Проект гелеоисточника для энергохозяйства (стр. 4 из 11)
FLT-CLR – вход сброса ошибки (вывод 2).
SD – логический вход выключения.
САО – выход усилителя тока.
СА– – инверсный вход усилителя тока.
СА+ – неинверсный вход усилителя тока.
Микросхема имеет вход токовой защиты ITRIP рис. 2 (ВТЗ, рис. 1) и выход ошибки FAULT рис. 2.2 (ВыхО, рис. 2.1). При срабатывании токовой защиты (сигнал снимается с датчика тока ДТ, рис. 2.1) микросхема переводит все выхода в высокоимпедансное состояние и работа схемы приостанавливается, на выходе ошибки появляется логический сигнал высокого уровня. Сбрасывается ошибка путем подачи на вход FAULT-CLR (рис. 2.2) логического сигнала низкого уровня.После драйвера сигнал поступает на силовые модули (СМ рис. 2.1), а затем на нагрузку (Н рис. 2.1). В блоке силовых ключей встроен датчик температуры (ДТР рис. 2.1), который останавливает работу схемы при превышении допустимой температуры, сигнал поступает на вход ошибки FAULT_IN (рис. 2.2) (ВО БУ (рис. 2.1)).
Датчики напряжения ДН (рис. 2.1) и блок обработки выходного сигнала (БОВС рис. 2.1) вместе являются обратной связью. Сигнал обратной связи принимается на вход регулирования выходного напряжения, путем изменения напряжения на входе аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) (рис. 2.1). Все блоки в схеме питаются от блока питания (БП рис. 2.1). Схема блока питания (рис. 2.6) была заимствована с разработки блока питания используемого в автоматизированном электроприводе фирмы «Relains». Для данной схемы ниже рассчитан трансформатор.
Схема управления работает следующим образом. Включается система управления кнопкой S1 (рис. 2.2). БЗ задает параметры выходных импульсов БУ.
На выходах ВШ БУ формируются импульсы управления силовыми ключами. Однако широтно-модулированные импульсы задается относительно общего проводника схемы. Для ключевого транзистора нижнего уровня этого вполне достаточно, сигнал можно непосредственно подавать на затвор (базу), так как исток (эмиттер) связан с общим проводом. Если транзистор нижнего уровня находится в закрытом состоянии, a верхнего уровня открыт, на истоке транзистора верхнего уровня присутствует напряжение питания Un. Поэтому для управления транзисторами верхнего уровня необходима гальванически развязанная с общим проводом схема, которая четко будет передавать импульсы схемы управления не внося в нее искажений. Микросхема IR2135 решает эту проблему, имея отдельно выхода управления ключевыми транзисторами нижнего и верхнего уровней, а также защищает силовые ключи от таких эффектов как скорость нарастания тока, скорость нарастания напряжения и сквозных токов [2].
Датчики обратной связи контролируют выходное напряжение, далее сигналы поступают на БОВС. С помощью датчиков напряжения и БОВС схема управления поддерживает выходное напряжение инвертора в заданных пределах. При просадке выходного напряжения, если это не короткое замыкание в нагрузке, напряжение на выходе датчиков упадет, а на выходе БОВС увеличится, следовательно, увеличится напряжение на входе БУ (ВхАЦП). Данное напряжение регулирует коэффициент заполнения ШИМ, от которого зависит выходное напряжение инвертора. Как только напряжение на входе ВхАЦП увечится, то возрастет выходное напряжение. Время срабатывания датчика напряжения составляет 0,3 мкс, что гораздо меньше величины периода выходного напряжения.
2.2 Расчет элементов схемы системы управления
Для каскада на операционном усилителе DD 1.4. определили из соотношения 2.1 значения сопротивлений R34, R44, R35 исходя из условия, что коэффициент усиления Ku=10, а сопротивления R34 = R35.
Приняли равными:
R44 = 100 Ом;
R34 = R35 = 1 кОм [14];
Каскад на операционном усилителе DD 4.4 вместе с резисторами R45, R46, R57, R58 является сумматором, складывает выходной сигнал с каскадов на DD 1.4, DD 4.1, DD 4.2, DD 4.3. Для определения значений сопротивлений воспользовались условием равенства R45 = R46 = R57 = R58 и соотношением [13]:
1/R52 = 1/R45 + 1/R46 + 1/R57 + R58 (2.2.)
Приняли равными:
R45 = R46 = R57 = R58 = 1 кОм;
R52=250 Ом [14];
Значения резисторов R38, R49, R50, R51 приняли равными 10 кОм.
Операционные усилители выбрали TL084ACN (4 в одном корпусе), основные параметры свели в таблицу 2.3 [12].
Таблица 2.3. Основные параметры операционного усилителя TL084АСN
| № | Название параметра. | Значение и единица измерения |
| 1. | Напряжение питания | ± 3,5… ± 18 В |
| 2. | Входной ток | 0,05 нА |
| 3. | Коэффициент усиления | 70 Дб |
| 4. | Входное сопротивление | 1000000 МОм |
| 5. | Тип корпуса | DIP 14 |
Также для каскадов на DD1.1, DD1.2 и DD 1.3 по формулам 2.1, 2.2 определи значения сопротивлений R1 – R6, R10, R17 – R19, R28 – R29.
