Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
Институт электронной техники и машиностроения
Отчет по научно-исследовательской работе
По теме: « Импульсный преобразователь повышающий.Динамическая модель преобразователь КУКА»
Выполнил
Коломейченко Александр Николаевич
Саратов 2019
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ПОВЫШАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
2. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПОВЫШАЮЩЕГО КОНВЕРТОРА
3. ПОВЫШАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С АВТОТРАНСФОРМАТОРНЫМ ПОДКЛЮЧЕНИЕМ НАГРУЗКИ
3.1 Анализ регулятора в режиме непрерывного тока дросселя
3.2 Режим прерывистого тока дросселя
3.3 Пульсации выходного напряжения в регуляторе
3.4 Влияние индуктивности рассеяния обмоток дросселя на работу регулятора
3.5 Внешняя характеристика регулятора
4. РАСЧЕТ ПОВЫШАЮЩЕГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С ДРОССЕЛЬНЫМ ПОДКЛЮЧЕНИЕМ НАГРУЗКИ
4.1 Определяем минимальное, номинальное и максимальное значения коэффициента заполнения
4.2 Из условия обеспечения непрерывности тока дросселя LK минимальная индуктивность
5. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КУКА
ВЫВОД
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Преобразователи на основе дросселя
Стабилизаторы с ёмкостным накопителем не получили широкого распространения, так как они хорошо работают только при достаточно большом внутреннем сопротивлении первичного источника. Такая ситуация возникает достаточно редко, так как внутреннее сопротивление источников питания стараются уменьшить, для отдачи большей мощности в нагрузку и меньших потерь энергии в источнике (например, внутреннее сопротивление бытовой сети электроснабжения в жилых помещениях составляет обычно от 0,05 Ом до 1 Ом). При работе от источника с маленьким внутренним сопротивлением в качестве накопителя энергии целесообразно использовать дроссель, либо более сложные комбинации дросселей и конденсаторов. Рассмотрим некоторые простые разновидности преобразователя.
Преобразователь с понижением напряжения.
Кроме ключа S и дросселя L содержит диод D и конденсатор C. Когда ключ S замыкается, ток от источника течёт через дроссель L и нагрузку. ЭДС самоиндукции дросселя приложена обратно напряжению источника тока. В результате напряжение на нагрузке равно разности напряжения источника питания и ЭДС самоиндукции дросселя, ток через дроссель растёт, как и напряжение на конденсаторе C и нагрузке. При разомкнутом ключе S ток продолжает протекать через дроссель в том же направлении через диод D и нагрузку, а также конденсатор C. ЭДС самоиндукции приложена к нагрузке R через диод D, ток через дроссель постепенно уменьшается, как и напряжение на конденсаторе C и на нагрузке.
Преобразователь с повышением напряжения.
В этом преобразователе ключ установлен после дросселя. Когда ключ замкнут, ток от источника протекает через дроссель L, ток через него увеличивается, в нём накапливается энергия. При размыкании ключа ток от источника течёт через дроссель L, диод D и нагрузку. Напряжение источника и ЭДС самоиндукции дросселя приложены в одном направлении и складываются на нагрузке. Ток постепенно уменьшается, дроссель отдаёт энергию в нагрузку. Пока ключ замкнут, нагрузка питается напряжением конденсатора C. Диод D не даёт ему разрядиться через ключ S.
Возможно также совмещение этой схемы с предыдущей, что позволяет произвольно изменять величину выходного напряжения: как повышать, так и понижать. Для этого перед дросселем устанавливаются диод и ключ, как в предыдущей схеме.
Инвертирующий преобразователь.
В нём дроссель подключен параллельно источнику и нагрузке. Когда ключ S замкнут, ток от источника течёт через дроссель и быстро растёт. Когда ключ размыкается, ток продолжает течь через нагрузку R и диод D. ЭДС самоиндукции дросселя приложена в обратную сторону, по сравнению с напряжением источника. Поэтому напряжение к нагрузке также приложено в обратном направлении. Когда ключ S замкнут -- диод D закрывается, а нагрузка питается зарядом конденсатора C.
Во всех трёх схемах диод D может быть заменён на ключ, замыкаемый в противофазе к основному ключу. Во многих случаях, особенно в низковольтных стабилизаторах, это позволяет увеличить КПД. Такую схему называют синхронным выпрямителем.
1. ПОВЫШАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Схема преобразователя (рис. 1.1, а) позволяет получать напряжение на нагрузке выше, чем входное напряжение Е. Временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя, приведены на рис. 1.1,в.
