Проектирование и расчет источников вторичного электропитания

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Исходные данные

- Напряжение фазы питающей сети, Uф - 110 В.

- Частота тока питающей сети, fс - 50 Гц.

- Число фаз сети, m - 3.

- Пульсность сетевого выпрямителя, р - 6.

- Относительное изменение напряжения питающей сети:

а) в сторону увеличения, аmax - 0,2.

б) в сторону уменьшения, аmin - 0,1.

- Частота преобразования fп - 40 кГц.

- Диапазон рабочих температур, оС - -10…+30С.

- Выходное напряжение, Uo - 5,0 В.

- Выходной максимальный ток, Io max - 6,0 А.

- Выходной минимальный ток, Io min - 0,6 А.

- Нестабильность выходного напряжения при изменении питающей сети, д - 2%.

- Амплитуда пульсации выходного напряжения, Uвых m - 0,05.

2. Описание работы структурной схемы ИВЭП

Наиболее часто ИВЭП выполняются по структурной схеме приведенной на рисунке 1.



Рисунок 1 - Структурная схема ИВЭП с бестрансформаторным входом

На этом рисунке: В1 - входной сетевой выпрямитель напряжения; Ф1 - входной сглаживающий фильтр (ФНЧ); ПР - импульсный преобразователь напряжения (конвертор); СУ - схема управления; U0 - выходное напряжение преобразователя; Uвх - входное напряжение преобразователя.

В этих устройствах первым элементом является так называемый сетевой выпрямитель, преобразующий электрическую энергию сети переменного тока в электрическую энергию постоянного тока.

В качестве сетевого выпрямителя В1 для однофазных и трехфазных сетей используются выпрямители с емкостным характером нагрузки.

Расчет схемы сетевого выпрямителя осуществляется после расчета преобразователя. Преобразователь Пр (конвертор) преобразует напряжение постоянного тока Uвх в напряжение постоянного тока другого уровня - U0.

Конвертор ИВЭП с бестрансформаторным входом строится в основном на базе регулируемых транзисторных преобразователей. Транзисторы в преобразователях работают в режиме переключения так, что большую часть периода преобразования они находятся в режиме отсечки или насыщения. Этим объясняются высокие энергетические показатели источников с импульсным регулированием.

Повышение частоты преобразования позволяют уменьшить объем и массу электромагнитных элементов и конденсаторов. И тем самым улучшить удельные массо-объемные показатели.

В стабилизирующих ИВЭП, как правило, применяют широтно-импульсный (ШИМ) способ регулирования, при котором период коммутации постоянен, а время нахождения транзистора в области насыщения (отсечки) изменяется.

Схема управления содержит следящий делитель с коэффициентом передачи Кд, усилитель сигнала ошибки Ку и широтно-импульсный модулятор КШИМ>>1. Произведение КД, КУ, КШИМ называют петлевым коэффициентом усиления, который определяет нестабильность выходного напряжения Uo (абсолютную - ДUo, или относительную - д по формуле (2.1)

, (2.1)

3. Выбор схемы преобразователя

В системах электропитания устройств связи и радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) в основном применяются однотактные и двухтактные преобразователи напряжения с гальванической развязкой между источниками энергии и нагрузкой.

Для выбора схемы преобразователя определяем выходную мощность P0 преобразователя по формуле 3.1:

(3.1)

где U0 - выходное напряжение, В; I0 - максимальный выходной ток, А.

Определяем значения входного напряжения Uвх:

- номинальное входное напряжение Uвх по формуле 3.2:

(3.2)

где k - абсолютный коэффициент пульсации на выходе сетевого выпрямителя равный 0,07.

(3.3)

- максимальное входное напряжение Uвх макс по формуле 3.4:

(3.4)

где - относительное изменение напряжения питающей сети в сторону увеличения.

- минимальное входное напряжение Uвх мин по формуле 3.5:

(3.5)

где - относительное изменение напряжения питающей сети в сторону уменьшения.

По рисунку 2 для логарифма входной мощности log30 равного 1.48 и входного напряжения log260,02 равного 2,41 выбираем схему рис.4,5 однотактного обратноходового преобразователя с пониженным напряжением на транзисторах на рисунке 3.

Рисунок 2 - График областей предпочтительного применения различных типов преобразователей

Рисунок 3 - Схема однотактного обратноходового преобразователя с пониженным напряжением на транзисторах

Задаемся максимальным значением относительной длительности открытого состояния транзистора гмакс равной 0,5.

