|
Sa se proiecteze o sursa de alimentare cu convertor de frecventa inalta cu urmatorii parametri de intrare si de iesire:
1. Tensiunea de intrare - retea monofazata 220 20
Frecventa in retea - 50 Hz
2. Tensiunea la iesire Us=9V
3. Curentul sarcinii: Is=1,5A; Ismin=0,15A.
4. Pulsatiile la iesire Us=0,1V.
5. Puterea la iesire Ps=Us Is=9V 1,5A=13,5W.
6. In concordanta cu variatia tensiunii de la reteaua de alimentare kintr.1=0,8; kintr.2=1,2.
Vom proiecta sursa de alimentare secundara (S.A.S) in concordanta cu datele initiale si urmat de algoritmul de calcul ce consta din noua etape.
La inceput vom calcula nominalul capacitatii condensatorului filtrului de intrare Cp. Pentru aceasta este necesar sa se calculeze urmatorii parametri:
1. Randamentul S.A.S. se determina dupa relatia:
unde kr=0,04; kSD=0,08; hp=0,67.
2. Valoarea presupusa a puterii utilizate de S.A.S este:
PS.A.S.=Ps/hS.A.S.=13,5W/0,62=21,77W
3.Amplitudinea tensiunii de alimentare la valoarea ei minima
luand in consideratie caderea de tensiune pe diodele redresorului de intrare (redresor in punte) recalculam amplitudinea tensiunii de alimentare.
Uintr.ampl=Um-3,5V=245,4V
Pentru calculele urmatoare este necesar de a alege tipul condensatorului CF si a cunoaste valoarea admisibila a componentei alternative pe el la frecventa 50KHz. Fie ca utilizam condensator de tip K50-27 care permite functionarea normala la temperatura 700C . Determinam amplitudinea componentei alternative pentru condensatoarele cu nominalul 47 si 22mF (tensiunea maxim admisibila 450V). In cerintele tehnice amplitudinea admisibila a componentei alternative Uf=50 va fi:
Pentru condensatorul cu capacitatea de 47mF
Uf=50=30V 0,5 0,65=9,75V
Pentru condensatorul cu capacitatea de 22mF
Uf=50=37V 0,5 0,65=12V
unde UF=50=37V la temperatura mediului ambiant de 250C;
In asa caz pentru CF cu capacitatea de 47 si 22mF
DUCF=19,5V; DUCF=24V;
4. Coeficientul pulsatiilor pe condensatorul CF
100(DU/Um)=100(DUCF/ Uintr.ampl)
5. Parametru A pentru valorile calculate este
A=0,055 pentru condensatorul de 47mF
A=0,065 pentru condensatorul de 22mF
6.Capacitatea condensatorului filtrului CF.p pentru redresorul dubla alternanta si reteaua 50Hz
In asa caz pentru S.A.S. analizata capacitatea condensatorului de tip K50-27 al filtrului de intrare este
CF.nom=22mF
Fiindca capacitatea nominala a condensatorului este mai mare decat cea calculata, putem astepta o micsorare a pulsasiilor pe condensatorul de intrare. Acesta se determina in felul urmator:
Pentru inceput determinam kD= CF.nom 0,8/ CF.p=1 atunci
DUCF=24 V/1=24V
Pentru calculele de mai departe este nevoie sa se determine tensiunea continua care actioneaza la intrarea convertorului de frecventa inalta.
Calculul Uintr.nom .
1. Valoarea aproximativa a tensiunii la intrarea convertorului pentru tensiunea minima a retelei va fi:
U0.min=Uintr.ampl-DUCF/2=245,4V-24V/2=233,4V
2. Componenta continua a curentului redresat
I0.min=PS.A.S./ U0.min=21,8W/233,4V=0,093A
3. Determinam sind conform relatiei
4. Unghiul de blocare q il determinam din relatia
q=0,485; cosq=0,885
5. Valoarea precizata pentru tensiunea la intrarea convertorului o determinam dupa relatia
U0.min=Uintr.ampl(1+cosq)/2=231,3V
6. Tensiunea la intrarea convertorului de frecventa inalta pentru valoarea nominala a tensiunii de intrare
Uintr .nom=U0.min/kintr.1=233,4V/0,8=289V
Calculul convertorului de frecventa inalta.
