пульсаций напряжения нагрузки fп 2fр.
Индуктивность сглаживающего фильтра рассчитаем по формуле (63):
Lmin !Uнг(1 – Dmin)/(2Iнг minfп).
(249)
По справочным данным, приведенным в табл. 47–51 (см. Прил.),
выбираем дроссель.
Параметры дросселя:
– индуктивность, L мкГн;
– допустимое действующее значение тока обмотки, Iд.з А;
– активное сопротивление обмотки, RL Ом.
Емкость конденсатора Сф определяется с учетом требований по
пульсациям выпрямленного напряжения Uп2:
Uп2 kп2Uнг;
Сф Uнг(1 – Dmin)/(8LUп2f2п);
(250)
116
По справочным данным, приведенным в табл. 60 и 61 (см. Прил.), выбираем конденсатор, емкость которого не менее рассчитанного значения,
рабочее напряжение не менее 2Uнг N, а величина допустимого действующего значения тока переменной составляющей Iпер.д.з не менее действующего значения переменной составляющей тока фильтра
'ILâ.å
'IL
12.
Величину 'IL 'IC определим по формуле
'IL 'IC IL max – IL min [(Uвх.max/kтр) – Uнг]Dmin/(4Lfп). (251)
Определим коэффициент пульсаций напряжения нагрузки, kп2,
который будет при выбранных параметрах фильтра.
Падение напряжения на полном сопротивлении конденсатора фильтра
Uí2
'ILl wC2 qC2 .
kп2 Uп2/Uнг.
Рассчитанное значение kп2 необходимо сравнить с тем значением, что приведено в задании на проектирование.
Выполнить проверку фильтра на резонанс:
Zï.è 1
Lò Cò 0,5Zí ;
Расчет загрузки транзисторов по току и напряжению и их выбор
Максимальное амплитудное значение тока вторичной обмотки
трансформатора
I2m max Iнг N 'IL/2.
Максимальное амплитудное значение тока первичной обмотки
трансформатора
I1m max I2m max/kтр.
Максимальный коллекторный ток транзистора Iк m max I1m max.
Среднее значение тока транзистора IVT ср Iк m max D max..
Максимальное напряжение на коллекторе транзистора, Uкэ, равно напряжению Uвх max.
По справочным данным, приведенным в табл. 63–69 (см. Прил.),
выбираем транзисторы с учетом коэффициентов запаса по току
и напряжению: kз.т 2 и kз.н 2.
Параметры этих транзисторов:
– максимальный ток стока, Ic max А;
– напряжение сток-исток, Uс-и В;
– напряжение насыщения, Uс-и нас В;
– время включения, tвкл 80 нс;
117
– время спада, tсп нс;
– максимальная рассеиваемая мощность, Ррасс max Вт;
– тип корпуса, ТО – 220.
Для управления этими транзисторами выбираем драйверы
(см. табл. 17 [3]).
В качестве примера в [3] на рис. 31 приведена силовая схема вместе со схемой управления (D3), выполненной на базе универсальной
микросхемы 1114ЕУ3, и драйверами (D1 и D2) для связи выходов схемы управления с цепями управления транзисторов силовой схемы.
Расчет загрузки диодов выпрямителя и их выбор
Среднее значение тока диода IVD ср 0,5Iнг.
Обратное напряжение на диодах выпрямителя равно напряжению нагрузки Uнг.
По справочным данным, приведенным в табл. 54, выбираем диоды
с учетом коэффициентов запаса по току kз.т 2 и напряжению kз.н 2.
Расчет потерь и коэффициента мощности преобразователя
Выше были определены потери мощности трансформатора, 'Ртр
'Рэл 'Рм.
Потери мощности на активном сопротивлении обмотки дросселя
'Рдр I2нгRL.
Потери на транзисторе имеют две составляющие:
– статические потери
'РVT ст 'Uкэ.насIVT ср.
– динамические потери
'РVT дин UвхIVT срfр(tвкл tвыкл)/2.
Суммарные потери мощности на одном транзисторе
'РVT 'РVT ст 'РVT дин,
а на двух последовательно включенных транзисторах ¦'РVT 2'РVT.
Потери мощности на диодах выпрямителя
'РVD IVD ср'Uв.пр.
Итак, суммарные потери мощности на элементах схемы преобразователя
¦'Рп 'Ртр 'Рдр ¦'РVT 'РVD.
Коэффициент полезного действия преобразователя
K Рнг/(Рнг ¦'Рп).
118
Расчет площади радиаторов для транзисторов проводится по методики, приведенной п. 3.1.
Статический расчет системы выполняется по методики, приведенной в п. 3.1.
Оценка динамических показателей разомкнутой системы
ДППН в первом приближении
Оценим динамические показатели силовой схемы спроектированного двухтактного полномостового преобразователя по методике, изложенной в [3].
Для выполнения расчетов необходимы следующие рассчитанные ранее параметры:
– индуктивность фильтра Lф, Гн;
– емкость конденсатора фильтра Сф, Ф;
– активное сопротивление схемы Rсх Rтр RL, Ом;
– номинальный ток нагрузки Iнг N, А;
Зададимся величиной минимального тока нагрузки
Iнг min 0,2Iнг N.
Частота собственных колебаний сглаживающего фильтра определена выше:
Zï.è 1 Lò Cò .
Длительность полуволны переходного процесса
tп | S/Zс.к.
Перерегулирование, V:
V
где D
(Lò / Cò )(Iëá N Iëá
Uëá N
min )d
(252)
SD 2Z
,
(253)
0,5[Rcx/Lф – Iнг min/(Uвх. NСф)].
3.8. Тема практического занятия № 17.
Методика расчета полномостовой схемы
двухтактного преобразователя
постоянного напряжения, ДППН-II
Схема ДППН-II приведена на рис. 20.
Порядок выполнения задания:
1. Изучить по [3] устройство, принцип работы, вывод основных
расчетных соотношений полномостового двухтактного преобразователя постоянного напряжения, ДППН-II.
119
2. Перед получением задания каждый студент должен пройти коллоквиум по теме практического задания. Тестовые вопросы для коллоквиума по теме практического занятия № 17 приведены в табл. 38.
3. После сдачи коллоквиума студент должен получить задание
для решения практической задачи. Варианты заданий к практическому занятию № 17 приведены в табл. 39.
Таблица 38
Тестовые вопросы для коллоквиума
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
120
Перечень вопросов для коллоквиума
Дайте пояснение принципу работы двухтактного преобразователя
постоянного напряжения, выполненного по схеме с выводом нулевой
точки первичной обмотки трансформатора, ДППН-II.
Укажите достоинства и недостатки ДППН-II.
Поясните каким образом осуществляется cтабилизация выходного
напряжения преобразователя.
Приведите формулу для расчета коэффициента трансформации
трансформатора.
Приведите формулу для расчета действующего значения напряжения вторичной обмотки трансформатора.
Приведите формулу для расчета действующего значения напряжения первичной обмотки трансформатора.
Приведите формулу для расчета действующего значения тока первичной обмотки трансформатора.
Приведите формулу для расчета действующего значения тока вторичной обмотки трансформатора.
Приведите формулу для расчета площади сечения сердечника магнитопровода трансформатора.
Приведите формулу для расчета числа витков первичной обмотки
трансформатора.
Приведите формулу для расчета числа витков вторичной обмотки
трансформатора.
Приведите формулу для расчета коэффициента заполнения окна сердечника трансформатора.
Приведите формулы для расчета электрических и магнитных потерь
трансформатора.
Приведите формулы для расчета индуктивности и емкости сглаживающего фильтра.
Приведите формулы для расчета загрузки транзисторов по току и напряжению.
Приведите формулы для расчета загрузки диодов по току и напряжению.
Приведите формулы для расчета потерь мощности в транзисторах.
Приведите формулы для расчета потерь мощности в диодах.
Окончание табл. 38
№
п/п
Перечень вопросов для коллоквиума
19 Приведите формулы для расчета КПД преобразователя.
Напишите формулу для расчета площади радиатора для охлаждения
20
транзистора и дайте необходимые пояснения.
Укажите в чем заключается суть статического расчета спроектиро21
ванного преобразователя.
22 Напишите формулу для расчета коэффициента усиления преобразователя.
Укажите каким образом следует рассчитать требуемый коэффици23
ент усиления предварительного усилителя.
Таблица 39
Варианты заданий к практическому занятию № 17
Вар.
Uнг N, В
Iнг, А
r'Uнг, kп2
Uвх, В
r'Uвх. 4ср, qС
1
2
10
10
12
12
15
15
18
18
20
20
24
18
19
20
18
18
15
15
12
12
10
10
24
24
22
22
20
20
8,0
9,0
9,0
10,0
11,0
12,0
13,0
14,0
15,0
16,0
17,0
10
12
15
20
25
22
20
18
15
12,0
10,0
11
13
14
15
16
17
0,10
0,11
0,12
0,13
0,14
0,15
0,15
0,14
0,13
0,12
0,11
0,10
0,11
0,12
0,13
0,14
0,15
0,15
0,14
0,13
0,12
0,11
0,11
0,10
0,09
0,08
0,07
0,06
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,08
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,01
0,01
0,02
0,02
0,03
0,03
110
110
220
220
110
110
220
220
110
110
220
220
110
110
220
220
110
110
220
220
110
110
110
110
220
220
110
110
10
15
20
25
30
30
25
20
15
10
15
10
15
20
25
30
30
25
20
15
10
15
25
20
15
30
25
20
20
25
30
35
40
45
40
35
30
25
20
20
25
30
35
40
45
40
35
30
25
20
25
30
35
40
45
40
4
5
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
121
Окончание табл. 39
Вар.
Uнг N, В
Iнг, А
r'Uнг, kп2
Uвх, В
r'Uвх. 4ср, qС
29
30
31
18
18
16
18
19
20
0,07
0,08
0,09
0,04
0,04
0,05
220
220
110
15
10
15
35
30
25
4. Для заданного варианта задачи рассчитать:
– значения коэффициента заполнения импульса Dmax, Dmin, DN
при различных значениях входного напряжения;
– индуктивность дросселя и выбрать его;
– емкость конденсатора фильтра Сф и выбрать его;
– загрузку транзистора и диода по току и напряжению и выбрать их;
– и построить регулировочную характеристику ДППН-II;
– и построить внешнюю характеристику ДППН-II;
– потери мощности и КПД преобразователя;
– площадь радиатора для охлаждения транзистора;
– время полуволны переходного процесса и перерегулирование;
Выполнить статический расчет спроектированного стабилизатора напряжения.
Обозначения параметров, принятые в табл. 39: Uнг N – номинальное значение напряжения нагрузки; Iнг N – номинальное значение
тока нагрузки; r'Uнг, – допустимое отклонение напряжения нагрузки, в процентах; kп2 – требуемое значение коэффициента пульсаций напряжения нагрузки, о. е.; Uвх N – номинальное значение
входного напряжения; r 'Uвх. – отклонение входного напряжения
преобразователя, в процентах; 4ср, qС – температура окружающей
среды, градусы Цельсия.
3.9. Основные параметры, характеризующие работу
двухтактного преобразователя постоянного напряжения,
выполненного по полумостовой схеме, ДППН-III
На рис. 21 приведена полумостовая схема двухтактного преобразователя постоянного напряжения, ДППН-III.
Расчет загрузки элементов схемы и их выбор
Коэффициент заполнения импульса D определяется для двухтактных преобразователей отношением длительности импульса
к длительности полупериода выходного напряжения, т. е.
D tи/Тc,
где Тc T/2 – длительность полупериода выходного напряжения.
122
–
С1
VT1
T
VD1
Uвх
Lф
–
С2
w1 w2
VT2
VD2
–
Сф
Uвых
–
–
Рис. 21. Полумостовая схема двухтактного преобразователя
постоянного напряжения, ДППН-III
Напряжение на нагрузке без учета падения напряжения на элементах схемы определяется по формуле (254):
Uнг 0,5DUвх/kтр.
