ОДНОФАЗНЫЙ АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Где, – количество импульсов выпрямленного напряжения за один период переменного напряжения сети; – коэффициент фильтрации (сглаживания) фильтра – коэффициент пульсаций на входе фильтра, равен 0.67 для однофазного двухполупериодного выпрямителя, - коэффициент пульсаций на выходе фильтра, равен 0.05 согласно требованиям к питанию (±5%).Используя полученные расчётные значения и ,необходимо выбрать конденсатор и дроссель с учётом величины напряжения и тока цепи постоянного тока, в соответствии с условиями:2.3.2 Расчет выходного фильтраАналогично предыдущему пункту получим:По стандартному ряду номинальных емкостей Е24 принимаемРасчет мостового выпрямителяМаксимальная сила тока через выпрямительные диоды равна амплитуде тока через полупроводниковый ключ.Обратное напряжение на диодах равно:Используя полученные расчётные значения и ,необходимо выбрать выпрямительные диоды, в соответствии с условиями:3 Проектирование системы управления и защиты3.1 Разработка функциональной схемы системы управленияФункциональная схема системы управления приведена на общей функциональной схеме АИН на рис.1.11, а также на рис.3.1.Рисунок 3.1 – Функциональная схема системы управления3.2 Выбор платы управления или контроллераМикросхема ШИМ-контроллера UC3825 разработана специально для двухтактных импульсных ИВП с высокой частотой переключения. Особое внимание при этом уделялось сокращению задержки распространения сигналов через компараторы и логические схемы и, вместе с этим, расширению полосы частот усилителя сигнала ошибки и повышению крутизны фронтов его сигналов. Контроллер предназначен для систем, работающих с обратной связью по току или по напряжению с возможностью отслеживания возмущающих воздействий входного напряжения.Рисунок 3.1 – Структурная схема ШИМ-контроллера UC3825Схема защиты включает в себя компаратор токового ограничителя с пороговым напряжением равным 1 В, ТТЛ-совместимый порт отключения (вывод 9) и вход "мягкого” запуска (вывод QD). который также позволяет обеспечивать фиксацию максимального значения рабочего цикла. Логическая схема включает в себя ШИМ- фиксатор для предотвращения неустойчивой синхронизации и дрожания импульсов, а также для исключения вероятности появления на выходе сдвоенных импульсов или импульсных пакетов. Схема блокировки микросхемы при недопустимо низком входном напряжении имеет гистерезис равный 800 мВ, что обеспечивает низкий пусковой ток. В случае блокировки микросхемы при понижении входного напряжения, выход переключается в высокоимпедансное состояние.Микросхема ШИМ-контроллера UC3825 имеет два квазикомплементарных выходных каскада, рассчитанных на значительные броски тока (как втекающего, так и вытекающего) при работе на емкостную нагрузку, например такую, как мощный полевой транзистор с изолированным затвором. Включенному состоянию выходов соответствует высокий логический уровень напряжения.Типовая схема включения UC3825 при управлении мостовым инвертором приведена на рис.3.2.Рисунок 3.2 – Микросхема ШИМ-контроллер UC1825, типовая схема включения: DD2 –UC1825, DD3, DD4 – драйверы IR2104Использование драйверов обеспечивает ряд преимуществ [1]:– формирование необходимых уровней сигналов управления транзисторами; – защита транзисторов от превышения тока; – защита транзисторных полумостов от сквозных токов; – выдерживание временной задержки между выключением верхнего и включением нижнего транзисторов полумоста; – блокировка неправильных команд управления.Выбор драйвера осуществляется, исходя из следующих положений [1]:– импульсы управления с выхода контроллера должны иметь амплитуду, достаточную для срабатывания драйвера; – максимальная частота входного сигнала драйвера должна быть больше несущей частоты выдаваемой микроконтроллером; – выходное напряжение драйвера должно быть достаточным для включения силовых транзисторов;По данным приложения 6 [1] выберем драйвер IR2104:Основные характеристики IR2104Управляющие каналы разработаны для нагруженного функционированияполностью работоспособны до +600ВНечувствителен к отрицательным напряжениям при переходных процессахСтойкость к скорости нарастания напряжения (dV/dt)Диапазон напряжения питания драйверов 10…20ВБлокировка при снижении напряжения5В входная логика с триггерами ШмитаЛогика предотвращения поперечной проводимостиСогласованная задержка распространения для обоих каналовВнутренне установленная пауза при переключении каналовВыход драйвера верхнего уровня в фазе со входомВход выключения прекращает работу обоих каналовНапряжение смещения VOFFSET не более 600ВИмп.вых. ток к.з Iо± 130 мА/ 270 мАВыходное напряжение драйверов VOUT 10 – 20ВВремя вкл./выкл. 680/150 нсПауза 520 нсРисунок 3.3 – Типовая схема включения IR2104Таблица 3.1 Назначение выводов IR2104INЛогический вход управления выходами драйверов верхнего и нижнего уровней, в фазе с HO/SDВход выключенияVBНапряжение питания ключей верхнего уровняHOВыход драйвера верхнего уровняVSВозврат питания верхнего уровняVCCПитание драйверов нижнего уровня и логикиLOВыход драйвера нижнего уровняCOMВозврат питания нижнего уровня3.3 Система защиты силового преобразователя3.3.1 Защита от токовой перегрузкиАвтоматические выключателиАвтоматические выключатели являются защитными аппаратами многократного действия и предназначены для защиты вентильных преобразователей от внешних коротких замыканий, опрокидывания инвертора и перегрузок по току. Автоматические выключатели переменного тока устанавливаются в преобразователях или на первичной стороне трансформатора, либо к токоограничительным реакторам в бестрансформаторном варианте. Автоматический выключатель выбирается по условиюгде - номинальный ток автоматического выключателя, А;– наибольший ток на входе преобразователя частоты, А.