Расчет и выбор элементов в силовой части преобразователя

В качестве силовой схемы однофазного инвертора напряжения примем мостовой однофазный транзисторный инвертор напряжения, выполненный на IGBT-транзисторах. Его схема представлена на рисунке 16.

Рисунок 16 — Мостовой однофазный инвертор напряжения.

В разрабатываемой схеме противофазно переключаются VT1 и VT2. Вследствие того, что при закрывании ранее открытого транзистора (например, VT1) имеется интервал времени рассасывания и спада, VT1 закрывается дольше, в сравнении с открывающимся VT2, следовательно, есть небольшой интервал времени (доли мкс), когда VT2 уже открылся, а VT1 еще открыт, протекает сквозной ток. Подобные обстоятельства можно отнести к любым ключам, в том числе и к MOSFET, IJBT. Для исключения этого сквозного тока необходимо в электронной схеме управления ключами применять элементы задержки, которые задерживают открывание ранее закрытых ключей (для данного случая VT2, но также и VT1, когда он открывается), следовательно, образуется интервал времени (десятые доли мкс), когда VT1 закрылся, а VT2 еще не открылся, т. е. оба они закрыты, что недопустимо, так как действует закон сохранения тока в цепях с индуктивностью и ЭДС самоиндукции может выжечь закрывающийся ключ. Для предотвращения этого включают диоды VD1, VD2, VD3, VD4.

Второй сквозной ток протекает по цепи E VT1-VD2-земля (против направления VD2). Объяснение причин этого тока в следующем. Если диод не быстродействующий, то пара VT1 — VD2 может выгореть. Для предотвращения этого последовательно с VD2, VD4 ставят дроссели. Эти дроссели с малой индуктивностью практически не влияют на импульсные процессы усиления, но замедляют фронт нарастания сквозного тока, предотвращают выжигание.

Произведем расчёт силовой части. Расчет ведем по методике [10]. Исходные данные:

• 1. Uпит = 24 В;
• 2. Sн = 500 Вт;
• 3. Uн = 115 В;
• 4. fн=400 Гц.

Мощность на нагрузке должна составлять 500 Вт. Т.к. трансформатор не идеален в нем происходят потери (перемагничивание сердечника и т. п.). Примем КПД трансформатора з = 90%, тогда подаваемая мощность и соответственно мощность трансформатора:

P_т = P_н / з = 500/0,9 = 550 ВА.

Полный ток:

I_н = P_т / U_н;

I_н = 550/115 = 4,78 А.

Полное сопротивление:

Z_н = U_н / I_н;

Z_н = 115/4,78 = 24,06 Ом.

Активное сопротивление (cosц принимаем равным 0,8):

R_н = Z_н · cosц = 24,06 · 0,8 = 19,25 Oм.

Реактивное сопротивление:

sinІ ц = 1 — cosІ ц.

sinІ ц = 0,36;

sinц = 0,6;

Х_н = Z_н · sinц = 24,06 · 0,6 = 14,44 Ом.

Максимальное значение тока силовых вентилей.

В соответствии с полученными данными выбираем IGBT — Транзистор IRGB4061DPBАF [11]:

Корпус ТО-220 АВ;

U = 600 В;

I_c (25°C / 100°C) = 36 A / 18 А;

P_d = 206 Вт;

Выбираем диод КД202Д [6]:

I _{пр. cр. max} = 5 A;

U_{обр. и. п. max} = 200 В;

f _max = 5 кГц.

Произведем расчёт трансформатора:

Исходные данные:

• 1. Рн=500 Вт
• 2. Uпит = 24 В
• 3. Uн = 115 В
• 4. Iн = 27,9 А
• 5. fн = 400 Гц

Определим действующие значения токов и амплитуды напряжений первичной и вторичной обмотки трансформатора:

U₁ =24 В; U₂ = 105 В;

К_тр = 115/24 = 4,8.

I₁ = К_тр · I_Нmax · vг_max = 4,8 · 4,78 · = 21,76 A;

I₂ = I_Нmax · vг_max = 4,78 · = 4,53 A

Рассчитаем габаритную мощность трансформатора:

Выбор типоразмера магнитопровода. Так как режим работы трансформатора двухтактный положим индукцию В равную 0.2 Тл, а плотность тока на частоте 15 кГц — 3.5 А/ мм².

Рассчитаем произведение площади окна на площадь сечения для выбора магнитопровода из стандартного ряда.

S_ок· S_с= 100· Р_г/4·К_ф·j·B·F·К_с·К_о

S_ок· S_с= 100· 694/4·1·3.5·0.2·400·1·0.3 = 206 см⁴.

Где S_oк — площадь окна сердечника магнитопровода (см²⁾;

S_c — поперечное сечение сердечника (см²⁾;

Р_г — габаритная мощность трехобмоточного трансформатора;

К_ф — коэффициент формы напряжения (для прямоугольного сигнала — 1);

К_с — коэффициент заполнения сердечника сталью к=1;

j — Плотность тока в обмотках трансформатора (примем j = 3.5А/мм²).

К_о — коэффициент заполнения окна сердечника медью (для проводов круглого сечения в пределах от 0,2 до 0,35), примем К_о = 0,3.

В — индукция в магнитопроводе, примем В = 0,2Тл

Выбираем сердечник EC56 [11], параметры которого:

= 22,1 см², = 12,3 см², = 271,8 см⁴

Электрический расчет.

W_o = 10⁴/4· К_ф·В·F·S_c·К_с = 10⁴/4· 1·0,2·400·22,1·1= 1,41 вит/В.

Принимаем падение напряжения на обмотках 2%, рассчитаем количество витков обмоток.

W₁ = W₀· 0,98·U₁ = 1,41· 0,98·24 = 33 витка.

W₂ = W₀· 0,98·U₂ = 1,41· 0,98·115 = 159 витков.

Определяем диаметр проводов обмоток трансформатора (без учёта толщины изоляции):

;

;

;

Для первичной обмотки выбираем два проводника в жгуте ПЭВ1 с параметрами: номинальный размер диаметра провода без изоляции — 1,44 мм, расчетное сечение 1,63, с изоляцией — 1,61 мм.

Для вторичной обмотки выбираем ПЭВ1 с параметрами: номинальный размер диаметра провода без изоляции — 1,31 мм, расчетное сечение 1,3, с изоляцией — 1,36 мм.

Приближенно проверим на вместимость обмоток в окно сердечника.

Площадь первичной обмотки:

Площадь вторичной обмотки:

Коэффициент укладки:

Обмотки трансформатора входят в окно магнитопровода.