Pentru a efectua calculele respective introducem urmatoarele conditii: pentru transformator utilizam ferit marca M2000HM1-A; tranzistoarele de putere - 2T841A; diodele de putere - 2Д2997A;condensatorul filtrului la iesire de tip K53-31; bobina de soc a filtrului - Д13-20
Vom utiliza schema monotact cu doua tranzistoare reprezentata in figura.
ETAPA 1
1. Puterea sarcinii
Ps=Us Is=9V 1,5A=13,5W
2. Amplitudinea minima a tensiunii pe primar
U1Mmin=kintr.1 Uintr.nom-UCE.S=0,8 289V-0,7V=230,5V
unde UCE:S este tensiunea colector- emitor a tranzistorului in regim de saturatie . La etapa data o consideram egala cu 0,7V.
3. Amplitudinea minima pe secundar
U2Mmin=(Us+DUBS+DUVD)/gmax=26,1V
Unde DUBS prezinta caderea de tensiune pe bobina de soc a filtrului LF;
Caderea de tensiune o alegem egala cu 0,2V.
Iar DUVD -caderea de tensiune pe diodele VD1 si VD2 sunt de 0,7V.
4. Coeficientul de transformare (raportul numarului infasurarilor bobinei
secundare la numarul infasurarilor bobinei primare a transformatorului w1/w2 )
ktr= U2Mmin/ U1Mmin=26,1V/230,5V=0,113
5. Amplitudinea maxima a tensiunii pe bobina secundara a
transformatorului:
U2Mmax= ktr U1Mmax= 0,113 346,1V=39,1V
U1Mmax=kintr.2 Uintr.nom-UCE.S=1,2 289V-0,7V=346,1V
6.Valoarea minima a coeficientului de umplere a impulsurilor tensiunii pe transformator
gmin =(Us+DUBS+DUVD)/ U2Mmax=0,253
7.Valorile efective ale tensiunilor pe infasurarea primara si secundara a
transformatorului
8.Valorile efective a curentilor in infasurarea primara si cea secundara sunt
9.Determinam puterea tipica a transformatorului
Unde kd este coeficientul pierderilor pentru alimentarea sistemului de dirijare, luand in consideratie puterea utilizata de sistemul de dirijare PS.D. Consideram kd=0,02.
10.Calculam parametrul care caracterizeaza puterea electromagnetica a transformatorului SstS0. El reprezinta produsul suprafetei sectiunii transversale a conductorului magnetic al transformatorului Sst la suprafata ferestrei miezului S0 ce este completat cu infasurarile transformatorului.
11. Calcularea parametrilor electrici ai transformatorului de frecventa inalta.
Dupa alegerea miezului avem la dispozitie urmatorii parametri:
-diametrul exterior-16mm;
-diametrul interior-10mm;
-inaltimea mizului-13,5mm;
-suprafata sectiunii active pentru conductorul magnetic-0,405cm2;
-suprafata ferestrei conductorului magnetic-0,785cm2
-lungimea medie a liniei magnetice de forta-4,08cm.
-masa 9,3gr.
11.1 . Durata maxima a impulsului tensiunii in infasurarile
transformatorului
11.2. Numarul de infasurari w1 si w2 sunt:
Numarul infasurarilor w1 si w2 se rotungeste pana la valoarea mai mare.
11.3. Diametrul cablului de cupru
pentru infasurarea primarului
11.4. Conform datelor pentru cablurile de tip ПЭТВ-2 se alege cablu cu diametru cel mai apropiat rezultatelor calcului si se determina
S1iz =0,02011mm2si S2iz.=0,1521mm2 .
