Автономный инвертор напряжения

Оглавление

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Радиоэлектронная  аппаратура и приборы автоматики предъявляют весьма жесткие требования к качеству потребляемой энергии, а  в ряде случаев требуют обязательного преобразования энергии первичного источника.

Преобразователем  электрической энергии является устройство, которое связывает две (или более) электрические системы с отличающимися друг от друга параметрами и позволяет по заданному закону изменять эти параметры, обеспечивая обмен электрической энергией между связуемыми системами.

Первые транзисторные  преобразователи разработаны более 60 лет назад. За прошедший период вопросы построения транзисторных  преобразователей и входящих в них элементов как в теоретическом, так и практическом плане проработаны достаточно глубоко. В настоящее время транзисторные преобразователи электроэнергии занимают в науке и технике раздел, не меньший по объему и значимости, чем тиристорные преобразователи. Это произошло благодаря разработке и освоению промышленностью в последние 25 лет быстродействующих кремниевых транзисторов на токи и напряжения в несколько сотен ампер и вольт соответственно. Преимущества преобразовательных устройств на транзисторах по сравнению с другими преобразователями неоспоримы: они обладают высокими регулировочными характеристиками и энергетическими показателями, имеют малые габариты и массу, просты и надежны в эксплуатации.

Полупроводниковые преобразователи, связывающие системы  переменного и постоянного тока, можно разделить на четыре категории:

- преобразователи  переменного напряжения (преобразователи частоты, преобразователи числа фаз, регуляторы и стабилизаторы переменного напряжения и т. п.); преобразователи  переменного напряжения  в  постоянное,  называемые выпрямителями;

- преобразователи  постоянного напряжения в переменное, называемые инверторами;

- преобразователи  постоянного напряжения в постоянное напряжение с другими параметрами, называемые преобразователями постоянного напряжения (или конверторами).

По  числу фаз хотя бы одной из связуемых  систем преобразователи (инверторы, выпрямители) делятся на однофазные и многофазные.

По  способу формирования и регулирования  выходного напряжения (тока) преобразователи делятся на одноячейковые и многоячейковые.

В одноячейковых  преобразователях формирование и (или) регулирование выходного напряжения (тока) осуществляется путем время-импульсной модуляции на всю глубину (амплитуду) выходного напряжения (тока) путем полного периодического отключения, а затем подключения источника питания.

В многоячейковых преобразователях формирование и (или) регулирование выходного напряжения осуществляется путем частичной времяимпульсной модуляции в пределах одной зоны, глубина которой в целое число раз меньше полной глубины (амплитуды) выходного напряжения (тока). Многоячейковые преобразователи, разделены на несколько преобразовательных ячеек, несколько входных и (или) выходных трансформаторов, несколько секций первичных и (или) вторичных обмоток этих трансформаторов и (или) имеют несколько входов для подключения к нескольким источникам питания и (или) их ячейкам.

Время-импульсная модуляция проходит либо поочередно в каждой из ячеек, либо одновременно во всех ячейках, работающих с взаимным сдвигом. И в том, и в другом случае выходные и входные параметры (напряжение и ток) изменяются в пределах одной ячейки, равной общему диапазону регулирования, деленному на число ячеек.

Несмотря  на очевидное усложнение схемы, многоячейковые преобразователи имеют уменьшенную массу входных и выходных фильтров, повышенное быстродействие и функциональную избыточность (при отказе одной ячейки ее функции выполняют остальные) /1/.

По заданию  нужно спроектировать преобразователь  напряжения постоянного тока в синусоидальное. Такие вентильные преобразователи, преобразующие постоянный  ток  в  переменный  и  работающие  на  автономную нагрузку, называются автономными инверторами.

