Расчет и моделирование регуляторов постоянного тока по схемам Чука и Сепик

Для нахождения зазора и выбора сердечника воспользуемся двумя формулами [9]: L = μ0w2S/δ(10)B = μ0wI/δ(11)Где В – магнитная индукция, создаваемая максимальным током, Тл, w–число витков, S – сечение сердечника, м2, μ0 – магнитная постоянная, δ - немагнитный зазор в сердечнике, м. Выбираем самый распространённый сердечник – ЕЕ80, из его размеров находим максимальное число витков, которые можно разместить внутри сердечника. Эскиз сердечника приведён на рисунке 11. Рисунок 11. Эскиз сердечника ЕЕ. Размеры сердечника: А = 80 мм, В = 76 мм, С = 20 мм, D = 60 мм, Е = 20 мм, F = 56 мм. Находим, чтоw = 20. По формуле (11) при условии, что максимальное значение индукции насыщения в феррите 0,25 Тл, находим величину воздушного немагнитного зазора, δ = 0,0075 м = 7,5 мм. После этого по формуле (10) находим индуктивность, зная число витков, зазор и сечение сердечника. L = 25,3 мкГн. Таким образом, надо взять четыре дросселя такого типа, соединённых последовательно, чтобы получить L1= 100 мкГн, рассчитанные ранее в компьютерной программе. Дроссель L2 рассчитывается аналогично. Провод выбираем ЛЭПКО 49×0,385 = 18,9 мм2. Пиковый ток L2 – 45,6 А. При выборе аналогичного сердечника ЕЕ80 можем утверждать, что количество витков, которое уместится в сердечнике,w= 48. Аналогично по формуле (11) находим величину немагнитного зазора, подставляя в формулу максимальное значение тока и значение индукции, равное 0,25 Тл. Находим величину зазора – 10 мм, после чего по формуле (10) находим индуктивность, L2 = 120 мкГн. Уменьшив количество витков на 4, получим индуктивность меньшую, L2 = 100 мкГн. Анализ работы схемыSEPIC в установившемся режиме. Рассчитаем временные диаграммы напряжений при различных скважностях работы силового транзистора. Выведем на экран ток дросселя L1, ток силового транзистора, напряжение на выходе и на конденсаторе Ср. Рассчитаем также выходные мощность и напряжение, входную мощность, пиковый и средний токи транзистора;данные занесены в Таблицу 5. Таблица 5. Зависимость выходных и входных параметров от времени открытого состояния транзистора при одной и той же частоте, 20 кГц. Входное напряжение 200 В. Время открытого состояния транзистора, мксВыходное напряжение, ВВыходная мощность, ВтВходная мощность, ВтПиковый ток транзистора, А512119520020102437878014015364176018205920484313332017930705697072201183276778568201126Из таблицы видна возможность регулирования как вверх, так и вниз от входного напряжения. На рисунке 12 отражены временные диаграммы токов и напряжений при открытом состоянии транзистора в течение 25 мкс. Рисунок 12. Временные диаграммы напряжения на конденсаторе Ср (голубым цветом), выходное напряжение на конденсаторе С2 (сиреневым цветом) и ток силового транзистора Sw (жёлтым цветом). Анализ работы схемы при переходных процессах (резкое изменение нагрузки, изменение входного напряжения и т.д.). Защита от перегрузок при переходных процессах. На рисунке 13 отображены временные диаграммы выходного напряжения и выходного тока (увеличении выходного тока нагрузки в 10 раз и последующем его уменьшении до 10% от номинала). Рисунок 13. Выходное напряжение (сиреневым цветом) и выходной ток (белым цветом).