Преобразователь постоянного напряжения

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕКСТИЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. КОСЫГИНА А.Н. КУРСОВОЙ ПРОЕКТ ТЕМА ПРОЕКТА – ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Выполнил студент гр.14в-99 Иванова А.А. Проверил доцент кафедры АПЭ Ермолаев Ю.А. Москва 2002 СОДЕРЖАНИЕ Введение стр. 3 Исходные данные . стр. 4
Проектирование и расчет стр. 5 Описание работы схемы и назначение ее элементов стр. 12 Спецификация элементов стр. 13 Список литературы стр. 14 Введение Полупроводниковые преобразователи электрической энергии Устройства силовой электроники представляют собой очень широкую и быстро развивающуюся область техники. Одним из важнейших объектов изучения в данной области является полупроводниковый преобразователь электрической
энергии. Полупроводниковый преобразователь является основным элементом источников вторичного электропитания, используется в системах электропривода, автотранспорта, связи, в компьютерной и бытовой технике. В общем виде преобразователем электрической энергии является устройство, которое связывает две или более электрические системы с отличающимися друг от друга параметрами и позволяет по заданному закону изменять эти параметры, обеспечивая обмен электрической энергией между связуемыми объектами.
Для преобразования электрической энергии совместно с полупроводниковым преобразователем могут использоваться другие виды преобразователей – трансформаторы, дроссели, конденсаторы. Основными элементами полупроводникового преобразователя являются выпрямитель, инвертор и силовой трансформатор. Исходные данные ДАНО Напряжение питания – U1 5B10 пост. тока Напряжение выходное – Uн 15B1 пост. тока Мощность нагрузки –
Pн 10Вт Допустимая амплитуда пульсаций – кп 0,05 ВОПРОСЫ 1. Разработать функциональную и принципиальную схему преобразователя. 2. Выбрать и рассчитать элементы схемы. 3. Определить параметры преобразователя. 4. Описать работу схемы и назначение ее элементов. 5. Составить спецификацию элементов. ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ Принципиальная электрическая схема. Проектирование и расчет Схема преобразователя. На рис. 1 показана схема двухтактного преобразователя с самовозбуждением с выходом на постоянном токе. Схема содержит работающие в ключевом режиме транзисторы VT1 и VT2, трансформатор TV, магнитопровод которого выполнен из материала с прямоугольной петлей гистерезиса рис. 2 выпрямительный мост VD и конденсатор С, сглаживающий пульсации напряжение на нагрузке.
Трансформатор TV имеет три обмотки первичную коллекторную W1 , вторичную W2 и базовую WБ. Первичная и базовая обмотки выполнены из двух полуобмоток с выведенной средней точкой. Рис. 1. Двухтактный преобразователь. Рис. 2. Петля гистерезиса. Выбор и расчет элементов схемы. Выбор частоты Одним из важнейших параметров полупроводникового преобразователя является частота преобразования
инверторного звена. Частота выбирается с учетом множества факторов, таких как необходимые массогабаритные показатели, простота схем управления, схем коммутации и других схемных решений, надежность, устойчивость к перегрузкам и т.п. Повышение частоты работы преобразователей с 50Гц до нескольких десятков килогерц позволило резко уменьшить массогабаритные показатели устройства за счет уменьшения массы и габаритов силового трансформатора, а также массы и габаритов конденсаторов и дросселей.