11.5. Suprafata totala a sectiunii transversale pe care o ocupa infasurarea primara si cea secundara in fereastra transformatorului
SS =( S1S S2S)/100=0,162cm2
unde
S1S=S1izw1NN1=0,02011 433 1=8,7cm2
prezinta suprafata sectiunii transversale a primei infasurari
S2S=S2izw2NN2=0,1521 49 1=7,453cm2
prezinta suprafata sectiunii transversale a infasurarii secundare
11.6. Determinam acum coeficientul de umplere a ferestrei miezului cu infasurarile transformatorului
k0= SS/S0=0,157 cm2/0,785 cm2=0,21
11.7. Lungimea conductoarelor, necesara pentru infasurarea primarului si secundarului
l1s=lmed.i1w1/100=17,2m
l2s=lmed.i2w2/100=2,27m
lmed.i1=0,12(Dip-D+2H)=0,12(16mm-10mm+2 13,5mm)=3,96cm
lmed.i2=0,14(Dip-D+2H)=0,14(16mm-10mm+2 13,5mm)=4,62cm
unde lmed.i este lungimea medie a unei infasurari si se determina dupa relatiile
11.8. Rezistenta activa dupa curent continuu pentru infasurarea primara si secundara este:
unde Rl1, Rl2 prezinta rezistenta unui metru de cablu.
11.9.Rezistenta totala la frecventa inalta se determina dupa relatiile:
R1tot=kfR1=1 23,33W=23,33W ; R2tot=kfR2=1 0,346W=0,346W
unde R1tot si R2tot sunt rezistentele totale a primarului si secundarului, kf1 si kf2 sunt coeficientii de referinta.
11.10. Determinam lungimea medie a infasurarii
unde D este diametrul interior al miezului; Dh-grosimea carcasei de izolare (de regula este de 0,1mm); Dint - diametrul de rest admisibil a gaurii interioare a transformatorului ( la depanarea cu strungul Dint=3mm, iar la depanarea cu maina - Dint=5mm)
11.11. Numarul de infasurari intr-un sungur strat al bobinei primare este:
unde kdep este coeficientul de depanare a infasurarii
11.12. Numarul de straturi ale infasurarii primarului cu rotungire spre un numar intreg va fi:
N1=w1/w1str=433/96=4,5≈5
11.13. Grosimea infasurarii primare:
H1=N1(D1iz+D1)=5(0,16+0,08)=1,2mm
unde D1- prezinta grosimea izolatorului intre straturi.
11.14. Numarul de infasurari intr-un strat al bobinei secundare este:
N2=w2/w2str=49/34=1,5≈2
11.15. Grosimea secundarului transformatorului este:
H2=N2(D2iz+D2)=2(0,44+0,03)=0,94mm
11.16. Calculam grosimea interioara a tuturor infasurarilor
Hinf=H1+H2+DmI=1,2+0,94+0,16=2,3mm
Unde DmI=DipDh/D=(16 0,1)/10=0,16mm
prezinta grosimea izolatorului pe partea interioara a transformatorului.
11.17. Diametrul exterior transformatorului
unde Diz -grosimea izolatiei exterioare a transformatorului si e acceptata 0,05mm
11.18. Diametrul real al ferestrei bobinei transformatorului:
ETAPA 2
Calculul pierderilor in transformatorul de frecventa inalta, randamentul si regimul termic.
1.Pierderile puterii in cuprul primarului si secundarului:
P1M=I21egfR1tot=0,252W; P2M=I22egfR2tot=0,296W
2. Pierderile totale in ambele infasurari, luand in consideratie variatia rezistentei cu cresterea temperaturi:
PM=(P1M+P2M)(1+0,004(Tadm-T0))=0,7672W
unde Tadm este temperatura maxim admisibila pentru materialul miezului transformatorului. Pentru marerialele indicate Tadm=1001200C, iar T0=150C.
3. Calculam pierderile specifice in conductorul magnetic in dependenta de frecventa si inductie:
Psp=P1faDBb(1+kT)=32 1001,2 0,12,4(1+0,004 100)=44,8W
4. Determinam pierderile in miezul transformatorului la remagnetizare
Pst=Pspmtr/1000=0,4166W
unde mtr este masa miezului.
5. Pierderile totale in transformator sunt:
PS=PM+Pst=0,7672W+0,4166W=1,1838W
6. Randamentul transformatorului (conform pierderilor totale):
7. Pentru calcularea supraincalzirii transformatorului la convectie reala
determinam suprafata lui totala:
8. Temperatura de supraincalzire
t= PS aMSrac)=76,70C
unde aM=10-3W/cm2 0C
1. Calculul curentului transformatorului la regim mers in gol.
Componenta activa a curentului mers in gol.