(254)
Коэффициент трансформации трансформатора kтр W1/W2 определим по формуле (255):
kтр U1/U2 (0,5Uвх min – 'Uкэ.нас – 'Uт1)Dmax/
(255)
[Uнг 'URL ('Uв.пр'Uт2)Dmax],
где U2 – напряжения вторичной обмотки трансформатора; U1 – напряжения первичной обмотки трансформатора; 'Uв.пр – падение напряжения на открытом диоде; 'Uкэ.нас – напряжение насыщения на
открытом транзисторе; W1 и W2 – число витков первичной и вторичной обмоток соответственно; 'Uт1 и 'Uт2 – падения напряжения на
первичной и вторичной обмотках трансформатора соответственно.
На этом этапе расчета не известны параметры трансформатора,
транзистора и диода. Поэтому необходимо задаться падениями напряжения на элементах схемы [3]:
– 'Uкэ.нас (1–2)В;
– 'Uв.пр (1–2)В;
– 'URL IнгRL (0,01–0,02)Uнг N;
– 'Uт2 IнгRт2 (0,01–0,02)Uнг N;
– 'Uт1 IвхRт1 (0,01–0,02)Uвх N.
– Rт1 – активное сопротивление первичной обмотки трансформатора;
– Rт2 – активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора.
Задаемся значением Dmax в пределах 0,85–0,9, а затем по формуле (254) определяем коэффициент трансформации kтр.
123
Отметим, что после выбора элементов силовой схемы необходимо
определить падение напряжения на них, сравнить со значениями,
принятыми на первом этапе расчета, и, если расхождение превышает 10, провести повторный уточняющий расчет.
Минимальное значение коэффициента заполнения импульса Dmin
для полумостовой схемы определяется по формуле (256):
Dmin (Uнг N 'URL)/( U2m max – 'Uт2 – 'Uв.пр),
(256)
где U2m max – максимальное значение амплитуды напряжения вторичной обмотки трансформатора:
U2m max (0,5Uвх max – 'Uкэ.нас – 'Uт2)/kтр,
(257)
Uвх max Uвх N(1 'Uвх/100).
Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора в номинальном режиме
U2N
(4
2S)U2l sin(SDN 2).
(258)
Действующее значение напряжения первичной обмотки трансформатора
(259)
U1N U2Nkтр.
Это же напряжение может быть определено через входное напряжение Uвх N и DN:
U1N [4 (S 2)](0,5Uàó N 'Uèû.ëÞï 'Uð1 )sin(SDN 2). (260)
Расчетное значение мощности трансформатора, Sт, для однофазного двухполупериодного выпрямителя определим по формуле
Sтр (Sтр1 2Sтр2)/2,
где Sтр1 U1I1, Sтр2 U2I2 – расчетные мощности первичной и вторичной обмоток трансформатора.
Действующее значение тока вторичных обмоток трансформатора
I2N (I2/Id)Iнг N;
I2/Id 0,707 – для однофазного двухполупериодного выпрямителя
при наличии индуктивности в цепи нагрузки, (см. табл. 1).
Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора
I1N (I1/Id)Iнг N/kтр;
I1/Id 1,0 – для однофазного двухполупериодного выпрямителя при
наличии индуктивности в цепи нагрузки, (см. табл. 1).
По рассчитанным значениям Sтр, U1N, U2N, I1N, I2N необходимо
выполнить расчет трансформатора. Методика расчета трансформатора приведена в п. 3.7 «Расчет промежуточного высокочастотного
трансформатора».
124
Загрузка транзисторов и диодов по току и напряжению
Максимальное значение тока транзистора
Iк max 2Pнг/(UвхKD2min) 'IcL,
(261)
где 'IcL – приведенная к первичной обмотке амплитуда пульсаций
тока сглаживающего дросселя.
'IcL 'IL/(2kтр);
'IL IL max – IL min – полный размах пульсации тока дросселя.
По справочным данным, приведенным в табл. 63–69 (см. Прил.)выбираем транзистор, номинальное значение тока коллектора которого
Iк N !2Iк max, а напряжение Uкэ N !2Uвх max.
Отметим, что для полумостовой схемы ток Iк max больше в 2 раза
по сравнению с полномостовой схемой. Благодаря этому полумостовые схемы находят применение для преобразователей меньшей
мощности, чем полномостовые.
Среднее значение тока диода выпрямителя Iв.ср 0,5Iнг N.
Максимальное обратное напряжение на закрытом диоде в этой
схеме равно 2U2m.
По справочным данным, приведенным в табл. 54 (см. Прил.),
выбираем диоды с учетом коэффициентов запаса по току kз.т 2
и напряжению kз.н 2.
Емкость конденсатора входного делителя для полумостовой
схемы необходимо рассчитывать исходя из допустимой амплитуды (размаха) пульсаций Um п выбранного типа конденсатора по
формуле
(262)
С1 Рнг/(4KfпUm пUвх min),
где fп – частота пульсаций выпрямленного напряжения: fп 2fр;
Uвх min – минимальное значение входного напряжения.
Обратим внимание на то, что допустимая амплитуда пульсаций напряжения конденсаторов C1 и C2 определяется по справочным данным на выбранный тип конденсаторов, например по
справочным данным, приведенным в табл. 60–62 (см. Прил.).
Значение Um п можно определить, перемножив допустимое значение амплитуды переменной составляющей тока конденсатора Iпер max и полное сопротивление кондесатора на частоте, равной fп, т. е.:
Ul í
Iíãî
max
wC2 qC2 ,
где хC 1/(2SСfп); rc – внутреннее активное сопротивление конденсатора, ESR.
125
Минимальное значение индуктивности дросселя сглаживающего фильтра Lmin определяется из условия обеспечения непрерывного характера тока нагрузки по формуле (263):
Lmin !Uнг(1 – Dmin)/(2Iнг minfп).
(263)
Выбираем по справочным данным, приведенным в табл. 47–51
(см. Прил.), дроссель, индуктивность которого более рассчитанного значения Lmin (примерно в 1,5–2,0 раза), а номинальное значение
тока обмотки – не менее номинального значения тока нагрузки.
Максимальный ток дросселя, IL max, определяется с учетом амплитуды пульсаций тока дросселя 'IL:
ILmax Iнг N 'IL/2 Iнг N [Uвх max/(2kтр) – Uнг]Dmin/(4Lfп).
(264)
Амплитуду первой гармоники тока дросселя IL1m можно определить из выражения
IL1m 'IL/[2S2Dmin(1 – Dmin)].
(265)
Емкость конденсатора Сф определяется с учетом требований по
пульсациям выпрямленного напряжения Uп2:
Uп2 kп2Uнг;
Сф IL1m/(4SUп2fп) Uнг(1 – Dmin)/(8Uп2f2п),
(266)
где Uп2 – допустимая по техническому заданию амплитуда пульсаций напряжения нагрузки.
Выбираем по справочным данным, приведенным в табл. 60–61
(см. Прил.), конденсатор, емкость которого не менее рассчитанного значения Сф, рабочее напряжение не менее 2Uнг N, а величина допустимого
действующего значения тока переменной составляющей Iпер.д.з не менее действующего значения преременной составляющей тока фильтра
'ILâ.å
'IL
12.
Величину 'IL 'IC определим по формуле
'IL 'IC ILmax – ILmin [(Uвх max/2kтр) – Uнг]Dmin/(4Lfп). (267)
Кроме этого, необходимо провести проверку сглаживающего фильтра на отсутствие резонанса аналогично тому, как это выполнено в п. 3.7.
Расчет площади радиаторов для транзисторов проводится по методике, приведенной п. 3.1.
Статический расчет системы выполняется по методике, приведенной в п. 3.1.
Оценку динамических характеристик спроектированного преобразователя провести по методике, приведенной в п. 3.7.
126
3.10. Тема практического занятия № 18.
Методика расчета полумостовой схемы
двухтактного преобразователя
постоянного напряжения, ДППН-III
Схема ДППН-III приведена на рис. 21.
Порядок выполнения задания:
1. Изучить по [3] устройство, принцип работы, вывод основных
расчетных соотношений полумостового двухтактного преобразователя постоянного напряжения, ДППН-III.
2. Перед получением задания каждый студент должен пройти коллоквиум по теме практического задания. Тестовые вопросы для коллоквиума по теме практического занятия № 18 приведены в табл. 40.
3. После сдачи коллоквиума студент должен получить задание
для решения практической задачи. Варианты заданий к практическому занятию № 18 приведены в табл. 41.
Таблица 40
Тестовые вопросы для коллоквиума
№
п/п
1
2
Перечень вопросов для коллоквиума
Дайте пояснение принципу работы двухтактного преобразователя постоянного напряжения, выполненного по полумостовой схеме, ДППН-III.
Поясните каким образом осуществляется cтабилизация выходного
напряжения преобразователя.
Приведите формулу для расчета коэффициента трансформации трансформатора.
Приведите формулу для расчета действующего значения напряже4
ния вторичной обмотки трансформатора.
Приведите формулу для расчета действующего значения напряже5
ния первичной обмотки трансформатора.
Приведите формулу для расчета действующего значения тока пер6
вичной обмотки трансформатора.
Приведите формулу для расчета действующего значения тока вто7
ричной обмотки трансформатора.
Приведите формулу для расчета площади сечения сердечника магнито8
провода трансформатора.
Приведите формулу для расчета числа витков первичной обмотки
9
трансформатора.
Приведите формулу для расчета числа витков вторичной обмотки
10
трансформатора.
Приведите формулу для расчета коэффициента заполнения окна сер11
дечника трансформатора.
3
127
Окончание табл. 40
№
п/п
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Перечень вопросов для коллоквиума
Приведите формулы для расчета электрических и магнитных потерь
трансформатора.
Приведите формулы для расчета индуктивности и емкости сглаживающего фильтра.
Приведите формулы для расчета загрузки транзисторов по току и напряжению.
Приведите формулы для расчета загрузки диодов по току и напряжению.
Приведите формулы для расчета потерь мощности в транзисторах.
Приведите формулы для расчета потерь мощности в диодах.
Приведите формулы для расчета КПД преобразователя.
Напишите формулу для расчета площади радиатора для охлаждения
транзистора и дайте необходимые пояснения.
Укажите в чем заключается суть статического расчета спроектированного преобразователя.
Напишите формулу для расчета коэффициента усиления преобразователя.
Укажите каким образом следует рассчитать требуемый коэффициент
усиления предварительного усилителя.
Напишите формулу для расчета величины перерегулирования разомкнутой системы при возмущении по цепи управления.
Таблица 41
Варианты заданий к практическому занятию № 18
Вар.
Uнг N, В
Iнг N, А
r'Uнг, kп2
Uвх, В
r'Uвх.
4ср, qС
1
2
10
10
12
12
15
15
18
18
20
20
24
36
48
10
12
15
18
20
19,0
18,0
17,0
16,0
15,0
14,0
13,0
12,0
11,0
10,0
9,0
8
6
20
15
12
10
9
0,10
0,11
0,12
0,13
0,14
0,15
0,15
0,14
0,13
0,12
0,11
0,10
0,11
0,12
0,13
0,14
0,15
0,15
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,08
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0,02
110
160
220
300
110
160
220
300
110
160
220
300
110
160
220
300
110
160
10
15
20
25
30
30
25
20
15
10
15
10
15
20
25
30
30
25
20
25
30
35
40
45
40
35
30
25
20
20
25
30
35
40
45
40
4
5
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
128
Окончание табл. 41
Вар.
Uнг N, В
Iнг N, А
r'Uнг, kп2
Uвх, В
r'Uвх.
4ср, qС
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
24
36
48
24
10
10
12
12
15
15
20
20
24
8
7
6,0
10,0
10
15
20
25
20
15
10
8
6
0,14
0,13
0,12
0,11
0,11
0,11
0,12
0,12
0,13
0,13
0,14
0,14
0,13
0,03
0,04
0,05
0,06
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
220
300
110
160
110
120
140
150
160
150
140
130
120
20
15
10
15
25
20
15
30
30
25
20
15
20
35
30
25
20
25
30
35
40
45
40
35
30
25
4. Для заданного варианта задачи рассчитать:
– значения коэффициента заполнения импульса Dmax, Dmin, DN
при различных значениях входного напряжения;
– индуктивность дросселя и выбрать его;
– емкость конденсатора фильтра Сф и выбрать его;
– загрузку транзистора и диода по току и напряжению и выбрать их;
– и построить регулировочную характеристику ДППН-III;
– и построить внешнюю характеристику ДППН-III;
– потери мощности и КПД преобразователя;
– площадь радиатора для охлаждения транзистора;
– выполнить статический расчет спроектированного стабилизатора напряжения;
– время полуволны переходного процесса и перерегулирование.
