Расчет потерь мощности и кпд [1]

В этой схеме потери мощности выделяются на активном сопротивлении обмотки дросселя, Δ Р_др, на транзисторе, Δ Р_VT, и на диоде, Δ Р_VD.

При номинальном токе нагрузки и номинальном коэффициенте скважности, γ_N, потери мощности составляют:

– потери на активном сопротивлении обмотки дросселя, R_L, с учетом того, что I_др=I_{нг N}=10 А.

Δ Р_др = I_др²R_L= 10²•0,05= 5 Вт.

Потери на транзисторе имеют две составляющие – статические потери,

ΔР_{VT ст}, и динамические, ΔР_{VT дин}.

Δ Р_VT= ΔР_{VT ст}+ ΔР_{VT дин}.

Среднее значение тока, протекающего через транзистор, в соответствии с (3):

I_к.ср.=I_{нг N} γ_max =10•0,669=6,69 А.

ΔР_{VT ст} = ΔU_кэ.нас I_{к. ср} = 2•6,69=13,38 Вт;

ΔР_{VT дин.} = U_нг I_нг.Nf_р(t_вкл+t_выкл)/2= 16•10•5000•5,7•10 ^-6 /2=2,28 Вт.

Δ Р_VT = ΔР_{VT ст}+ ΔР_{VT дин}=13,38+2,28=15,66 Вт

Потери мощности на диоде:

Δ Р_VD= Δ U_в.прI_VD=0,975•4,63=4,51 Вт.

Итак, суммарные потери мощности активном сопротивлении обмотки дросселя, на транзисторе и на диоде равны 25,17 Вт.

КПД преобразователя при номинальном режиме работы

η=Р_нг/(Р_нг+ΣΔР_п)=16•10/(160+25,17)=0,864. (32)

Расчет площади радиатора для транзистора

Определим площадь радиатора S_p необходимого для отвода тепла, выделяемого транзистором при его работе:

S_p > 1000 /( R_р.с σ_т ) , (33)

где σ_т – коэффициент теплоотдачи от радиатора в окружающую среду;

R_р.с – тепловое сопротивление радиатор – окружающая среда;

R_р.с << R_т – R_п.к – R_к.р; (34)

R_т – суммарное тепловое сопротивление;

R_п.к = 0,3 ºС/Вт – тепловое сопротивление р-n переход – корпус транзистора ( из справочных данных транзистора);

R_к.р=0,33 ºС/Вт – тепловое сопротивление корпус– радиатор;

R_т <(Θ_п.доп – Θ_ср) /∆P_VT;

Θ_п.доп – допустимая температура перехода транзистора;

Θ_ср – температура окружающей среды (указана в задании на проектирование);

R_т < (125 – 35)/15,66 = 5,93 ºС/Вт;

R_р.с << 5,94 – 0,3 – 0,33 = 5,31 ºС/Вт;

S_p > 1000/(5,31•1,5) = 125,55 см².

Площадь радиатора следует выбирать с запасом не менее чем в 1,5–2 раза. Форма пластинчатого радиатора показана на рис. 49. Для приведенного здесь примера примем площадь радиатора равной 250 см².

Статический расчет замкнутой системы ОППНI

Схема проектируемого ОППН I, работающего в режиме стабилизатора, приведена на рис. 14.

Статический расчет выполним по методике, изложенной в подразделе 1.4.

Исходные данные:

номинальное напряжение нагрузки U_{нг N} =16 В;

номинальный ток нагрузки I_{нг N}=10 А;

напряжение источника питания U_вх=30 В;

отклонение напряжения источника питания ±ΔU_вх=±10%=±3 В;

допустимое отклонение напряжения нагрузки ±ΔU_нг% =0,12 %.

±ΔU_нг=[ 0,12/100]16=0,0192 В.

Регулировочная характеристика силовой схемы ОППН I Е_пр = f(γ) приведена на рис. 16.

Регулировочная характеристика схемы управления γ = f(Ū_у) приведена на рис. 15.

Эквивалентное сопротивление схемы включает в себя только активное сопротивление обмотки дросселя R_сх= R_L= 0,05 Ом.

Выполним статический расчет ОППН I, параметры которого приведены выше. Примем U_{оп max} = 5 В; U_з=5 В. Определим ЭДС преобразователя Е_пр с учетом активного сопротивления обмотки выбранного дросселя L₂ и падения напряжения на открытом транзисторе:

Е_пр = U_{нг N} + I_{нг N} R_cx + ΔU_кэ.нас = 16 + 10 •0,05+2 = 18,5 В.

Определим максимальное значение коэффициента скважности с учетом параметров выбранных элементов:

γ_max = Е_пр/( U_{вх N} - ΔU_вх –ΔU_RL1 ) = 18,5/(30- 0,1•30- 30•0,02) =0,7.

С учетом линейности регулировочной характеристики системы управления (см. рис. 15) можно записать

Ū_{у max} = γ_max = 0,7.

Тогда

U_{у max} = Ū_{у max} U_{оп max} = 0,7 • 5 = 3,5 В.

Коэффициент усиления силовой схемы преобразователя,

k_пр=Е_п/ U_{у max}= 18,5/3,5 = 5,28.

Коэффициент усиления всей системы в целом, К:

К = (ΔU_нг.р/ΔU_нг.з) – 1 = (2,5/0,0192) – 1 = 129,2.

ΔU_нг.р= I_{нг N}R_cx + ΔU_кэ.нас=10 • 0,05+2=2,5 В.

ΔU_нг.з=0,0012•16=0,0192 В.

Далее необходимо определить коэффициенты усиления предварительного усилителя, k_пр, и коэффициент передачи датчика напряжения, посредством которого заводится обратная отрицательная связь по напряжению в систему управления, k_д.н. Поскольку неизвестных два, то необходимо иметь два уравнения. Первое уравнение получаем из соотношения для коэффициента К.

К = k_п.уk_д.нk_пр=129,2;

k_п.уk_д.н = К/k_пр =129,2/5,28 = 24,47.

Второе уравнение получим из расчетных соотношений (20) – (22), составленных с учетом связей параметров структурной схемы, приведенной на рис. 18.

k_п.у = U_{у max}/( U_з - k_д.н U_{нг N}) = 3,5/(5 -16k_д.н).

Решая два последних уравнения, получим:

k_п.у = 79; k_д.н = 0,309.

Проведем проверку правильности расчета коэффициентов:

U_{нг N} = [(k_п.у k_пр)/(1 + К)] U_з - ΔU_нг.р/(1 + К) =

=((79•5,28)/130,2)•5 – 2,5/130,2=16 В.

U_{нг N} = 16 В.

Полученное значение U_{нг N} равно значению, указанному в задании на проектирование.

Таким образом расчет коэффициентов проектируемой системы выполнен верно.

Расчет входного фильтра следует провести по методике, изложенной в разд. 7.