I0a=Pst/U1ef=0,4166/142,1=2,9 10-3A
Componenta reactiva a curentului mers in gol.
I0r=HMlmed/(100w1)=8,4 10-3A
unde
HM=Btr.p/(mm0)=89A/m
Btr.p=Br+DB/2=0,19Tl
m m1 Dm=2000-300=1700
Valoarea efectiva a curentului mers in gol se determina astfel:
2. Determinam inductanta de dispersie pentru transformator:
unde
a=Hinf+H1+H+2DmI=17,32mm
r= Hinf+H1+(Dip-D)/2+2DmI=6,82mm
Dr=( Hinf-H1)/2=0,55mm
Ds=(Dip+D)/2=13mm
3. Calculul capacitatii dintre infasurarile transformatorului:
3.1. Capacitatea dintre primul strat al infasurarii si conductorul magnetic:
3.2. Capacitatea dintre straturile infasurarii primarului transformatorului:
Daca primarul contine
doar un singur strat atunci C12=0
3.3.
Capacitatea dintre straturile secundarului:
Daca secundarul contine doar un strat atunci C22=0
3.4. Capacitatea dintre infasurari:
3.5. Capacitatea relativa catre prima infasurare:
C22rel=C22(w2/w1)2=0,0,16pF
C1rel=C1(1/N1)2=3,6pF
C3rel=C3((w1-w2)/w1)2=0,208pF
3.6. Capacitatea totala relativ fata de primarul transformatorului:
C0=C12+C1rel+C3rel+C22rel=5,1pF
4. Calculele frecventelor de rezonanta ale transformatorului sunt efectuate luand in considerare inductanta primarului transformatorului, inductanta pierderilor si capacitatea proprie a transformatorului.
4.1 Inductanta primarului depinde de materialul din care este confectionat
conductorul magnetic si devierea permeabilitatii magnetice:
4.1.1. Inductanta pentru ferita de tip M2000HMI-A, M2000HMI-Б si M2000HM1-17:
4.2. Frecventa de rezonanta de jos a transformatorului:
4.3. Frecventa medie de rezonanta a transformatorului:
4.4. Frecventa de sus de rezonanta a transformatorului:
Parametri calculati ai transformatorului convertorului cu frecventa inalta de functionare f trebuie sa asigure una din inegalitatile de mai jos:
3. CALCULUL REGIMULUI DE FUNCTIONARE AL TRANZISTORULUI DE PUTERE SI A DIODELOR CONVERTORULUI.
ETAPA 3-A a algoritmului.
1. Curentul de impuls care caracterizeaza valoarea curentului de magnetizare al transformatorului la sfarsitul impulsului ti este determinat conform relatiei:
Unde f este frecventa in kHz.
2. O parte a curentului, care circula prin tranzistor si este determinata de
pierderile la remagnetizarea miezului (pierderile in otel), poate fi luata in considerare in felul urmator. Vom considera ca aceste pierderi sunt divizate in doua componente egale: prima se evidentiaza la magnetizarea miezului, iar a doua - la etapa de remagnetizare. In asa fel, presupunind ca in gama impulsurilor ale curentului de functionare are loc o crestere a impulsului dreptunghiular (echivalent dupa puterea cu pierderile in otel) determinam:
Iot.i=Pst/(2U1Mmin)=0,92mA
3. Curentul total pe care il vom numi curent de impuls al regimului mers in
gol pentru transformator:
Img.i=Iot.i+ImI=2,73mA
4. Valoarea maxima a impulsului curentului prin tranzistor la etapa cuplarii
lui va fi:
I1.i=Img.i+I1ef(1/gmax)1/2=0,0036A
5. Determinam curentul colectorului tranzistorului care se formeaza ca
valoarea medie a impulsului dreptunghiular al curentului in functie de coeficientul de umplere. Amplitudinea variatiei curentului colectorului depinde de coeficientul de umplere si poate fi determinata dupa relatia:
Vedem ca valoarea medie a curentului colectorului la tensiunea minima de intrare
IC.med=(I1I-ΔIC/2)gmax=6,4 10-2A
6. Determinam valoarea maxima a tensiunii colector-emitor UCE pentru tranzistor fara a lua in considerare excitarea tensiunii cauzate de inductanta de pierderi a transformatorului:
UCemax=2kintr.2Uintr.nom=2 1,2 289V=693,6V
CALCULUL REGIMULUI DE FUNCTIONARE A DIODELOR
DE PUTERE A CONVERTORULUI.