Обозначения параметров, принятые в табл. 41: Uнг N – номинальное значение напряжения нагрузки; Iнг N – номинальное значение
тока нагрузки; r'Uнг, – допустимое отклонение напряжения нагрузки, в процентах; kп2 – требуемое значение коэффициента пульсаций напряжения нагрузки, о. е.; Uвх N – номинальное значение
входного напряжения; r 'Uвх. – отклонение входного напряжения
преобразователя, в процентах; 4ср, qС – температура окружающей
среды, градусы Цельсия.
3.11.Основные параметры, характеризующие работу
однотактного прямоходового преобразователя ОПП
Схема однотактного прямоходового преобразователя, ОПП, приведена на рис. 22.
129
Lф
VT
i1
i2 VD1
Uнг
T
Uвх
–
С1
С2
w1
w2 VD2
iL
iс
–
Сф
–
Uнг
–
Рис. 22. Схема однотактного прямоходового преобразователя, ОПП
Расчет параметров трансформатора
Для выбора сердечника трансформатора необходимо рассчитать
произведение площадей сечения сердечника магнитопровода Sc
и окно, Soк:
ScSok [11,9Pвx N/(kоб'Bfp)]1,31, [см4],
(268)
где Pвx N Pнг N/K – номинальная входная мощность; Pнг N Uнг NIнг N –
номинальная мощность нагрузки; коэффициент kоб 0,141 (см.
табл. 3 [3]); 'B 0,1 Тл – размах колебания магнитной индукции сердечника трансформатора; fp – частота переключения транзистора.
Сердечник трансформатора ОПП, как правило, ферритовый, поэтому рабочая частота –высокая и может быть принята в пределах
от 50 кГц до 500 кГц. По данным, приведенным в табл. 4 [3], выбираем сердечник для трансформатора и записываем его параметры:
Sc – площадь сечения сердечника и Soк – площадь сечения окна магнитопровода.
Определим число витков первичной обмотки трансформатора W1.
W1 (Uвх min – 'Uкэ.нас)tи max104/('BSc).
(269)
Примем значение Dmax 0,5, а 'B 0,1 Тл.
Минимальное значение напряжения на входе преобразователя
Uвx min Uвx. N(1–0,1).
Падение напряжения на открытом транзисторе 'Uкэ.нас примем
равным 0,5 В.
Максимальная длительность импульса управления при D Dmax 0,5
tи max Dmax/fp 0,5/fp.
130
Определим коэффициент трансформации трансформатора:
kтр W1/W2 0,95(Uвx min – 'Uкэ.нас)Dmax/
(270)
(Uнг N 'Uв.пр 'URL).
приняв при этом:
– падение напряжения на открытом транзисторе 'Uкэ.нас 0,5 В;
– падение напряжения на открытом диоде 'Uв.пр 0,75 В;
– падение напряжения на активном сопротивлении обмотки
дросселя. Можно принять 'URL 0,02Uнг.
Число витков вторичной обмотки
W2 W1/kтр.
Уточняем коэффициент трансформации kтр W1/W2.
Определим плотность тока в проводниках обмоток трансформатора, вызывающую перепад температур на 30 qС в зоне нагрева при
естественном охлаждении по формуле (271):
j30 4,2(ScSoк)–0,240, А/мм2.
(271)
Расчет параметров сглаживающего фильтра
Работа сглаживающего фильтра в этой схеме во многом идентична работе сглаживающего фильтра ОППН-I, поскольку энергия для
зарядки конденсатора фильтра передается от источника на интервале импульса, а на интервале паузы энергия, запасенная конденсатором, передается нагрузке.
Определим величину индуктивности Lкр сглаживающего фильтра.
Lкр [(1/kтр) (Uвх – 'Uкэ.нас)(1 – D) 'Uв.пр 'URL]D/(2Iнгfp)
(272)
Зададимся в первом приближении значениями:
'Uв.пр 0,75 В;
'URL IнгRL 0,02Uнг N;
'Uкэ.нас 0,5 В;
D Dmax 0,5;
Коэффициент трансформации kтр рассчитан по формуле (270).
Далее по справочным данным, приведенным в табл. 47–51 (см. Прил.),
выбираем стандартный дроссель, индуктивность которого Lф ! Lкр.
Определяем размах амплитуды пульсаций тока обмотки дросселя 'IL при значении индуктивности, равной индуктивности выбранного дросселя Lф:
'IL [(1/kтр)(Uвх – 'Uкэ.нас)(1 – Dmax) 'Uв.пр 'URL]Dmax/(2Lфfp).
(273)
131
Для расчета требуемой величины емкости конденсатора сглаживающего фильтра определим по формуле (274) произведение индуктивности и емкости фильтра, LфCф:
LфCф (1 – D)/(8kп2f2).
(274)
Поскольку дроссель с индуктивностью Lф уже выбран, то емкость
конденсатора определим, разделив произведение (LфCф) на Lф:
Cф (LфCф)/Lф.
По справочным данным, приведенным в табл. 60 и 61 (см. Прил.),
выбираем конденсатор.
При выборе конденсатора необходимо учитывать требование: действующее значение тока, который он способен пропустить, должно
быть не менее величины 'ILд.з, определяемой по формуле (275):
'ILâ.å
'IL
12.
(275)
Определим амплитуду пульсаций напряжения на выбранном
конденсаторе при протекании по нему переменного тока пульсаций:
Uí2 1,41'ILâ.å wÏ2 qÏ2 .
(276)
Определим коэффициент пульсаций напряжения нагрузки при выбранных параметрах фильтра и сравним его с указанным в задании:
kп2 Uп2/Uнг,
Необходимо провести проверку параметров фильтра на выполнение условия отсутствия резонанса Zc.к 0,5Zп.
Расчет сечения проводов трансформатора
Амплитудное значение импульса тока, протекающего по вторичной обмотке, определим по формуле (277):
I2m Iнг.ср 'IL/2.
(277)
Действующее значение тока вторичной обмотки I2 при Dmax 0,5
и Iнг Iнг N с учетом пульсаций тока:
I2
(I2l 'IL 2) Dmax .
(278)
Действующее значение тока первичной обмотки с учетом пульсаций тока:
I1 I2/kтр.
Амплитудное значение импульса тока, протекающего по первичной обмотке:
I1m I2m/kтр.
132
Среднее значение тока, протекающего по первичной обмотке
трансформатора:
I1ср I1mDmax.
Далее необходимо определить сечение проводов обмоток, выбрать провода и определить коэффициент заполнения окна kзап.
Обязательным условием возможности выполнения трансформатора
является выполнение условия kзап 0,4.
Требуемое сечение провода вторичной обмотки
q2 I2/j.
Требуемое сечение провода первичной обмотки
q1 I1/j.
где j – плотность тока, рассчитанная ранее по формуле (271).
С целью устранить влияние поверхностного эффекта (или уменьшить его влияние) на увеличение активного сопротивления обмоток трансформатора выполняем их многожильным проводом.
Провода обмоток выбираем по справочным данным, приведенным в табл. 52 (см. Прил.).
Проверка коэффициента заполнения окна:
kзап (q1W1 q2W2)/Soк.
Выбор транзистора
Транзистор выбираем по максимальному (амплитудному) значению тока стока (или коллектора) и максимальному напряжению сток-исток (или коллектор-эмиттер). Ранее без учета наличия
всплеска импульса тока было определено максимальное значение
тока первичной обмотки трансформатора I1m.
С учетом коэффициента запаса по току kз.т 2 ток стока транзистора Iст N должен быть не менее 2I1m.
Максимальное напряжение транзистора сток-исток Uс-и определим по формуле
Uс-и max Uвх max/(1 – Dmin).
(279)
С учетом коэффициента запаса по напряжению, kз.н 2, транзистор необходимо выбирать на напряжение не менее 2Uс-и max.
Транзистор выбираем по справочным данным, приведенным
в табл. 63–65 (см. Прил.).
Учитывая, что рабочая частота fp принята равной 50 000 Гц, необходимо выбирать транзистор MOSFET, параметры которого необходимо записать: Uc-и N; Iст max; Rнас.
Суммарное время включения и выключения транзистора (tвкл tвыкл).
Тепловое сопротивление переход-исток транзистора, Rп-и.
133
Выбор диодов VD1 и VD2
Выбор диода VD1 проводим по среднему значению импульса тока
вторичной обмотки трансформатора I2ср I2mDmax с учетом коэффициента запаса по току kз.т 2, и максимальному обратному напряжению.
Амплитудное значение обратного напряжения на диоде VD1 определяется напряжением, прикладываемым к нему на интервале паузы:
Uобр m (Uнт N 'Uв.пр 'URL)/Dmin.
(280)
Выбор диода VD2 проводим по среднему значению тока, протекающего
по обмотке дросселя на интервале паузы tп T – tи. При Dmax 0,5 этот ток
равен току, протекающему по обмотке дросселя на интервале импульса tи:
IVD2 ср Iнг N(1 – Dmax).
(281)
2
Максимальное обратное напряжение на диоде VD появляется
на интервале импульса и равно амплитуде напряжения вторичной
обмотки на интервале импульса:
UVD2 обр U2m Uвх max/kтр.
(282)
Диод VD2 также необходимо выбирать c учетом коэффициента запаса по напряжению kз.н 2 и коэффициента запаса по току kз.т 2.
Диоды VD1 и VD2 выбираем по справочным данным, приведенным в табл. 54 (см. Прил.).
Расчет потерь мощности
и коэффициента полезного действия ОПП
Определим по формуле (247) в первом приближении активное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное к вторичной обмотке:
Rðî
jRLUc 103 eb Bl
4
.
Ic eBl
Uc Ic
Электрические потери в обмотках трансформатора:
'Рэл.тр I2нгRтр.
Суммарные потери в трансформаторе
Ртр Рэл.тр Рм.
Потери в магнитопроводе трансформатора
'Рм Руд.мVс.
где Vс – объем сердечника трансформатора.
Величину удельных потерь материала магнитопровода определим по формуле (283):
Руд.м 'В2,4(КНfp КЕfp2).
(283)
134
Для большинства ферритов коэффициент гистерезиса КН 4Â10–5,
а коэффициент вихревых токов КE 4Â10–10.
Таким образом, суммарные потери в трансформаторе
'Рп.тр 'Рэл 'Рм.
Потери в транзисторе
'РVT 'РVT ст 'РVT дин,
2
где 'РVT ст I1 cрRотк – статические потери в транзисторе, здесь Rотк –
это сопротивление прямого канала транзистора в открытом состоянии.
Динамические потери в транзисторе
'РVT дин Рвхfp(tвкл. tвыкл.)/2 UвхI1срfp(tвкл. tвыкл.)/2,
Потери в диоде VD1
'РVD1 'Uв.прIVD1 cр.
Потери в диоде VD2
'РVD2 'Uв.прIVD2 cр.
Электрические потери в обмотке дросселя
'Рэл.др Iнг2Rдр.
Итак, суммарные потери в преобразователе
6Рп 'Рп.тр 'Рэл.др 'РVT 'РVD1 'РVD2.
Коэффициент полезного действия преобразователя
K Рнг/(Рнг 6'Рп).
Расчет площади радиатора транзистора выполнить по методике, приведенной в п. 3.1.
Статический расчет замкнутой по напряжению системы выполнить по методике, приведенной в п. 3.1.
Оценку динамических характеристик спроектированного преобразователя провести по методике, приведенной в п. 3.7.
3.12. Тема практического занятия № 19.
Методика расчета однотактного
прямоходового преобразователя, ОПП
Схема ОПП приведена на рис. 22.
Порядок выполнения задания:
1. Изучить по [3] устройство, принцип работы, вывод основных расчетных соотношений однотактного прямоходового преобразователя, ОПП.
2. Перед получением задания каждый студент должен пройти коллоквиум по теме практического задания. Тестовые вопросы для коллоквиума по теме практического занятия № 19 приведены в табл. 42.
135
Таблица 42
Тестовые вопросы для коллоквиума
№
п/п
Перечень вопросов для коллоквиума
1
Дайте пояснение принципу работы однотактного прямоходового преобразователя.
2
Поясните каким образом осуществляется cтабилизация выходного
напряжения преобразователя.
