Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

Национальная академия природоохранного и курортного строительства

Факультет водных ресурсов и энергетики

Методические указания

для расчётно-графической работы

«Методика расчета импульсного стабилизатора напряжения (исн)»

для студентов, обучающихся по направлению 6.050701

«Электротехника и Электротехнологии»

Симферополь 2011 г.

Методические указания к выполнению расчётно-графической работы по дисциплине «Промышленная электроника», для студентов, обучающихся по направлению 6.050701 «Электротехника и Электротехнологии» (Составитель: д.т.н., доцент Бекиров Э. А.)

Одобрено и рекомендовано к печати на заседании учебно-методической комиссии факультета ВРиЭ ______________.

Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры энергоснабжения и________________. Протокол №__.

Рецензент: к.т.н., доцент кафедры Энергоснабжения и физики Сокут Л. Д.

Ответственный за выпуск: д.т.н., доцент кафедры Энергоснабжения и физики Бекиров Э.А.

Методика расчета импульсного стабилизатора напряжения (исн)

При выборе схемы построения импульсного источника электропитания необходимо в первую очередь руководствоваться ожидаемыми габаритными размерами и программой схемотехнических решений. Сетевые источники, питающие нагрузки небольшой мощности (до 100-150 Вт), встраиваемые в достаточно габаритные приборы, лучше строить по однотактной fly-back схеме. Для стабилизаторов, в которых не требуется гальванической развязки нагрузки от питающей сети, применяют чопперную схему. При питании от гальванических элементов или аккумуляторов можно использовать бустлерную (повышающую) схему. Однако не исключены ситуации, в которых перечисленные преобразователи и стабилизаторы использовать нельзя.

Случай первый – прибор, питаемый от сети переменного тока, имеет ограниченные габариты (к примеру, в приборном корпусе не удается разместить достаточно крупный накопительный трансформатор fly-back конвертора).

Случай второй – потребляемая мощность прибора превышает 150200 Вт.

Случай третий – отдельные части схемы прибора требуют дополнительного питания, гальванически развязанного от остальной схемы.

В этих случаях требуется разработка так называемых двухтактных схем преобразователей, имеющих гальваническую развязку первичной и вторичной цепей. Наибольшее распространение среди двухтактных конверторов получили три схемы: двухтактная (параллельная) пуш-пульная; полумостовая (последовательная) (half-bridge) и мостовая (full-bridge).

Достоинство этих схем состоит в том, что при необходимости можно ввести в конструкцию узел стабилизации выходного напряжения, либо отказаться от него.

В любом выше указанном случае к силовой части ИСН предъявляются два основных требования: высокий КПД и возможно меньшие габариты. Эти требования могут быть реализованы как правильно выбранными схемотехническими решениями и элементной базой, так и выбором оптимальной частоты преобразования.

При выбранной структуре особое значение приобретает частота работы силовой части, определение которой определяет массо-габаритные показатели. С ростом частоты, с одной стороны уменьшаются габариты трансформатора и фильтра, с другой – увеличиваются потери в активных элементах (транзисторах и диодах). В связи с этим становится очень важной необходимостью проведения тщательных расчетов потерь в силовой части, а также объема, занимаемого ею, при вариациях частоты преобразования, для выбора ее оптимального значения.

Таким образом, в основу методики расчета оптимального блока ИСН положено следующее:

1. Выбор наивысшей частоты преобразования в отношении приемлемого КПД проводимый путем анализа составляющих потерь мощности в его силовой части;

2. Анализ прогнозируемого объема силовой части ИСН и вспомогательного источника питания в целом при вариациях частоты преобразования;

3. Поиск компромиссного варианта с учетом максимального КПД силового блока при минимальном его объеме с целью получения заданного значения удельной мощности.

Далее приступаем к выбору узла стабилизации (иначе узел управления) далее УУ.

Начнем с энергетических требований, предъявляемых к УУ:

1. Необходимо выбирать минимальную мощность, потребляемую УУ. Это понятно, но следует отметить, что речь идет не просто о повышении КПД, а о том, что чем меньше энергии потребляет управляющая часть, тем легче осуществлять запуск ИСН и его питать в номинальном режиме.

2. Необходимо минимизировать число вспомогательных источников для питания схем управления. Следует помнить, что увеличение количества вспомогательных источников питания, даже на один, сверх необходимого числа, вызывает необходимость его получения из первичного источника, то есть, от нетрадиционных и возобновляемых источников.

3. В каждом УУ должно быть устройство защиты по току, далее УТЗ, в силовых высоковольтных транзисторах ИСН. Основное требование к этому устройству – высокая надежность и необходимое быстродействие. Важное значение имеет выбор датчика тока для ИСН. Необходимо включение датчика тока во вторичную цепь выходного фильтра или выпрямителя ИСН.

Функциональная насыщенность и состав необходимых узлов структуры УУ зависит от структуры выполнения силовой части ИСН.

Для схем однотактных преобразователей (ИСН) можно рекомендовать следующее:

УУ должны обеспечивать обязательно ограничение максимальной длительности импульса управления. По фиксированной частоте задающего генератора (его периода Т) для режима широтно-импульсной модуляции. Коэффициент заполнения импульсов t_u управления, который определен из соотношения , должен быть не более 0,5, а с учетом технологических разбросов параметров узлов – не более 0,4…0,45.

Для двухтактных ИСН можно рекомендовать следующее:

1. Схема управления должна обеспечить гарантированную паузу для обязательного исключения одновременного открывания силовых транзисторов разных плеч, которая должна сохраняться при всех изменениях напряжения вспомогательного источника питания и при переходных процессах в ИСН.

2. При срабатывании зашиты по току длительность сигнала управления должна быть не меньше определенного значения (минимального). Это необходимо для того, чтобы сохранить симметричный режим перемагничивания сердечника силового трансформатора и исключить пропадание отдельных полупериодов напряжения на трансформаторе.

3. Схема управления для всех типов двухтактных схем, кроме полумостовых должна иметь узел симметрирования режима перемагничивания сердечника силового трансформатора, так как практически все двухтактные схемы склонны к подмагничиванию сердечника трансформатора. Даже в полумостовой схеме возможно подмагничивание сердечника в режиме работы защиты по току, если она не содержит специальных цепей, так как вводимое в каждый полупериод работы преобразователя ограничение амплитуды тока коллектора приводит к несимметричному режиму трансформатора.