Как видим, при резком увеличении и уменьшении нагрузки при неизменной скважности работы силового транзистора выходное напряжение меняется достаточно медленно, что позволяет системе авторегулирования с достаточно большой точностью стабилизировать его. Таким образом, можем утверждать, что специальных мер по защите от перенапряжения не требуется. Возможно, в случае обрыва обратной связи можно будет предусмотреть систему с тиристорным ключом, которая делает короткое замыкание на выходе и тем самым спасает нагрузку от опасного напряжения [10]. Глава 4. Полный расчёт схемы Чука. Расчёт активных полупроводниковых элементов (транзисторов и диодов). Расчёт выполняется аналогично п.4.1. На рисунке 14 изображены ток и напряжение транзистора Swдля схемы рисунка 5 Главы 2. Рисунок 14. Ток (голубым цветом) и напряжение (красным цветом) на транзисторе Sw. Как видим, импульсный ток транзистора - 126 А в режиме максимальной мощности, средний ток транзистора - 40 А, импульсное напряжение 970 В. Следует выбрать транзистор, подобный транзистору в схеме SEPIC, а именно – IGW60T120. Выбор диода осуществляется согласно п.4.2. Временные диаграммы показаны на рисунке 15. Рисунок 15. Ток диода (белым цветом) и напряжение на диоде (красным цветом). Согласно данным диаграммам, импульсный ток диода равен 126 А, средний ток – 9,6 А. Аналогично преобразователю SEPIC выбираем диод MUR60120. Расчёт пассивных элементов. Коренное отличие работы конденсаторов в схеме Чука от схемы SEPICзаключается в том, что на разделительном конденсаторе Ср имеется значительно более высокое напряжение, в случае входного напряжения 200 В и выходного 750 В (как в ТЗ) оно составляет 950 В или, в случае реальной схемы и реальных параметров с паразитными потерями – почти 1000 В. Поэтому оба конденсатора должны быть рассчитаны на высокое напряжение, 1000 В и выше. UСр max =980 В, UСOUTmax = 770 В, UСр RMS(переменная составляющая)= 8,5 В, UСoutRMS(переменная составляющая) = 3,2 В. Ток в каждом конденсаторе согласно формуле (9). Получаем: IСр RMS = 29,2 А;IСoutRMS = 21,1 А. Исходя из расчётных данных, выбираем Ср: B32776G1106, два конденсатора по 10 мкФ каждый в параллель. Параметры конденсатора занесены в Таблицу 6. Таблица 6. Параметры конденсатора B32776G1106ПараметрЗначениеНоминальное напряжение, В1300Номинальная ёмкость, мкФ10Технологический разброс значения ёмкости, %+/- 10Максимальное значение переменной составляющей тока, действующее значение, А14,5Тангенс угла потерь, 10-3, при частоте 10 кГц13,1Аналогично выбираем СOUT – тип B32776G0166, 3 конденсатора по 16 мкФ в параллель. Параметры конденсатора занесены в Таблицу 7. Таблица 7. Параметры конденсаторов типа В32776G0166, 16 мкФПараметрЗначениеНоминальное напряжение, В1100Номинальная ёмкость, мкФ16Технологический разброс значения ёмкости, %+/- 10Максимальное значение переменной составляющей тока, действующее значение, А15,5Тангенс угла потерь, 10-3, при частоте 10 кГц12,3 Расчёт и разработка моточных изделий (катушек индуктивности).Осуществляется аналогично п.4.3. Обе индуктивности имеют номинал 100 мкГн. Токи индуктивностей представлены на рисунке 16. Рисунок 16. Токи дросселей L1 (голубым цветом) и L2 (красным цветом).Токи импульсные и действующие, согласно расчёту:IL1max = 78 А,IL2max = 46,2А,IL1RMS = 47,8А,IL2RMS = 23,5АКак видим, токи практически не отличаются от токов в схеме SEPIC, некоторая погрешность определяется разницей математических моделей и потерь в моделях. Поэтому конструкцию дросселей L1 и L2 (число витков, тип провода, тип сердечника) оставляем без изменений – как в п.4.3. Анализ работы схемы Чука в установившемся режиме.