Расчет параметров сглаживающего фильтра

Методика расчета сглаживающего фильтра в этом преобразователе

идентична методике, приведенной выше в подразд. 2.2.

Определим значения коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения на входе фильтра, k_п1, для двух значений коэффициента скважности γ_min и γ_max

При γ = γ_min коэффициент пульсаций на входе фильтра

При γ = γ_max, коэффициент пульсаций на входе фильтра

Для расчета параметров сглаживающего фильтра принимаем значение k_п1= 0,695.

Частота пульсаций напряжения нагрузки f_п=2f=2•5000=10 000Гц.

Индуктивность сглаживающего фильтра рассчитаем по формуле (63):

L_min>10(1-0,715)/(2•20•10 000)=7,125•10^-6 Гн=7,125 мкГн.

По справочным данным, приведенным в табл. 35, выбираем четыре дросселя типа SRP 12702R2M и включаем их последовательно. Параметры дросселя SRP 12702R2M:

индуктивность, L=2,2 мкГн;

допустимое действующее значение тока обмотки, I_д.з =22 А;

активное сопротивление обмотки, R_L=4,2•10^-3 Ом.

Результирующие параметры четырех последовательно соединенных дросселей:

индуктивность, L_ф=8,8•10^-6 Гн;

допустимое действующее значение тока обмотки, I_д.з=22 А;

активное сопротивление обмотки, R_L=16,8•10^-3 Ом.

Емкость конденсатора С_ф определяется с учетом требований по пульсациям выпрямленного напряжения U_п2:

U_п2 = k_п2U_нг;

U_п2=k_п2•U_нг=0,05•10=0,5 В;

С_ф= U_нг(1- γ _min)/(8LU_п2 f²_п); (66) ххх

С_ф=U_нг(1-γ_min)/(8LU_п2f²_п)=10(1-0,715)/(8•8,8•10^-6•0,5•10000²)=

=810•10^-6 Ф=810 мкФ.

По справочным данным, приведенным в табл.28–32, необходимо выбирать конденсатор, емкость которого не менее 900 мкФ, рабочее напряжение не менее (2U_{нг N})≥20 В, а величина допустимого действующего значения тока переменной составляющей I_пер.д.з не менее действующего значения переменной составляющей тока фильтра

Величину ΔI_L=ΔI_C определим по формуле

ΔI_L=ΔI_C= I_Lmax- I_Lmin=[(U_вх.max/k_тр)-U_нг] γ_min /(4L f_п).

ΔI_L=[(1,1•100/6,5)-10]•0,715/(4•8,8•10^-6•10 000)=14,06 А.

Перечисленным выше требованиям удовлетворяет конденсатор фирмы EPOS типа В41607 (см. табл. 30), параметры которого:

номинальная емкость, С_N=1100 мкФ;

номинальное напряжение, U_N=55 В;

внутреннее активное сопротивление, r_С=26• 10^-3 Ом;

допустимое максимальное значение переменной составляющей тока

I_{пер max}=9,7 А;

допустимое действующее значение I_пер.д.з= 9,7/1,41=6,88 А.

Это значение больше того значения, которое будет протекать через конденсатор фильтра при его работе, ΔI_Lд.з=4,06 А.

Определим коэффициент пульсаций напряжения нагрузки, k_п2, который будет при выбранных параметрах фильтра.

Падение напряжения на полном сопротивлении конденсатора фильтра

ххх 0.17

k_п2= U_п2/U_нг=0,17/10=0,017.

Заданием на проект величина k_п2 определена равной 0,05.

Параметры фильтра удовлетворяют требованию задания по уровню подавления пульсаций выпрямленного напряжения.

Проверка фильтра на резонанс:

10163 с^-1<31400 с^-1.

Параметры фильтра удовлетворяют требованию отсутствия резонанса.

Расчет загрузки транзисторов по току и напряжению и их выбор

Максимальное амплитудное значение тока вторичной обмотки трансформатора

I_{2m max} = I_{нг N}+ ΔI_L/2 = 20+14,06/2 = 27,03 А.

Максимальное амплитудное значение тока первичной обмотки трансформатора

I_{1m max} = I_{2m max}/k_тр = 27,03/6,5 = 4,16 А.

Максимальный коллекторный ток транзистора I_{к m max} = I_{1m max} = 4,16 А.

Среднее значение тока транзистора I_{VT ср}= I_{к m max} γ _max=4,16•0,9=3,744 А.

Максимальное напряжение на коллекторе транзистора, U_кэ, равно напряжению U_{вх max} = 110В.

Транзисторы выбираем с учетом коэффициентов запаса по току и напряжению:

k_з.т = 2 и k_з.н = 2.

Выбираем 4 полевых транзистора КП946А (см. табл. 24). Параметры этих транзисторов:

максимальный ток стока, I_{c max} = 15 А;

напряжение сток-исток, U_с-и= 500 В;

напряжение насыщения, U_{с-и нас} = 0,7 В;

время включения, t_вкл = 80 нс;

время спада, t_сп= 55 нс;

максимальная рассеиваемая мощность, Р_{расс max} = 40 Вт;

тип корпуса, ТО – 220.

Отметим, что падение напряжения на открытом транзисторе несколько меньше принятого ранее значения U_{c-и нас.} = 1,0 В. Проводить уточнение расчета не требуется.

Для управления этими транзисторами выбираем 2 драйвера IR21094S (см. табл. 17), основные параметры которых:

рабочее напряжение, U_N=600 В;

максимальный выходной ток, I_{вых max}=120 мА;

максимальный втекающий ток, I_{вт max}= 250 мА;

напряжение питания, U_пит= 10-25 В;

минимальное выходное напряжение, U_{вых min} = 10 В;

максимальное выходное напряжение, U_{вых max} = 20 В;

задержка выходного сигнала, t_з= 60 нс;

тип корпуса, SOIC – 14.

