Смекни!
smekni.com

Стабилизатор тока электродиализатора (стр. 2 из 13)


3. Разработка электрической принципиальной схемы устройства

3.1 Расчет параметров и выбор элементов силовой части

По техническим требованиям:

- амплитуда входного напряжения

;

- средний выходной ток

;

- пульсации тока на частоте преобразования

;

- частота преобразования

.

Диаграммы работы преобразователя приведены на рисунке 3.1. Диаграммы работы показывают работу одного непосредственного преобразователя т.к. диаграммы работы второго будут идентичны, за исключением сдвига в 180 градусов.

На вход преобразователя подается выпрямленное синусоидальное напряжение амплитудой 70В. На рисунке 3.1 показаны напряжения управления транзисторами с частотой преобразования 40 кГц. При расчете были заложены пульсации выходного тока в 10 процентов, но так как у нас два преобразователя включенных параллельно, то фактические пульсации будут в два раза меньше.

Действующий ток на выходе преобразователя рассчитывается по формуле:

(3.1)

Мощность нагрузки рассчитывается по формуле:

(3.2)

Активное сопротивление рассчитывается по формуле:

(3.3)

Максимальный ток в нагрузке рассчитывается по формуле:

(3.4)

При равном распределении мощности в обоих каналах получим ток каждого канала по формуле:

(3.5)

Действующий ток нагрузки рассчитывается по формуле:

(3.6)

Максимальные пульсации тока будут при относительной длительности импульса равной 0.5 и рассчитываются по формуле:

(3.7)

Определим индуктивность дросселя по формуле:

(3.8)

3.1.1 Расчет силового дросселя

Выбираем Ш - образный сердечник из материала N87 фирмы Epcos [7]. Конструктивные параметры которого приведены на рисунке 3.2 в мм.

В таблице 3.1. приведены эффективные параметры сердечника.

Таблица 3.1 - Эффективные параметры

C1, мм-1 Ae, мм2 Le, мм Ve, мм3 AL, нГн/N2
0.27 535 147 78600 526(N87)

где C1 – коэффициент формы сердечника(MagneticCoreFactor);

Ae – эффективная площадь сечения магнитопровода;

Le – эффективная длина средней магнитной линии сердечника;

Ve – эффективный магнитный объем;

AL – индуктивность на виток.

Произведем расчет площади сердечника по формуле 3.9.

(3.9)

Введем зазор

. Магнитная постоянная

Подставим значения в формулу 3.10 и получим число витков

(3.10)

округлим значение число витков до 15.

Индукция насыщения рассчитывается по формуле 3.11

(3.11)

Зададимся значением коэффициента укладки

и плотности тока

Необходимая площадь сечения провода:

(3.12)

Определим площадь провода:

(3.13)

выполняется соотношение

Площадь провода диаметром равным 1.1 мм:

(3.14)

Число жил в витке:

(3.15)

округляем значение до 6 жил в витке.

Высота окна

вычисляем ширину окна

(3.16)

Таблицы обмоточных данных приведены в Приложении Б.

3.1.2 Выбор выходных диодов

Начальными параметрами для выбора силового диода являются максимальное обратное напряжение и максимальный средний ток через диод. Наибольший средний ток на диодах будет при максимальном выходном токе стабилизации т.е. при 70А на выходе преобразователя при коротком замыкание в нагрузке. Преобразователе имеет два одинаковых канала которые делят средний ток по полам, поэтому максимальный средний ток в диодах будет равен:

(3.17)

очистка щелочной электродиализ устройство

Максимальное обратное напряжение на диоде будет во время открытого ключа VT1 (рис) и составляем максимально возможное входное напряжение.

Выберем диоды 80CPQ150 фирмы International Rectifier[8]. В одном корпусе содержаться два диода Шотки. Параметры диода:

IF(AV)=80 А – среднее значение прямого тока в диоде при температуре t=90°C;

VR=150 В – максимальное обратное напряжение;

VFM=1.09 В – максимальное прямое напряжение при t=25°C (из графика в документации).

Определим максимальные статические потери в диоде:

(3.18)

Общие потери в выходных диодах:

(3.19)

3.1.3 Расчет и выбор силовых транзисторов

Появление в 70-х годах прошлого века высоковольтных полевых транзисторов с вертикальной структурой произвело переворот в схемотехнике и характеристиках источников вторичного электропитания (ИВЭП). Высокие скорости переключения, отсутствие насыщения, простота управления затворами, устойчивость к перегрузкам по току и dV/dt позволили проектировать ИВЭП с частотами преобразования до сотен килогерц и удельными мощностями свыше 1000 Вт/дм3. В то же время по статическим потерям MOSFET значительно проигрывали биполярным транзисторам и тиристорам, что ограничивало их применение в мощных преобразователях. Поэтому основные усилия фирм-производителей были направлены на уменьшение величины сопротивления в открытом состоянии и увеличение максимального напряжения «сток — исток».

В 1998 году компания InfineonTechnologies представила новый тип MOSFET-транзисторов под торговой маркой CoolMOS с напряжением «сток — исток» в закрытом состоянии 600 и 800 В, в которых удалось снизить сопротивление в открытом состоянии более чем в 5 раз по сравнению с обычными полевыми транзисторами с вертикальной структурой. Помимо сверхнизких статических потерь транзисторы CoolMOS обеспечивают более высокую, чем у MOSFET, скорость переключения благодаряменьшей площади кристалла и, как следствие, более низкие потери переключения.

Общим недостатком полевых транзисторов с вертикальной структурой является наличие паразитного антипараллельного диода с неудовлетворительными характеристиками обратного восстановления, что очень усложняет их использование в преобразователях с рекуперацией реактивной энергии. Это заставляет производителей разрабатывать технологии, позволяющие улучшить характеристики встроенного диода. Примером может служить семейство транзисторов HiPerFET компании IXYS.

Второй подход к решению данной проблемы заключается в блокировке паразитного диода последовательным с транзистором диодом Шоттки и подключении встречно-параллельно диода ULTRAFAST или SiC (рисунок 3.3). Приборы, реализующие этот принцип, выпустила компания AdvancedPowerTechnology. Однако наличие последовательного диода резко увеличивает статические потери по сравнению с одиночным MOSFET[9].

Для выбора силового транзистора требуются следующие параметры:

- амплитуда входного напряжения

;

- действующий выходной ток

.

С учетом этих параметров выбираем транзистор IRFPS3815 фирмы InternationalRectifier[10]. С параметрами:

- максимальное напряжение ключа VDSS=150 В;