3
Приведите формулу для расчета произведение площадей сечения сердечника магнитопровода Sc и окно, Soк и дайте пояснения процедуре расчета.
4
Приведите формулу для расчета числа витков первичной обмотки
трансформатора W1.
5
Приведите формулу для расчета коэффициента трансформации трансформатора.
6
Приведите формулу для расчета действующего значения тока первичной обмотки трансформатора.
7
Приведите формулу для расчета действующего значения тока вторичной обмотки трансформатора.
8
Приведите формулу для расчета коэффициента заполнения окна сердечника трансформатора.
9
Приведите формулы для расчета электрических и магнитных потерь
трансформатора.
10
Приведите формулы для расчета индуктивности и емкости сглаживающего фильтра.
11
Приведите формулы для расчета загрузки транзисторов по току и напряжению.
12
Приведите формулы для расчета загрузки диодов по току и напряжению.
13 Приведите формулы для расчета потерь мощности в транзисторах.
14 Приведите формулы для расчета потерь мощности в диодах.
15 Приведите формулы для расчета КПД преобразователя.
16
Напишите формулу для расчета площади радиатора для охлаждения
транзистора и дайте необходимые пояснения.
17
Укажите в чем заключается суть статического расчета спроектированного преобразователя.
18
Напишите формулу для расчета коэффициента усиления преобразователя.
19
Укажите каким образом следует рассчитать требуемый коэффициент
усиления предварительного усилителя.
136
3. После сдачи коллоквиума студент должен получить задание
для решения практической задачи. Варианты заданий к практическому занятию № 19 приведены в табл. 43.
Таблица 43
Варианты заданий к практическому занятию № 19
Вар.
Uнг N, В
Iнг N, А
r'Uнг,
kп2
±Uвх, В
'Uвх.
4ср, qС
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
10
10
12
12
15
15
18
18
20
20
24
36
48
10
12
15
18
20
24
36
48
24
36
10
12
15
18
20
24
36
48
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
9,0
9,0
8
7
6
5
4
3
2
4
5
6,0
7,0
7
6
5
4
3
2
4
5
6,0
0,10
0,11
0,12
0,13
0,14
0,15
0,15
0,14
0,13
0,12
0,11
0,10
0,11
0,12
0,13
0,14
0,15
0,15
0,14
0,13
0,12
0,11
0,08
0,09
0,10
0,11
0,12
0,13
0,14
0,15
0,16
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,08
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
110
110
220
220
110
110
220
220
110
110
220
220
110
110
220
220
110
110
220
220
110
110
110
110
220
220
110
110
220
220
110
10
15
20
25
30
30
25
20
15
10
15
10
15
20
25
30
30
25
20
15
10
15
25
20
15
30
25
20
15
10
15
20
25
30
35
40
45
40
35
30
25
20
20
25
30
35
40
45
40
35
30
25
20
25
30
35
40
45
40
35
30
25
137
4. Для заданного варианта задачи рассчитать:
– значения коэффициента заполнения импульса Dmax, Dmin, DN
при различных значениях входного напряжения;
– индуктивность дросселя и выбрать его; – емкость конденсатора
фильтра Сф и выбрать его;
– загрузку транзистора и диода по току и напряжению и выбрать их;
– и построить регулировочную характеристику ДППН-III;
– и построить внешнюю характеристику ДППН-III;
– потери мощности и КПД преобразователя;
– площадь радиатора для охлаждения транзистора;
– выполнить статический расчет спроектированного стабилизатора напряжения;
– время полуволны переходного процесса и перерегулирование.
Обозначения параметров, принятые в табл. 43: Uнг N – номинальное значение напряжения нагрузки; Iнг N – номинальное значение
тока нагрузки; r'Uнг, – допустимое отклонение напряжения нагрузки, в процентах; kп2 – требуемое значение коэффициента пульсаций напряжения нагрузки, о. е.; Uвх N – номинальное значение
входного напряжения; r 'Uвх. – отклонение входного напряжения
преобразователя, в процентах; 4ср, qС – температура окружающей
среды, градусы Цельсия.
3.13. Основные параметры, характеризующие работу
однотактного обратноходового преобразователя ООП
Схема однотактного обратноходового преобразователя, ООП, приведена на рис. 23.
VT
VD
–
T
Uвх
–
–
С1
w1
w2
С2
Uнг
iс
i2
–
iнг
Рис. 23. Схема однотактного обратноходового преобразователя, ООП
138
Расчет загрузки элементов схемы и их выбор
Определяем коэффициент трансформации в первом приближении, воспользовавшись равенством намагничивающих сил обмоток
трансформатора в момент выключения транзистора I1mW1 I2mW2:
kтр W1/W2 I2m/I1m.
(284)
Амплитуду импульса тока первичной обмотки, I1m, следует определять при значении коэффициента заполнения импульса D Dmax 0,6:
I1m I1 ср/Dmax.
(285)
Среднее значение входного тока определим, задавшись значением K 0,9:
I1 ср Pнг/[K(Uвх min – 'Uкэ.нас – 'Uт1)],
(286)
где Uвх min Uвх N(1 – 'Uвх./100) – минимальное значение входного напряжения; 'Uвх. – отклонение напряжения на входе преобразователя, в процентах; 'Uкэ.нас – падение напряжения на открытом
транзисторе, 'Uкэ.нас |1В; 'Uт1 – падение напряжения на активном
сопротивлении первичной обмотки трансформатора, 'Uт1 |0,01Uвх N.
Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора
при Dmax 0,6
I1 I1l Dmax .
Амплитуду импульса тока вторичной обмотки, I2m, следует определять при том же значении коэффициента заполнения импульса D Dmax:
I2m Iнг/(1 – Dmax).
(287)
По рассчитанным значениям I1m и I2m определим по (283) значение коэффициента трансформации:
Для дальнейших расчетов необходимо принять следующие параметры. Максимальное значение коэффициента скважности Dmax
принимаем равным 0,6.
Определим максимальное значения входного напряжения:
Uвx max Uвx N(1 'Uвх./100);
Задаемся в первом приближении следующими параметрами:
– 'Uкэ.нас 1 В – напряжение насыщения транзистора;
– Uв.пр 1 В – падение напряжения на диоде в прямом направлении;
– 'Uт1 0,01Uвx N – падение напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки;
– 'Uт2 0,01Uнг N – падение напряжения на активном сопротивлении вторичной обмотки.
139
Номинальное значение коэффициента заполнения импульса DN
определяем в первом приближении по формуле (288):
DN (Uнг N Uв.пр 'Uт2)kтр/[(Uвx N – 'Uкэ.нас – 'Uт1) (288)
(Uнг N Uв.пр 'Uт2)kтр];
Определим по формуле (289) минимальное значение коэффициента заполнения импульса Dmin:
Dmin Dmax/[Dmax(1 – Кc) Кc)],
(289)
где Кc Uвх max/Uвх min.
Определим в первом приближении величину индуктивности
первичной обмотки трансформатора, необходимую для работы преобразователя:
(290)
L1 min Uвх NDN(1 – DN)kтр/(2Iнг minfр).
С учетом рекомендаций, принимаем минимальное значение тока
нагрузки Iнг min 0,3Iнг N.
Размах отклонения тока первичной обмотки трансформатора
'I1 | Iнг min/kтр.
(291)
Для дальнейшего расчета необходимо взять значение L1 c некоторым запасом:
L1 1,2L1 min.
(292)
Определим в первом приближении произведение площадей SoкSc
по формуле (292)
SoкSc [(L1'I1I1104)/(jmaxk1'B)] [см4].
(293)
2
Зададимся значением jmax 290 А/cм , 'B 0,1 Тл.
Заметим, что параметры jmax и 'I1 необходимо уточнить после
расчета трансформатора.
Коэффициент k1 определяем из табл. 6 [3]: k1 0,2.
Из табл. 5 [3] выбираем сердечник, у которого при рассчитанном
по (293) значении SoкSc: Sc см2; Soк см2; Аи мкГн/виток.
Определим число витков первичной обмотки W1 по формуле (294):
W1 min (L1'I1104)/(Sc'B).
(294)
Число витков вторичной обмотки
W2 W1/kтр.
Далее следует уточнить индуктивность первичной обмотки
трансформатора: L1 АиW2 и сравнить это значение с рассчитанным
по (292) значением.
Определим размах отклонения тока первичной обмотки 'I1 с учетом
реального значения индуктивности первичной обмотки трансформатора:
'I1 (Uвх max – 'Uкэ.нас – 'Uт1)Dmin(1 – Dmin)/(2L1fр). (295)
140
Рассчитанное значение 'I1 необходимо сравнить с принятым ранее значением (291).
После сравнения перечисленных выше параметров (kтр, L1 и 'I1)
необходимо принять решение о необходимости пересчета значений
параметров DN, Dmin, Dmin и параметров трансформатора.
Расчет сечения проводов обмоток и
коэффициента заполнения окна
Выше было определено действующее значение тока первичной
обмотки I1.
Определим действующее значение тока вторичной обмотки, I2.
Определим амплитуду импульса тока вторичной обмотки,
I2m Iнг/(1 – Dmax).
Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора
I2
I2l 1 Dmax .
Определим плотность тока обмоток трансформатора, которая
обеспечит перегрев обмоток на '4 30 qC по формуле:
j30 420SoкSc–0,240 [A/см2].
Сравнить это значение с принятым ранее значением j30 290 А/см2
и принять решение о необходимости уточнения расчетов.
Определим сечение проводов:
– первичной обмотки q1 I1/j;
– вторичной обмотки q2 I2/j.
Провода для обмоток выбираем по справочным данным, приведенным в табл. 52 (см. Прил.).
Определим коэффициент заполнения окна сердечника, kзап:
kзап (W1q1 W2q2)/Sок.
Рассчитанный коэффициент заполнения окна должен быть не более 0,4.
Выбор транзистора VT1
Транзистор выбирается по величине максимального (амплитудного) значения тока стока (коллектора) Iст m при D Dmin:
Icт m Pнг/(Uвх maxDminK) Uвх maxDmin/(2L1fр).
Определим максимальное напряжение на транзисторе
Uс-и max Uвх max/(1 – Dmin)
Выбор транзистора выполним с запасом по току и напряжению.
Примем коэффициент запаса по току kз.т 2 и по напряжению kз.н 2.
141
Транзистор выбираем по справочным данным, приведенным
в табл. 63–65 (см. Прил.).
Расчет емкости сглаживающего фильтра
Работа емкостного фильтра в этой схеме аналогична работе емкостного фильтра в схеме ОППН-II. В обеих схемах заряд конденсатора
происходит на интервале паузы, а разряд – на интервале импульса.
Емкость конденсатора должна быть не менее величины
С2 IнгDmax/(fUп2),
где Uп2 kп2Uнг.
Коэффициент пульсации напряжения нагрузки kп2 указан в задании на проект.
Конденсатор должен быть выбран на рабочее напряжение не менее двухкратного напряжения нагрузки, к которой он подключен
параллельно, т. е. UC N t(2Uнг).
Конденсатор выбираем по справочным данным, приведенным
в табл. 60 и 61 (см. Прил.).
Размах отклонения тока вторичной обмотки трансформатора 'I2
равен размаху отклонения тока, протекающего через конденсатор 'IС.
Величину 'I2 можно определить, умножив наибольшую величину отклонения тока первичной обмотки трансформатора, 'I1 max,
на коэффициент трансформации:
'I1 max Uвх maxDmin/(2L1fр).
'I2 'I1kтр.
Выбранный конденсатор фильтра должен быть способен пропустить ток 'I2.
Падение напряжения от переменного тока, протекающего через
конденсатор, составит 'UС IСrС Uп2.
Допустимое значение напряжения пульсаций нагрузки Uп2 определим по заданному значению коэффициента пульсаций напряжения нагрузки и среднему значению напряжения нагрузки:
Uп2 k2Uнг.
Сопоставив значений 'UC и Uп2, необходимо установить подавляет ли выбранный конденсатор пульсации напряжения до требуемого уровня.
Выбор диода
Среднее значение тока, протекающего через диод, равно среднему значению тока нагрузки Iв.ср Iнг.
142
Максимальное обратное напряжение на закрытом диоде равно
напряжению нагрузки: Uобр max Uнг.