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, приведены на рис. 31.

Каждый из драйверов (D1 и D2) предназначен для управления двумя транзисторами одного плеча – верхнего и нижнего транзистора. Импульсы управления на входные цепи драйверов (HIN и LIN) поступают от системы управления (D3). Поскольку в однофазной мостовой схеме одновременно проводят ток два транзистора, расположенные по диагонали моста (VT1 c VT2 или VT3 c VT4), входные цепи HIN первого драйвера (D1) и LIN второго драйвера (D2) объединены, также объединены HIN второго драйвера и LIN первого драйвера.

На этой схеме показана также цепь заведения обратной связи по напряжению в схему управления. На схеме не показаны источники питания драйверов. Выбор источников питания для драйверов следует провести с учетом рекомендации по источникам питания драйверов, которые содержатся в подразд. 8.1.

Справочная информация по микросхеме 1114ЕУ3 приведена в подразд. 6.3.

Расчет загрузки диодов выпрямителя и выбор их

Среднее значение тока диода I_{VD ср}=I_нг0,5=20•0,5=10 А.

Обратное напряжение на диодах выпрямителя равно напряжению нагрузки U_нг=10 В.

Выбираем диоды с учетом коэффициентов запаса по току k_з.т=2 и напряжению k_з.н=2.

I_{VD N}≥20 А и U_{в.обр max}≥20 В.

По справочным данным (табл. 20) выбираем четыре диода 20TQ045/IR, параметры которых: I_{в.ср N}=20 А ; U_{в.обр max}=45 В; ΔU_в.пр=0,57 В.

Отметим, принятое ранее падение напряжения на открытом диоде равно 1 В. Реальное падение напряжения на открытом диоде несколько меньше.

Уточнение расчета проводить не следует.

Расчет потерь и коэффициента мощности преобразователя

Выше были определены потери мощности трансформатора, ΔР_тр= ΔР_эл+ ΔР_м=0,977+1,436=2,413 Вт;

Потери мощности на активном сопротивлении обмотки дросселя

ΔР_др=I²_нгR_L=20²•16,8•10^-3=3,26 Вт.

Потери на транзисторе имеют две составляющие:

– статические потери ΔР_{VT ст} = ΔU_кэ.нас I_{VT ср} = 0,7•2,448 =1,71 Вт;

– динамические потери

ΔР_{VT дин}=U_вхI_{VT ср}f_р (t_вкл+t_выкл)/2=100•3,74•5000•(80+55)•10^-9/2=0,126 Вт.

Суммарные потери мощности на одном транзисторе ΔР_VT=1,836 Вт, а на двух последовательно включенных транзисторах ∑ΔР_VT =2•1,836=3,672 Вт.

Потери мощности на диодах выпрямителя

ΔР_VD= I_{VD ср}ΔU_в.пр=10•0,57=5,7 Вт.

Итак, суммарные потери мощности на элементах схемы преобразователя

∑ΔР_п= ΔР_тр+ ΔР_др+∑ΔР_VT+ ΔР_VD=2,413+3,26+3,672+5,7=15,038 Вт.

Коэффициент полезного действия преобразователя

η=Р_нг/(Р_нг+∑ΔР_п)=10•20/(10•20+15,038)=0,93.

Расчет площади радиаторов для транзисторов проводится по методики, приведенной подразд. 1.5.

Статический расчет системы выполняется по методики подразд. 1.4.

Оценка динамических показателей разомкнутой система ДППН

Оценим динамические показатели силовой схемы спроектированного двухтактного полномостового преобразователя по методике, изложенной в подразд.1.6.

Рассчитанные ранее параметры:

L_ф=8,8•10^-6 Гн, С_ф=1100•10^-6 Ф, I_{нг N}=20 А,

R_сх= R_тр+R_L=0,00244+0,0168=0,01924 Ом.

Зададимся величиной

I_{нг min} = 0,2I _{нг N}=0,2•20=4 А.

Частота собственных колебаний сглаживающего фильтра определена выше:

ω_с.к = 10163 с^-1.

Следовательно:

t_п ≈ π/ ω_с.к = 3,14/10163 = 3,09 •10 ^-4 с.

α = 0,5[R_cx/L_ф – I_{нг min}/ (U_вх.N С_ф)] = 0,5 [(0,01924/8,8•10^-6– 4/(100•1100•10^-6)= = 1075.

Таким образом, перерегулирование не превышает 3%, а длительность полуволны переходного процесса составляет 0,3 мс.

Входной фильтр рассчитать по методике, приведенной в подразд. 6.5.

Вопросы для самоконтроля

1. Каким значением коэффициента скважности, γ_max или γ_min, следует задаваться при расчете ДППН II?

2. Как рассчитать требуемую величину коэффициента трансформации трансформатора?

3. Как рассчитать параметры, по которым следует выбирать транзисторы ДППН II?

4. По каким параметрам следует выбирать дроссель и конденсатор сглаживающего фильтра и как рассчитать эти параметры?

5. Как рассчитать размах колебаний тока обмотки дросселя, ΔI_L?

6. Какие способы регулирования выходного напряжения можно применять при управлении ДППН II?

7. Как рассчитать параметры, по которым следует выбирать диоды выпрямителя ДППН II?

8. Как рассчитать требуемое значение коэффициента трансформации трансформатора?

9. Какое значение γ следует применять при расчете ДППН II?