Расчет потерь мощности и кпд

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 заполнении импульса, D_N, потери мощности составляют:

– потери на активном сопротивлении обмотки дросселя, R_L:

Δ Р_др = I_др²R_L, 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:

I_к.ср.=I_{нг N} D, А.

ΔР_{VT ст} = ΔU_кэ.нас I_{к. ср}, Вт;

ΔР_{VT дин.} = U_нг I_нг.Nf_р(t_вкл+t_выкл)/2, Вт.

Потери мощности на диоде:

ΔР_VD= ΔU_в.прI_VD, Вт.

КПД преобразователя при номинальном режиме работы

η=Р_нг/(Р_нг+ΣΔР_п), (177)

где ΣΔР_п= Δ Р_др+ Δ Р_VT+ Δ Р_VD.

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 ) , (178)

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; (179)

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; (180)

Θ_п.доп – допустимая температура перехода транзистора;

Θ_ср – 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:

Ū_у = U_у/U_{оп max} – относительное значение напряжения управления на входе системы управления;

U_{оп max} – максимальное значение опорного сигнала системы управления;

Ē_пр= Е_пр/Е_пр0 – относительное значение ЭДС на выходе преобразователя;

Е_пр0 – это ЭДС холостого хода на выходе преобразователя при номинальном значении входного напряжения (U_вхN) и коэффициенте заполнении импульса, равном единице, т.е. D = 1. Следовательно: Е_пр0 =U_{вх N}, а Ē_пр= Е_пр/U_{вх N}.

Определим требуемую величину ЭДС преобразователя с учетом отклонения напряжения источника питания. Примем значение тока нагрузки равным номинальному значению.

Е_пр = U_{вх min}D_max = U_{нг N} + I_{нг N} R_cx + ΔU_кэ.нас, (181)

где U_{вх min} = U_{вх N}- ΔU_вх = U_{вх N} [1-( ΔU_вх%)/100];

D_max – максимальное значение коэффициента заполнения импульса;

R_cx = R_Lф – эквивалентное сопротивление схемы;

ΔU_кэ.нас – падение напряжения на открытом транзисторе.

Максимальное значение коэффициента заполнения импульса:

D_max = (U_{нг N} + I_{нг N} R_cx + ΔU_кэ.нас)/ (U_{вх min}). (182)

В режиме непрерывного тока регулировочная характеристика имеет линейный характер.

Следовательно, Ū_у= D, а Ū_{у max} = D_max, и U_{у max} = Ū_{у max} U_{оп max}.

Величина U_{оп max} выбирается при разработке системы управления. Наиболее приемлемые значения U_{оп max} = 5 В или U_{оп max} =10 В.

Если принято U_{оп max} = 5 В, то U_{у max} = 5Ū_{у max} = 5D_max, В. Определив величину U_{у max} и величину Е_пр, можно определить коэффициент усиления преобразователя, k_пр:

k_пр= Е_пр/U_{у max} . (183)

На рис.17 приведена структурная схема ОППН –I с обратной связью по напряжению

Рис.17. 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;

U_δ = U_з- U_осн – напряжение рассогласования;

U_з – напряжение задания;

U_осн – напряжение обратной связи;

U_у – напряжение управления на входе преобразователя;

k_п.у – коэффициент усилия предварительного усилителя;

k_пр – коэффициент усиления преобразователя;

k_д.н – коэффициент передачи датчика напряжения;

Е_пр – ЭДС на выходе преобразователя;

R_сх – активное сопротивление элементов схемы, по которым протекает ток нагрузки;

Соотношения между параметрами схемы:

U_δ=U_з–U_осн ; (184) U_осн=k_д.нU_нг; (185)

U_у=k_п.уU_δ; (186) Е_пр=k_прU_у ; (187) Е_пр=U_{нг N}+I_{нг N}R_cx+ΔU_кэ.нас= U_{нг N} + ΔU_нг.р , (188)

где ΔU_нг.р = I_{нг N}R_cx+ΔU_кэ.нас – падение напряжения на элементах схемы при разомкнутой системе.

Решая уравнения (184) – (188), получим:

(U_з - k_д.н U_нг.N)k_п.уk_пр = U_{нг N}+ ΔU_нг.р

U_{нг N} (1 + k_п.уk_д.нk_пр) = k_п.уk_прU_з + ΔU_нг.р

U_{нг N} = ((k_п.уk_пр)U_з /(1 + К)) - ΔU_нг.р/(1 + K), (189)

где ((k_п.уk_пр)U_з/(1+К)) = U_пр0 – напряжение холостого хода преобразователя при замкнутой системе.

ΔU_нг.р/(1 + К) = ΔU_нг.з – отклонение напряжения нагрузки при замкнутой системе.

Величина К определяется из соотношения:

ΔU_нг.р/ ΔU_нг.з = К + 1. (190) К = (ΔU_нг.р/ ΔU_нг.з) – 1 = k_п.уk_д.н k_пр. (191)

Далее необходимо определить значение коэффициентов k_пу и k_дн. Поскольку неизвестны значения двух коэффициентов, необходимо еще одно уравнение в дополнение к уравнению:

k_п.у k_д.нk_пр = К.

Это уравнение можно вывести из вышеприведенных уравнений:

k_п.у = U_y/U_δ = U_{у max}/( U_з - k_д.нU_{нг N}) . (192)

Приняв U_з = 5 В и, зная значения U_{у max} и U_{нг N}, можно рассчитать k_п.у и k_д.н. Для проверки правильности выполненных расчетов необходимо рассчитать значение U_{нг N} по формуле (189).