3 Разработка и расчёт принципиальной схемы

3.1 Расчёт преобразователя

Силовая часть включает в себя инвертор на транзисторах VT1-VT4, силовой трансформатор TV3. Выпрямитель напряжения повышенной частоты выполнен по мостовой схеме на диодах VD5-VD8. В моменты времени, когда напряжение на силовом трансформаторе равно нулю, ток нагрузки обеспечивается индуктивностью L2, являющуюся фильтром. Конденсатор C3 служит для ограничения выброса напряжения при отключении АБ от устройства.

Перед расчётом преобразователя необходимо найти максимальное и минимальное значения напряжений на его входе и выходе.

Согласно ТЗ, аккумуляторная батарея – свинцово-кислотная типа FG. Номинальное напряжение таких батарей – 12В для секции из 6 элементов и 6В для секции из 3 элементов. Поскольку заданное значение номинального напряжения АБ составляет 72В, несколько секций соединяются последовательно. При выборе секций номинальным напряжением 12В их количество составит

.

Поскольку разряд батареи ниже напряжения не допускается [1], минимальное напряжение батареи будет

.

Максимальное напряжение на одной секции, в конце зарядки, составляет 14,5В. Для батареи целиком

.

Зарядный ток составит

.

Теперь необходимо найти максимальное и минимальное значение напряжения на входе преобразователя.

Выпрямитель собран по бестрансформаторной схеме. Фаза сети имеет очень малые значения активного и индуктивного сопротивлений и , которые практически не влияют на процессы в выпрямителе.

В мостовой схеме выпрямителя с индуктивно-емкостным фильтром максимальное и минимальное значения напряжения на входе преобразователя будут равны [2]:

;

.

Повышение частоты преобразования влечёт за собой уменьшение массы и габаритов реактивных элементов. Одновременно с этим увеличиваются энергетические потери из-за коммутационных процессов переключения полупроводниковых приборов. Современные полевые транзисторы имеют время коммутации порядков десятков наносекунд, и рабочая частота преобразователей может достигать сотен килогерц [3]. Из этих соображений частота преобразования принимается равной . Период будет равен

.

Поскольку мостовой преобразователь является двухтактным, для идеального преобразователя максимальное значение относительной длительности включенного состояния транзистора в одном плече инвертора равно

.

В реальном преобразователе необходимо сделать запас на «мёртвое» время при выключении транзисторов, с целью исключения сквозных токов. Поскольку время переключения полевых транзисторов составляет десятки наносекунд, то можно задаться запасом на уровне , тогда максимальное значение получится равным

.

Коэффициент трансформации должен быть таким, чтобы обеспечить максимальное напряжение АБ при минимальном напряжении сети. С учётом потерь в транзисторах, диодах и дросселе [4]:

,

где – падение напряжения на дросселе выходного фильтра, – падение напряжения на диодах, – падение напряжения на транзисторах в открытом состоянии.

Минимальное значение относительной длительности интервала передачи энергии в нагрузку составит:

.

Согласно ТЗ, пульсации тока в дросселе должны быть не более

.

Индуктивность дросселя составит, с учётом удвоенной частоты пульсаций, т. к. преобразователь двухтактный [4]:

.

Выбирается дроссель Д17-2 с последовательным соединением обмоток. Параметры дросселя: , , [1].

Размах пульсаций тока дросселя будет равен:

.

Таким образом, размах пульсаций не превышает заданного значения.

В момент отключения АБ на конденсаторе C3 возникает выброс напряжения, вызванный сбросом энергии из индуктивности L2. В случае применения конденсаторов рабочим напряжением 100В максимальное значение выброса напряжения

.

С целью обеспечения запаса по напряжению выбирается .

При спаде тока в дросселе от до нуля напряжение на конденсаторе C3 увеличивается с до . Увеличение напряжения на конденсаторе описывается соотношением:

;

.

Ёмкость конденсатора C3 в этом случае составит:

.

Выбирается конденсатор типа К50-29-100В-100мкФ [6].

Параметры для выбора транзисторов VT1-VT4:

;

.

Выбираются транзисторы IRF740 с параметрами , , , , , , [7]. Обратные диоды встроены в транзисторы и имеют параметры и .

Параметры для выбора диодов VD5-VD8:

;

.

Выбираются диоды 2Д245А с параметрами , , [8].

Статические потери в транзисторе:

.

Динамические потери в транзисторе:

.

Полные потери мощности в транзисторе:

.

Потери мощности в выпрямительном диоде:

.

Временные диаграммы токов и напряжений в мостовом инверторе представлены на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Временные диаграммы токов и напряжений

в мостовом инверторе

Интервалы времени 1-2 и 3-4 – это интервалы свободной циркуляции. Напряжение на первичной обмотке TV3 при этом близко к нулю, а ток поддерживается индуктивностью намагничивания трансформатора. Ток нагрузки, поддерживаемый индуктивностью выходного фильтра, замыкается четырьмя открытыми диодами выходного выпрямителя.

На диаграммах указаны следующие напряжения и токи:

– напряжение на выходе генератора линейно изменяющегося напряжения совместно с напряжением с выхода усилителя ошибки;

, , , – напряжения управления транзисторами;

, , , – токи через силовые транзисторы;

, – токи через обратные диоды, встроенные в силовые транзисторы;

– напряжение первичной обмотки трансформатора TV3;

– напряжение на выходе выпрямителя.