Данный анализ проводится аналогично п.4.4. В Таблице 8 отражена зависимость выходных параметров от времени открытого состояния силового транзистора Sw. Таблица 8. Зависимость выходных и входных параметров от времени открытого состояния транзистора при одной и той же частоте, 20 кГц. Входное напряжение 200 В. Время открытого состояния транзистора, мксВыходное напряжение, ВВыходная мощность, ВтВходная мощность, ВтПиковый ток транзистора, А512219620120,51024378879540,615365175618295920486312532017930703696572291193276878598211126,5Как видим, выходные и входные токи и напряжения в схеме практически не отличаются от токов и напряжений в схеме SEPIC, разница заключается лишь в инвертировании выходного напряжения по отношению к входному. Анализ работы схемы при переходных процессах (резкое изменение нагрузки, изменение входного напряжения и т.д.). Защита от перегрузок при переходных процессах.Данный анализ проводится аналогично п.4.5. На рисунке 17 отображены временные диаграммы выходного напряжения и выходного тока (увеличении выходного тока нагрузки в 10 раз и последующем его уменьшении до 10% от номинала). Рисунок 17. Выходное напряжение (голубым цветом) и выходной ток (белым цветом). Время открытого состояния транзистора 10 мкс при частоте 20 кГц. Как и в случае с преобразователем SEPIC, видим, что при резком изменении тока нагрузки напряжение меняется плавно и медленно, что говорит о правильности выбора элементов. Заключение. В данной работе согласно Техническому Заданию (ТЗ) были разработаны модели силовой части двух преобразователей – SEPICи преобразователя Чука. Было установлено сходство и различие между данными преобразователями, а также рассчитаны и выбраны активные и пассивные элементы этих устройств. Была разработана конструкция моточных изделий, проведён анализ работы в установившемся режиме и при переходных процессах. Анализ подтвердил правильность выбора и расчёта силовой части. Данная работа может быть полезна как студентам вузов, так и специалистам, занимающимся разработкой, наладкой и обслуживанием устройств подобного рода. Список литературыЧиженко И. М., Руденко В. С., Сенько В. И. Основы преобразовательной техники: учебное пособие для специальности «Промышленная электроника». – М. :Высш. шк., 1974. – 430 с.Основы силовой преобразовательной техники. Часть II: учебное пособие / Денисенко Д.Ю., Иванов Ю.И., Финаев В.И. Южный федеральный университет. – Таганрог: Издательство Южного федерального университета, 2016. – 149 с.Mohammed, L., Saudin, N., Hamid, N.F.A., Ramly, N.H., Isa, Z.M., Ahamad, N.B. Cuk Converter as a Led Lamp Driver // IEEE International Conference on Power and Energy, Kota Kinabalu Sabah, Malezya, 7–10 October 2018. – P. 262–267. 10.В.В. Григорьев, Н.В. Журавлёва, Г.В. Лукьянова, К.А. Сергеев Синтез систем автоматического управления методом модального управления. — С-Пб: СПбГУ ИТМО, 2007. — 108 с. ил.Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника / Е.П. Угрюмов. – СПб. : БХВ – Санкт-Петербург, 2004. – 800 с.Andreycak B. New Driver ICs Optimize High Speed Power MOSFET Switching Characteristics, U118, UNITRODE Integrated Circuits Corporation, Merrimack, N.H.Лукутин Б. В., Обухов С. Г. Силовые преобразователи в электроснабжении: Учебное пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2007. – 144 сРасчёт трансформаторов малой мощности : учеб.пособие / А. В. Сериков. – Комсомольск-на-Амуре : ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», 2015. – 72 с.Калантаров П. Л., Цейтлин Л. А. Расчет индуктивностей: Справочная книга. — 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986. —488 с: ил.Релейная защита и автоматика в системах электроснабжения. Часть 1: Токи короткого замыкания: учебное пособие / А.М. Ершов. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2011. – 168 с.