CC BY
29Потери в момент переключения слагают из потерь на включение и выключение
P„ep = P„tr,ep/{l+[R„(l-Ks)/2/Lf (6)
Потери в базовой цепи садового транзистора, в рекуперативной диоде и конденсаторе выходного фильтра соответственно равны
РБ = иБЭ15К3 (7)
Р* = Р„ R, (1 - К,){1 + [R„ (1 - К,) / 2/L]2 / 3} / R„ + I„ U, (1 - К,) (8)
Ро - Rc [U„ К, (1 - Ks) / 2/L]2 / 3 (9)
Аналогично определяются потери я в элементах других схем ИПН, расчет потерь в накопительных дросселях и трансформаторах осуществляется по математической модели гистерезиса.
Параметры высокочастотных колебаний, возникающих на полупроводниковых элементах ИПН, можно определить по методике, изложенной в литературе.
Например, максимальное значение высокочастотного колебания на силовом ТК при его запирании для обратного преобразователя определяется выражением
Еы = Е „(1 + NK .) + Itm V(£„ + L2S + N 1 Lc) l(C к + C„ ) (10)
а для прямого ИПН равно
Еы = Е, + 1Ы V(i„ + Lu ) /(С, + Ст„ Тс, + 1 /(С* + С„ ) (П)
В выражениях (10) и (11) L1S, L2s, Lc - соответственно индуктивности рассеяния первичной а вторичной обмоток и паразитная индуктивность обкладок конденсатора; Ск и Стр - паразитная емкости ТК и трансформатора.
Второй этап оптимального проектирования ИПН связан с разработкой схем управления, синтезом корректирующих цепей и устройств, макетированием и отработкой схем преобразователя. Последнее может осуществляться путем исследования математической модели ИПН на ЭВМ.
QUESTIONS OF DESIGNING OPTIMUM ON WEIGHT PULSE VOLTAGE CONVERTERS
V. V. Alexandrov
Questions of designing of magnetic element of pulse voltage converters are examined. Design formulas for definition of switching losses and overvoltage on power keys are taken.
УДК 658.26:621.31
В. В. Александров, к. т. н., профессор.
В. А. Дробилов, доцент, ВГАВТ.
603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
МОСТОВОЙ ИНВЕРТОР С ФАЗОВОЙ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ НА БАЗЕ ШИМ-КОНТРОЛЛЕРА иС3875Х
В данной статье рассматривается мостовой инвертор на базе ШИМ-контроллера иС3875И. Рассмотрены особенности работы устройства с переключением силовых ключей при нулевом напряжении.
При проектировании силовых источников энергии основным является получение максимальной выходной мощности и КПД при минимальных массогабаритных показателях и стоимости. При решении данной задачи возникает множество проблем. Известно, что размеры дросселей зависят от частоты инвертора. Чем выше частота, тем меньших размеров могут быть реактивные элементы. Также известно, что увеличение рабочей частоты приводит к снижению КПД в силовых источниках с широтноимпульсной модуляцией (ШИМ) и в результате к увеличению динамических потерь.
Потери энергии в силовых источниках могут быть представлены в виде двух составляющих - потерь в открытом срстоянии ключа и потерь на коммутацию. В последнее время в современных силовых преобразователях в качестве ключевого элемента используют мощные полевые транзисторы (МОЗБЕТ), ЮВТ. Эти полупроводниковые приборы в открытом состоянии имеют конечное активное сопротивления канала, которое в литературе обозначается Я^ом)- Когда ток протекает по открытому каналу полевого транзистора, возникают активные потери, которые могут быть представлены выражением: Ра = 12о5(ям8) Кобсоы), где 1о8(ям8) - среднеквадратичное значение тока канала.
Потери на коммутацию можно подразделить на потери при включении, выключении и потери на разрядку емкости сток-исток. На рис. 1 упрощено показано, как возникают потери при включении транзистора.
и.Ііир), . 1(1)
ілмпе
Рис. 1.