Выбираем диод с по запасом току и напряжению: kз.т 2 и kз.н 2.
Диод выбираем по справочным данным, приведенным в табл. 54
(см. Прил.).
Расчет потерь мощности и
коэффициента полезного действия ООП
Суммарные потери мощности в трансформаторе, 'Рп.тр:
'Рп.тр 'Рэл 'Рм,
2
где 'Рэл.тр I нгRтр – электрические потери в обмотках трансформатора; 'Рм Руд.мVс – потери в магнитопроводе трансформатора;
Vс – объем сердечника трансформатора.
Руд.м – удельные потери материала магнитопровода:
Руд.м
'В2,4(КНfp КЕfp2).
Для большинства ферритов коэффициент гистерезиса КН 4Â10–5,
а коэффициент вихревых токов КE 4Â10–10.
Активное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное
к вторичной обмотке, можно определить по формуле (296) в первом
приближении:
jRLUc 103 eb Bl
4
(296)
Rðî
.
Ic eBl
Uc Ic
Потери в транзисторе, 'РVT:
'РVT 'РVT ст 'РVT дин,
2
где 'РVT ст I1 cрRотк – статические потери в транзисторе, здесь Rотк –
это сопротивление прямого канала транзистора в открытом состоянии, 'РVT дин – динамические потери в транзисторе.
'РVT дин Рвхfp(tвкл. tвыкл.)/2 UвхI1 срfp(tвкл. tвыкл.)/2,
Потери в диоде VD1
'РVD1 'Uв.прIVD1 cр.
Итак, суммарные потери в преобразователе
6Рп
'Рп.тр 'РVT 'РVD1.
Коэффициент полезного действия ООП:
K Рнг/(Рнг 6'Рп).
Расчет площади радиатора транзистора выполнить по методике,
приведенной в п. 3.1.
143
Статический расчет замкнутой по напряжению системы выполнить по методике, приведенной в п. 3.1.
Провести проверку преобразователя на устойчивость к возмущающим воздействиям, используя программу SIMULINK.
3.14. Тема практического занятия № 20.
Методика расчета
однотактного обратноходового преобразователя, ООП
Схема ООП приведена на рис. 23.
Порядок выполнения задания:
1. Изучить по [3] устройство, принцип работы, вывод основных расчетных соотношений однотактного прямоходового преобразователя, ОПП.
2. Перед получением задания каждый студент должен пройти коллоквиум по теме практического задания. Тестовые вопросы для коллоквиума по теме практического занятия № 20 приведены в табл. 44.
3. После сдачи коллоквиума студент должен получить задание
для решения практической задачи. Варианты заданий к практическому занятию № 20 приведены в табл. 45.
Таблица 44
Тестовые вопросы для коллоквиума
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
144
Перечень вопросов для коллоквиума
Дайте пояснение принципу работы однотактного обратноходового
преобразователя.
Поясните каким образом осуществляется cтабилизация выходного
напряжения преобразователя.
Приведите формулу для расчета индуктивности первичной обмотки
трансформатора.
Приведите формулу для расчета произведение площадей сечения сердечника магнитопровода Sc и окно, Soк и дайте пояснения процедуре расчета.
Приведите формулу для расчета числа витков первичной обмотки
трансформатора W1.
Приведите формулу для расчета коэффициента трансформации трансформатора.
Приведите формулу для расчета действующего значения тока первичной обмотки трансформатора.
Приведите формулу для расчета действующего значения тока вторичной обмотки трансформатора.
Приведите формулу для расчета коэффициента заполнения окна сердечника трансформатора.
Окончание табл. 44
№
п/п
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Перечень вопросов для коллоквиума
Приведите формулы для расчета электрических и магнитных потерь
трансформатора.
Приведите формулы для расчета емкости сглаживающего фильтра.
Приведите формулы для расчета загрузки транзистора по току и напряжению.
Приведите формулы для расчета загрузки диода по току и напряжению.
Приведите формулы для расчета потерь мощности в транзисторе.
Приведите формулы для расчета потерь мощности в диоде.
Приведите формулы для расчета КПД преобразователя.
Напишите формулу для расчета площади радиатора для охлаждения
транзистора и дайте необходимые пояснения.
Укажите в чем заключается суть статического расчета спроектированного преобразователя.
Напишите формулу для расчета коэффициента усиления преобразователя.
Укажите каким образом следует рассчитать требуемый коэффициент усиления предварительного усилителя.
Таблица 45
Варианты заданий к практическому занятию № 20
Вар.
Uнг N, В
Iнг N, А
r'Uнг,
kп2
Uвх, В
r'Uвх.
4ср, qС
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
40
50
60
70
80
90
100
110
10
20
30
36
48
55
12
15
1,0
1,5
2,0
1,5
1,0
0,9
0,8
0,7
2,0
1,0
0,5
1,0
1,5
1,0
5,0
4,0
0,10
0,11
0,12
0,13
0,14
0,15
0,15
0,14
0,13
0,12
0,11
0,10
0,11
0,12
0,13
0,14
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,08
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
110
110
220
220
110
110
220
220
110
110
220
220
110
110
220
220
10
15
20
25
30
30
25
20
15
10
15
10
15
20
25
30
20
25
30
35
40
45
40
35
30
25
20
20
25
30
35
40
145
Окончание табл. 45
Вар.
Uнг N, В
Iнг N, А
r'Uнг,
kп2
Uвх, В
r'Uвх.
4ср, qС
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
18
20
24
36
48
24
36
48
12
15
18
20
24
36
48
3,0
2,0
4,0
3,0
2,0
3,0
1,5
1,5
5,5
4,5
3,5
2,5
4,5
3,5
2,5
0,15
0,15
0,14
0,13
0,12
0,11
0,06
0,07
0,08
0,09
0,10
0,11
0,12
0,13
0,14
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
110
110
220
220
110
110
110
110
220
220
110
110
220
220
110
30
25
20
15
10
15
25
20
15
30
25
20
15
20
25
45
40
35
30
25
20
25
30
35
40
45
40
35
30
25
4. Для заданного варианта задачи рассчитать:
– значения коэффициента заполнения импульса Dmax, Dmin, DN
при различных значениях входного напряжения;
– индуктивность первичной обмотки трансформатора; – емкость
конденсатора фильтра Сф и выбрать его;
– загрузку транзистора и диода по току и напряжению и выбрать их;
– потери мощности и КПД преобразователя;
– площадь радиатора для охлаждения транзистора;
Выполнить статический расчет спроектированного стабилизатора напряжения.
Используя программу SIMULINK, выполнить оценку реакции
спроектированной системы на возмущение по каналу управления
и по цепи нагрузки.
Обозначения параметров, принятые в таблице 45: Uнг N – номинальное значение напряжения нагрузки; Iнг N – номинальное значение тока нагрузки; r'Uнг, допустимое отклонение напряжения нагрузки, в процентах; kп2 – требуемое значение коэффициента пульсаций напряжения нагрузки, о. е.; Uвх N – номинальное значение
входного напряжения; r 'Uвх. – отклонение входного напряжения
преобразователя, в процентах; 4ср, qС – температура окружающей
среды, градусы Цельсия.
146
Приложение
СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ
ПО ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
4.1. Справочные данные по однофазным трансформаторам
1. Для шестифазной схемы выпрямления две вторичные обмотки
каждого трансформатора соединяются последовательно. Точка соединения этих двух обмоток (нулевая точка) выводится на клеммную колодку трансформатора. При групповом включении трех трансформаторов необходимо объединить все нулевые точки трех трансформаторов.
2. Для однофазных и трехфазных схем выпрямления вторичные обмотки могут быть соединены как параллельно, так и последовательно.
При последовательном соединении обмоток результирующее вторичное
напряжение будет равно удвоенному значению одной вторичной обмотки.
3. Трансформаторы ОСМ подключаются к общепромышленной
сети с частотой 50 Гц.
Первичная обмотка трансформатора может быть выполнена на
напряжение 220 или 380 В. Трансформаторы ОСМ выпускаются
и с одной вторичной обмоткой на такую же шкалу мощностей, что
трансформаторы с двумя вторичными обмотками (см. табл. 46).
Они могут иметь следующие значения напряжения вторичных
обмоток: 5; 12; 14; 24; 29; 42; 56; 110; 130; 220 и 260 В.
Таблица 46
Маломощные трансформаторы типа ОСМ
с двумя вторичными обмотками, мощность каждой из которых
равна половине мощности трансформатора
Тип
трансформатора
Номинальная Напряжение
Ток
Напряжение
Масса,
мощность,
вторичных холостого
короткого
кг
кВА
обмоток, В
хода, замыкания, ОСМ-0,063
0,063
24
12,0
1,4
ОСМ-0,100
0,100
24
9,0
2,0
ОСМ-0,160
0,160
23
7,0
3,0
14, 29, 56,
82
ОСМ-0,250
0,250
22
5,5
4,3
ОСМ-0,400
0,400
20
4,5
6,2
ОСМ-0,630
0,630
19
3,5
9,5
ОСМ-1,00
1,00
18
2,5
14,4
147
4.2. Справочные данные по дросселям
Таблица 47
Дроссели высокочастотные. Диапазон рабочей частоты до 150 кГц
Наименование
РЕ-53802S
РЕ-53803S
РЕ-53804S
РЕ-53805S
РЕ-53807S
РЕ-53809S
РЕ-53811S
РЕ-53812S
РЕ-53813S
РЕ-53815S
РЕ-53816S
РЕ-53809S
РЕ-53818S
РЕ-53819S
РЕ-53820S
РЕ-53821S
РЕ-53822S
РЕ-53823S
РЕ-53824S
РЕ-53826S
РЕ-53827S
РЕ-53828S
РЕ-53829S
РЕ-53830S
РЕ-53831S
РЕ-53932S
РЕ-53933S
РЕ-53934S
РЕ-53935S
РЕ-54036S
РЕ-54037S
РЕ-54038S
РЕ-54039S
РЕ-54041S
РЕ-54044S
148
L, мкГн
Размер LCI-20
178
118
79
55
26
Размер LCI-30
256
118
78
55
26
17
Размер LCI-37
252
173
115
78
54
38
26
18
Размер LCI-44
377
248
168
112
77
53
37
24
17
Размер HCI-68
250
168
114
77
53
Размер LCI-50
25
Размер HCI-68
77
Iоб N, А
RобÂ10–3, Ом
0,16
0,20
0,25
0,30
0,45
2,8
1,8
1,5
1,0
0,62
0,25
0,38
0,43
0,56
0,84
1,02
2,2
1,2
0,8
0,5
0,2
0,1
0,44
0,54
0,67
0,82
1,00
1,20
1,48
1,81
0,9
0,6
0,4
0,3
0,2
0,1
0,1
0,06
0,68
0,83
1,02
1,26
1,54
1,87
2,24
2,74
3,0
1,0
0,6
0,4
0,3
0,2
0,13
0,1
0,07
0,05
1,50
1,81
2,22
2,70
3,0
0,23
0,18
0,10
0,09
0,08
3,0
0,04
3,0
0,08
Таблица 48
Размеры дросселей типа LCI и HCI в мм
Наименование
LCI-20
LCI-30
LCI-37
LCI-44
LCI-50
HCI-68
Размеры, мм
А
В
8,64
11,05
14,35
15,34
17,02
23,87
8,64
11,18
14,48
15,75
17,78
23,87
Высота h, мм
6,86
9,14
9,14
9,91
9,91
10,16
Таблица 49
Дроссели высокочастотные серии SRP 1270.
Габаритные размеры: A uB uh 14 u14 u7 мм
Наименование
L, мкГн
Iоб. доп. д.з, А
Iнас, А
RобÂ10–3, Ом
SRP1270-R68M
SRP1270–1R0M
SRP1270–1R1M
SRP1270–2R2M
SRP1270–3R3M
SRP1270–4R7M
SRP1270–6R8M
SRP1270–8R2M
SRP1270–100M
0,68
1,0
1,5
2,2
3,3
4,7
6,8
8,2
10,0
35
32
27
22
18
15
12
11
10
60
50
48
40
35
30
21
17
16
1,6
2,1
2,6
4,2
6,6
11,2
14,0
15,5
16,8
Таблица 50
Дроссели Д13 высокочастотные двухобмоточные.
Номинальные параметры дросселя при последовательном соединении
обмоток при номинальной частоте fраб 100 кГц.