Определяем амплитудное значение э.д.с. первичной U1m по формуле 3.6 и вторичной U2m обмоток трансформатора преобразователя в функции напряжения первичной сети Uвх и мощность нагрузки P0 при этом задаем:

- напряжение коллектор-эмиттер регулирующего транзистора в режиме насыщения Uкэ нас равно 2 В;

- падение напряжения на диоде в открытом состоянии Uпр.VD равно 0,8 В;

- падение напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки трансформатора ДU1 равное 5,2 В;

- падение напряжения на активном сопротивлении вторичной обмотки трансформатора ДU2 равное 0,1 В;

(3.6)

(3.7)

Определяем требуемый коэффициент трансформации n21 трансформатора по формуле 3.8:

(3.8)

Определяем минимальное значение относительной длительности открытого состояния транзистора гмин по формуле 3.9:

 (3.9)

Определяем критическую индуктивность LW1кр по формуле 3.10

(3.10)

где fп - частота преобразования.

Определяем значение относительной длительности открытого состояния транзистора г по формуле 3.11:

(3.11)

Полученные данные заносим в таблицу 1:

Таблица 1 - Результаты расчетов

г	гмин	гмакс	n21	U1m, B	U2m, B	LW1кр, Гн
0,425	0,36	0,5	0,026	225,87	5,9	0,052

4. Расчет преобразователя

Выбор и расчет трансформатора.

Определяем действующее значение токов первичной I1 и вторичной I2 обмоток трансформатора по формулам 4.1 и 4.2

, (4.1)

, (4.2)

Определим габаритную мощность трансформатора по формуле 4.3, для этого зададимся коэффициентом полезного действия з равным 0,8%:

(4.3)

Определяем произведение поперечного сечения стержня на поперечное сечение окна Sст·Sок по формуле 4.4 при этом мы задаемся:

- коэффициентом заполнения медью окна магнитопровода Кок равным 0,3;

- приращением магнитной индукции ДB на частоте преобразования равным 0,1 Тл по таблице 2.

Таблица 2 - Выбор индукции

Схема		рис. 2,3	рис. 4,5	рис. 6	рис. 7
Значение приращения магнитной индукции ДB, Тл	при fп=25 кГц	0,15	0,15	0,3	0,3
	при fп=50 кГц	0,1	0,1	0,2	0,2

- коэффициентом полезного действия преобразователя з равным 0,8;

- плотность тока j в обмотках трансформатора равным 6·106 А/м2 по таблице 3.

Таблица 3 - Выбор мощности тока

fп/Pг, Гц/Вт	2	10	20	60	100	200	500	1000
j, А/м2	2,5·106	3,5·106	4·106	4,5·106	5·106	5,4·106	5,7·106	6·106

(4.4)

По полученным данным выбираем тип магнитопровода Ш12Ч15 данные приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Параметры броневых ферритовых магнитопроводов для силовых трансформаторов ИВЭП

Тип магнитопровода

Размеры, мм

SстSок, См4

Марка феррита

Sст, См2

Lср, мм

Масса магнитопровода, Мф, r

L

I0

I

B

H

h

Ш 12Ч15

42

12

30

15

21

15

4,86

3000НМС

1,8

97

46Ч2

Внешний вид магнитопровода в масштабе 2:1 приведен на рисунке 4.



Рисунок 4 - Броневой магнитопровод

Определим число витков первичной обмотки W1 и число витков вторичной обмотки W2 по формуле 4.5 и 4.6:

(4.5)

(4.6)

Определяем поперечное сечение провода первичной q1 и вторичной q2 обмотки трансформатора по формуле 4.7 и 4.8:

(4.7)

(4.8)

Для первичной обмотки выбираем провод марки ПЭТВ - 0,23 , для вторичной обмотки ПЭТВ - 1,15. Данные приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Данные провода марки ПЭТВ

Марка провода	Диаметр по меди, d, мм	Диаметр c изоляцией, d', мм	Площадь сечения меди, q, мм2	Площадь сечения с учетом изоляции, q', мм2	Погонное сопротивление, Ом·м
ПЭТВ-0,23	0,19	0,23	0,02835	0,041548	0,635
ПЭТВ-1,15	1,04	1,15	0,8495	1,0386	0.0202

Проверяем условие размещения обмотки в окне магнитопровода по формуле 4.9:

(4.9)

Условие выполняется магнитопровод выбран верно.

Находим суммарную величину немагнитного зазора Дlз по формуле 4.10.

 (4.10)

где м0 - магнитная постоянная равная 4·р·10-7 Гн/м.

Расчет элементов силовой части преобразователя.

Определение требуемого значения выходной емкости.

Исходя из заданного значения амплитуды пульсации выходного напряжения Uвых.m равного 0,05 В, определяем требуемое значение выходной емкости Сн по формуле 4.11:

(4.11)

Определим номинальное напряжение диода Uраб по формуле 4.12:

(4.12)

Выбираем конденсатор К50-53-16В-1000мкФ±20%

электропитание бестрансформаторный транзистор магнитопровод

Таблица 6 - конденсатор алюминиевый оксидно-электролитический К 50-53

Номинальное напряжение, В	Номинальная емкость, мкФ	Номинальный пульсирующий ток при 100 Гц, мА
16	1000	433

Определение параметров транзисторов.