В тоже время излишнее повышение частоты преобразования приводит к целому ряду отрицательных последствий. Возрастают потери в ключевых элементах за счет увеличения доли динамических потерь, растут потери в стали магнитопровода трансформатора. На высокой частоте начинают проявляться такие негативные явления, как паразитные индуктивности и емкости соединительных проводов, возникает необходимость учитывать эффект вытеснения тока в обмотках трансформаторов и дросселей. Таким образом, повышение частоты преобразования полупроводникового преобразователя является действенным способом понижения их массогабаритных показателей. Исходя из вышеописанного, для расчета данной схемы двухтактного преобразователя целесообразно задаться частотой 20кГц. Частота преобразования напряжения – f 20 кГц. Выбор материала и конструкции магнитопровода трансформатора
Наиболее важными характеристиками материала магнитопровода высокочастотного трансформатора являются удельные потери мощности в материале магнитопровода и значение индукции насыщения Bs. В качестве материала высокочастотных трансформаторов до сотен кГц в настоящее время могут быть использованы ферриты. Ферриты обладают низкими значениями удельных потерь, приемлемыми значениями индукции насыщения Bs 0,4 Тл и высокой магнитной проницаемостью. Для данной частоты 20 кГц рекомендуется выбрать сердечник
типа К из феррита марки 2000НМ3. Расчет выпрямителя с активно-емкостной нагрузкой Схема выпрямителя – однофазная мостовая m 2 . Определяем ориентировочные значения коэффициентов B и D для m 2 B 0,9 D 2,15. Максимальное выпрямленное напряжение Uн max 15,15В. Ориентировочно определяем параметры однофазной мостовой схемы при работе на активно-емкостную нагрузку ток нагрузки – Iн Pн Uн 0,66А Uобр 2ВUн max 2 0,9 15,15 19,28В
Iпр ср 0,5Iн 0,5 0,66 0,33А Iпр 0,5DIн 0,5 2,15 0,66 0,71А Sтр 0,707DBPн 0,707 2,15 0,9 10 13,68Вт Uобр – обратное напряжение вентиля В , Iпр ср, Iпр, Iпр m – действующее и амплитудное значение тока вентиля А , Sтр – габаритная мощность трансформатора Вт , По вычисленным значениям Uобр и Iпр ср выбираем диодную сборку типа КЦ412А , для которых
Uобр 50В 19,28В Iпр ср max 1А 0,33А 1,57 Iпр ср max 1,57А 0,72А Uпр 1,2В. Определяем сопротивление вентиля в прямом направлении rпр Ом rпр Uпр Iпр ср 1,2 0,33 3,64Ом. Определяем сопротивление обмоток трансформатора rтр Ом rтр krUн 4 IнfBs 3,5 15 4 20000 0,2 10 0,66 20000 0,2 52,5 4,474 2640 52,5 11811,36 0,09Ом, при kr 3,5 S 1. kr – коэффициент, зависящий от схемы выпрямления S – число стержней трансформатора, на которых помещены его обмотки. Сопротивление фазы r Ом r rтр 2rпр 0,09 2 3,64 7,37Ом. Определяем коэффициент А A Iнr mUн 0,66 3,14 7,37 2 15 0,51 По коэффициенту А определяем коэффициенты В 1,25 D 1,9 F 4,8. Определяем параметры трансформатора и вентелей
U2, I2 – напряжение и ток вторичной обмотки трансформатора I1, U1 – напряжение и ток первичной обмотки трансформатора. Е2 U2 BUн 1,25 15 18,75В I2 0,707DIн 0,707 1,9 0,66 0,89А Е1 U1 5В I1 0,707DIнU2 U1 0,707 1,9 0,66 18,75 5 3,32А S2 S1 Sтр 0,707BDPн 0,707 1,25 1,9 10 16,79Вт Iпр 0,5DIн 0,5 1,9 0,66 0,63А 1,57
Iпр ср max 1,57А Uобр 2ВUнmax 2 1,25 15,15 26,78В Iпр m 0,5FIн 0,5 4,8 0,66 1,58А Таким образом, выбранная предварительно диодная сборка типа КЦ412А пригодна для работы в схеме выпрямления. Определяем при А 0,51 коэффициент Н 88 Определяем емкость конденсатора С мкФ С Н кпr 88 0,05 7,37 238,81 мкФ Выбираем конденсатор типа