Выбираем автоматических выключатель:Таблица 3.2 – Параметры автоматического выключателя.Тип устройстваНоминальный ток, Ток теплового расцепителя, Вставка тока отсечки, NZM4-2020 А15-20 А260-500 А3.3.2 Защита от перенапряженийДля защиты от перенапряжения используем супрессор, который по сути, представляет собой мощный, быстродействующий стабилитрон. Условные графические обозначения однонаправленных и двунаправленных супрессоров и их вольтамперные характеристики показаны на рис. 3.4.Рисунок 3.4 – Вольтамперные характеристикидвунаправленного (а) супрессора, а также их условное графическоеобозначение (б)4 Создание имитационной модели для силового преобразователя4.1 Описание имитационной моделиУпрощенная схема виртуальной модели автономного инвертора приведена на рис.4.1. Питание схемы происходит от постоянного источника 314 В (V1). Такое напряжение имеется на выходе мостового выпрямителя и входного фильтра напряжения сети 220 В. В качестве источника ШИМ-сигнала взят источник прямоугольных импульсов (V2)с амплитудой 15 В, и расчетной частотой 5 кГц. Вместо драйверов моста использованы для упрощения два инвертора U1A, B. В первый полупериод импульса включается диагональная связка Q1, Q4 и ток течет через первичную обмотку от Q1 к Q4. Во второй полупериод открывается диагональная связка Q2, Q3 и ток течет через первичную обмотку в обратном направлении.Рисунок 4.1 – Упрощенная виртуальная модель силовой части инвертора в Multisim4.2 Результаты моделированияРезультаты интерактивного моделирования инвертора приведены на рис.4.2. Из которых видно что средняя выделяемая мощность в нем составляет 1.98 кВт. Из диаграммы напряжений на рис.4.3 видно что выходное напряжение в нагрузке составляет 350 В, что соответствует заданному в ТЗ.Рисунок 4.2 – Результаты интерактивного моделирования инвертораРисунок 4.3 – Временная диаграмма выходного напряжения в нагрузкеЗАКЛЮЧЕНИЕВ процессе выполнения курсовой работы проводились литературный обзор по теме исследования, проектирование на структурном и функциональном уровне, выбор и обоснование элементов функциональной схемы однофазного автономного инвертора напряжения, моделирование силовой части устройства в симуляторе электронных схем Multisim.В результате выполнения работы разработана – электрическая функциональная схема однофазного автономного инвертора напряжения для электропитания устройств радиосвязи.Основные конструктивные и технико-эксплуатационные показатели:Выходная мощность АИН в нагрузке – 2000 Вт;Число выходных каналов – 1;Выходное напряжение – 100 В;Выходной ток – 20 А;Диапазон рабочих температур – 55…+125ºC;Эффективность определяется использованием современной электронной базы от ведущих производителей электроники, обладающей высоким уровнем технологичности, компактности, надежности. В целом результаты выполнения курсовой работы вполне соответствуют поставленным задачам и целям.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВМартынов, А.А. Силовая электроника. Ч. II: Инверторы и преобразователи частоты: учеб. пособие / А. А. Мартынов. – СПб.: ГУАП, 2012. –144 с.: ил. Кобзев А.В., Коновалов Б.И., Семенов В.Д. Энергетическаяэлектроника: учеб. пособие. – Томск: Изд-во ТУСУРа, 2003. – 172 с.Преобразовательная техника. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. / Сост.: А. А. Лопатин., А. В. Казанцев. Красноярск: ИПЦ ПИ СФУ, 2007. 79 с. Мишуров В.С., Семенов В.Д. Энергетическая электроника:учеб.- метод. пособие. – Томск: ТМЦДО, 2007. – 174 с.Петрович В.П. Силовая электроника: учеб. пособие / В.П. Петрович, А.В. Глазачев. – Томск: Изд-во ТПУ, 2013. – 207 с.Мэк Р. Импульсные источники питания. Теоретические основы проектирования и руководство по практическому применению/Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Додэка - XXI», 2008. – 272 с.Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование.: Пер. с англ. – К.: «МК-Пресс», 2007. – 288 с.Ефимов И.П. Источники питания РЭА: Учебное пособие. – 2-е изд., испр.Ульяновск: УлГТУ, 2002. – 136 с.Савелов А.А. Расчет импульсных источников питания устройств авионики: учебное пособие. - М.: МГТУ ГА, 2015. – 96 с., 66 ил., 30 табл., лит.: 24 наим.Иванов-Цыганов А.И. Электропреобразовательные устройства РЭС.: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника». – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1991. – 272 с. Арсеньев Г.Н., Литовко И.В. Электропреобразовательные устройства РЭС: учебное пособие / Под ред. Г.Н. Арсеньева. – М.: ИД «ФОРУМ»: ИНФВА-М, 2008. – 496 с.Березин О.К., Костиков В.Г., Шахиов В.А. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. – М.: «Три Л», 2000. – 400 с.ПРИЛОЖЕНИЕ А. Схема электрическая функциональнаяПРИЛОЖЕНИЕ Б. Силовая часть преобразователяПРИЛОЖЕНИЕ В. Перечень элементовсиловой частиЗонаПоз. обозначениеНаименованиеКолПримечаниеКонденсаторыС1К30-35-75 мкФ 20%1С2К30-35-1 мкФ 20%1ИндуктивностиL1КИГ-0.447Гн1L2КИГ-10мГн1ДиодыBr1GBJ2504-F2(мост диодный)ТрансформаторыT1144/1951ТранзисторыVT1-VT4IRF7504СупрессорыVS1P6SMB200CA21 на 200 ВПредохранителиSU1-SU2NZM4-202