Инвертором  напряжения называют преобразователь, который создает в нагрузке форму  напряжения, а форма тока при этом определяется самой нагрузкой. Источник питания в автономном инверторе напряжения (АИН) должен работать в режиме генератора напряжения. Так как АИН не формирует тока нагрузки (т.е. не зависит от него), то он может работать в режиме холостого хода. Сохраняет он работоспособность и в режимах, близких к короткому замыканию, если их выдерживают вентили, то есть АИН работоспособен в широком диапазоне изменения нагрузки. АИН хорошо работает и при изменении частоты в очень широких пределах, при этом он практически не изменяет форму напряжения  на нагрузке и ее амплитуду, что выгодно отличает АИН от инверторов тока. Схемы АИН могут быть однофазными и трехфазными.

В связи с  тем, что транзисторы силового контура  инвертора, как правило, работают в ключевом режиме, естественной формой выходного напряжения является прямоугольная форма. Такая форма удобна для нагрузок постоянного тока, получающих питание с выхода инвертора через выпрямитель и фильтр, так как при этом пульсации основной гармоники напряжения на выходе фильтра невелики. Для ряда нагрузок переменного тока такая форма питающего напряжения или допустима (осветительные и нагревательные устройства), или приемлема (электродвигатели, обмотки электромагнитов, реле и т.п.), поскольку первые безразличны к роду тока, а вторые сами обладают фильтрующими свойствами вследствие индуктивного характера эквивалентного сопротивления

Для  некоторых  нагрузок  переменного  тока   требуется   чисто 

синусоидальная  форма питающего напряжения, так  как при наличии высших гармоник происходит сильное искажение регулировочных характеристик этих устройств в режиме.

В АИН приближение  формы выходного напряжения к  синусоидальной можно осуществить  двумя методами: включением на выходе преобразователя реактивного фильтра или суммированием в выходном каскаде преобразователя нескольких прямоугольных напряжений, которые могут отличаться друг от друга по фазе и амплитуде. Оба метода приводят к снижению содержания высших гармоник в выходном напряжении. 

Синусоидальная  форма выходного напряжения наиболее универсальна, то есть обеспечивает эффективную работу всех видов нагрузок переменного

 

тока, а иногда становится целесообразной и для  нагрузок постоянного тока, так как  обеспечивает коммутацию силовых транзисторов и диодов при токе, близком к нулю, уменьшая тем самым высокочастотные пульсации, радиопомехи и, следовательно, массу и габаритные размеры фильтрующих узлов в инверторе, потребителе и линии связи /1/.

 

1 Расчёт коэффициента  гармоник

 

Чтобы обеспечить коэффициент  гармоник , необходимо получить как минимум трехступенчатую форму выходного напряжения (рисунок 1.1).

 

 

Рисунок 1.1 – Трехступенчатая форма выходного напряжения

 

Для построения ступенчатой  формы период желаемой кривой разбивается  на n интервалов одинаковой длительности (в нашем случае n=5), переменными величинами будут амплитуды ступеней. При формировании выходного напряжения, аппроксимирующего синусоиду, будем считать, что кривая пересекает ступени в середине интервала.

Амплитуды ступеней вычисляются по формуле

                                    (1.1)

где - амплитудное значение напряжения на нагрузке,

     i – номер ступени,

     n – число интервалов.

Учитывая, что действующее  значение = 60 В, получаем

 В,

 

 

 В,

 В.

Рассчитаем действующие  значения первых пятнадцати гармоник для данной кривой аналитическим  способом. Точность данного метода очень высока. Расчёты сделаем при помощи программы Mathcad 2001. Текст программы приведён в приложении Б.

Графические построения к расчетам приведены на рисунке 1.2.

Так как синусоида  симметрична относительно оси ординат, то все чётные гармоники равны нулю.

_{Получаем:}

 

Присутствуют  только 1,9,11 гармоники.

 

Коэффициент гармоник определяется как отношение действующего значения высших гармоник к действующему значению первой (основной) гармоники /2/, то есть

                 ,                                     (1.2)

    где   - действующее значение напряжения гармоники с номером n,

  - действующее значение напряжения первой гармоники.

Получаем:

 

 

 

Полученный  коэффициент удовлетворяет заданию (K_Г<0.15).