К 50-20 на номинальное напряжение 25В номинальной емкости 500мкФ. Уточняем величину пульсаций кп Н Сr 88 500 7,37 0,02, т.е. пульсация менее заданного значения. Расчет трансформатора и остальных элементов схемы 1. Для расчета необходимо задаться КПД трансформатора значениями электромагнитных нагрузок магнитной индукции – Bs Тл и плотностью тока в обмотках – j А мм2 , коэффициентом заполнения медью магнитопровода – кo,
коэффициентом заполнения сталью сплавом сечения магнитопровода – кс, коэффициентом длительности импульса – кф. Значения вышеперечисленных расчетных данных примем по рекомендациям для данного типа сердечника – 0,85 – Bs 0,2 Тл – j 12,5 А мм2 – кo 0,13 – кс 1 – кф 1. 2. Определяем расчетную мощность трансформатора по формуле Sрас Вт Sрас 1 222 1 2 Рн 0,601 44,042 26,469 Вт 3. Для выбора типоразмера магнитопровода следует рассчитать произведение, где Sc – площадь поперечного сечения стержня трансформатора, So – площадь окна магнитопровода ScSo Sрас102 2кфfBjkcko 2646,9 2 20 103 0,2 12,5 0,13 0,2036 см4. Ближайшее, большее к расчетному значение ScSo – 0,271 см4. По нему выбираем типоразмер магнитопровода К 20106 b a d
D Размеры магнитопровода К 20106 a 5 мм, b 6 мм, d 10 мм, D 20 мм. Средняя длина магнитной силовой линии lc 5,03см. Масса магнитопровода Gст 6,7г. Площадь окна магнитопровода So 1,13см2. Площадь поперечного сечения стержня трансформатора Sc 0,24см2. 3. Потери в магнитопроводе трансформатора
Рст Вт Рст РудGст , где Руд – удельные потери в 1 кг материала магнитопровода при нормированных значениях магнитной индукции и частоты Вт кг Руд 30 Вт кг, Gст 6,7г 0,0067кг. Рст 30 0,0067 0,201 Вт. 4. Число витков первичной вторичной и базовой обмоток трансформатора w1 U1 1-0,5U 104 4kфfBsSckc w2 U2 1 0,5U 104 4kфfBsSckc wб Uб 1 0,5U 104 4kфfBsSckc U – относительное изменение напряжения на выходе трансформатора
В U 0,035 B. w1 5 1-0,5 0,035 104 4 20000 0,2 0,24 49125 3840 12,79 13 w2 18,75 1 0,5 0,035 104 4 20000 0,2 0,24 190781,25 3840 49,68 50 wб 4 1 0,5 0,035 104 4 20000 0,2 0,24 40700 3840 10,59 11 Uб 4 Uбэ нас 4В, т.к. Uбэ нас 1В 5. Действующее значение тока холостого хода – I0 А I0 I20p I20a 0,123А, где I0a – действующее значение активной составляющей тока холостого хода А , I0a Рст U1 1- 0,5 U 0,201 5 1-0,5 0,035 0,201 4,9125 0,041А а
I0p – действующее значение реактивной составляющей тока холостого хода А , I0p 2Нlc 10-2 w1 2 40 0,0267 13 1,51 13 0,116А где Н – эффективное значение напряженности магнитного поля А м , Н 40А. 6. Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора – I1 А расчет транзисторов и резисторов I1 0,5 2 Iб wб w1 2 I2 w2 w1 2 I02 0,5 2 0,969 11 13 2 0,89 50 13 2 0,0151 13,077 3,616А Где I2 – тока вторичной обмотки трансформатора А , I2 0,89А, Iб – тока базовой обмотки трансформатора А , Iб Iб нас 2 1,37 2 0,969А, Iб нас – ток базы, необходимый для насыщения транзистора А , Iб нас Iк нас kнас h21 э min 9,82 1,4 12 1,37А, kнас – минимальный коэффициент насыщения транзистора,