Потери энергии при включении могут быть представлены интегралом произведения функций тока и напряжения на конечном интервале времени:
]¥у = |[/(г)г'(ОЛ
О (1)
где I; - время переключения.
Принимая линейными формы напряжения и тока линейными выражение (1) можно представить в виде:
\Уу = ит1т1з/6 (2)
Таким образом, суммарные потери энергии на включение и выключение транзистора могут быть найдены путем умножения на частоту работы транзистора f
\У1=ит1пЛ//3 (3)
Например, транзистор работает на частоте ЮОкГц, коммутационный процесс длится 60нс, при Гщах = 30 А, и,^ = 310 В, тогда суммарные потери коммутации составят 18,6 Вт, что отразиться на массо-габаритных показателях устройства в комплексе. Решение задали снижения потерь при переключении являются квазирезонанс-ные инверторы с переключением транзистора при нулевом напряжении. Практической реализацией этой идеи является автономный инвертор с фазовой широтноимпульсной модуляцией (ФШИМ). Силовая часть представляет собой обычный мостовой инвертор (рис. 2), в котором УТ1 - УТ4 - полевые транзисторы, С1-С4, УБ1-УЕ)4 - внутренние паразитные емкости и диоды транзисторов МОБРЕТ.
УТ4
т
Цех
о
С2 С4
ш.
£Ш_
Г)
Рис. 2.
В обычном ШИМ управлений сигнал подается на затворы двух диагональных транзисторов одновременно, затем они остаются открытыми в течение некоторого времени, выдерживается "мертвая пауза" и происходит включение двух других диагональных транзисторов. Для осуществления работы в ШИМ все четыре транзистора должны управляться раздельно. Также следует отметить, что в данном способе управления используются индуктивность рассеяния силового трансформатора Т и паразитные емкости сток-исток транзисторов инвертора, обратные диоды используются как снабберы. Для лучшего представления алгоритма ФШИМ рассмотрим один цикл работы мостового инвертора, при этом будем полагать, что индуктивности рассеяния и магнитной цепи трансформатора обладают свойствами источников тока. В первый момент времени два транзистора УТІ, УТ4 открыты и проводят ток, при этом энергия передается через трансформатор в нагрузку, (рис. 2а). При протекании тока по первичной обмотке в магнитном поле индуктивности рассеяния трансформатора накапливается энергия, этот ток есть сумма токов магнитной цепи трансформатора и приведенного тока нагрузки. Затем система управления выключает транзистор УТ4. Конденсатор СЗ был заряжен до напряжения +1ЮС через открытый транзистор УТ4, с его выключением ток первичной обмотки начинает заряжать от С4 и в то же время разряжать СЗ (рис. 26). Процесс длится то тех пор, пока СЗ не разрядится, затем включается диод УБЗ, ограничивая напряжение на транзисторе УТЗ примерно на
уровне -1В. Ток через трансформатор поддерживается в верхней половине силовой цепи; как показано на рис 2в. Когда напряжение на транзисторе УТЗ становится равным примерно 0, система управления выдает сигнал на включение транзистора УТЗ. Далее ток протекает через открытые каналы транзистора УТ1, УТЗ. Затем транзистор УТ1 выключается, ток трансформатора начинает заряжать и разряжать С1 и С2 соответственно. Требуется определенное время, чтобы напряжение на УТ2 достигло 0. Когда это произойдет, производится его включение с помощью узла управления. Ток протекает через открытые ключи УТЗ, УТ2, энергия передается в нагрузку через трансформатор, а далее процесс повторяется (рис. 2г).
Таким образом, выходное напряжение регулируется не длительностью открытого состояния транзистора, а фазой выключения одного из транзисторов в своей диагонали, в итоге изменяется суммарная длительность цикла, а длительность открытого состояния каждого ключа постоянна. Включение силовых транзисторов происходит фактически без потерь. На рис. 3 представлены диаграммы тока и напряжения транзистора при рассмотренном способе управления.