      

Рисунок 1.2 – Гармоники синусоидального напряжения

2 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ  ЧАСТЬ

 

2.1 Выбор структурной  схемы

 

Поскольку в курсовом проекте стоит задача получить заданный коэффициент гармоник (К_г<15 %), то необходимо улучшить форму выходного напряжения. Этого можно достигнуть двумя методами.

Первый метод предусматривает  включение на выходе преобразователя  реактивного фильтра. При этом можно как угодно снизить содержание высших гармоник в выходном напряжении. К недостаткам этого  способа следует отнести большой вес фильтра, возможность возникновения резонанса при питании от преобразователей, нестабильность формы кривой напряжения в различных режимах.

Второй состоит в  том, что в выходном каскаде преобразователя  суммируются несколько прямоугольных  напряжений, которые могут отличаться друг от друга по фазе и амплитуде. При этом кривая выходного напряжения имеет форму многоступенчатой волны, близкой к синусоидальной, с весьма малым содержанием высших гармоник. Число составляющих линейного напряжения выбирается в зависимости от заданной величины коэффициента искажений. Естественно, что чем больше составляющих в линейном напряжении, тем ближе это напряжение  к синусоидальному. Форма кривой напряжения преобразователя практически не будет зависеть от нагрузки и частоты переменного тока. При этом в преобразователе имеет место  одинаковая загрузка всех коммутирующих элементов и достаточно высокое использование трансформаторов. 

АИН с улучшенным гармоническим  спектром выходных напряжений разделяется  на два подкласса: АИН, в которых  улучшение гармонического спектра  достигается широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), и АИН в которых аналогичная задача решается формированием многоступенчатых кривых выходного напряжения амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ) /1/.

Недостаток АИН с  ШИМ заключается в необходимости  использовать высокочастотные ключи, а также в том, что при изменении  частоты работы

 

схемы или величины нагрузки возникает сложность получения  коэффициента

гармоник заданной величины.

Поэтому для получения  заданной формы кривой выходного  напряжения воспользуемся вторым способом.

Для получения коэффициента гармоник К_г<15 % нам необходимо как минимум три ступени. Следовательно, нужно использовать три инверторных ячейки. Таким образом, получаем общую структурную схему нашего проектируемого преобразователя (рисунок 2.1).

 

Рисунок 2.1 - Общая  структурная схема АИН

2.2 Выбор принципиальной  схемы

 

Так как на выходе мы имеем трёхступенчатую форму  напряжения, то нам потребуется три  инверторных ячейки с трансформаторным выходом. Рассмотрим основные схемы  инверторных ячеек.

На рисунке 2.2 изображены схемы инверторных ячеек, с  помощью  которых

 

можно получить ступенчатое  напряжение. На рисунке 2.2 показаны как  мостовая схема инвертора (рисунок 2.2, а), так и другие схемы двухтактных  инверторов.

Полумостовая  схема с выводом от средней  точки источника питания (рисунок 2.2, б) содержит только два транзистора. Напряжение каждой половины источника питания U_п/2 прикладывается попеременно с чередующейся полярностью к нагрузке Z_н с помощью транзисторов VТ1 и VТ2.

В полумостовой схеме с емкостным делителем  напряжения (рисунок 2.2, в) точка соединения входных конденсаторов С1 и С2 образует искусственный вывод среднего потенциала источника питания. В один полупериод, например, когда открыт транзистор VТ1, происходит заряд конденсатора С2 и разряд С1, а в другой полупериод, когда открыт транзистор VТ2, наоборот – заряд С1 и разряд С2.

В полумостовой схеме с разделительным конденсатором (рисунок 2.2, г) используется только один конденсатор С_р, заряженный в течение одного

полупериода, когда  открыт транзистор VТ1, и разряжаемый в течении другого полупериода, когда открыт транзистор VТ2.