Iк нас – значение тока коллектора открытого транзистора, h21 э min – минимальный коэффициент передачи тока. Принимаем kнас 1,4 Iк нас U2 I2 U1 min – Uкэ нас 18,75 0,89 0,85 4,5-2,5 16,69 1,7 9,82А Uкэ нас 2,5В Uкэ max – максимальное напряжение на закрытом транзисторе преобразователя В , Uкэ max 2,4 U1 max 2,4 5,5 13,2В По значениям тока Iк нас и напряжения Uкэ max из справочника выбираем тип транзистора и определяем его основные параметры
Выбираем транзистор марки КТ 805 А Uкэ max 160В Iк max 5А Pк max 15Вт h21 э 15 Iс max 150А fгр 20Мгц Проверяем, не превышает ли максимально допустимый ток коллектора выбранного транзистора значение Iк max. Iк max Iк нас kнас h21 э max h21 э min 9,82 1,4 13,75А Определяем значение мощности Рк Вт , рассеиваемой транзистором преобразователя Рк 0,5 Uкэ нас Iк нас U1 max Iк max т f кд 0,5 2,5 9,82 5,5 13,75 7,96 10-9 20 103 0,5 12,275 0,006 12,281Вт
Коэффициент динамических потерь – кд 0,5 т 1 2 fгр 7,96 10-9 Сопротивление резисторов Rб Ом Rб Uб – Uбэ нас Iб нас 4-1 1,37 2,19 Ом Выбираем постоянный непроволочный резистор марки С2-13-025 , пределы сопротивления которого от 1 Ом до 1Мом, наибольшее рабочее напряжение – 250В. 7. Поперечные сечения проводов первичной, вторичной и базовой обмоток q1
I1 j 3,616 12,5 0,2893 мм2 q2 I2 j 0,89 12,5 0,0712 мм2 qб Iб j 0,969 12,5 0,07752 мм2 Выбираем обмоточный провод круглого поперечного сечения марки ПЭВ – 1. Поперечное сечение q1 0,1886 мм2 q2 qб 0,06605 мм2 Диаметры проводов без изоляции d1 0,49 мм d2 dб 0,29 мм Диаметры проводов с изоляцией dи1 0,53 мм dи2 dиб 0,33 мм Уточняем плотность тока в обмотках j1 I1 q1 3,616 0,1886 19,17 А мм2 j2 I2 q2 0,89 0,06605 13,47 А мм2 jб Iб qб 0,969 0,06605 14,67 А мм2 Средняя плотность тока в обмотках j 4 j1 j2 jб 7,2106 А мм2 8. Конструктивный расчет трансформатора Среднее значение высоты длины намоточного слоя первичной обмотки h об 1 мм h об 1 2 3 d 2-г dост 2 1,57 3 5-0,5 1,55 23,6285 мм dост – остаточный диаметр 3,1
мм г – толщина изоляции магнитопровода 0,5 мм Число витков в одном слое первичной обмотки wсл 1 при kу 0,75 wсл 1 h об 1 kу dи1 23,6285 0,75 0,53 33,4365 Число слоев первичной обмотки nсл 1 nсл 1 w1 wсл 1 13 33,4365 0,389 1 Радиальный размер первичной обмотки катушки 1 мм 1 1,2 nсл 1 dи1 1,2 1 0,53 0,636мм Внутренний диаметр после намотки первичной обмотки dвн 1 мм dвн 1 d -21 10-1,272 8,728мм
Средняя высота слоя базовой обмотки h об б мм h об б dвн 1-б пр 3,14 8,728-1,272 23,412 мм Радиальный размер базовой обмотки катушки б пр мм б пр 1 Sб Sб 0,636 7,752 3,876 1,272 мм Расчетная габаритная мощность базовой обмотки Sб Вт Sб 2 Uб Iб 2 4 0,969 7,752 Вт Расчетная мощность базовой обмотки Sб Вт Sб Uб Iб 4 0,969 3,876 Вт Число витков в одном слое базовой обмотки wсл б при kу 0,75 wсл б h
об б kу dиб 23,412 0,75 0,33 53,209 Число слоев базовой обмотки nсл б nсл б wб wсл б 11 53,209 0,206 1 Радиальный размер базовой обмотки катушки б мм б 1,2 nсл б dиб 1,2 1 0,33 0,396 мм Средняя высота слоя вторичной обмотки h об 2 мм h об 2 dвн 1-2 пр 3,14 8,728-1,272 23,412 мм Радиальный размер вторичной обмотки катушки 2 пр мм 2 пр 1 S2 S2 0,636 33,375 16,688 1,272 мм Расчетная габаритная мощность вторичной обмотки
