Специальная часть. Задание в ms Visio.

Рисунок 1. Диаграмма напряжения в переходном процессе в транзисторном последовательном регуляторе.

Рассмотрим влияние параметров LC – фильтра на максимальные отклонения выходного напряжения при сбросах и набросах нагрузки. Обычно инерционность каналов регулирования не позволяет существенно повлиять на эти отклонения. Значения отклонений определяются тем, что при сбросе нагрузки энергия, накопленная в индуктивности, переходит в конденсатор фильтра, вызывая перенапряжение, а при сбросе нагрузки инерционность индуктивности приводит к форсированному расходу энергии конденсатора и, соответственно к провалу выходного напряжения.

Рисунок 2. К определению параметров фильтра в регуляторе.

Область допустимых значений L и С показана на рисунке 2. Выбор конкретных значений L и С в этой области является многофакторной оптимизационной задачей.

Рисунок 3. Схема параллельного ключевого регулятора.

На рисунке 3 представлена силовая часть схемы регулятора с транзисторным ключом VT и емкостным выходным фильтром. Принцип действия регулятора основан на периодическом накоплении энергии и передачи ее из индуктивности в цепи фильтра С и нагрузки Rн. Так же как и регулятор с последовательном ключом этот регулятор может работать в режимах с непрерывным и прерывистым током реактора i_L.

В этом режиме чередуются два состояния схемы: транзистор VT включен и транзистор VT выключен. Диаграммы, иллюстрирующие этот режим работы показан на рисунке 4.

Рисунок 4. Диаграммы тока и напряжения параллельного ключевого регулятора.

При построении диаграмм и дальнейшем рассмотрении схемы принято допущение об идеальной сглаженности входного напряжения. Длительность интервалов составляют t_вкл=T_s и t_выкл=(1-)T_s .

Из диаграмм видно, что на интервале I ток i_L протекает через транзистор VT,а цепи нагрузки R и конденсатор фильтра С отделены от входного источника диодом VD.

Рисунок 5. Схемы параллельного ключевого регулятора в режиме работы с непрерывным током дросселя.

На рисунке 5 представлены эквивалентные схемы по интервалам работы схемы с учетом принятых допущений. Согласно этим схемам ток i_L изменяется по линейным законам.

I интервал:

II интервал:

Рисунок 6. Диаграммы токов и напряжения параллельного ключевого регулятора для определения параметров дросселя.

Для оценки пульсации выходного напряжения можно использовать условие равенства нулю среднего значения тока конденсатора в установившемся режиме работы. На рисунке 6 представлены диаграммы, позволяющие приближенно оценить уровень пульсаций в режиме непрерывного тока i_L. Для этого на диаграмме этого тока при допущении стабильности мгновенного значения тока I_н=I_н.ср нагрузки R_н . Изменение напряжения от U_Cmax до U_Cmin является результатом изменения заряда Q на интервале T_s: .

Рисунок 7. Диаграммы тока и напряжения параллельного ключевого регулятора в режиме прерывистого тока дросселя.

При снижении тока нагрузки до определенного параметрами схема уровня регулятор переходит в режим работы с прерывистым током i_L. В этом режиме на интервале выключенного состояния транзистора VT ток i_L спадает до нуля раньше начала следующего периода. Наступление граничного режима возможно при условии, что ,

где I_н.гр – граничное среднее значение тока нагрузки.

Среднее значение выходного напряжения в режиме прерывистого тока i_L может быть определено из условия баланса энергии, накопленной в индуктивности за время включенного состояния транзистора и отданной в нагрузку. Это условие вытекает из того, что в установившемся режиме работы среднее значение энергии, накопленной в конденсаторе, постоянно. В противном случае имело бы место постоянное уменьшение или увеличение напряжения на конденсаторе, то есть выходного напряжения регулятора.

Рисунок 8. Схема ключевого регулятора с инверсией выходного напряжения.

Импульсный регулятор с параллельным индуктивным накопителем так же называют инвертирующим. Такое название обусловлено изменением полярности выходного напряжения относительно входного. На рисунке 8 представлена схема силовой части регулятора. Реактор L накапливает энергию при включенном состоянии транзиcтора VT, передает ее в нагрузку и в выходной фильтр, состоящий из конденсатора С. Регулятор в зависимости от параметров схемы и нагрузки может работать в режимах непрерывного и прерывистого токов реактора i_L.

Рисунок 9. Диаграммы тока и напряжения ключевого регулятора с инверсией выходного напряжения в режиме работы с непрерывным током дросселя.