Так как конденсатор  пропускает только переменную составляющую тока, то к нагрузке Z_н будет приложено переменное напряжение, а на конденсаторе выделится постоянная составляющая напряжения, равная U_п/2. Следовательно, амплитуда переменного напряжения на Z_н  так же, как и в других схемах на рисунке 2.2, б, в, будет равна U_п/2, а форма кривой близка к прямоугольной при выборе конденсаторов С1, С2 и С_р достаточно большой емкости, так чтобы во время заряда и разряда изменение приложенного к ним напряжения составляло единицы или доли процента.  Двухтактная схема с нулевым выводом (рисунок 2.2, д), содержит два

транзистора (VТ1 и VТ2), подключающих концы первичной обмотки выходного трансформатора Т_р к одному выводу источника питания, другой вывод которого соединен с отводом от средней точки указанной первичной обмотки.

При поочередной  через полпериода коммутации транзисторов VТ1 и VТ2 напряжение источника питания U_п прикладывается попеременно то к одной, то к другой половине первичной обмотки (w₁ и w₁^') трансформатора Т_р, создавая в его сердечнике переменный магнитный поток, который наводит во вторичной обмотке w₂ переменное напряжение прямоугольной формы.

При необходимости  гальванического разделения входной и выходной цепей или для изменения соотношения между напряжениями этих цепей в схемах на рисунке 2.2, а-г нагрузка Z_н может быть подключена через выходной трансформатор с одной первичной обмоткой.

На рисунке 1.2, е показана мостовая схема с выходным трансформатором, первичная обмотка которого разделена на две половины (w₁ и w₁^'), каждая из которых подключается через пару транзисторов (в один полупериод открыты VТ1 и VТ2, а в другой VТ3 и VТ4).

Благодаря такому исполнению индуктивность рассеяния  обмотки w₁ (w₁^’) ограничивает сквозной ток, возникающий вследствие запаздывания выключения транзисторов. Таким же свойством обладает инвертор на двух транзисторах (рисунок 2.2, ж), в котором энергию индуктивности рассеяния принимает конденсатор С относительно большой емкости.

Транзисторы во всех рассмотренных схемах шунтированы встречно

включенными диодами, благодаря чему при активно-индуктивной нагрузке обеспечивается беспрепятственный возврат тока нагрузки в источник питания в течение начальной части каждого полупериода. Если источник питания имеет большое внутреннее сопротивление или является выпрямителем, не содержащим фильтра, то к входным выводам инвертора должен быть подсоединен входной конденсатор С_вх (штриховые линии на рисунке 1.2), принимающий переменную составляющую потребляемого тока.

 Из рассмотренных  схем для реализации проектируемого  АИН наиболее подходящей является  схема, изображенная на рисунке  2.2, д.

 

 

 

 

 

Рисунок 2.2 – Схемы инверторных ячеек

 

Итак, в качестве АИН выбираем инвертор со средней точкой, у которого каждое из плеч состоит из трех ключей, подключенных к соответствующим выводам трансформатора. Коммутироваться будет первичная обмотка трансформатора. Нагрузка является активно– индуктивной. Следовательно, в индуктивности будет накапливаться энергия в процессе протекания через неё тока. Для возвращения этой энергии в источник питания включим параллельно ключам возвратные диоды. В качестве ключей используем транзисторы, так как выходная частота преобразователя f=12 кГц. Таким образом, получаем принципиальную схему преобразователя, которая приведена в приложении А.

 

2.3 Работа схемы

 

Рассмотрим  работу схемы нашего инвертора. Инвертор формирует напряжение близкое к  синусоиде. Во вторичной обмотке  при поочередной коммутации транзисторов формируется ступенчатое напряжение (рисунок 1.1). При формировании 1-й ступеньки (30 эл. градусов, 26,2 В) работают транзисторы VT1 и VT6, при формировании 2-й ступеньки (30 эл. градусов, 68,62 В) работают транзисторы VT2 и VT5, при формировании 3-й ступеньки (30 эл. градусов, 84,85 В) работают транзисторы VT3 и VT4 в первую половину периода.