S2 Вт S2 2 U2 I2 2 18,75 0,89 33,375 Вт Расчетная мощность вторичной обмотки S2 Вт S2 U2 I2 18,75 0,89 16,688 Вт Число витков в одном слое вторичной обмотки wсл 2 при kу 0,75 wсл 2 h об 2 kу dи2 23,412 0,75 0,33 53,209 Число слоев вторичной обмотки nсл 2 nсл 2 w2 wсл 2 50 53,209 0,94 1 Радиальный размер вторичной обмотки катушки 2 мм 2 1,2 nсл 2 dи2 1,2 1 0,33 0,396 мм Остаточный диаметр после намотки обмоток dост мм dост d – 1 б 2 10 – 0,636 0,396 0,396 8,572 мм 9. Проверочный расчет трансформатора Средняя длина витка обмотки трансформатора lср мм lср 2 a b rср 10-3 2 5 6 3,14 0,318 10-3 0,024 мм а D – d 2 20-10 2 5 мм rср 1 2 0,636 2 0,318 Масса меди всех обмоток Gм г Gм Gм1 Gм2 Gмб 0,5242 0,7044 0,1291 1,3577 г Масса меди первичной обмотки Gм1 г Gм1 w1 lср g1 13 0,024 1,68 0,5242 г Масса меди вторичной обмотки
Gм2 г Gм2 w2 lср g2 50 0,024 0,587 0,7044 г Масса меди базовой обмотки Gмб г Gмб wб lср gб 11 0,024 0,587 0,1291 г Коэффициент заполнения окна магнитопровода медью k0 k0 q1 w1 q2 w2 qб wб 10-2 S0 0,1886 13 0,06605 50 0,06605 11 10-2 1,13 0,065 1,13 0,058 Масса изоляции Gиз г Gиз 1 – k0 Gм из kиз 8,9 k0 1-0,058 1,3577 0,7 8,9 0,058 0,895 0,5162 1,734 г Удельная масса изоляции из г см3 из 1 г см3 Коэффициент укладки изоляции kиз kиз 0,7
Масса трансформатора Gт г Gт Gм Gиз Gст 1,3577 1,734 6,7 9,7917 г Активное сопротивление обмоток при максимальной температуре окружающей среды r1 w1 lср kt kj 57 q1 13 0,024 1,24 57 0,1886 0,3869 10,7502 0,0359 r2 w2 lср kt kj 57 q2 50 0,024 1,24 57 0,06605 1,488 3,7649 0,3952 rб wб lср kt kj 57 qб 11 0,024 1,24 57 0,06605 0,3274 3,7649 0,0869 Коэффициент, учитывающий увеличение удельного сопротивления меди с повышением температуры kt 1 0,004 Тс Т-20 1 0,004 30 50-20 1,24 kj 1 коэффициент увеличения сопротивления провода в зависимости от частоты
тока питающей сети , Тс 30С макс. Температура окружающей среды , Т 50С температура перегрева обмоток . Относительное значение активной составляющей напряжения короткого замыкания Uк.а Uк.а I1 U1 r1 r2 2,58 5 0,0359 0,103 0,516 0,1389 0,0717 Приведенное к первичной обмотке, активное сопротивление вторичной обмотки r2 r2 w1 w2 0,3952 13 50 0,103 Относительное значение реактивной составляющей напряжения короткого замыкания Uк.р Uк.р 2 0 f I1 w12 U1 D 2 2 1 б 2 3 lср2 4 2 3,14 3,4 10-7 20000 3,616 169 5 20 0,792 1,428 3 0,00058 4 26,097 103,96 0,476 0,000145 17,33 10-6 Магнитная постоянная 0 Гн м 0 4 10-7 3,4 10-7 Гн м Относительное значение напряжения короткого замыкания Uк Uк U2к.а U2к.р 0,0717 Потери в меди обмоток Рм1 I12 r1 13,075 0,0359 0,469 Рмб Iб2 rб 0,939 0,0869 0,0816
Рм2 I22 r2 0,7921 0,3952 0,313 Суммарные потери в меди всех обмоток Рм Рм1 Рм2 Рмб 0,469 0,0816 0,313 0,8636 Коэффициент полезного действия трансформатора 1- Рм Рст Рм Рст Рн 1- 0,8636 0,201 0,8636 0,201 10 1-0,096 0,904 10. Тепловой расчет трансформатора Температура перегрева обмоток относительно окружающей среды Т Т Рм Рст m Sохл 0,8636 0,201 12 1214,03 1,0646 14568,384 73,08 10-6
Коэффициент теплоотдачи трансформатора m Вт м2 С m 12 Вт м2 С Общая поверхность охлаждения для тороидального трансформатора Sохл Sохл D 21 2б 22 2- d2ост 2 D 21 2б 22 b 1214,03 м2 Описание работы схемы и назначение ее элементов Схема работает следующим образом. При открытом транзисторе VT1, напряжение источника питания приложено если пренебречь относительно малым
напряжением на открытом транзисторе к первичной полуобмотке W1, и создает на базовых обмотках напряжение с полярностью, поддерживающей транзистор VT1 в открытом, а транзистор VT2 в закрытом состоянии. Под действием напряжения, приложенного к первичной полуобмотке, магнитопровод трансформатора перемагничивается по участку 1-2 петли гистерезиса, резко возрастает его намагничивающий ток ток коллектора