Получили значения:
R1 = 3 кОм;
R2 = R4 = R6= R7 = R8 = R9 = R19 = R20 = R31 = 10 кОм;
R3 = R5 = R10 = R21 = R30 = 1 кОм; [14]
Диоды VD1 – VD3 в обвязке драйвера приняли HFA25PB60, (из описания на микросхему IR2135). Значения номиналов конденсаторов С1 – С5 также приведены производителем в документации [2].
Получили значения емкостей конденсаторов:
С1 = С2 = 47 мкФ;
С3 = С4 = С5 = 0,1 мкФ [15];
Для микросхемы Motorola MC3PHAC из документации были взяты номиналы элементов для автономного режима для задания требуемых выходных параметров. Выходная частота инвертора 50 Гц, частота ШИМ 5,3кГц. Микросхема позволяет задавать частоту ШИМ до 20 кГц однако, при ее увеличении значительно возрастают потери в силовых ключах. Выбранные IGBT – транзисторы позволяют работать на заданной (5,3 кГц) частоте, при минимальных потерях на переключение. Частота ШИМ задается напряжением на входе PWMFREQ/FxD [1].
Значения элементов в обвязке микросхемы МС3РНАС:
Резисторы:
R11 = R23 = R24 = R28 = 10 кОм;
R12 – R18 = 56 Ом;
R22 = R26 = R32 = 4,7 кОм;
R27 = R29 = R36 = R41= 1 кОм;
R37 = R40 = R42 = 3 кОм [14];
Конденсаторы:
С6 = С7 = 0,1 мкФ;
С8 = С9 = 0,22 мкФ [15];
Кварцевый генератор НС‑49 с частотой импульсов 4 МГц.
Кнопка без фиксации SB1 – B170H;
Кнопка с фиксацией S1 – PS850L;
Светодиод VD4 – КИПД 24 А-К;
Блок питания системы управления питает микросхемы управления, драйвера, операционные усилители, а также датчики напряжения и тока. Исходя из этого блок питания должен обеспечивать следующие выходные напряжения: ±15 В; +12 В; +5 В. Блок питания разработанный фирмой «Relainse» для питания электроники управления электроприводом подходит для питания элементов системы управления гелеоисточника. Схема электрическая принципиальная показана на рис. 6. Блок питания построен по схеме двухтактного импульсного (ключевого) источника питания. Это современные источники питания с высоким КПД. Традиционные линейные источники питания с последовательным регулирующим элементом сохраняют постоянное выходное напряжение при изменении входного напряжения или тока нагрузки благодаря изменению своего сопротивления. Линейный регулятор(стабилизатор) поэтому может быть очень неэффективным. Импульсный источник питания, однако, использует высокочастотный ключ (транзистор) с переменными величинами включенного-выключенного состояний, чтобы стабилизировать выходное напряжение. Пульсации выходного напряжения, вызванные ключевым режимом, отфильтрованы LC фильтром. Для данного блока питания рассчитали трансформатор TV2, с требуемыми выходными параметрами. Режим работы трансформатора отличается от режима работы, например, в выпрямительных устройствах, силовых цепях синусоидального напряжения. Напряжение, приложенное к первичной обмотке, имеет прямоугольную форму. Расчетные соотношения с учетом основные допущений [8]:
1) скорость перемагничивания сердечника постоянна;
2) дополнительные потери в первичной обмотке, вызванные намагничивающим током, не учитываются;
3) оптимальным является сочетание конструктивных данных, при котором отношение потерь мощности в каждой из обмоток к мощности, передаваемой через нее одинаково;
4) удельное сопротивление обмоток, расположенных вблизи и вдали от зон повышенного нагрева, считается одинаковым.
Исходные данные для расчета:
совокупность чисел, характеризующих фазность обмоток: m1=2, m2=3;
напряжение, подключённое к вторичной обмотке: U21=±15 В; U22=5; U23= 12
мощность: P2=60 Вт;
электродвижущая сила (ЭДС) прикладываемая к первичной обмотке: E1=600 B;
частота коммутаций силовых ключей: f=30 кГц;
температура окружающей среды: То=20 оС;
максимально допустимая относительная величина тока намагничивания:
Immax<=0.2;
максимально допустимая температура наиболее нагретой точки трансформатора: Tт max=130 оС;
коэффициент теплоотдачи: a=1.2×10-3 Вт/(см2 К);
коэффициент полезного действия (КПД): h=0.9.
максимальный коэффициент заполнения окна сердечника обмотки: l0 max=0.7.
Расчёт ориентирован преимущественно на проектирование трансформаторов тороидальной конструкции и состоит из двух частей: оценочного и конструктивного.
Целью оценочного расчета является определение основных параметров трансформатора, выполненного на кольцевом сердечнике разных типоразмеров их стандартного ряда.
Для работы на частоте от 10 кГц и выше в качестве материала сердечника применяются ферриты 2000НМ‑1, 1500НМ‑1 и др. Выбирали марку сердечника. Для этого построили зависимости удельных потерь мощности в сердечнике от перепада индукции DВ в нём:
(2.3)где Рс - потери мощности в сердечнике, Вт;
Vc - объём сердечника, м3.
Использовали выражение:
(2.4)где f – заданная частота, кГц;
DВ-изменение магнитной индукции в сердечнике трансформатора за ту часть периода Т/2, когда это изменение происходило в одном направлении, Тл;
Hco, dHc/dBm, Rв – величины найденные по таблице 2.4.