В течение начальной части  каждого полупериода в источник питания обеспечивается возврат  тока нагрузки благодаря диодам.

Временные диаграммы работы схемы приведены на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Временные  диаграммы работы схемы

 

3 РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ

 

3.1 Выбор элементов

 

Рассчитаем коэффициенты трансформации для инверторных  ячеек. При формировании первой ступени ( =26,2 В) включен транзистор VT1, то есть коэффициент трансформации равен

При формировании второй и третьей ступеней

Рассчитаем  сопротивление нагрузки .

,

где - индуктивное сопротивление, - активное сопротивление.

Для нахождения и решим систему уравнений:

Получаем

 Ом,      Ом.

 мГн.

 

 

Максимальное (амплитудное) значение тока нагрузки

 А.

Предельное  значение коллекторного тока транзисторов определим по формуле:

                            .                            (3.1)        

Получаем:

 А,

 А,

 А,

 В.

Поскольку транзисторы VT3 и VT4 работают в самом “трудном” режиме по току (ток коллектора А у них самый большой), то выберем тип транзистора для всех одинаковый, ориентируясь на условия работы транзисторов VT3 и VT4.

Итак, нам требуется  транзистор со следующими параметрами:

 А,  В,  Гц.

По справочнику /6/ выбираем транзистор n-p-n структуры 2Т945А.

   Его параметры:

= 15 А,  = 200 В,  Вт,  β=10..60,  Т_к.макс=-70..+125°С, m=20 г.

Так как прямой ток, протекающий через диоды  меньше или равен максимальному  коллекторному току транзистора, выберем  по справочнику /7/ диод 2Д2990А. Его параметры:

А, В,  кГц, нс, m=8 г.

Найдем параметры  системы управления. Максимальный ток  системы управления

               

,                                (3.2)

 

где   N –степень насыщения, N =1,5,

     - минимальный коэффициент передачи транзистора по току.

Получаем

 А.

 

 

3.2 Электрический  расчёт трансформатора

 

Так как трансформатор  со средней точкой, то достаточно произвести расчет одной половины первичной  обмотки, учитывая, однако, что она  секционирована.

Так как трансформатор  имеет в первичной обмотке  среднюю точку, то габаритную мощность можно определить по формуле:

                      

.                    (3.3)

 ВА.

Теперь выберем марку  и тип магнитопровода для нашего трансформатора.

В связи с достаточно высокой частотой электротехнически  старые сплавы не подходят. Ферриты  нельзя использовать из-за широкой  петли гистерезиса 

и малого импульса насыщения. Диэлектрики – из-за низкой магнитной проницаемости. Следовательно, подходит только стальной трансформатор.

Исходя из мощности и  с учётом требования минимума массы  и габаритов, можно выбрать следующие  материалы: 45Н, 50Н, 50НП, 34НКМП, 40НКС. Они  обладают высокой индукцией насыщения  Тл, у них узкая петля гистерезиса и выпускаются в виде тонких лент.

В справочнике /4/ рекомендуемым  материалом в данном частотном диапазоне  является низконикелевый пермаллой 34НКМП, обладающий самой 

узкой петлёй гистерезиса.

Таким образом, выбираем ленточный кольцевой магнитопровод. Материал 34НКМП ( Тл, , ).

Выберем толщину  ленты  (при меньших размерах наблюдается эффект вязкости, а при больших – потери).

Зададимся коэффициентами магнитопровода, использования окна и формы:

 (для симметричной прямоугольной формы).

Зададимся рабочей индукцией  магнитопровода :

  Тл.

Рекомендуемые плотность тока и КПД для  ВА и частоты

 

кГц  -   А/мм² и /5/.

Определим произведение сечения окна на сечение  магнитопровода.

 см⁴.         (3.4)

Магнитопровода  с такими параметрами в стандартном  ряде нет. Возьмем из справочника /4/ стандартный магнитопровод ОЛ25/35-6,5, которого примерно равно полученному значению. Его параметры:  см⁴, см²,   см², средняя длина витка =9,42 см, D=35 мм, d=25 мм, a=5 мм, b=6,5 мм, m=20,2 г /4/.