Рис. з.
Процесс выключения транзистора при данном способе происходит с некоторыми потерями, уменьшить которые можно добавлением внешних конденсаторов параллельно транзисторам, что разносит во времени фронты тока и напряжении при выключении, но при этом потребуется больший ток в первичной обмотке, чтобы обеспечить разрядку конденсаторов.
Энергий, запасенная в резонансной индуктивности должна быть больше, чем энергия; требуемая чтобы зарядить и разрядить емкости ключей и емкость первичной обмотки трансформатора во время резонансного процесса в пределах максимальной длительности времени протекании этого процесса Энергию, запасенную в индуктивности рассеяния, можно вычислить по формуле:
\УЬ = 1 / 21« I2, (4)
где - суммарная индуктивность рассеяния, участвующая в резонансном процессе її- ток первичной обмотки.
Из этого следует, что для получения завершенного резонансного процесса и включения транзисторов при нулевом напряжении необходимо обеспечить достаточные индуктивность рассеяния трансформатора и трансформатора тока первичной обмотки. Работа инвертора на холостом ходу, когда токи трансформатора имеют малую величину, будет проходить при коммутации ключей в обычном режиме,, что может привести к увеличению потерь и выходу преобразователя; из строя. Поэтому применение инверторов с ФШИМ управлением при проведении экспериментальных исследований рекомендовано для диапазона нагрузок от 500 Вт до 10 кВт.
Управление мощным мостовым каскадом с помощью изменения момента переключения одной половины моста относительно другой осуществляет семейство фазовых ШИМ контролеров UC3875x. Микросхемы этого семейства могут применяться в узлах управления источников вторичного питания с обратной связью как по напряжению, так и по току, и имеют встроенную цепь токовой защиты. В них обеспечивается программируемая временная задержка при включении каждого выходного транзистора эта задержка необходима для работы в резонансном: режиме и является независимо управляемой для каждой пары выходов (A-B,C-D).
Схема практической реализации инвертора с устройством ограничения зарядного тока Сб конденсатора разработана на кафедре "Электротехники и Электрооборудования Объектов Водного транспорта".
Список литературы
[1] Перебаскин A.B. Издательство “Додека” - 1997.
[2] Семенов Б.Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов. - М.: Солон - Р, 2001.
THE BRIDGE INVERTER WITH PHASE PULSE-WIDTH MODULATION ON THE BASIS OF PWM-CONTROLLER UC3875X
V V. Alexandrov, V. A. Drobilov
In the given article the bridge inverter on the basis of PWM-controller UC3875X is examined. Features of work of the device with switching power keys at zero voltage are considered.
УДК 621.3:621.1
A. В. Аполлонов, аспирант.
B. В. Александров, к. т. н., профессор.
А. М. Кутузов, старший преподаватель, ВГАВТ.
603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТРЕНАЖЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ СТУДЕНТОВ И ИНЖЕНЕРОВ-ЭЛЕКТРОМЕХАНИКОВ
Рассматриваются вопросы тренажерной подготовки судовых электромехаников. Проводится анализ основных видов компьютерных тренажеров, приводятся их основные технические характеристики, даются рекомендации по их применению.
В настоящее время технологические процедуры, выполняемые персоналом на сложных и небезопасных энергетических, силовых, нефтехимических производствах и установках, описываются тысячами страниц текста. Время их освоения составляет от несколько месяцев до нескольких лет, а оперативная подготовка персонала затруднена. В то же время к квалификации оперативного персонала предъявляются высокие требования, в связи с чем проводится периодическая аттестация. При этом необходимо отрабатывать штатные и внештатные аварийные ситуации, которые часто по требованиям безопасности невозможно смоделировать на реальном объекте.
В сегодняшних экономических условиях, когда даже мелкий ремонт грозит превратиться в неразрешимую проблему, цена ошибок оперативного персонала со слож-