Обозначение дросселя
L, мГн
Д13–1, Д13–1б,
Д13–2, Д13–2б,
Д13–3, Д13–3б
Д13–4, Д13–4б, Д13–
5, Д13–5б, Д13–6,
Д13–6б
Д13–7, Д13–7б,
Д13–8, Д13–8б
Д13–9, Д13–9б,
Д13–10, Д13–10б,
Д13–11, Д13–11б
Д13–12, Д13–12б,
Д13–13, Д13–13б
0,315
0,08
0,005
0,20
0,0125
1,25
0,315
0,020
2,0
0,5
0,0315
3,15
0,80
Iоб. доп. д.з., А Uдоп. д.з. перем. сост. напр, В Rоб,Ом
0,5
1,0
4,0
1,0
4,0
0,5
1,0
4.0
0,5
1,0
4,0
0,5
1,0
58
33
12
47
18
100
48
15
132
34
16
200
120
0,9
0,25
0,03
0,40
0,06
1,50
0,70
0,05
1,60
0,60
0,05
1,50
0,80
149
Окончание табл. 50
Обозначение дросселя
L, мГн
Д13–18,Д13–18б,
Д13–19,Д13–19б,
Д13–20, Д13–20б
Д13–21,Д13–21б,
Д13–22, Д13–22б
0,125
5,0
0,315
0,02
0,08
Iоб. доп. д.з., А Uдоп. д.з. перем. сост. напр, В Rоб,Ом
4,0
1,0
4,0
16,0
8,0
34
135
74
10
25
0,13
1,80
0,15
0,02
0,05
Примечание: Приведены номинальные параметры дросселя при последовательном соединении обмоток при номинальной частоте fраб 100 кГц.
При параллельном соединении обмоток дросселя сопротивление и индуктивность уменьшаются в 4 раза, а ток увеличивается в 2 раза.
Таблица 51
Дроссели типа Д
Обозначение
дросселя
L, Гн
Iоб., А
Uдоп. д.з. пер.сост. напр, В на частоте 5 кГц
Rоб, Ом
Д301
Д302
Д307
Д308
Д313
Д314
Д320
Д321
Д328
Д336
Д337
Д338
Д339
Д344
Д345
Д346
Д352
Д353
Д354
Д360
Д362
Д363
Д364
Д369
0,0004
0,0008
0,0004
0,0004
0,0004
0,0008
0,0004
0,0008
0,0004
0,0004
0.0008
0,006
0,0125
0,0004
0,0008
0,006
0,0004
0,0008
0,006
0,0004
0,006
0,0125
0,112
0,00125
1,6
1,1
2,2
1,6
3,2
2,2
4,5
3,2
6,3
9
6,3
2,2
1,6
12,5
9
3,2
18
12,5
4,5
25
6,3
4,5
1,6
18
2,52
3,36
3,1
4,2
3,82
5,72
6,02
8,36
7,92
11,52
15,84
48,8
66,2
20
21,6
66
21,6
30,2
94
28,8
100
100
100
86,4
0,1
0,18
0,19
0,33
0,13
0,24
0.082
0,162
0,056
0.032
0,075
0,83
1,2
0,045
0,097
0,69
0.014
0,03
0,31
0,0076
0,284
0,45
2,52
0,026
150
Примечание: дроссели типа Д, рассчитанные на рабочий диапазон частот переменной составляющей от 5 кГц до 50 кГц, с индуктивностью от
0,0001 до 0,2 Гн и постоянной составляющей тока подмагничивания от
0,07 до 50 А предназначены для работы в источниках питания напряжением до 250 В. При параллельном соединении обмоток дросселя сопротивление и индуктивность уменьшаются в 4 раза, а ток увеличивается в 2 раза.
4.3. Характеристики медных проводов
для обмоток трансформаторов
Таблица 52
Медные обмоточные провода
ПЭЛУ
ПЭЛР-2, ПЭВ-2
ПЭТВ, ПЭТВ-1
ПЭЛ
ПЭВ-1
ПЭЛР-1 (tр 105 qС)
Диаметр провода с изоляцией, мм
Сопротивление 1000 м
провода, Ом
Сечение расчетное,
мм2
Диаметр по меди
(без изоляции), мм
Провод без изоляции
1
2
3
4
5
6
7
8
0,10
0,11
0,12
0,13
0,14
0,15
0,16
0,17
0,18
0,19
0,20
0,21
0,23
0,25
0,27
0,29
0,31
0,33
0,35
0,38
0,41
0,44
0,00785
0,00950
0,01131
0,01327
0,01539
0,01767
0,02011
0,02270
0,02545
0,02835
0,031432
0,03464
0,04155
0,04909
0,05726
0,066605
0,07548
0,08553
0,096221
0,1134
0,1320
0,1521
2237
1846
1551
1321
1139
993
872
773
689
619
558
506
422
357
306
265
232
205
182
155
133
115
0,12
0,13
0,14
0,15
0,16
0,18
0,19
0,20
0,21
0,22
0,23
0,24
0,26
0,28
0,31
0,33
0,35
0,37
0,39
0,42
0,45
0,48
0,125
0,135
0,145
0,155
0,165
0,18
0,19
0,20
0,21
0,22
0,23
0,24
0,27
0,29
0,31
0,33
0,35
0,37
0,39
0,42
0,45
0,48
0,12
0,13
0,14
0,15
0,16
0,17
0,18
0,19
0,20
0,21
0,225
0,235
0,255
0,275
0,31
0,33
0,35
0,37
0,39
0,42
0,45
0,49
0,13
0,14
0,15
0,16
0,17
0,19
0,20
0,21
0,22
0,23
0,24
0,25
0,28
0,30
0,32
0,34
0,36
0,38
0,41
0,44
0,47
0,50
0,135
0,145
0,155
0,165
0,175
0,185
0,195
0,205
0,215
0,225
0,24
0,25
0,27
0,29
0,33
0,35
0,37
0,39
0,41
0,44
0,47
0,51
151
Окончание табл. 52
ПЭЛУ
ПЭЛР-2, ПЭВ-2
ПЭТВ, ПЭТВ-1
ПЭЛ
ПЭВ-1
ПЭЛР-1 (tр 105 qС)
Диаметр провода с изоляцией, мм
Сопротивление 1000 м
провода, Ом
Сечение расчетное,
мм2
Диаметр по меди
(без изоляции), мм
Провод без изоляции
1
2
3
4
5
6
7
8
0,47
0,49
0,51
0,53
0,55
0,59
0,64
0,69
0,74
0,77
0,86
0,93
1,0
1,08
1,12
1,16
0,1735
0,1886
0,2143
0,2206
0,23276
0,2734
0,3217
0,3739
0,4301
0,4657
0,5809
0,6793
0,7854
0,9161
09852
1,057
101
93
85,9
79,5
73,7
64,1
54,5
46,9
40,7
37,6
30,1
25,8
22,4
19,1
17,8
16,6
0,51
0,53
0,56
0,58
0,60
0,64
0,69
0,74
0,80
0,83
0,92
0,99
1,08
1,16
1,20
1,24
0,51
0,53
0,56
0,58
0,60
0,64
0,69
0,74
0,80
0,83
0,92
0,99
1,08
1,16
1,20
1,24
0,52
0,54
0,56
0,58
0,60
0,64
0,69
0,74
0,80
0,83
0,92
0,99
1,08
1,16
1,20
1,24
0,53
0,55
0,58
0,60
0,62
0,66
0,72
0,77
0,83
0,86
0,95
1,02
1,11
1,19
1,23
1,27
0,54
0,56
0,58
0,60
0,62
0,66
0,71
0,76
0,83
0,86
0,95
1,02
1,11
1,19
1,23
1,27
4.4. Справочные данные по диодам
Таблица 53
Параметры диодов типа ДЛ и ДЧ
Тип вентиля
Параметр
Макс. обр. напр., Uв. обр.max, В
ДЛ112–10
ДЛ112–16
ДЛ112–25
ДЛ122–32
ДЛ122–40
ДЛ132–50
ДЛ132–63
ДЛ132–80
400–1500
400–1500
400–1500
32,40
50,63,80
440,550
1100,1200,1320
50,62
0,87
5,3; 3,85
78,98,125
0,85
3,4;2,6; 2,0
10,16,25
Доп. средний ток, Iв.ср., А
Ударный неповторяющийся
230, 270, 300
ток, Iуд. max, А
Действующ. прямой ток, А
15,25,39
Пороговое напряжение, В
0,92
Диффер. сопрот., Rв.диф., мОм 15,2; 9,3; 5,7
152
Окончание табл. 53
ДЛ112–10
ДЛ112–16
ДЛ112–25
ДЛ122–32
ДЛ122–40
ДЛ132–50
ДЛ132–63
ДЛ132–80
5,9;6,3;6,7
7,1;7,2
9,3;9,8;10,2
0,999
0,999
0,999
0111–60
0221–60
0231–80
ДЛ161–200
ДЛ171–320
ДЛ133–500
400–1400
400–1400
400–1400
Доп. средний ток, Iв.ср., А
200
320
1320
Ударный неповторяющийся
ток, Iуд. max, А
6,0
8,2
8,0
Действующ. прямой ток, А
Пороговое напряжение, В
320
0,92
500
0,87
1320
0,85
Диффер. сопрот., Rв.диф., мОм
0,7
0,5
0,5
Время обратного восстановления, tобр.восст., мкс
25
25
25
0,98
0,98
0,97
0171–80
0181–110
0141–150
Тип вентиля
Параметр
ДЧ151–80
ДЧ151100
ДЧ161–125
ДЧ161–160
ДЧ171–250
ДЧ171–320
Макс. обр. напр., Uв. обр.max, В
500–1400
500–1400
400–1400
Доп. средний ток, Iв.ср., А
Ударный неповторяющийся
ток, Iуд. max, А
Действующ. прямой ток, А
Пороговое напряжение, В
80; 100
125; 160
250;320
2,7; 3,0
5,0; 5,5
8,8; 10,0
126; 157
1,2; 1,06
196;251
1,2; 1,05
393;502
1,2;1,05
Диффер. сопрот., Rв.диф., мОм
3,3; 1,7
1,87; 0,86
1,3; 0,65
Время обратного восстановления, tобр.восст., мкс
1,6–2,5
2,0–3,2
2,5–3,2
0,99
0,99
0,99
0151–80
0161–80
0181–110
Тип вентиля
Параметр
Время обратного восстановления, tобр.восст., мкс
Вероятность безотк. работы
за 1000 ч
Тип охладителя
Тип вентиля
Параметр
Макс. обр. напр., Uв. обр.max, В
Вероятность безотк. работы
за 25000 ч
Тип охладителя
Вероятность безотк. работы
за 10000 ч
Тип охладителя
153
Таблица 54
Параметры диодов Шотки
Параметры
Тип
вентиля
19TQ015/IR
MBR735/ Taw
MBR745/ Taw
MBR760/ Taw
MBR1045/ IR
MBR1645/ IR
8TQ080/IR
8TQ100/IR
12TQ045/IR
20TQ045/IR
1N5818
1N5822
SR360
SR560
SR860
SF12
SF22
SF34
SF54
SF164
SF302
SF304
SF18
IDB04Е120
IDB09Е120
IDB12Е120
HER204
HER205
HER206
HER207
HER303
HER304
154
Uобр., В
Iв.ср. N, А
'Uв.пр.,В
Iут. m,A
15
35
45
60
45
45
80
100
45
45
30
40
60
60
60
100
100
100
200
200
100
200
600
1200
1200
1200
300
400
600
800
200
300
19
7,5
7,5
7,5
10
16
8
8
12
20
1,0
3,0
3,0
5,0
8,0
1,0
2,0
3,0
5,0
16,0
30,0
30,0
1,0
4,0
9,0
12,0
2,0
2,0
2,0
2,0
3,0
3,0
0,36
0,57
0,57
0,57
0,57
0,57
0,72
0,72
0,56
0,57
0,45
0,525
0,75
0,70
0,75
0,95
0,95
0,95
0,95
0,975
0,975
0,975
1,25
0,95
0,95
0,95
1,3
1,3
1,7
1,7
1,0
1,3
0,5
0,1
0,1
0,1
0,1
0,2
0,55
0,55
1,75
2,70
1,0
2,0
3,0
5,0
5,0
0,005
0,005
0,005
0,005
0,01
0,01
0,01
0,005
0,005
0,005
0,005
5·10–6
5·10–6
5·10–6
5·10–6
10·10–6
10·10–6
Iимп. пр., А tвосст., нс
25
80
150
150
150
30
75
125
150
125
300
300
30
30
30
30
50
50
50
50
50
50
35
35
35
35
35
35
35
35
30
30
30
50
70
70
70
50
50
4.5. Справочные данные по тиристорам
Таблица 55
Тип охладителя
tвыкл, мкс
Rв. дин·10–3, Ом
'Uв.пр, В
I0в. ср, А
Iимп max, А
Параметры
Тип
вентиля
Iв.ср, А
Uобр. max, В
Параметры оптотиристоров
ТО125–10
100–1000 10 0,40 8 1,6
100
0325
ТО125–12,5
100–1000 12,5 0,45 8,5 1,4 11,0
100
0325
ТО2–10
100–1000 10 0,40 8 1,75 13,0 50–150 0241–80
ТО2–40
100–1000 40 0,75 19 1,75 4,7 50–150 0241–80
ТО132–25
100–1200 25 0,60 13 1,85
- 50–150 0231
ТО132–40
100–1200 40 0,75 15 1,75 50–150 0231
ТО142–50
100–1200 50 0,80 17 1,85 50–150 0241
ТО142–63
100–1200 63 1,2 19 1,75 50–150 0241
ТО142–80
100–1200 80 1,35 20 1,75 50–150 0241
ТЧ-100
100–1200 100 3,1 72 2,2
12–63
0171
Примечание: Iqв.ср – это максимально допустимый средний ток оптотиристора с охладителем при естественном охлаждении и температуре окружающей среды 40 qС.