Определяем приращение тока дросселя ДIL 4.13.

(4.13)

По ранее выбранному значению КПД преобразователя определяем значение максимального тока коллектора Iк1 макс по формуле 4.14.

(4.14)

Определяем максимальное значение напряжения на закрытом транзисторе UКЭ1 по формуле 4.15.

(4.15)

По полученным значениям выбираем биполярный транзистор 2Т812А.

Таблица 7 - Транзисторы биполярные переключательные с рассеиваемой мощностью более 1,5 Вт

Тип транзистора	Тип проводимости	IК (IК макс ими)	Uкэ макс (Uкэ нас), В	Рк макс, Вт	h21	ti , мкС
2Т812А	n-p-n	10 (17)	700 (2,5)	50	5…30	1,3C

Напряжение коллектор-эмиттер в режиме насыщения Uкэ нас равно 2,5 В. Напряжение база-эмиттер насыщения Uбэ нас принимаем равным 0,8 В.

Время спада tсп равно 0,0000013 с

с.

Время рассасывания tрас, включения tвкл и спада импульса tрас равны 0,0000013 с по 4.16.

Задаемся коэффициентом насыщения Кнас равным 1.25 и по формуле 4.16 находим значение мощности рассеиваемой транзистором Pк

(4.16)

Убеждаемся в возможности использования выбранного транзистора по мощности при заданной температуре окружающей среды из условия 4.17.

(4.17)

Определение параметров диодов.

Определяем максимальное значение тока диодов IVD1 макс, IVD2 макс по формуле 4.18.

 (4.18)

Максимальное обратное напряжение на диодах UVD1 макс по формуле 4.19.

(4.19)

Предельный ток Iпред ср макс по формуле 4.20.

(4.20)

Выбираем диод 2Д2998А таблица 8.

Таблица 8 - Диоды выпрямительные и наборы диодов со средним значением прямого тока более 10 А

Тип диода	Uобр макс , В	Iпр ср макс , А	Iпр. уд , А	fпред ,кГц
2Д206А	15	30	60	200

Находим мощность, рассеиваемую на диодах PVD1 и PVD2 по формулам 4.21 и 4.22.

 (4.21)

(4.22)

Определяем коэффициент передачи в контуре регулирования по формуле 4.23.

(4.23)

Расчет сетевого выпрямителя.

Выбор схемы сетевого выпрямителя.

По исходным данным своего варианта выбираем мостовую трехфазную схему сетевого выпрямителя рисунок 5.

Рисунок 5 - Схема мостового трех фазного сетевого выпрямителя

В этой схеме включены шесть диодов которые выпрямляют как положительные, так и отрицательные полуволны трехфазного напряжения. При этом в любой произвольный момент времени ток проводят два диода, у которых на аноде наибольшее положительное напряжение, а на катоде - наибольшее отрицательное.

Выбор параметров элементов сетевого выпрямителя.

1. Находим среднее значение тока, потребляемого от сетевого выпрямителя Iвх по формуле 4.24.

(4.24)

2. По формулам определим требуемые параметры вентилей.

- средний выпрямительный ток Iв ср:

(4.25)

- импульсное обратное напряжение диода Uобр и:

(4.26)

- рабочая частота диода fп:

(4.27)

.

Выбираем диоды для сетевого выпрямителя по следующим условиям:

По данным условия подходит диод 2Д253Д таблица 9.

Таблица 9 - Диоды выпрямительные и наборы диодов со средним значением прямого тока более 10 А

Тип диода	Uобр макс , В	Iпр ср макс , А	Iпр. уд , А	fпред ,кГц
2Д253Д	400	3	10	100

3. Выбираем величину резистора Rогр по условию 4.28.

(4.28)

Найдем допустимую мощность резистора PRогр по формуле 4.29.

(4.29).

.

Из ряда номиналов сопротивлений резисторов выбирает резистор типа С2-23-0,5-36Ом±5%.

4. По формуле 4.30 находим величину емкости сглаживающего фильтра Сф:

(4.30)

Где p - число фаз напряжения, Udm - амплитуда выпрямления (пульсность), ka - абсолютный коэффициент пульсации напряжения на конденсаторе для расчетов заданный 0,07.

Таблица 10 - конденсатор алюминиевый оксидно-электролитический К 50-29

Номинальное напряжение, В	Номинальная емкость, мкФ	Амплитуда переменной составляющей пульсирующего напряжения частоты 50 Гц, % от В
450	22	10

Литература

1. Березин О.К., Костиков В.Г., Шахнов В.А. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. - М.: «Три Л», 2000. - 400с.

2. Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. СПб.: Корона принт, 1998. - 400с.

Размещено на Allbest.ru

...