Расчет одноплечевого инвертора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исходные данные, необходимые для расчета

Схема инвертора - одноплечевая схема;

Напряжение нагрузки, U_нгN =36В;

Ток нагрузки , I _нгN =1A;

Частота выходного напряжения, f=50Гц;

Напряжение входной сети , U_вхN =12В;

Требуемый коэффициент гармоник выходного напряжения, k_г.вых.=0,05.

Допустимое отклонение напряжения входной сети ±ДU_вх% =10%;

Коэффициент мощности нагрузки, cosцнг=1.0

Регулирование выходного напряжения осуществляется посредством широтного способа регулирования

Задание

- нарисовать схему инвертора;

- построить временные диаграммы, поясняющие принцип работы инвертора;

- рассчитать загрузку элементов схемы (транзисторов, диодов) по току и напряжению;

- рассчитать требуемый диапазон регулирования коэффициента скважности г;

- рассчитать параметры трансформатора, необходимые для его выбора (напряжения и токи первичной и вторичной обмоток, расчетную мощность трансформатора);

- рассчитать выходной фильтр, необходимый для достижения требуемого по заданию коэффициента гармоник выходного напряжения (kг.вых.).



Рис. 1. Однофазный одноплечевой инвертор напряжения

Рис. 2. Временные диаграммы, поясняющие применение широтного способа управления (а и б импульсы управления транзисторов VT1,VT2, в напряжения вторичной обмотки трансформатора ).

Расчет параметров трансформатора

Для определения коэффициента трансформации трансформатора, k_тр, зададимся максимальным коэффициентом скважности г_max = 0,9 .

Это значение г будет при минимальном входном напряжении, U_вх.min:

U_{вх min} = U_{вх N} (1- ДU_{вх %} /100 ) = 12(1-0,1) = 10,8 В

и номинальном токе нагрузки I_нг = 1 А.

Определим требуемую величину коэффициента трансформации трансформатора, k_тр=W₁/W₂:

k_тр = (U_{вх min} - ДU_кэ.нас)г_max /(U_нгN + (ДU_тр)г_max),

где ДU_тр - падение напряжения на обмотках трансформатора, приведенное к вторичной обмотке;

Можно рекомендовать задаваться величиной ДU_тр =(0,01- 0,02)U_{нг N}.

Примем ДU_тр =0,01U_{нг N}=0,01*36=0,36 В.

ДU_кэ.нас - падение напряжения на открытом транзисторе. Зададимся величиной ДU_кэ.нас=1 В.

k_тр =(10,8-1)*0,9 / (36 + 0,36* 0,9) = 0,24.

Определим амплитудное значение напряжения вторичной обмотки трансформатора при номинальном значении входного напряжения, равном

U_{вх N} = 12 В:

U_{2m N} =(U_{вх N} - ДU_кэ.нас) / k_тр =45,8 В.

Напомним, что напряжение U_{2m N} - это амплитуда напряжения импульса прямоугольной формы, трансформируемое на вторичную обмотку трансформатора при включенных транзисторах схемы.

Далее определим номинальное значение коэффициента скважности г_N. Действующее значение напряжения нагрузки в номинальном режиме задано заданием, U_{нг N}=36 В.

Откуда

гN = = 0,68

инвертор трансформатор напряжение регулирование

Определим минимальный коэффициент скважности, г_min при максимальном входном напряжении:

г_min=arcsin =0,58

U_{2m max} - максимальное значение амплитуды напряжения вторичной обмотки трансформатора при максимальном значении входного напряжения:

U_{2m max} =(U_{вх max}-2ДU_кэ.нас - ДU_тр) /k_тр =(12·1,1 - 2·1-1,0)/0,24 = 50,8 В



Действующее значение напряжения первичной обмотки трансформатора

U_1N = U_{2 N} k_тр = (36+0,36)·0,24 = 8,7 В.

Это же напряжение может быть определено через входное напряжение

U_{вх N} и г_N :

U_1N = 10,8·0,89 = 8,7 В.

Рассчитанные значения U_1N практически одинаковы, что свидетельствует о точности выполненных расчетов.

Действующее значение первой гармоники напряжения вторичной обмотки трансформатора в режиме холостого хода:

U₂N=0,9·45,8·0,89=36,7 В.

Определим действующие значения токов первичной и вторичной обмоток.

Действующее значение тока вторичных обмоток трансформатора задано техническим заданием, I_{2 N}:

По вторичной обмотке трансформатора в этом случае будет протекать активная составляющая тока нагрузки:

I₂=I_а.нг.=1 А.

I₂ =1 А.

Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора, I_1N :

I1= I2 /kТР=4,2 А.

Амплитудное значение коллекторного тока транзисторов инвертора равно

I_кт=I_1N·=5,94 A.

Максимальное напряжение, прикладываемое к транзистору

Uкэ=Uвх max=1,1·12=13,2 В.

С учетом двойного коэффициента запаса по току и напряжению следует выбирать транзистор на ток не менее 12 А и напряжение не менее 26 В. Из табл. 8 выбираем два полевых транзистора типа EFM089S, параметры которых:

- максимальное допустимое напряжение сток-исток, U_{c-и max}=100 В;

-максимально допустимый ток стока, I_{c max}=24 А;

-сопротивление прямого канала открытого транзистора, R_{c-и max}=110·10^-3 Ом.