Определим число витков во вторичной обмотке.

 витков.

Число витков в  первичной обмотке для первой инверторной ячейки:

 витков.

Число витков в  первичной обмотке для второй инверторной ячейки:

 виток.

Число витков в  первичной обмотке для третьей  инверторной ячейки:

 виток.

Определим действующие  значения токов, протекающих в обмотках.

Во вторичной обмотке  = 10 А

Токи, протекающие  в инверторных ячейках первичной обмотки, найдём по формулам

, ,  .    (3.5)

Сечение проводов во вторичной обмотке:

 мм².

Токи, протекающие  во второй и третьей ячейках первичной  обмотки, примерно одинаковы, поэтому  намотаем эту обмотку ( =51 виток) одним проводом, рассчитанным на ток Тогда сечение проводов этой обмотки равно:

 мм².

Сечение проводов в первой ячейке первичной обмотки:

 мм², 

Для и по справочнику /5/ выбираем стандартные обмоточные провода с изоляцией ПЭВ-2:

 мм², 

Вторичная обмотка ( ) и обмотка будут содержать 2 провода с

Для первой ячейки первичной обмотки выберем обмоточный провод с изоляцией ПЭВ-2 со следующими параметрами:

 мм², 

Обмотка будет содержать 2 провода с

 

 

3.3 Конструктивный  расчёт трансформатора

 

Выбираем ПЭТФ-20 для межвитковой изоляции (толщина  ленты  =20 мкм).

Вырезаем ленту  шириной 5-7 мм и проводим обмотку  с полуторным внутренним перекрытием  в 2 слоя.

Сделаем расчёт укладки обмотки в слое:

Число слоёв  в обмотке  составит:

 витков.

А нам достаточно 16 витков, следовательно, укладку можно провести в один слой. Производим изоляцию фторопластовым проводом с 0,5-ным перекрытием.

Определим длину  среднего витка обмотки  и длину проводов в обмотке:

Внутренний диаметр кольца трансформатора после намотки обмотки и изоляции:

Активное сопротивление  проводов обмотки  :

Проведём расчёты  для обмотки  .

Число слоёв  в обмотке  составит:

 витков.

Нам достаточно 51 витка, следовательно, укладку проводим в один слой.       Определим длину среднего витка обмотки и длину проводов в

обмотке:

Внутренний диаметр  кольца трансформатора после намотки  обмотки  и изоляции:

Активное сопротивление  проводов обмотки  :

Для вторичной  обмотки  :

Число слоёв  в обмотке составит:

 витков.

Укладку можно  провести в один слой, так как  у нас 59 витков.

Определим длину  среднего витка обмотки  и длину проводов в обмотке:

Внутренний диаметр  кольца трансформатора после намотки  обмотки  и изоляции:

Активное сопротивление  проводов обмотки  :

Найдём внешний диаметр  трансформатора после намотки всех обмоток:

 

 

 

 

 

3.4 Расчет КПД  схемы

 

КПД схемы определим  по следующей формуле:   

,                             (3.6)

 

   где   - мощность нагрузки,

  - мощность потерь в трансформаторе,

  - мощность потерь в транзисторах;

  - мощность потерь в диодах.      

 Найдём сначала  мощность потерь в транзисторах:

                  ,                               (3.7)                                 

    где    - мощность потерь транзистора в режиме отсечки,

    -мощность потерь транзистора в режиме насыщения,

    - мощность потерь транзистора при переключении, когда он проходит   область нормального активного режима.

Мощность потерь в режиме отсечки очень мала, поэтому  пренебрегаем ею.

Мощность потерь транзистора в режиме насыщения:

               

,                (3.8)

   где    - мощность потерь в коллекторной цепи,

   -мощность потерь в базовой цепи,

   -время нахождения транзистора в режиме насыщения (время импульса),

   -коллекторный ток транзистора в режиме насыщения,