ETAPA 4-A a algoritmului.
1. Valoarea maxima a curentului mediu pentru dioda VD1 a redresorului
IVD1med=Isgmax=1,5A 0,38=0,57A
2. Valoarea maxima a curentului (fara a lua in considerare impulsul de curent la blocarea diodei) pentru dioda de comutare VD2:
IVD2med=Is(1-gmax)=1,5A(1-0,38)=0,93A
Valoarea maxima a curentului de polarizare inversa a diodelor VD1 si VD2 este determinata conform relatiei:
UVDinv.max=U2Mmax=39,1V
CALCULUL PARAMETRILOR FILTRULUI S.A.S.
ETAPA 5-A a algoritmului.
1. Conform lucrarilor stiintifice, pulsatiile maxime ale tensiunii au locla o
valoare minima a coeficientului de umplere.Valoarea relativa a pulsatiilor in procente:
S=(4/p)(100/gmin)sin(900(gmin))cos(900(gmin))=180%
2. Coeficientul de pulsatii la iesirea S.A.S. in procente
ap=Us~ 100/(2Us)=0,1 100/(2 9V)=0,56
unde Us~ este amplitudinea componentei alternative la iesirea filtrului S.A.S.
3. Acum putem determina coeficientul de netezire a pulsatiilor prin intermediul filtrului:
Qp=S/ap=180/0,56=321,4
4. Inductanta minima pentru bobina de soc a filtrului poate fi determinata dupa relatia:
5. Pentru a alege parametrii bobinei de soc estre necesar de a cunoaste valoarea efectiva a tensiunii alternative pe ea:
unde U1=29,4V ;U2=9,7V
6. Capacitatea condensatorului filtrului la iesirea S.A.S.
pentru condesatoarele de tip K53-31
kef=1-0,011f0,34=1-0,011·(50kHz)0,34=0,95
Coeficientul nominalului kN reflecta devierea de la nominal pentru toate tipurile de condensatoare. Valoarea lui tipica este 0,8.
In asa mod cautam nominala condensatorului necesar reesind din relatia:
CF1=CF/(0,8kef)=7,74/(0,8 0,95)=10,2mF
Determinand valoarea CF1 alegem nominalul capacitatii dupa indrumar luand cifra apropiata de sus care este CFI=15mF
7.Calculam capacitatea reala pentru condensatorul ales la frecventa inalta, luand in considerare devierile nominalului. Notam acest parametru prin C Ff si il gasim cu ajutorul relatiei:
CFf=0,8CFIkef=11,4mF
8. Recalculam valoarea componentei alternative pentru tensiunea de intrare la valorile reale ale LF si CF.Notam aceasta marime prin U~real si o determinam dupa formula:
U~real= Us~CF/CFf=0,0678V
CALCULUL PIERDERILOR IN TRANZISTOARE DE PUTERE SI DIODELE CONVERTORULUI.
ETAPA 6-A a algoritmului.
Calculul pierderilor in tranzistoare.
Determinam constanta de timp comform relatiei urmatoare:
unde tcupl este durata de cuplare a tranzistorului conform cerintelor tehnice; IB.mas si IC.mas- curentii bazei si colectorului in regim de determinare a duratei tcupl:
Daca fixam curentul bazei pentru tranzistorul de putere in proces de comutare (IB.pc=0,1IC) sau utilizam alta valoare a curentului ce actioneaza in circuit, atunci durata frontului impulsului tf poate fi calculata conform relatiei:
unde bIc prezinta coeficientul de amplificare, care se determina dupa curbele prezentate in indrumare la valori respective ale IC kd sau IC .