На рисунке 9 представлены диаграммы токов и напряжений в схеме. При включенном транзисторе (интервал I) к реактору L приложено напряжение Е и он накапливает энергию. Длительность этого интервала соответствует времени включенного состоянии транзистора t_вкл=T_s. При выключении транзистора диод VD переходит в проводящее состояние и энергия реактора поступает в нагрузку и выходной фильтр (интервал II). Длительность интервала II соответствует выключенному состоянию транзистора t_выкл=(1-)T_s . Обоим интервалам соответствуют эквивалентные схемы, представленные на рисунке 10.

Рисунок 10. Схемы замещения ключевого регулятора с инверсией выходного напряжения в режиме работы с непрерывным током дросселя.

Согласно этим схемам изменение тока i_L соответствуют уравнения:

I интервал:

II интервал: .

Основные соотношения при принятых допущениях для установившегося режима работы с непрерывным током i_L могут быть получены из условия равенства нулю среднего значения напряжения U_L на реакторе L:

;

.

Выходное напряжение в рассматриваемой схеме может изменяться в широком диапазоне от нуля при до бесконечности при.

Выполнение работы в программе «MathCAD».

Расчёт токоведущего контура.

Рисунок 1 – Токоведущий контур контактора постоянного тока

UН – номинальное напряжение главной цепи	220 В
IН – номинальный ток главной цепи контактора	115 А
UУ – номинальное напряжение цепи управления род тока – постоянный	110 В
ПВ% – продолжительность включения	15 %
z – допустимое число циклов включения в час	600
p – количество главных контактов (число полюсов)	2 шт
N – коммутационная износостойкость	0,4 млн циклов
nОТ – кратность тока отключения	3,0
IБК – величина тока через блок-контакты	4,0 А
Материал токоведущих шин	Al
Марка медного провода для обмотки ЭМ	ПЭЛ
Технология укладки

Определение величины эквивалентного тока.

В том случае, если режим работы контактора является повторно – кратковременным, расчёт его токоведущих частей в номинальном режиме работы проводится с учётом эквивалентного тока. Под эквивалентным током I_ЭКВ понимается ток, который вызвал бы тот же нагрев токоведущих частей, что и отключаемый реальный номинальный ток I_Н при длительном протекании, в совокупности с дополнительным нагревом контактов электрической дугой.

Эквивалентный ток I_ЭКВ вычисляется по эмпирической формуле

Дальнейший расчёт электромагнитного контактора проводится по

большему из значений I_Н или I_ЭКВ. В данном случае большее значение принимает I_Н. Дальнейший расчет ведется по значению номинального тока.

Расчёт технических параметров токоведущих шин.

Расчётная толщина токоведущей шины а:

где  ₀ = 2,62·10^-8 Ом×м – удельное электрическое сопротивление металла шины (Таблица 5);

 = 4,2·10^-3 1/ºС – температурный коэффициент сопротивления металла (Таблица 5);

 _Д = 95 ºС – допустимая температура нагрева болтового соединения;

 _О = 40 ºС – температура окружающей среды;

k_T = 9 – коэффициент теплоотдачи (Таблица 6);

k ^ПР _Г = 12,5 – предварительный коэффициент геометрии токоведущей шины.

Расчётная ширина bр токоведущей шины:

Согласно справочным данным (Таблица 1, Таблица 2, Таблица 3 и Таблица 4) принимаем для тока фактические технические параметры стандартной шины расчётного или ближайшего большего сечения.

Фактические технические параметры токоведущих шин: a = 3 мм – фактическая толщина токоведущей шины;

b = 15 мм – фактическая ширина токоведущей шины;

kr = 5 – фактический коэффициент геометрии шины;

= 165 А – допустимая токовая нагрузка шины.

Значение плотности тока для токоведущих шин из меди должно находиться в пределах jCu = (4-6) А/мм2 ; для шин из алюминия – jAl = (2-4) А/мм2 . Определим расчётную плотность тока в токоведущей шине и фактическую (реальную) плотность тока в токоведущей шине:

Расчёт температуры нагрева токоведущих шин в номинальном режиме работы.

Выполненные вычисления позволяют оценить температуру нагрева токоведущих шин. Температура к шин в номинальном режиме работы.

где П  2  ( a  b )– периметр токоведущей шины;

S  a b – площадь поперечного сечения шины.

Для исключения возможности перегрева шин и нарушения токопередачи в номинальном режиме работы, должно выполняться условие  _К <  _Д. В результате расчёта получено следующее значение температуры нагрева  _К токоведущих шин:  _К = 61,311 ºС, что меньше  _Д = 95 ºС для не размыкаемых болтовых соединений из меди и её сплавов, для алюминия и его сплавов.