2. Разработка принципиальной схемы силовой части преобразователя.

Рисунок 2.1

Согласно техническому заданию требуется разработать преобразователь напряжения (рисунок 2.1). Опишем принцип работы требуемого устройства.

Входной преобразователь состоит из двух основных блоков – сетевого выпрямителя и низкочастотного сглаживающего фильтра, и осуществляет выпрямление напряжения сети переменного тока для получения постоянного напряжения, требуемого для питания силового инвертора. Входной низкочастотный фильтр обеспечивает сглаживание пульсаций выходного напряжения входного выпрямителя до приемлемого качества.

С помощью полумостовой схемы инвертора VT1-VT2, VD1-VD2, TV1 получаем звено c выходным переменным напряжением прямоугольной формы повышенной частоты, а также гальваническую развязку входа и нагрузки. Для получения требуемого выходного постоянного напряжения необходим высокочастотный выпрямитель и фильтр VD7-VD10 и L1 и С12. Для контроля выходного тока ставим датчик выходного тока, шунт. Контроль перегрузки по току обеспечим, применяя драйверную регулируемую токовую защиту ключа.

Для отключения АБ по окончании заряда на выходе стоит датчик напряжения, при превышении порогового значения происходит выключение преобразователя (ключей).

3. Расчёт элементов силовой части схемы.

Схема сетевого мостового выпрямителя и низкочастотного фильтра приведена на рисунке 3.1

Рисунок 3.1 – Схема сетевого выпрямителя и низкочастотного фильтра

Рассчитаем элементы этой схемы. Расчет начнем с расчета диодов выпрямителя. Для начала рассчитаем минимальное и максимальное напряжение на закрытых диодах выпрямителя при работе в однофазном включении :

	(3.1)
	(3.2)
	(3.3)

Учитывая падения напряжения на фильтре, примем U_{d_min}равным240В.

Выходное напряжение должно изменяться по мере заряда АБ от:

U_{АБ мин}= 40В до U_{АБ макс}= 65 В:

где;

Мощность на нагрузке:

ВА

Мощность, потребляемую импульсным стабилизатором, находим по выражению:

ВА

(3.4)

где Р_н– мощность на нагрузке;

_пр– КПД преобразователя. Принимаем КПД ≈ 96%;

Наибольшее среднее значение тока, потребляемого импульсным стабилизатором, определяем из выражения:

А.

(3.5)

Максимальное значение тока, протекающего через диоды сетевого выпрямителя, определяем по выражению:

А.

(3.6)

Среднее значение тока, протекающего через диоды сетевого выпрямителя, определяем по выражению:

А

(3.6)

Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к диоду выпрямителя, определяем по выражению:

В.

(3.7)

Выбираем диоды сетевого выпрямителя VD11-VD142Д234Впо максимальному обратному напряжению и среднему току через него с параметрами:U_{обр_max}=400 В,I_VD=3 А.

Для расчета низкочастотного фильтра зададимся выходным коэффициентом пульсаций. Примем его 5%, что удовлетворяет инженерной точности и не превышает допустимую амплитуду переменной составляющей большинства используемых конденсаторов. Учитывая то, что максимальный коэффициент пульсаций на выходе однофазного мостового выпрямителя К_{п_вых}=0,67, определим коэффициент сглаживания фильтра по формуле:

(3.8)

Из полученного значения находим максимальное произведение индуктивности и емкости фильтра по формуле:

Гн∙Ф.

(3.9)

Находим минимальную индуктивность, при которой дроссель будет работать в режиме непрерывных токов, по формуле:

Гн.

(3.10)

Индуктивность дросселя L_др должна быть больше L_кр для обеспечения непрерывного тока дросселя. Выбираем дроссель L6…L13 Д273 с параметрами L_обм = 300 мГн, I_п= 1,1 А с последовательно соединенными обмотками (8шт).

8х0,3х2 = 4,8 Гн.

Емкость конденсатора рассчитаем по формуле:

Ф.

(3.11)

Т.к в качестве емкости фильтра установлены два последовательно включенных конденсатора выберем К50-68-450В-20мкФ±20%, общая емкость будет составлять10 мкФ.

Для исключения резонансных явлений проверяем низкочастотный фильтр на резонанс. Должно выполняться условие:

Гн∙Ф.

Фильтр не подвержен резонансу.

Для расчета трансформатора должны быть определены напряжения и токи обмоток, причем коэффициент трансформации определяется из условия минимального напряжения на первичной обмотке, чтобы обеспечить на нагрузке необходимое (заданное) напряжение.

Минимальное эффективное значение напряжения на первичной обмотке трансформатора:

Принимаем максимальное значение гаммы, исходя из необходимости введения коммутационных пауз:

γ_max=0,9

где потери наr_др≈0,02U_н =0,0265 =1,3

_{Коэффициент трансформации:}

При известном значении коэффициента трансформации найдем значение γ_min:

Зададим частоту работы ключей равную 15000 Гц:

Рассчитаем критическое значение индуктивности:

Гн.

Дроссель L1…L5 выбираем типа Д17-2 с параметрами:

индуктивность при номинальном токе – 0,002 Гн, номинальный ток 6,3 А F=100кГц. Соединим 5 шт. последовательно.

L=0,002х2х5=0,02 Гн.

Рассчитаем изменение тока дросселя:

Максимальный ток коллектора транзистора:

Выбираем в качестве ключа IGBT транзистор типа SGB02N60 c параметрами: ток коллектора – 2,9 А, напряжение коллектор-эмиттер – 600 В, напряжение насыщения – 2,2 В, корпус ТО220А.

Рассчитаем значение емкости конденсатора:

Выбираем алюминиевый оксидно-электрический конденсатор типа К50-20, номинальная емкость – 20 мкФ, допустимая пульсация на 50 Гц-16%.

