3. Разработка схемы функциональной

Рисунок 3.1- Схема функциональная - зарядное устройства на полумостовом инверторе.

Согласно техническому заданию требуется разработать зарядное устройство для аккумуляторной батареи на основе преобразователь напряжения (рисунок 3.1). Опишем принцип работы требуемого устройства.

Напряжение питания подаётся на входной преобразователь. 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,VD9-VD10,TV1 получаем звеноcвыходным переменным напряжением прямоугольной формы повышенной частоты, а также гальваническую развязку входа и нагрузки благодаря трансформаторуTV1. Для получения требуемого выходного постоянного напряжения необходим высокочастотный выпрямитель и фильтрVD3,VD4,VD7,VD8 иL2 и С4, который эффективно осуществляется сглаживание пульсаций так как является Г-образным фильтром, составленным из дросселя и конденсатора. Для контроля выходного тока ставим датчик выходного тока, шунт.

Устройство управления УУ должно обеспечить надёжное открывание и закрывание электронных ключей VT1,VT2, а также возможность регулирования выходного наряжения. Устройство управления УУ выполняется на базе специализированных микросхем. Частота преобразования 20 кГц .

В качестве электронных ключей VT1,VT2используют биполярные транзисторы. В качестве диодовVD1–VD4при больших частотах преобразования (более чем 10 кГц) используют диоды с барьером Шотки

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

1. Расчёт входного выпрямителя и фильтра

Выпрямительные устройства используются для преобразования переменного напряжения питающей сети в постоянные напряжения требуемой величины. Проектируемый источник питания работает от однофазной сети переменного тока. Поэтому рассмотрим только однофазные схемы выпрямления.

Однофазная схема выпрямления может работать как без входного трансформатора, так и с трансформатором.

Достоинства схемы — простота, минимальное число вентилей, а, следовательно, невысокая стоимость

Недостатки однополупериодной схемы выпрямления — большое значение пульсаций выпрямленного напряжения; подмагничивание сердечника трансформатора (если он используется) постоянным током; высокое обратное напряжение на диоде, большой импульс тока через диод.

Двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой может работать от сети переменного тока только при наличии входного трансформатора, имеющего во вторичной обмотке отвод от средней точки. Поскольку токи во вторичных полуобмотках трансформатора протекают поочередно в противоположных направлениях, подмагничивание магнитопровода отсутствует.

Двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой имеет ряд преимуществ перед однополупериодной: при одинаковой выходной мощности меньше габариты и масса трансформатора (из-за отсутствия подмагничивания); вдвое меньше амплитуда тока через выпрямительные диоды; вдвое выше частота пульсаций выпрямленного напряжения. По сравнению с мостовой, в двухполупериодной схеме выпрямления со средней точкой меньше число диодов в плече и, соответственно, больше КПД.

Мостовая двухполупериодная схема выпрямления имеет следующие преимущества перед схемой со средней точкой: меньшая габаритная мощность трансформатора; вдвое меньшее обратное напряжение на закрытом диоде; схема может работать без входного трансформатора; при наличии отвода от части вторичной обмотки возможно получение двух выходных напряжений.

Недостаток схемы — большое число диодов, что снижает её КПД и увеличивает стоимость.

Исходя из перечисленных достоинств и недостатков, для выпрямления сетевого напряжения выберем мостовую схему выпрямления.

Схема сетевого мостового выпрямителя и низкочастотного фильтра приведена на рисунке 3.1.1 . Однофазная питающая сеть переменного тока и бестрансформаторный вход допускают исключительно мостовую схему выпрямителя, представленного на рисунке 3.1.1

Используется однофазная сеть напряжения 220 В, то выпрямитель подключается к сети выводами 1 и 2.

Рисунок 3.1.1– Входной выпрямитель и входной фильтр

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. При учете диапазона изменения питающей сети (отклонение вниз о номинала на 15%) значение напряжения на выходе входного фильтра не превышает значения, полученного ниже:

где Uc –минимальное напряжение питающей сети;

Ud_min – минимальное напряжение на выходе входного фильтра.

В режиме работы Ud_min будет еще ниже на величину падения напряжения на диодах выпрямителя, фильтре и индуктивных потерь напряжения, обусловленных коммутацией диодов выпрямителя.

Так как вход выпрямителя бестрансформаторный, коммутационными потерями можно пренебречь и величину выпрямленного напряжения можно считать для идеального выпрямителя.

где Uc – напряжение питающей сети.

Наибольшее значение напряжения на выходе фильтра (режим холостого хода конденсатор фильтра заряжен до амплитуды входного переменного напряжения) определится соотношением:

Ud_max – максимальное напряжение на выходе входного фильтра.

Находим мощность нагрузки:

,где   Pн –мощность нагрузки

Uн — напряжение на нагрузке;

Iн — ток нагрузки;

Определяем мощность, которую потребляет инвертор через характеристики нагрузки и примерные КПД узлов, последовательно включенных в силовой цепи, для того , чтобы определить электрические параметры.

,

где Pи – мощность инвертора;

  η_тр — КПД трансформатора (η_тр = 0,990,94). Для трансформатора средней мощности примем η _тр = 0,96;

η_ф2 — КПД фильтра на выходе инвертора (как правило, задаются падением напряжения на активном сопротивлении дросселя (2...3) % от Uн, которое и определяет основные потери фильтра), примем η_ф2 = 0,98;

η_и— КПД инвертора (практический опыт и анализ технической литературы показывают, что КПД колеблется в пределах 0,95—0,98 для высоковольтных инверторов) примем равным 0,96.

Наибольшее среднее значение тока, потребляемого инвертором, определится при минимальном напряжении питающей сети.

Среднее значение тока диодов входного выпрямителя.

Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к диодам выпрямителя.

Выбираем диоды выпрямителя 2Д245A с параметрами [8]: U_обр.max = 400 В; I_VD = 10 А; I_VDимп = 100 А; f_max = 200 кГц.

Так как жестких требований к качеству напряжения на выходе входного фильтра нет, и величина пульсаций в нем зачастую определяется допустимой амплитудой переменной составляющей напряжения конденсатора, зададимся значением К′_П = 0,05, удовлетворяющим большинству используемых конденсаторов. Учитывая, что коэффициент пульсаций на выходе однофазного мостового выпрямителя К_П = 0,67, определим коэффициент сглаживания фильтра как:

;

Такой коэффициент сгалаживания обеспечит однозвенный LC фильтр. Рассчитаем электрические параметры элементов однозвенного LC-фильтра по соотношению:

,

где, m = 2 — число пульсаций на выходе выпрямителя;

ω_с = 2 π f_c = 314 — угловая частота;

Из условия непрерывности тока в дросселе находится его критическая индуктивность:

Индуктивность дросселя L_др должна быть больше L_кр для обеспечения непрерывного тока дросселя.

Выбираем двухобмоточный дроссель Д266 [8], с параметрами L_об = 1,2Гн; I_п =0,4А;R_об =22,6Ом.

=1,2 Гн

Далее после выбора дросселя определяется величина емкости конденсатора:

Учитывая условие, при котором емкость конденсатора должна быть много больше расчётного значения, выбираем ёмкость значительно превышающую его.

Устанавливаем конденсатор [8] К50-29-2,2 мкФ — 450 В .Произведем проверку фильтра на отсутствие резонансных явлений, при этом должно быть соблюдено условие:

Фильтр не подвержен резонансу.