Падение напряжения на открытом транзисторе составляет,

ДU_{c-и нас}=4,2·110·10^-3=0,46 В.

Расчет трансформатора

Определим расчетную мощностью трансформатора, S_тр :

S_тр =(U₁I₁ + U₂I₂) / 2 = (8,7·4,2 + 36,7·1)/2 = 36,62 Вт.



Принимаем для расчета трансформатора мощность равную 50 Вт. Исходные данные, необходимые для расчета трансформатора.

Расчетная мощность трансформатора, S_тр =50Вт;

Напряжение первичной обмотки, U₁ = 8,7В;

Ток первичной обмотки, I₁ = 4,2 А;

Напряжение вторичной обмотки, U₂ = 36,7 В;

Ток вторичной обмотки, I₂ = 1,0 А;

Частота, f_р = 50 Гц.

Определим требуемую площадь сечения сердечника магнитопровода трансформатора, S_c.

Коэффициент С для однофазных трансформаторов стержневого типа с круглыми катушками может быть принят равным 0,5 . Принимаем остальные параметры равными:

б =2ч3;

б=2,5;

f=50 Гц;

В - рабочее значение индукции, В=1,2 Тл;

j- плотность тока в обмотках трансформатора, j=2,5 А/мм²;

Подставив значения в формулу получим :

S_c=4,6 см²

Выбираем сердечник ленточного типа ШЛ 25х25, параметры которого:активная площадь сечения магнитопровода, S_c=4,6 см², а площадь окна, S_ок=15,6 см².

Определим число витков первичной обмотки, W₁:

W₁ = U₁/(4BS_cf)=8,7/(4·1,2·4,6·50)=79 витков.

Принимаем W₁=79 витков.

Число витков вторичной обмотки, W₂:

W₂ = W₁/k_тр = 79/0,24= 329 витков.

Принимаем W₂ =329 витков.

Уточним величину коэффициента трансформации:

k_тр = W₁/W₂ = 79/329 = 0,24.

Сечение провода первичной обмотки, q₁:

q₁ = I₁/j = 4,2/2,5 = 1,68 мм².

Сечение провода вторичной обмотки, q₂:

q₂ = I₂/ j = 1/2,5 = 0,4 мм².

Провода для обмоток выбираем по справочным данным.

Для вторичной обмотки выбираем провод марки ПЭЛ сечением 0,400 мм². Для первичной обмотки берем провод марки ПБД прямоугольного сечения 1,70 мм².

Определим коэффициент заполнения окна трансформатора

k_зап=(q₁W₁+q₂W₂)/S_ок=(1,7·79+0,4·329)/2560=0,1.

Коэффициент заполнения окна трансформатора не должен превышать 0,3, т.е. k_зап?0,3.

Рассчитанный трансформатор удовлетворяет этому требованию. Следовательно, трансформатор может быть выполнен.

Расчет параметров выходного фильтра

Определим значения коэффициент режекции на всем диапазоне изменения коэффициента скважности для:

г₁= г_max =0,9;

г₂ = г_N=0,687;

г₃= г_min=0,582

для гармоник, имеющих наименьшие частоты (третьей и пятой).

В соответствие коэффициент режекции:

k_N=(U₁/U_н ) н ²,

а амплитуда любой высшей гармоники в соответствие :

Cледовательно, коэффициент режекции для любой высшей гармоники при широтном способе регулирования будет равен:

Результаты расчета коэффициентов режекции для третьей (k₃) и пятой (k₅) гармоник сведем в табл. 1.



Таблица 1

Значения коэффициента режекции для третьей и пятой гармоник

Значения г	Значения коэффициента kN
	Для третьей гармоники (н=3)	для пятой гармоники (н=5)
г1= гmax =0,9	10,01	35,4
г2= гN=0,687	88	28,21
г3= гmin=0,582	18,71	19,95

Фильтр следует рассчитывать на подавление высшей гармоники, имеющей наименьший коэффициент режекции. Из табл. 1 нетрудно видеть, что фильтр следует рассчитывать на подавление третьей гармоники, коэффициент режекции которой равен 10,01 и является наименьшим.

Для определения значений индуктивности L и емкости конденсатора фильтра С₁, воспользуемся уравнениями :

щ²LC₁=(1+k_г.вых.k_N/н ²)/(1+k_г.вых. k_N).

L/C₁=2R²_нг(1- щ²LC₁),

(2р50)² LC₁=(1+ 0,05·10,01/9)/(1+0,05·10,01)=0,71.

Откуда LC₁=7,2·10^-6Гн*Ф.

По формуле :

L/C₁=2R²_нг(1- щ²LC₁);

L/C₁=2·36,7²(1-0,71)=781 Гн/Ф.

Откуда L=781·C₁.

С₁²=7,2·10^-6/781=0,92*10^-10 Ф²;

С₁=9,6·10^-5 Ф=96 мкФ.

Индуктивность дросселя фильтра L=781·9,6·10^-5 =0,08 Гн.

Дроссель и конденсатор выбираем по каталогам на эти элементы.

Из табл. 20 выбираем три конденсатора типа К78-20 емкостью 47 мкФ, 47 мкФ и 2,2 мкФ и и соединяем их параллельно.

Выбираем два дросселя Д 271, индуктивность каждого из которых равна 0,04 Гн, и соединяем их последовательно. Результирующая индуктивность составляет 0,08 Гн.

Размещено на Allbest.ru

...