Таблица 56
Параметры тиристоров частотных
Тип вентиля
ТЧ80; TЧ100
ТЧ125
ТЧИ100
300–900;
300–1000;
300–1200
500–1200
50; 63
80; 100; 125
100
39; 62
78; 99
126; 157;
196
157
Пороговое напряжение, В
1,9; 1,1
2,2; 1,7
1,75; 1,4
1,4
Диффер.сопрот., Rв. диф., мОм
12; 5,5
4; 2,5
2,6; 1,5
1,5
Отпирающий ток управле1,0; 0,5
ния, А
1,6;
0,75
3,0; 0,4
0,55; 025
12–30
12–30
12–30
20; 30
700; 900
1900–
2200
3600; 3100;
3700
2800
Параметры
ТЧ25;
ТЧ40
ТЧ50;
ТЧ63
Макс. обратное напряжение,
300–900 300–900
Uв. обр.max, В
Доп. средний ток, Iв. ср. А
Действующ. прямой ток, А
Время выключ., не болеее, мкс
Ударный неповт. ток,
Iуд.max, А
25; 40
155
Таблица 57
Параметры запираемых тиристоров
Uобр. max,В
Iв. ср, Iимп. max, Iqв.ср,
'Uв. пр, В
А
кА
А
Тип
tвыкл.,
охладимкс
теля
100–1200
100–1200
100–1200
100–1200
100
100
100
100
12–63
12–63
12–63
12–63
Параметры
Тип
вентиля
ТЗ132–40
ТЗ132–50
ТЗ142–63
ТЗ142–80
3,1
3,1
3,1
3,1
72
72
72
72
2,2
2,2
2,2
2,2
0171
0171
0171
0171
Таблица 58
Параметры тиристоров сильноточных
Тип вентиля Т271–250; Т133–500 Т143–1000 Т153–1600
Т271–320 Т133–630 Т143–1250 Т153–2000
Параметры
Макс. обр. напр.,Uв. обр. max, В 100–800 100–800
250;
500;
Доп. средний ток, Iв. ср, А
320
630
Действующ. прямой ток, А
500
1000
Пороговое напряжение, В
1,5; 1,25
1,5
0,8
0,33
Диффер. сопрот., Rв.диф., мОм
Отпирающий ток управле0,15
0,15
ния, А
Время выключ., не болеее, мкс
250
250
Ударный неповт. ток,
11000
11000
12600
13200
Iуд. max, А
Тип охладителя
0181
0143
100–800
1000;
1250
1960
1,5
0,2
100–800
1600;
2000
3140
1,45
0,075
0,20
0,20
250
21000
23000
0343
250
33000
39000
0253
4.6. Справочные данные по конденсаторам
Таблица 59
Конденсаторы фольговые и металлизированные
высокочастотные полипропиленовые
(для выходных фильтров инверторов)
Наименование
Емкость, мкФ
Uc N, В
К78–2
К78–11
К78–12
К78–16
К78–19
К78–20
К78–21
К78–29
К78–37
0,001–2,2
0,01–22
0,001–15
0,001–10
0,01–22
1–68
0,1–68
1–100
0,001–68
250–2000
200
500–2000
100
200
200–1000
250–1000
250–630
250–630
Стандартный ряд емкостей: 0,1; 0,22; 0,47; 0,68; 1,0; 2,2; 4,7; 6,8;
10; 22; 47; 68; 100 мкФ.
156
Таблица 60
Параметры конденсаторов типа В43580
UN, В
25
40
63
100
CN, мкФ
ESR·10–3
при fп 100 Гц, Ом
Iпер. max, А
при fп 100 Гц
Габаритные
размеры D·L, мм
15000
22000
33000
47000
68000
100000
150000
220000
330000
10000
15000
22000
33000
47000
68000
100000
150000
220000
4700
6800
10000
15000
22000
33000
47000
68000
100000
1500
2200
3300
4700
6800
10000
15000
22000
33000
42
29
20
16
12
9,4
8,0
7,0
6,4
42
29
22
16
12
10
8,2
7,2
6,4
60
44
30
22
16
12
10
8,0
6,2
104
70
48
35
24
17
13
10
8
18
25
30
30
30
30
40
40
50
18
25
30
30
30
30
40
50
50
15
20
28
30
30
40
40
50
50
11
16
19
26
30
30
40
50
50
35,7·55,7
35,7·80,7
35,7·80,7
35,7·105,7
51,6·80,7
51,6·105,7
64,3·105,7
76,9·105,7
76,9·143,2
35,7·55,7
35,7·80,7
35,7·80,7
35,7·105,7
51,6·80,7
51,6·105,7
64,3·105,7
76,9·105,7
76,9·143,2
35,7·55,7
35,7·80,7
35,7·105,7
51,6·80,7
51,6·105,7
64,3·105,7
64,3·105,7
76,9·105,7
76,9·143,2
35,7·55,7
35,7·80,7
35,7·80,7
35,7·105,7
51,6·80,7
51,6·105,7
64, ·3105,7
76,9·105,7
76,9·143,2
157
Таблица 61
Параметры конденсаторов типа В43456
UN, В
350
400
450
CN, мкФ
1500
2200
3900
5600
8200
12000
15000
18000
1000
1500
2200
3300
4700
6800
10000
12000
15000
1000
1500
2200
3300
5600
6800
8200
12000
ESR·10–3
при fп 100 Гц, Ом
Iпер. max, А
при fп 100 Гц
размеры D·L, мм
73
41
29
3900
5600
11
9
160
110
73
49
34
24
16
14
11
220
150
100
65
38
32
28
18
16
21
32
43
50
70
50
70
8,2
13
15
20
29
33
28
46
54
13
18
24
32
49
50
57
70
51,6·80,7
51,6·105,7
64,3·105,7
76,9·105,7
76,9·143,2
91,0·144,5
76,9·220,7
91,0·221,0
51,6·80,7
51,6·80,7
51,6·105,7
64,3·105,7
76,9·105,7
76,9·143,2
91,0·144,5
76,9·220,7
91,0·221,0
51,6·80,7
51,6·105,7
64,3·105,7
76,9·105,7
76,9·143,2
91,0·144,5
76,9·220,7
91,0·221,0
Габаритные
Электролитический конденсатор должен использоваться при допустимых токах пульсации, значение которых указывается в справочных данных.
Требования по напряжению: сумма постоянного напряжения и напряжения пульсации не должно превышать номинальное рабочее напряжение конденсатора. Указанные максимально допустимые токи
пульсации, если не оговаривается особо, определяются при температуре 85qС и на частоте 120 Гц. При другой температуре окружающей среды и на другой частоте в качестве максимально допустимого тока пульсации применяется ток пульсации, умноженный на коэффициент.
158
Таблица 62
Влияние температуры окружающей среды
на допустимую величину тока пульсаций
Температура
qС
40
60
70
85
105
Коэффициент
–
1,9
1,5
1,3
1,0
0,6
Частота
Гц
60
120
300
1000
10000
100000
Коэффициент
–
0,7
1,0
1,1
1,3
1,4
1,4
4.7. Справочные данные по транзисторам
Таблица 63
Параметры мощных полевых транзисторов, корпус ТО22
Параметры
Тип вентиля
Технолоия
Uс–и max,
В
Iс N, A
'Uси, В
Pmax, Вт
IRF1104/IR
N, NEX
40
100
2–4
170
IRF1405/IR
N, NEX
55
169
2–4
330
IRF710/Its
N, MOS
400
2
2–4
38
BUZ80A/Ph
N, MOS
800
3
2,1–4
75
IRF620/STM
N, MOS
200
6
2–4
70
IRF740/IR
N, NEX
400
10
2–4
125
IRF6215/IR
P, NEX
–150
13
(–2)–(–4)
110
IRF9530N/IR
P, NEX
–100
14
(–2)–(–4)
110
IRF9540N/IR
P, NEX
–100
23
(–2)–(–4)
200
IRF5305N/IR
N, NEX
–55
31
(–2)–(–4)
200
IRF5210N/IR
N, NEX
–100
40
(–2)–(4)
87
IRF3710/IR
N, NEX
100
57
2–4
88
IRF3707/IR
N, NEX
30
62
2–4
180
IRF3706/IR
N, NEX
20
77
0,6–2
170
IRF1010N/IR
N, NEX
55
85
2–4
330
STP80NF10/STM
N, MOS
100
80
2–4
210
STP12NB30/STM
N, MOS
300
12
3–5
125
STP80NF10/STM
N, MOS
500
12
3–5
110
STP80NF10/STM
N, MOS
600
6
2–4
125
STP80NF10/STM
N, MOS
800
5,4
3–5
125
STP80NF10/STM
N, MOS
1000
5
3–5
135
159
Таблица 64
Параметры мощных полевых транзисторов, корпус Module-s
Параметры
Тип
вентиля
R с-и
нас.,
мОм
Iс. max, Uс-и раб., Pmax,
A
В
Вт
Iзи max, Rпер. корп.
