Двухтактные преобразователи (упрощенный расчет)

Двухтактные преобразователи очень критичны к несимметричному перемагничиванню магнитопровода, поэтому в мостовых схемах во избежание насыщения магнитопроводов (рис.1) и вследствие этого — возникновения сквозных токов необходимо принимать специальные меры по симметрированию петли гистерезиса, или в простейшем варианте

 
Puc.1

— вводить воздушный зазор и конденсатор последовательно с первичной обмоткой трансформатора.

Совместное решение задач повышения надежности полупроводниковых ключей и улучшения электромагнитной совместимости, способствующее снижению массогабаритных показателей, возможно при организации в преобразователях естественных электромагнитных процессов, при которых переключение ключей происходит при токах, равных или близких к нулю. При этом спектр тока затухает быстрее и мощность радиопомех значительно ослабляется, что упрощает фильтрацию как входного, так и выходного напряжения [6].

Остановимся на наиболее простом полумостовом автогенераторном нерегулируемом инверторе с коммутирующим насыщающимся трансформатором (рис.2). К его достоинствам следует отнести отсутствие постоянной составляющей тока в первичной обмотке трансформатора питания благодаря емкостному делителю.

Puc.2

Полумостовая схема обеспечивает преобразование мощности 0,25…0,5 кВт в одной ячейке. Напряжения на закрытых транзисторах не превышают напряжение питания. Инвертор имеет два контура ПОС:

— один — по току (пропорционально-токовое управление);

— второй — по напряжению.

Применение пропорционально-токового управления транзисторных ключей позволяет к моменту выключения автоматически вывести транзистор из насыщения, уменьшить время рассасывания и снизить потери мощности в цепях управления.

Цепь ОС по напряжению дает возможность реализовать автоматически изменяемую задержку момента открывания очередного транзистора и симметрирование режима перемагничивания магнитопровода силового трансформатора. После выхода из насыщенного состояния ранее открытого транзистора его коллекторное напряжение в процессе перезаряда емкости коллекторного р-п перехода Ск нарастает сравнительно медленно. При этом на обмотках Т1 и Т2 сохраняются первоначальные полярности напряжений, и ранее закрытый транзистор продолжает оставаться в закрытом состоянии (рис.3).

Puc.3

Увеличение тока намагничивания силового трансформатора приводит к автоматическому ускорению процесса перезаряда Ск, уменьшению длительности временной паузы tп между моментами открывания и закрывания мощных транзисторов и автоматической компенсации несимметрии схемы.

Роль элементов резонансного колебательного контура выполняют индуктивность рассеяния обмоток Т1 и индуктивность обмотки I трансформатора Т2 вместе с емкостями С1 …С3. Так как в индуктивность резонансного контура входит индуктивность вторичной обмотки для обеспечения уверенной работы резонансного контура, его необходимо отделить от емкости нагрузки (фильтра) дросселем L1:

L1>10Lp

где Lp — эквивалентная индуктивность контура.

Соответствующим выбором резонансной частоты контура fрез=fп можно обеспечить бестоковую коммутацию мощных транзисторов.

Поскольку в контуре возникают перенапряжения от +1,5Е до -0,5Е, параллельно транзисторам включены возвратные диоды VD1 и VD2. На интервале закрытого состояния ключей энергия, накопленная в контуре, через возвратные диоды передается в нагрузку и частично возвращается в источник питания.

Схема запуска выполнена на однопереходном транзисторе VT3. После пуска преобразователя, благодаря наличию диода VD3, схема запуска отключается, т.к. постоянная времени R3C5 значительно больше периода преобразования.

В тиристорных преобразователях на резонансный контур возложена основная задача обеспечения естественной коммутации тиристоров.

Наибольшее применение резонансные контуры (последовательные, последовательно-параллельные, параллельные) находят при ЧИМ-регулировании. Причем с параллельным контуром диапазон регулирования в 1,5…2 раза больше, чем с последовательным. Однако необходимость почти идеального источника тока сдерживает их применение. Последовательным же контурам свойственно естественное ограничение тока, что позволяет достаточно просто включать их на общую нагрузку. Выключение транзисторов происходит с минимальными потерями, обусловленными током намагничивания трансформатора, т.е. на холостом ходу.

В двухтактных инверторах при действии симметричных импульсов напряжения магнитопровод не насыщается при выполнении известного соотношения:

(1)

где tи — длительность импульса, мкс

При этом рост тока i за время tи близок к линейному.

Подставив в выражение (53) dВ=2Вm и tи=0,5Т=0,5*10<6>/f, получаем выражение для числа витков первичной обмотки

(2)

где Uвх=Е/2 — для полумостовой схемы;

Uвх=Е — для мостовой. Амплитудное значение тока коллектора

(3)

Эффективный ток первичной обмотки

(4)

Диаметр провода рассчитывают по формуле. Число витков первичной обмотки коммутирующего трансформатора рассчитывают по формуле (2), подставив вместо Вm значение Bs.

Пример расчета (схема рис.2).

U~=220 В

Uн=60 В

Iн=4 А

f=30 кГц

Номинальное напряжение питания

E=1,41U~=1,41*220=310 (В).

Габаритная мощность трансформатора

Ргаб=Uн*Iн=60*4=240 (Вт).

Входное напряжение трансформатора преобразователя

Uвх=Е/2=155 (В).

Коэффициент трансформации

K=Uн/Uвх=60/155=0,39.

Амплитуда тока коллектора в соответствии с (3)

Iкm=2Рн/nUвх=1 (А).

Ток базы с учетом h21э=10:Iб=Iкm/h21э=0,1 (А).

Ток базы с учетом коэффициента насыщения Кнас=2: .

Iбнас=2Iб=0,2 (А).

Мощность управления транзисторами

Uбэнас*Iбнас=1,5*0,2=0,3 (Вт).

Плотность тока принимаем 5 А/мм2.

Типоразмер сердечника:

(5)

Такую мощность можно получить на кольце К32х20х6, однако с целью уменьшения числа витков выбираем кольцо К40х25х11 М2000НМ. Число витков первичной обмотки по формуле (2)

Число витков вторичной обмотки

п2=Кn1=0,39*78=32 (вит.).

п2 рассчитано без учета потерь на активных элементах — выпрямительных диодах мостов и транзисторах.

Принимаем число витков связи с коммутирующим трансформатором равным 2.

Напряжение на первичной обмотке коммутирующего трансформатора

U=155*2/78=4 В.

Для коммутирующего трансформатора выбираем сердечник К 10х6х4,5 с габаритной мощностью

Ргаб =fjSьмSodBKм*102=30*103*6*0,025*0,2*10-2=1,3 (Вт), что превышает необходимую мощность управления транзисторами.

Число витков первичной обмотки по формуле (2),

Коэффициент трансформации К=Uбэ/Uвх=1,5/4=0,4.

Число витков базовой обмотки

n=UвxK=10*0,4=4 (вит.).

Для ПОС по току принимаем один виток связи.

Литература

1. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. — М.: Энергоатомиздат, 1986 г.
2. Источники вторичного электропитания/ Под ред. Ю.И.Конева. — М.: Радио и связь, 1990 г.

А.ПЕТРОВ, г.Могилев