Под воздействием системы управления СУ транзистор VT, работающий в ключевом режиме, периодически подключает дроссель источнику питания Е на время импульса и отключает его на время паузы . Период T относительная длительность управляющих импульсов задается системой управления. Когда транзистор VT находится в открытом состоянии, в дросселе запасается электромагнитная энергия. Диод VD при этом заперт, а конденсатор Сф и нагрузка отключены от входной сети. На этом этапе работы при открытом транзисторе энергия источника питания не передается в нагрузку, но происходит ее превращение в энергию магнитного поля дросселя. Конденсатор фильтра Сф разряжается на сопротивление нагрузки RH, благодаря чему в нагрузке протекает ток при закрытом диоде VD. При закрывании транзистора VT происходит скачкообразное изменение полярности напряжения на дросселе и ранее накопленная в нем энергия через диод VD поступает в нагрузку и конденсатор фильтра Сф. Для предотвращения насыщения сердечник дросселя выполняется с немагнитным зазором.
Временные диаграммы токов и напряжений построены при допущениях, что амплитуда переменной составляющей на конденсаторе Ucm значительно меньше среднего значения напряжения UH и все элементы преобразователя идеальны. Кривые токов и напряжений в преобразователе приведены для двух характерных режимов: непрерывного (рис. 1.1, г) и прерывистого (рис. 1.1, д) тока в дросселе . Режим непрерывного тока имеет место при значении индуктивности , большего некоторого критического . При таком значении индуктивности накопленная в дросселе электромагнитная энергия передается в нагрузку в течение всего интервала паузы .
При возникает режим прерывистого тока. В этом режиме из-за малого значения ток в индуктивности протекает в течение не всего интервала паузы, а лишь его части (рис. 1.1, д).
При ток в индуктивности уменьшается до нуля за время, равное времени
паузы . В этом случае постоянная составляющая тока индуктивности равна амплитуде пульсации этого тока , что следует из временной диаграммы для тока .
Поскольку постоянная составляющая напряжения на индуктивности L равна нулю, то для кривой положительные и отрицательные площади равны
откуда
Зависимость называется регулировочной характеристикой и она нелинейная. Если учесть активные сопротивления дросселя LK и диода, то регулировочная характеристика примет вид
где - усредненное активное сопротивление; - сопротивление дросселя и транзистора VТ; - сопротивление диода VD и дросселя . Графики для разных соотношений r и приведены на рис. 1.2, где .
Рис 1.1
Рис 1.2
Так как постоянная составляющая тока конденсатора в установившемся режиме работы равна нулю, то средние значения тока диода и нагрузки равны. Следовательно
,
а ,
Амплитуду пульсаций тока индуктивности определим, имея в виду линейный характер изменения тока . При включенном транзисторе справедливо следующее соотношение , (1.4)
где - рабочая частота преобразователя.
Амплитудное значение коллекторного тока
,
Максимальное напряжение на транзисторе
.
Сравнивая временные диаграммы тока диода и транзистора в режимах непрерывных и прерывистых токов, нетрудно установить, что при заданной мощности в нагрузке (равных средних значениях соответствующих токов) импульсные тока через транзистор и диод в режиме прерывистых токов больше, чем в режиме непрерывных токов. Поэтому режим непрерывных токов используется чаще. С этой целью индуктивность выбирают из условия LK > LKp.
Критическое значение индуктивности определим из условия
,
С учетом (1.2)-(1.4) и (1.6) получим
,
где - мощность нагрузки.
Внешние характеристики в режиме непрерывного тока рассчитываются по формуле (1.1), а для области прерывистого тока по выражению
,
Соотношения (1.1) и (1.8) получены в предположении линейного изменения токов и напряжений, поэтому недостаточно точны. Меньшую погрешность дают выражения, приведенные выше.
Внешние характеристики в области прерывистого тока резко поднимаются (рис. 1.3), поэтому работа преобразователя в этой области не рекомендуется.
Рис.1.3.
Достоинство работы в области прерывистых токов заключается в том, что отсутствуют динамические потери при включении транзистора, поэтому в случае, когда динамические потери превышают добавочные статические потери из-за большего переключаемого тока, используют частотно-импульсное регулирование [6]. В этом случае включение транзистора осуществляют в момент снижения тока дросселя до нуля.
Выполним расчет параметров повышающего преобразователя для следующих исходных данных: , , , , , , .
1. Минимальное, номинальное и максимальное значение коэффициента заполнения
2. Из условия обеспечения непрерывности тока дросселя LK минимальная индуктивность
.