мA
qС/мВт
4max раб.,
qС
EFM119
15
100
1000
200
100
300
125
EFM109S
12
500
1000
400
100
300
125
EFM089S
24
100
1000
110
100
300
125
EFM079M113
32
100
960
140
100
300
150
EFM049
8
400
1000
800
100
300
125
BSM181F
34
800
700
320
100
180
150
BSM151F
56
500
700
110
100
180
150
BSM121AR
130
200
700
20
100
180
150
BSM111AR
200
100
700
8,5
100
180
150
EFM029S
7,0
500
1000
1,1
100
300
125
IRFPO64N
110
55
200
8,0
100
–
125
IRF540
28
110
150
52
100
–
125
IRF11010N
49
55
58
12
100
–
125
IRF3710
57
100
200
20
100
–
125
BUZ102S4
52
54
120
16
100
–
150
Таблица 65
Параметры мощных полевых транзисторов отечественных
Параметры
Тип
вентиля
Тип
корпуcа
Uс-и max,
В
Iс N,
A
'Uc-и,
В
Pmax,
Вт
tсп,
нс
tвкл.,
нс
tрасс,
мкс
КП946А
ТО220
500
15
0,7
40
55
80
0,7
КП948А
ТО220
800
5
0,3
20
100
80
1,3
КП948В
ТО220
700
5
0,3
20
100
80
1,3
КП953А
ТО218
800
15
0,45
50
150
150
2,0
КП953Г
ТО218
600
15
0,45
50
150
150
2,0
КП954А
ТО220
150
20
0,3
40
50
50
0,3
КП954Б
ТО220
100
20
0,3
40
50
50
0,3
КП954В
ТО220
60
20
0,25
40
50
50
0,5
КП955А
ТО218
500
25
0,6
50
100
100
1,5
КП958А
ТО218
150
30
0,2
70
60
80
0,5
2П7160Е
КТ-97В
60
35
0,12
150
-
-
-
160
Таблица 66
Параметры транзисторов IGBT, корпус ТО220
Параметры
Uкэ. max, В
Iк, А
'Uкэ.нас, В
Pк max, Вт
tвкл, нс
IRG4BC10К
600
9
2,39
38
11
IRG4BC10SD
600
14
1,58
38
76
IRG4BC20F
600
16
1,66
60
24
IRG4BC20SD
600
19
1,40
60
62
IRG4BC20UD
600
13
1,85
60
39
IRG4BC30FD
600
31
1,59
100
42
IRG4BC30FD
600
28
2,21
100
60
IRG4BC30S
600
34
1,40
100
22
IRG4BC30U
600
23
1,95
100
17
IRG4BC40F
600
49
1,50
160
26
IRG4BC30S
600
40
1,72
160
34
Тип вентиля
Таблица 67
Параметры высоковольтных IGBT транзисторов
Параметры
Тип
вентиля
Uк.э
ВUР213
1200
32
3,3
5,5
200
0,045
10
ВUР309
1600
25
3,5
5,5
310
0,055
10
ВUР314
1200
52
2,7
5,5
300
0,065
10
ВUР314D
1200
52
2,7
5,5
300
0,065
10
ВUР314S
1200
25
5,5
5,5
300
0,06
10
PM10CZF120
1200
10
2,7
6,0
62
2,1
10
PM15CZF120
1200
15
2,7
6,0
83
2,1
10
PM100CZA120 1200
100
2,3
6,0
593
2,9
10
PM300DSA120 1200
300
2,3
6,0
1790
2,9
10
PM300DSA120 1200
800
2,5
6,0
4630
3,4
10
Iк max, 'Uк.э нас., Uупр, Pк max, tвкл+tвыкл, fперек max,
A
В
В
Вт
мкс
кГц
161
162
Таблица 68
КТ704
КТ810А
КТ812А
КТ818А
КТ826Б
КТ838А
КТ844А
КТ846А
КТ847А
КТ858А
КТ935Б
КТ997А
2КТ945А
2КТ998
2Т827А
2Т834А
КТ-10
КТ-28
КТ-9
КТ-28
КТ-9
КТ-9
КТ-9
КТ-9
КТ-9
КТ-28
КТ-97
КТ-28
КТ-9
КТ-10
КТ-9
КТ-9
600
500
350
400
600
700
250
700
360
200
75
45
150
55
100
400
1000
850
700
700
1000
1500
250
1500
650
400
150
45
150
100
100
500
2,5
5
10
4
1
5
10
5
15
7
20
10
15
15
20
15
4,0
7,0
12,0
8,0
1,0
7,5
20
7,5
25,0
10,0
30,0
20,0
25,0
15,0
40
20
15
70
50
50
15
56
50
40
125
60
90
50
50
50
125
100
10–100
10–50
5–30
10–60
10–120
6–35
10–50
15–100
t8
t10
15–50
40
12–60
t30
t750
t150
d 5,0
d 1,0
d 2,5
d 0,5
d 2,5
d 1,0
d 2,5
d 1,5
d 1,5
d 1,0
d 1,0
d 1,0
d 2,5
d 1,5
d 2,0
d 2,0
–
d 4,0
d 3,5
d 1,8
d 2,5
d 10
d 2,0
d 4,0
d 3,0
d 2,5
d 1,5
d 0,5
d 1,1
d 0,2
d 4,5
d 6,0
–
d 0,3
d 1,3
d 0,3
d 0,7
d 1,5
d 0,3
d 0,3
d 0,8
d 0,7
d 0,2
d 0,1
d 0,24
d 0,05
d 1,2
d 0,5
Параметры
Тип
Тип корп. Uкэ огр., В Uкбопроб, В Iк max, A Iк.и max, А Pк max, Вт h21э, ед. 'Uкэ нас., В tрасс, мкс tсп, мкс
вентиля
Параметры мощных биполярных транзисторов отечественных
163
400
1000
600
1200
650
600
400
800
400
1000
250
600
1000
600
1000
450
800
1000
1000
1D1300A000
1D1300Z100
1D130F050
1D1400A120
2SD915
B2TD019
B2TD039
B2TD059
B2TD109
B2TD139S
B2TD149
SK75DB060D
SK75DB100D
SK50DM060D
SK50DB100D
SK30DB045D
SK15DB080D
SK30DB100D
SK150DB060D
300
300
30
400
30
10
20
20
40
50
60
75
75
50
50
45
23
30
150
200
200
Uкэ огр., В Iк max, A
300
1000
Параметры
1D200AO20
1D1200Z100
Тип
вентиля
800
2000
200
3120
300
150
150
150
150
150
150
500
500
310
400
189
189
300
1000
800
1400
Pк max,
Вт
150
100
100
100
100
20
40
50
50
100
750
75
75
75
75
40
15
75
75
100
100
h21э,
ед.
2,0
2,8
2,0
2,5
2,0
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,0
2,5
3,0
3,0
2,5
2,5
2,5
2,8
'Uкэ нас., В
2,5
2,5
3,0
3,0
3,0
2,5
0,5
1,8
1,2
3,0
1,0
2,5
2,5
1,5
2,5
–
–
2,5
3,0
2,0
2,5
tрасc., мкс
1,2
2,0
4,0
3,0
4,0
15
1,8
1,8
0,9
3,0
0,5
3,0
3,0
3,0
3,0
0,7
1,5
3,0
3,0
3,0
2,0
tсп, мкс
Параметры мощных биполярных транзисторов импортных
156
63
620
40
410
300
300
300
300
300
300
350
250
400
310
660
660
400
125
89
Rпер. корп.
qС/mВт
150
150
150
150
150
125
125
125
125
125
125
150
150
150
150
150
150
150
150
150
4max раб., qС
Таблица 69
Библиографический список
1. Мартынов А. А. Силовая электроника. Часть I. Выпрямители
и регуляторы переменного напряжения. ГУАП. СПб. 2011. 186 с.
2. Мартынов А. А. Силовая электроника. Часть II. Инверторы
и преобразователи частоты. ГУАП. СПб. 2012. 144 с.
3. Мартынов А. А. Проектирование импульсных полупроводниковых преобразователей постоянного напряжения в постоянное напряжение: учеб. пособие/А. А. Мартынов. СПб.: СПбГУАП, 2011. 216 с.
4. Мартынов А. А. Проектирование вторичных источников питания. СПГУАП. 2000 г. 107 с.
5. Мелешин В. И. Транзисторная преобразовательная техника:
монография/В. И. Мелешин. – М.:Техносфера, 2005. – 628 с.
164
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие ..........................................................................
3
1. Выпрямители......................................................................
1.1. Основные параметры, характеризующие работу
тиристорных выпрямителей ...............................................
1.2. Тема практического занятия №1. Расчет параметров
неуправляемого выпрямителя с сетевым трансформатором
и выбор элементов выпрямителя .........................................
1.3. Тема практического занятия №2. Расчет коэффициента
пульсаций выходного напряжения управляемого
выпрямителя ...................................................................
1.4. Тема практического занятия №3. Расчет параметров
сглаживающего фильтра ....................................................
1.5. Тема практического занятия №4.Расчет энергетических
показателей управляемых выпрямителей ............................
1.6. Тема практического занятия №5. Расчет регулировочных
и внешних характеристик управляемых выпрямителей .........
1.7. Основы методики расчета параметров активного
выпрямителя ....................................................................
1.8. Тема практического занятия №6. Методика расчета
активного выпрямителя напряжения...................................
7
2. Инверторы ..........................................................................
2.1. Основные параметры, характеризующие работу
зависимых инверторов .......................................................
2.2. Тема практического занятия №7.Методика расчета
зависимого инвертора ........................................................
2.3. Основные параметры, характеризующие работу инвертора
тока последовательного типа в резонансном режиме...............
2.4. Тема практического занятия №8. Методика расчета
однофазного резонансного инвертора ...................................
2.5. Основные параметры, характеризующие работу
однофазных инверторов напряжения ...................................
2.6. Тема практического занятия №9. Методика расчета
однофазного одноплечевого инвертора напряжения ...............
2.7. Тема практического занятия № 10. Методика расчета
однофазного инвертора напряжения с выводом нулевой точки
первичной обмотки трансформатора ....................................
2.8. Тема практического занятия № 11. Методика расчета
однофазного полномостового инвертора напряжения .............
2.9. Тема практического занятия №12. Методика расчета
однофазного полумостового инвертора напряжения ...............
2.10. Основные параметры, характеризующие работу
трехфазного инвертора напряжения ....................................
2.11. Тема практического занятия №13. Методика расчета
трехфазного инвертора напряжения ....................................
7
15
18
20
22
24
27
41
45
45
48
50
58
60
73
76
78
81
84
86
165
3. Вторичные источники питания..............................................
3.1. Основные параметры, характеризующие работу
однотактного преобразователя постоянного напряжения
с последовательным ключевым элементом ОППН-I ................
3.2. Тема практического занятия №14. Методика расчета
стабилизатора напряжения постоянного тока, выполненного
по схеме однотактного преобразователя постоянного
напряжения с последовательным ключевым
элементом (ОППН-I) ..........................................................
3.3. Основные параметры, характеризующие работу
однотактного преобразователя постоянного напряжения
с параллельным ключевым элементом ОППН-II ....................
3.4. Тема практического занятия №15. Методика расчета
стабилизатора напряжения постоянного тока, выполненного
по схеме однотактного преобразователя постоянного
напряжения с параллельным ключевым
элементом (ОППН-II) .........................................................
3.5. Основные параметры, характеризующие работу
двухтактного преобразователя постоянного напряжения,
выполненного по схеме с выводом нулевой точки первичной
обмотки трансформатора, ДППН-I .......................................
3.6. Тема практического занятия №16. Методика расчета
двухтактного преобразователя постоянного напряжения,
выполненного по схеме с выводом нулевой точки первичной
обмотки трансформатора, ДППН-I .......................................
3.7. Основные параметры, характеризующие работу
двухтактного преобразователя постоянного напряжения,
выполненного по полномостовой схеме, ДППН-II ..................
3.8. Тема практического занятия №17. Методика расчета
полномостовой схемы двухтактного преобразователя
постоянного напряжения, ДППН-II .....................................
3.9. Основные параметры, характеризующие работу
двухтактного преобразователя постоянного напряжения,
выполненного по полумостовой схеме, ДППН-III ...................
3.10. Тема практического занятия №18. Методика расчета
полумостовой схемы двухтактного преобразователя
постоянного напряжения, ДППН-III ....................................
3.11.Основные параметры, характеризующие работу
однотактного прямоходового преобразователя ОПП ...............
3.12. Тема практического занятия № 19. Методика расчета
однотактного прямоходового преобразователя, ОПП ..............
3.13. Основные параметры, характеризующие работу
однотактного обратноходового преобразователя ООП .............
3.14. Тема практического занятия № 20. Методика расчета
однотактного обратноходового преобразователя, ООП ............
Приложение. Справочные данные по элементной базе
полупроводниковых преобразователей электрической энергии......
4.1. Справочные данные по однофазным трансформаторам .....
4.2. Справочные данные по дросселям .................................
166
89
89
95
98
101
104
110
113
119
122
127
129
135
138
144
147
147
148
4.3. Характеристики медных проводов для обмоток
трансформаторов ..............................................................
4.4. Справочные данные по диодам ......................................
4.5. Справочные данные по тиристорам ...............................
4.6. Справочные данные по конденсаторам ...........................
4.7. Справочные данные по транзисторам .............................
151
152
155
156
159
Библиографический список ......................................................
164
167
Учебное издание
Мартынов Александр Александрович
Чернышева Ольга Борисовна
СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Учебно-методическое пособие
Публикуется в авторской редакции
Компьютерная верстка В. Н. Костиной
Сдано в набор 23.03.18. Подписано к печати 01.06.18.
Формат 60 u84 1/16. Усл. печ. л. 9,8. Уч.-изд. л. 10,5.
Тираж 50 экз. Заказ № 264.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 112 Кб
Теги
0e168241e3, martynov
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа