Исследование транзисторного инверторного источника питания для установки ультразвуковой отсечки

Размещено на http://www.allbest.ru

Работа №11

Исследование транзисторного инверторного источника питания для установки ультразвуковой отсечки.

Цель работы: приобретение знаний и умений в области транзисторных инверторных источников питания, изучение энергетических, внешних и регулировочных характеристик транзисторного инверторного источника питания.



Краткие теоретические сведения

Ультразвуковая очистка различных деталей и устройств широко применяется в машиностроении, автомобилестроении, при производстве часов и во многих других отраслях промышленности, а также в медицине. В качестве преобразователей энергии магнитного и электрического полей в энергию механических колебаний используются магнитострикционные или пьезокерамические преобразователи. В качестве источников питания применяются ламповые, тиристорные или транзисторные генераторы мощностью 1; 1,6; 2,5; 4; 10; 25 кВт и частотой 16, 18, 22 кГц. Выходное напряжение таких генераторов составляет 440 В.

Принципиальная электрическая схема транзисторного инверторного источника для питания магнитострикционного преобразователя мощностью 4 кВт, частотой 18 кГц и напряжением 440 В приведена на рис. 9.1.

Источник питания состоит из трехфазного двухполупериодного выпрямителя на диодах VD1-VD6, сглаживающего фильтра L1.1, L1.2, С1, выходное напряжение которого равно 500 В, регулируемого мостового транзисторного инвертора напряжения VT1, VT2, VT3, VT4, VD7-VD14, VD15-VD18 последовательного фильтра L3, С2, высокочастотного согласующего трансформатора , к первичной обмотке которого подключен компенсирующий конденсатор С3, магнитострикционного преобразователя МП с компенсирующим конденсатором , трансформатора и выпрямителя VD15-VD18, обеспечивающего формирование тока подмагничивания для магнитострикционного преобразователя МП, блокировочного фильтра L5, С6 и разделительного конденсатора С4. Элементы схемы VD9-VD12 и L2, L4 обеспечивают «нормальный» режим работы силовых транзисторов VT1, VT2, VT3, VT4 как при индуктивной, так и при емкостной настройке нагрузки (МП) в диагонали инверторного моста.

Рис. 11.1. Принципиальная электрическая схема транзисторного инверторного источника питания магнитострикционного преобразователя

Схема замещения магнитострикционного преобразователя МП с подключенным конденсатором приведена на рис. 11.2.

Рис. 9.2. Схема замещения магнитострикционного преобразователя МП

В схеме, изображенной на рис. 11.2, использованы следующие обозначения: Lэ -- собственная индуктивность заторможенного МП; Rэ -- сопротивление потерь на вихревые токи и гистерезис в материале сердечника МП; Lм, См, Rм -- эквивалентны массе, гибкости и сопротивлению механических потерь на внутреннее трение, а также акустическому сопротивлению нагрузки. Для магнитострикционного преобразователя, например, ПМС 4/18 (4 кВт, 18 кГц, 440 В) при полной нагрузке характерны следующие соотношения параметров:

1) , -- механическая добротность;	(11.1)
2) ,	(11.2)
где ;	(11.3)
3) .	(11.4)

Величина емкости компенсирующего конденсатора при работе на частоте механического резонанса равна:

.	(11.5)

Расчет параметров элементов схемы замещения МП для конкретных соотношений параметров осуществляется по следующим формулам:

;	(11.6)
;	(11.7)
;	(11.8)
;	(11.9)
.	(11.10)

На частоте механического резонанса действующее значение тока, протекающего через МП равно:

.	(11.11)

Для эффективной работы МП величину тока подмагничивания, постоянного тока, протекающего через обмотку МП, выбирают приблизительно равной .

Действующее значение переменной составляющей тока, протекающего через блокировочный дроссель , выбирается в десять раз меньше чем . Отсюда:

;	(11.12)
;	(11.13)
.	(11.14)

При таких соотношениях параметров величина напряжения переменного тока на конденсаторе составляет приблизительно 20 В, это не приведет к выходу из строя низковольтных диодов VD15-VD18. Нагрузкой для выпрямителя является активное сопротивление проводов обмотки дросселя и проводов обмотки магнитострикционного преобразователя МП, поэтому для обеспечения необходимого значения тока подмагничивания достаточно напряжения постоянного тока 10…15 В.

Для предотвращения протекания тока подмагничивания через вторичную обмотку силового согласующего трансформатора включен разделительный конденсатор , величина емкости которого выбирается равной:

.	(11.15)

транзисторный инверторный преобразователь

Принцип работы и способ регулирования напряжения на нагрузке рассмотрим на примере более простой схемы, приведенной на рис. 11.3.

Рис. 11.5. Схема замещения для расчета транзисторного инверторного

ультразвукового источника питания

При трансформации схемы, изображенной на рис. 11.1, в схему, приведенную на рис. 11.3, использованы следующие допущения: , , , , , , трансформатор является идеальным, коэффициент трансформации которого равен единице, магнитострикционный преобразователь работает на частоте механического резонанса. Его реактивный ток полностью скомпенсирован конденсатором . Тогда в соответствии с принятыми допущениями:

.	(11.16)



Параметры элементов последовательного фильтра выбираются из следующего расчетного соотношения:

.	(11.17)

Временные диаграммы, поясняющие работу схемы, изображенной на рис. 11.3, приведены на рис. 11.4.

Рис. 11.4. Временные диаграммы, поясняющие работу схемы, приведенной на рис. 11.3

Для выполнения лабораторной работы исследование транзисторного инверторного источника питания для установки ультразвуковой очистки применяется программный продукт Matlab 2012 и его приложение Simulink. Для расчета параметров элементов силовой схемы,которые будут использоваться при моделировании в приложении Simulink,используется схема замещения транзисторного инверторного источника питания , приведенна на рис.11.5 В схеме замещения приведеннной на рис.11.5 в отличии от схемы, изображенной на рисунке 11.1, отсутствует входной неуправляемые выпрямитель и сглаживающий фильтр, установленный на его выходе. Все элементы устройства ,подмагничивания магнитостойкого преобразователя. Это не вносит существенной погрешности в выполняемые расчеты. В схеме замещения,показанной на рис.11.5 использованы следующие обозначения:

R1 и R3- сопротивления первичной и вторичной обмоток силлового высокочастотного сглаживающего трансформатора.

R2 - сопротивление «цепи» намагничивания.

R4 - сопротивление обмотки и сопротивление потерь на гистерезисе и вихревые токи в сердечнике магнитоструктурного трансформатора,

L7,C4,R5 - эквиваленты массе, гибкости и сопротивлению механических потерь на внутреннее трение и аккустическому сопротивлению нагрузки,

L1,L8 - индуктивности, ограничивающие скорость нарастания тока через силовые транзисторы,

L3,L5- индуктивности рассеяния первично й и вторичной обмоток сглаживающего трансформатора

L4- индуктивность намагничивания трансформатора,

L6 - собственная индуктивность заторможенного магнитоструктурного преобразователя,

L1,L2 - последовательный резонансный фильтр

С2 - конденсатор, компенсирующий индуктивности рассеяния первичной обмотки и индуктивности,внносимые из «цепи» вторичной обмотки,

C3 - конденсатор, компенсирующий раективные токи магнитоструктурного преобразователя

При построении временных диаграмм принято также допущение, что транзистор и диоды являются элементами без потерь:

.

Амплитудное значение первых гармоник напряжения между точками А и В схемы, напряжение на Rэкв и тока в диагонали инверторного моста в зависимости от угла сдвига фаз между управляющими импульсами транзисторов VT1, VT2, VT3, VT4 рассчитываются по следующим формулам:

;	(11.18)
;	(11.19)
,	(11.20)

где -- угол сдвига фаз между управляющими импульсами транзисторов VT1 и VT4. Изменяя с помощью управляющего устройства (на рис. 11.1 и рис. 11.5 оно не показано) угол сдвига фаз между управляющими импульсами транзисторов можно регулировать или стабилизировать напряжение на нагрузке (, МП).

Из временных диаграмм видно, что в момент времени включается транзистор VT3 при проводящем ток диоде VD14 и в момент времени включается транзистор VT4 при проводящем ток диоде VD13. За счет того, что полупроводниковые диоды проводят ток в обратном направлении в течении приблизительно 0,3…0,5 микросекунд, а вступающие в работу транзисторы должны находится в режиме насыщения, многократно возрастают потери при включении транзисторов. Это приводит к выходу транзисторов из строя, их разрушению. Чтобы исключить подобные явления, в схему включены дополнительные диоды VD9-VD12 и дополнительные «коммутирующие» индуктивности и (см. рис. 11.1). За счет этого транзистор VT3 включается при ранее проводившем ток диоде VD12 и величина обратного тока диода VD12 ограничивается коммутирующей индуктивностью . Кроме стабилизации амплитуды механических колебаний МП система управления должна формировать частоту управления «близкую» к частоте механического резонанса МП.

Функциональная схема системы автоматической подстройки частоты на частоту резонанса механических колебаний МП приведена на рис.11 .3.

Рис. 11.3. Функциональная схема системы автоматической подстройки частоты

Угол сдвига фаз между током механической ветви и напряжением определяется из следующего уравнения:

.	(11.21)



Если , ток отстает по фазе от напряжения и . Если , ток опережает по фазе от напряжения и .

Схемным путем сравнительно легко реализовать формирование напряжения, среднее значение которого пропорционально . Временные диаграммы, поясняющие формирование такого напряжения, приведены на рис. 9.6. Пунктиром на рисунке показано напряжение, которое на 90° опережает напряжение .

Среднее напряжение пропорционально фазе и равно:

.	(11.22)

Рис. 11.6. Временные диаграммы, поясняющие формирование напряжения, среднее напряжение которого пропорционально



Для обеспечения автоматической подстройки частоты на частоту механического резонанса передаточные характеристики , , должны иметь вид, представленный соответственно на рис. 11.7, рис. 11.8 и рис. 11.9.

Рис. 11.7. Зависимость

Рис. 11.8. Зависимость



Рис. 11.9. Зависимость

Tочность поддержания заданного значения определяется отношением к :

.	(11.23)

По приведенным выше уравнениям можно рассчитать параметры элементов схемы замещения магнитострикционного преобразователя при заданных значениях , , ,., .

Параметры этих элементов используются в прикладной компьютерной программе расчета транзисторного ультразвукового инверторного источника питания, которая позволяет рассчитать переходные и установившиеся режимы работы, потери в элементах схемы и гармонический состав токов и напряжений на элементах.

Последовательность выполнения работы

Для выполнения лабораторной работы используется прикладная компьютерная программа расчета переходных и установившихся режимов работы транзисторного ультразвукового инверторного источника питания. Схема замещения транзисторного ультразвукового инверторного источника питания, рассчитываемая по этой программе, приведена на рис. 9.10.

Для элементов схемы замещения МП на рис. 9.10 использованы следующие обозначения , , , , компенсирующий конденсатор .

Рис. 11.10. Схема замещения транзисторного инверторного источника питания

Схема замещения, изображенная на рис. 11.10 может быть описана следующей системой алгебраических и дифференциальных уравнений:

;	(11.24)
;	(11.25)
;	(11.26)
;	(11.27)
;	(11.28)
;	(11.29)
;	(11.30)
;	(11.31)
;	(11.32)
;	(11.33)
;	(11.34)
;	(11.35)
;	(11.36)
;	(11.37)
;	(11.38)
;	(11.39)
;	(11.40)
;	(11.41)
;	(11.42)
;	(11.43)
;	(11.44)
;	(11.45)
;	(11.46)
;	(11.47)
,	(11.48)

где -- пороговые значения напряжения для спрямленных характеристик транзисторов; -- динамические сопротивления транзисторов, работающими в режиме насыщения или в режиме отсечки; -- пороговые значения напряжения для спрямленных характеристик диодов ; -- динамические сопротивления диодов для интервалов их открытого или закрытого состояния.

В уравнениях (11.25)-(11.27), (11.29)-(11.36), (11.38)-(11.40) производные переменных величин заменяются на комбинацию значений переменных величин, исходя из разложения функции вряд Тейлора с точностью до второй производной, например:

,	(11.49)

где -- значение , найденное на предыдущем расчетном шаге, в момент времени ; -- значение , найденное на предшествующем предыдущему расчетном шаге, в момент времени ; -- неизвестное и подлежащее расчету значение на следующем расчетном шаге после момента времени , в момент времени ; -- величина расчетного шага по времени.

Используя уравнение (11.49) исходная система алгебраических и дифференциальных уравнений преобразуется в систему только алгебраических уравнений, которая на каждом расчетном шаге решается классическими методами, например, методом Гаусса. Конкретные значения , , для каждого расчетного задания задает преподаватель. Параметры элементов схемы замещения силового согласующего высокочастотного трансформатора (см. рис. 11.9) рассчитывается по следующим формулам:

;	(11.50)
;	(11.51)
;	(11.52)
;	(11.53)
;	(11.54)
,	(11.55)

где -- расчетная мощность трансформатора; -- номинальное значение напряжения, прикладываемого к первичной обмотке трансформатора; -- номинальное значение тока, протекающего через первичную обмотку трансформатора; -- частота следования управляющих импульсов транзисторов.

Величина емкости компенсирующего трансформатора (см. рис. 11.10) равна:

.	(11.56)

Перед выполнением лабораторной работы студенты предварительно по заданию преподавателя для своего варианта расчетного задания рассчитывают режим работы, параметры элементов схемы замещения, изображенной на рис. 11.10. Варианты расчетных заданий приведены в таблице 11.1.

Для всех вариантов расчетного задания используют одинаковые значения:

;	;	;	;
;	;	;	;

Таблица 11.1

Варианты расчетного задания

№	, В	, Вт	, кГц		, ВА
1	440	4000	18	5	4400
2	440	4000	18	10	4400
3	440	4000	22	5	4400
4	440	4000	22	10	4400
5	440	2500	18	5	2750
6	440	2500	18	10	2750
7	440	2500	22	5	27500
8	440	2500	22	10	2750
9	440	1600	18	5	1760
10	440	1600	18	10	1760
11	440	1600	22	5	1760
12	440	1600	22	10	1760
13	440	1000	18	5	1200
14	440	1000	18	10	1200
15	440	1000	22	5	1200

Для своего варианта расчетного задания рассчитывают параметры элементов схемы замещения (см. рис. 11.10) по следующим формулам:

-- (9.50), (9.52), (9.54); -- (11.7);

, , , -- (11.53);

-- (9.51), , -- (11.8);

, , , -- (11.9).

Рассчитанные значения параметров элементов схемы замещения заносят в прикладную компьютерную программу расчета ультразвукового транзисторного инверторного источника питания.

С помощью данной программы определяются следующие величины: -- мощность, потребляемая от источника напряжения постоянного тока ; -- «механическая» мощность, выделяемая в резисторе ; -- потери в транзисторах; -- потери в трансформаторе; -- потери в диодах; -- амплитудное значение первой гармоники напряжения на МП; -- амплитудное значение первой гармоники тока в «механической ветви»; -- амплитудное значение первой гармоники напряжения на первичной обмотке силового согласующего трансформатора; -- амплитудное значение первой гармоники напряжения на конденсаторе; , , , , , , , -- максимальное и среднее значение токов, протекающих через транзисторы и диоды; -- амплитудное значение первой гармоники тока в диагонали инверторного моста; -- напряжение, пропорциональное углу сдвига фаз между и

Перечисленные выше величины, полученные с полученные с помощью программы, заносят в таблицу 11.2 для различных значений частоты управления .

Таблица 112

Результаты расчета по прикладной компьютерной программе

f

Pd

Pмех

Pтранз

Pтранс

Pдиод

x18(1)

x7(1)

x6(1)

x9(1)

x15(1)

Гц

Вт

Вт

Вт

Вт

Вт

А

В

А

В

В

В

А

Частоту управления устанавливают равной:

, где .

Данные, занесенные в таблицу 11.2 показывают как изменяются напряжение на элементах схемы и токи, протекающие через основные элементы схемы при независимом управлении частотой.

Для осуществления автоматической подстройки частоты -- фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ) напряжение управления , которое преобразуется в частоту управления , формируется на основании схемы замещения, изображенной на рис. 9.11.

Рис. 11.11. Схема замещения корректирующего звена

На вход схемы замещения подается разность напряжения задания и напряжения обратной связи , которое пропорционально разности фаз тока «механической ветви» и напряжения на МП.

Параметры элементов , а величина емкости конденсатора выбирается из соотношения:

.

Уравнение для имеет следующий вид: .

Принцип преобразования напряжения управления в частоту пояснен на временной диаграмме, изображенной на рис. 11.12.

Рис11.12. Временные диаграммы, поясняющие преобразование напряжения управления в частоту

В зависимости от величины управления формируется половина периода частоты управления ; ; .

В прикладной компьютерной программе расчета транзисторного ультразвукового инверторного источника питания напряжение обратной связи = 1 В при настройке на механический резонанс, напряжение управления формирует частоту управления равной частоте механического резонанса 18 кГц. А напряжение управления формирует частоту управления равную частоте механического резонанса 22 кГц.

Результаты исследования системы ФАПЧ заносят в таблицу 11.3 для = 1 В и для двух значений и при для частоты механического резонанса 18 кГц и в таблицу 11.4 для = 1 В и ; 100 при для частоты механического резонанса 22 кГц.



Таблица 11.3

Результаты исследования системы ФАПЧ

	В	В	А	Вт	В	В	А	Гц
50	1,8 1,9 2 2,1 2,2
100	1,8 1,9 2 2,1 2,2

Таблица 11.4

Результаты исследования системы ФАПЧ

	В	В	А	Вт	В	В	А	Гц
50	1,47 1,55 1,63 1,72 1,8
100	1,47 1,55 1,63 1,72 1,8



Содержание отчета

1. Для своего варианта расчетного задания рассчитать (привести в отчете) параметры элементов для схемы замещения, изображенной на рис. 11.10 по следующим формулам:

-- (9.50, 9.52, 9.54);

-- (11.7);

, ,

, -- (11.53);

-- (9.51), , -- (11.8);

, , , -- (11.9).

и для схемы, изображенной на рис. 11.11 ,

.

2. По данным табл. 11.2 построить зависимости , , , , , , , в функции частоты управления .

3. Сравнить значение , рассчитанное по формуле (11.21), и рассчитанное из формулы (11.22) при и , взятого из табл. 11.2.

4. По данным табл. 11.2 или табл. 11.3 построить зависимости , , , , , в зависимости от .

5. Привести в отчете принципиальную электрическую схему (рис.11.1), схему замещения (рис. 11.10) и функциональную схему системы автоматической подстройки частоты (рис. 11.5).

6. Сделать выводы и анализ полученных результатов.



Контрольные вопросы

1. Какие функции выполняют в схеме, изображенной на рис. 11.1, элементы , , , , , ?

2. Для чего предназначены элементы и схемы, изображенной на рис. 11.1?

3. Объясните принцип действия системы фазовой подстройки частоты?

Размещено на Allbest.ru