Принимаем .
3. Пульсации тока в дросселе
.
4. Потребляемый из сети ток
.
5. Максимальный ток транзистора и среднее значение тока
2. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПОВЫШАЮЩЕГО КОНВЕРТОРА
Исходные данные: , , , , , , ,
1. Определим минимальное, номинальное, максимальное значения коэффициента заполнения
где - КПД конвертора.
2. Из условия обеспечения непрерывности тока дросселя LK минимальная индуктивность
.
Принимаем .
3. Пульсации тока в дросселе
.
4. Потребляемый из сети ток
.
5. Максимальный ток транзистора и среднее значение тока
6. Напряжение на транзисторе
7. Максимальный и средний ток диода VD
8. Емкость конденсатора исходя из заданной пульсации напряжения
9. Определяем емкость конденсатора исходя из обеспечения заданной амплитуды выброса напряжения при сбросе тока нагрузки от до
3. ПОВЫШАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С АВТОТРАНСФОРМАТОРНЫМ ПОДКЛЮЧЕНИЕМ НАГРУЗКИ
Схема повышающего преобразователя с трансформаторным включением нагрузки приведена на рис. 3.1, а, а временные диаграммы, поясняющие его работу в установившемся режиме при непрерывных токах в дросселе на рис. 3.1, 6.
Рис.3.1 а, б
При включении регулирующего ключа коммутирующий диод, ранее находившийся в проводящем состоянии, выключается, а ток дросселя переключается на регулирующий ключ. На этом интервале времени коммутирующий диод находится под обратным напряжением, равным , где знак зависит от способа подключения коммутирующего диода по отношению к регулирующему ключу, а - ЭДС, наведенная на обмотке на интервале времени работы регулирующего ключа. Энергия, потребляемая от источника входного напряжения, идет на поддержание ранее накопленной энергии в дросселе регулятора и на ее увеличение. Нетрудно видеть, что на этом интервале времени коммутирующий диод блокирует подключение дросселя к нагрузке, и необходимая энергия в нагрузке обеспечивается фильтровым конденсатором Сф, через который протекает весь ток нагрузки.
При размыкании регулирующего ключа ток дросселя переключается на коммутирующий диод, а на регулирующем ключе действует напряжение . На этом интервале времени потребляемая от источника входного напряжения энергия идет в нагрузку и на увеличение энергии в конденсаторе фильтра. Протекающий на этом интервале времени ток через конденсатор равен разности тока дросселя и нагрузки.
Таким образом, в сглаживании пульсации выходного напряжения принимает участие только конденсатор фильтра Сф.
3.1 Анализ регулятора в режиме непрерывного тока дросселя
При получении основных соотношений будем считать, что времена переключения ключей малы по сравнению с временем их включенного состояния; емкость конденсатора фильтра имеет нулевое внутреннее сопротивление; индуктивность дросселя и емкость фильтра линейны для данных нагрузочных условий; пульсация напряжения на выходе регулятора мала по сравнению со средним значением выходного напряжения; между обмотками дросселя регулятора имеет место стопроцентная магнитная связь, т.е. индуктивность рассеяния равна нулю; используемые в регуляторе ключи идеальны; на входе регулятора действует идеальный источник напряжения; постоянные времени , , где индуктивности обмоток дросселя на интервале проводящего состояния регулирующего ключа и коммутирующего диода соответственно; - сопротивления обмоток дросселя; - время проводящего состояния регулирующего ключа и коммутирующего диода соответственно.
Учет приведенных допущений позволяет считать линейным закон изменения токов через ключи регулятора на соответствующих интервалах их работы.
Тогда на интервалах времени замкнутого и разомкнутого состояний регулирующего ключа токи через обмотки дросселя, а следовательно, и через соответствующие ключи в режиме непрерывных токов в обмотках дросселя изменяются в соответствии с выражениями
;
;
Токи в начале и конце работы соответствующих ключей связаны соотношениями
;
Индуктивность обмотки связана с индуктивностью обмотки выражением
;
Учитывая приведенные выражения и считая, что , а где и - время проводящего состояния соответственно регулирующего ключа и коммутирующего диода, найдем регулировочную характеристику регулятора в режиме непрерывных токов в дросселе регулятора
;
где - относительное время проводящего состояния регулирующего ключа.
На рис. 3.2 показано графическое изображение регулировочных характеристик регулятора. Положив в (3.5) w12 = w13 = 1 получим регулировочную характеристику простейшего регулятора