2. Durata de descrestere a impulsului curentului de deschidere a tranzistorului de putere:
unde IB.bl este curentul de scurgere a jonctiunii emitor-baza in regim de blocare
3.Pierderile in regim dinamic pentru un singur tranzistor a convertorului:
4. Pierderile in regim static pentru un singur tranzistor a convertorului:
Pst=(UCE.satIC+UBEsatIB)gmax= (0,08V 4,61 10-3A +0,5V 4,61 10-3A) 0,38=
=2,3 10-3W
5.Pierderile totale intr-un tranzistor al convertorului:
Pt.S=Pdin+Pst=0,105+2,3 10-3=0,107W
6.Pierderile totale pentru toti tranzistorii convertorului:
Pt.pc=2 Pt.S =2 0,107W=0,214W
ETAPA 7-a a algoritmului.
Calculul pierderilor in diodele de putere include.
1.Pierderile dinamice in dioda de redresare VD1.
Pind.vd1=1,2 Is 0,6 U2Mmin trest f 10-3=1,2 1,5 0,6 26,1 0.05 10-3s 50KHz= 0,007047W
unde trest este timpul de restabilire a rezistentei diodei la polarizare indirecta.
2.Pierderile in regim static pe dioda VD1:
unde DUdVD1 este tensiunea pe dioda deschisa VD1 cind avem curent al sarcinii.
3.Pierderile totale pe dioda de redresare VD1;
PVD1S=Pdin.VD1+Pst.VD1=0,035W+0,139W=0,175W
4.Pierderile in regim dinamic in dioda de comutare VD2:
Pdin.VD2=0,6 U2Mmin kd IsDUdVD1 f trest 10-3=0,6 26,1 1,5 1 50KHz 0,11 10-3s= =0,12919W
5. Pierderile in regim static pe dioda VD2(cind avem curent al sarcinii si tranzistorul de putere este blocat):
Pst.VD2=DUdVD2 Is (1-gmax)=0,2795V 1,5A (1-0,38)=0,259W
6. Pierderile totale pe dioda de comutare:
PVD2S=Pst.VD2+Pdin.VD2=0,258W+0,259W= 0,517W
7. Determinam pierderile totale pe diodele redresorului convertorului;
PVD= PVD1S+ PVD2S=0,175W+0,517W= 0,692W
ETAPA 8-A a algoritmului.
Calculul pierderilor de putere in bobina de soc a filtrului.
Utilizam bobina de soc de tip Д13-20 cu parametri:
K27-15-5,2; lmed=6,6cm; Sst=0,312cm2; rBS=0,15W; mBS=45gr; m=140;
1. Determinam numarul infasurarilor bobinei de soc:
2. Variatia inductantei in bobina de soc la actiunea tensiunii alternative:
3. Pierderile specifice in materialul conductorului magnetic la valoarea data pentru DBBS o determinam conform indrumarului Pspecific=2,5(w/кg)
4.Pierderile de putere in conductorul miezului bobinei de soc.
PBsmiez=Pspec.BS mBS 10-3=2,5W/kg 45g 10-3=0,1125W
5. Pierderile de putere in infasurarea bobinei de soc:
PBS.p=I2s rBS(1+0,004 DT)=(1,5A)2 0,15W(1+0,004 1000C)=0,4725W
3. Pierderile totale dupa putere in miezul bobinei de soc:
PS.BS=PBS.p+PBS.miez=0,4725W+0,1125W=0,585W
ETAPA 9-A a algoritmului.
Calculul randamentului etajului de putere a convertorului si a S.A.S. in intregime.
1. Suma pierderilor in convertor luind in considerare schema structurala a etajului de putere:
Pp= PS+Pt.pc+PVD+ PS.BS=0,411W+0,214W+0,498W+0,585W=1,71W
2.Randamentul etajului de putere a convertorului
3.Randamentul S.A.S.
BIBLIOGRAFIE
1.Indrumar metodic pentru proiectarea de curs la disciplina "Surse de alimentare in telecomunicatii". Nicolae Bejan, Pavel Nistiriuc. U.T.M. 1996