VT1 . При достижении коллекторным током значения Iкмакс B Iб, транзистор VT1 выходит из состояния насыщения, падение напряжения на нем увеличивается, а напряжение на всех обмотках трансформатора уменьшается. Последнее приводит к уменьшению коллекторного тока открытого транзистора. При этом рабочая точка движется по участку 3-2 петли гистерезиса, и напряжения на обмотках трансформатора меняют знак транзистор VT1 закрывается, открывается транзистор VT2. После этого магнитопровод трансформатора перемагничивается по участку 2 -1 петли гистерезиса, и все процессы в схеме повторяются. Ток коллектора открытого транзистора складывается из приведенных к первичной обмотке тока нагрузки IН , базового IБ . Так как петля гистерезиса прямоугольная, ток коллектора имеет прямоугольную форму со всплеском в конце полупериода. Ток закрытого транзистора примерно равен обратному току коллектора.
Напряжение на обмотках трансформатора имеет вид симметричных импульсов прямоугольной формы. Напряжение на нагрузке постоянно. Максимальная магнитная индукция в трансформаторе равна индукции насыщения Bs материала магнитопровода. В течение полупериода индукция в трансформаторе изменяется по линейному закону от -BS до BS. Принцип действия двухтактного преобразователя напряжения Двухтактные преобразователи с насыщающимся трансформатором используются как задающие генераторы для
усилителей мощности и автономные маломощные источники электропитания. Их основные достоинства – простота схемы, а также нечувствительность к коротким замыканиям в цепи нагрузки. При коротком замыкании в цепи нагрузки срываются автоколебания преобразователя и транзисторы закрываются. Недостатком преобразователей с насыщающимся трансформатором является наличие выбросов коллекторного тока в момент переключения транзисторов, что ведет к увеличению потерь в преобразователе.
Спецификация элементов N Обозначение Наименование Кол-во Примечание 1 Транзисторы VT1 и VT2 КТ 805 А 2 биполярные транзисторы p-n-p. Uкэ max 160В Iк max 5А Pк max 15Вт 2 Магнитопровод трансформатора TV К 20106 1 феррит марки 2000НМ3 средняя длина магнитной силовой линии lc 5,03см масса Gст 6,7г 3 Обмоточный провод трансформатора TV ПЭВ – 1 номинального диаметра без изоляции 0,49 мм и 0,29 мм 2 круглого поперечного сечения 0,1886 мм2 и 0,06605 мм2 диаметры проводов с изоляцией 0,53 мм и 0,33 мм 3 Резисторы Rб С2-13-025 2 пределы сопротивления которого от 1 Ом до 1Мом, наибольшее рабочее напряжение – 250В 4 Выпрямительный мост VD КЦ412А 1 средний выпрямляющий ток 1А
Uобр max 50В 5 Конденсатор Сн К 50-20 1 номинальное напряжение 25В номинальной емкости 500мкФ. Список используемой литературы 1. Моин В.С Лаптев Н.Н. Стабилизированные транзисторные преобразователи М. Энергия, 1972г. 2. Глебов Б.А. Магнитно-транзисторные преобразователи напряжения для питания РЭА М. Радио и связь, 1981г 251 с. 3. В.Е. Китаев,
А.А. Бокуняев, М.Ф. Колканов Расчет источников электропитания устройств связи – М. Радио и связь, 1993г. Ссылки в интернет 1. http www.mcu.ru – Мир силовой электроники. 2. http zpostbox.chat.ru index.htm – Узлы электронных схем. 3. http students.nizhny.ru – Схемотехника.