Рассчитаем допустимую пульсацию на частоту 15 кГц.

Так, как предельно допустимая пульсация напряжения превышает предполагаемую пульсацию, то конденсатор выбран правильно.

Диод VD7, выбираем исходя из максимального обратного напряжения равного:

При γ>0,02 диоды выбираем по среднему току. Средний ток диода:

рабочей частоты f =15000Гц.

В качестве VD7-VD10 выберем диод 2Д215Б со следующими характеристиками: U_обр= 600 В, I_max= 1 A, прямое падение напряжения – 1,2 В, f_max = 100кГц.

Рассчитаем рассеиваемую мощность на диоде:

P_vd = U·I_vd·γ = 1 Вт.

Обратные диоды VD1-VD2 ключей VT1-VT2 выбираем того же типа.

Определим действующие значения токов и амплитуды напряжений первичной и вторичной обмотки трансформатора:

_{U1 =63 В;}

_{U2 = 152 В;}

_{I1 = Ктр · IНmax · √γmax = 0,57 A;}

_{I2 = IНmax · √γmax = 1,9 A}

Рассчитаем габаритную мощность трансформатора:

Выбор типоразмера магнитопровода. Так как режим работы трансформатора двухтактный положим индукцию В равную 0.2 Тл, а плотность тока на частоте 15 кГц – 3.5 А/ мм².

Рассчитаем произведение площади окна на площадь сечения для выбора магнитопровода из стандартного ряда.

S_ок·S_с= 100·Р_г/4·К_ф·j·B·F·К_с·К_о

S_ок·S_с= 100·105/4·1·3.5·0.2·15000·1·0.3 = 0.83

Где S_oк – площадь окна сердечника магнитопровода ( см² );

S_c – поперечное сечение сердечника ( см² );

Р_г – габаритная мощность трехобмоточного трансформатора;

К_ф – коэффициент формы напряжения (для прямоугольного сигнала – 1);

К_с – коэффициент заполнения сердечника сталью к=1;

j – Плотность тока в обмотках трансформатора ( примем j = 3.5А/мм²)

К_о – коэффициент заполнения окна сердечника медью (для проводов круглого сечения в пределах от 0,2 до 0,35), примем К_о = 0,3

В – индукция в магнитопроводе, примем В = 0,2Тл

Выбираем прессованный магнитопровод (феррит марки М2000HM1) типа К40×25×11 имеющие размеры а=7,5, h=11, d=25, D=40, L_cp= 98,44, S_o·S_с=4,0425см⁴ , S_с=0,825, S_o=4,9

Электрический расчет.

W_o = 10⁴/4·К_ф·В·F·S_c·К_с = 10⁴/4·1·0,2·15000·0,825·1= 1В/вит.

Принимаем падение напряжения на обмотках 2%, рассчитаем количество витков обмоток.

W₁ = W₀·0,98·U₁ = 149 витков.

W₂ = W₀·0,98·U₂ = 62 витка.

Определяем диаметр проводов обмоток трансформатора (без учёта толщины изоляции):

D₁ = 1,13·√(I₁ /J)

D₁ = 1,13·√(0,57/3,5) = 0,46 мм.

D₂ = 1,13·√(1,9/3,5) = 0,83 мм.

Для первичной обмотки выбираем провод ПЭВ1 с параметрами: номинальный размер диаметра провода без изоляции – 0,47 мм, расчетное сечение 0,1735, с изоляцией – 0,51 мм.

Для вторичной обмотки выбираем провод с параметрами: номинальный размер диаметра провода без изоляции – 0,83 мм, расчетное сечение 0,5411, с изоляцией – 0,89 мм.

Приближенно проверим на вместимость обмоток в окно сердечника.

Площадь первичной обмотки:

Площадь вторичной обмотки:

Коэффициент укладки:

Обмотки трансформатора входят в окно магнитопровода.

Расчет датчика тока

В качестве датчика тока в схеме используется резисторный шунт R_ш.

Шунт используется для выделения на нем напряжения обратной связи (U_ос) пропорционального протекающему току.

Рассчитаем сопротивление шунта таким образом, чтобы при номинальном токе, на шунте падение напряжения было 0,1 В:

R_ш=U/I_н=0,1/2=0,02 Ом;

Выберем резисторный шунт 0,02 Ом1% 1 Вт.

Расчет усилителя

Напряжение, снимаемое с шунта R_шподается на операционный усилительDA7 выполненный по схеме неинвертирующего усилителя.

Коэффициент усиления данного усилителя равен:

Рассчитаем необходимый коэффициент усиления DA1:

U_ш– напряжение на шунте при токе2А.

Рассчитаем сопротивления R22,R21:

Выберем резистор R22 МЛТ-0,125-1кОм, тогда резистор R21:

R21 = 19·1 = 19 кОм.

Выберем резистор R21 МЛТ-0,125-20кОм.

Операционный усилитель выбираем типа LM358 с параметрами:

• напряжение питания – 3..38 В;

• ток потребления – 3 мА;

• средняя частота – 0,8 МГц;

• скорость нарастания – 0,7 В/мкс;

• входной ток – 100 нА;

• выходной ток – 30 мА.

Отключение батареи по окончании заряда:

Напряжение U_{АБ_макс.}=65 Всвидетельствует об окончании заряда

Для блокировки работы DA1 ШИМ необходимо подать напряжение1,4Вна вход10. Т.е рассчитаем делительR24,R25 таким образом чтобы при максимальном напряжении АБ на делителе было1,4В.

Выберем резистор R25 МЛТ-0,125-1,5кОм, тогда резистор R24:

R24 = 45,4·1,5 = 68,14 кОм.

Выберем резистор R24 МЛТ-0,125-68кОм.