Исследование и разработка программ расчета источников вторичного электропитания на ЭВМ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра автоматики и вычислительной техники

ОТЧЕТ ПО ПРЕДДИПЛОМНОЙ ПРАКТИКЕ

Факультет: ИИСТ

Группа: 6112

Студент: А.А. Казанцев

Руководитель: Г. В. Кожарский

Санкт-Петербург, 2001

Название темы дипломной работы «Исследование и разработка программ расчета источников вторичного электропитания (ИВЭ) на ЭВМ». Целью работы является исследование способов организации ИВЭ, методов их расчета и последующая программная реализация методов. В рамках дипломной работы нельзя рассмотреть все направления в области проектирования ИВЭ, предполагается исследовать только небольшую часть и, следовательно, автоматизировать расчет только для некоторых устройств и типовых схем. В данной работе рассматриваются выпрямительные устройства и ключевые стабилизаторы напряжения.

Необходимость автоматизации расчета ИВЭ, то есть создание программной реализации на ЭВМ, обусловлена довольно сложным и длительным процессом ручного расчета. Создание программы позволит существенно сократить данный процесс. Кроме этого, исключаются возможные ошибки, которые могут возникнуть при ручном расчете.

1. Исследование ИВЭ

Источники вторичного электропитания являются неотъемлемой частью любого радиоэлектронного комплекса и в значительной степени определяют технико-экономические показатели аппаратуры.

Источники вторичного электропитания, входящие в состав РЭА, трудно поддаются миниатюризации ввиду наличия таких крупногабаритных элементов, как трансформаторы питания, сглаживающие дроссели, конденсаторы фильтров, радиаторы охлаждения. Поэтому в настоящее время постепенное совершенствование РЭА, направленное на улучшение их технических характеристик и расширение круга выполняемых задач, накладывает все более жесткие требования на параметры ИВЭ в части обеспечения потребителей электроэнергией высокого качества: с низким уровнем пульсаций и шумов, более высокостабильных, с малым внутренним сопротивлением и определенными параметрами переходных процессов. Эти повышенные требования в значительной мере усложняют процесс проектирования ИВЭ, делая его длительным и дорогостоящим.

Традиционные методы проектирования ИВЭ, основывающиеся на приближенных инженерных расчетах и отработке параметров на макете, вступили в противоречие с требованиями повышения технико-экономических параметров, сокращения сроков проектирования и уменьшения стоимости проектных работ.

Современная РЭА в своем составе имеет разветвленные системы вторичного электропитания (СВЭП), которые делятся на подсистемы по функциональному назначению потребителей. Подсистемы электропитания по способу осуществления преобразовательно-стабилизирующих функций могут выполняться централизованного, децентрализованного и комбинированного типов и реализуются, как правило, из отдельных функциональных узлов или их сочетаний. К функциональным узлам, широко применяемым в СВЭП, относятся: выпрямительные устройства (ВУ), сглаживающие фильтры (СФ), линейные компенсационные стабилизаторы напряжения и тока, ключевые стабилизаторы напряжения, статические преобразователи и др.

Большое место в РЭА занимают ИВЭ, которые выполняются по схеме рис. 1 на выходные напряжения от 4 до 250 В и токи в нагрузке до 3 А.

Рис. 1. Структурная схема ИВЭ с непрерывной стабилизацией напряжения: Т — трансформатор, В — выпрямитель, Ф — фильтр, РЭ — регулирующий элемент, ОС — обратная связь Такие ИВЭ используются для широкого класса аналоговых устройств там, где требуются хорошая стабилизация и низкие уровни пульсации выходных напряжений. Учитывая, что этот класс источников питания составляет достаточно большую группу разрабатываемых ИВЭ и определяет обобщенный уровень технико-экономических показателей СВЭП, данное схемотехническое направление требует дальнейшего развития в части повышения уровня миниатюризации и унификации, улучшения характеристик по динамической стабильности и повышения надежности.

В настоящее время появилась необходимость создания ИВЭ с пониженным уровнем выходных напряжений до 5 В и токами потребления от 50 до 600 А и выше. Стремление уменьшить массу и габариты ИВЭ аппаратуры привело к необходимости использовать на практике устройства с бестрансформаторным входом и импульсным регулированием напряжения в первичной сети переменного тока.

а)

б)

Рис. 2. Структурные схемы бестрансформаторных ИВЭ с нерегулируемым преобразователем и стабилизатором напряжения (а) и с регулируемым преобразователем (б): В₁, В₂ — выпрямители; Ф₁, Ф₂ — фильтры; И — инвертор; СН — стабилизатор напряжения; НП — нерегулируемый преобразователь; РП — регулируемый преобразователь; ОС — обратная связь.

В ИВЭ с бестрансформаторным входом (рис. 2) переменное напряжение системы электроснабжения преобразуется бестрансформаторным ВУ в сравнительно высокое напряжение постоянного тока. На выходе СФ имеется ключевой стабилизатор, который понижает выпрямленное напряжение и осуществляет стабилизацию выходного напряжения ИВЭ. К выходу стабилизатора подключен статический преобразователь (СП), работающий на повышенной частоте преобразования. Очень часто функции ключевого стабилизатора и преобразователя совмещаются в СП с внутренней стабилизацией. Широкое внедрение бестрансформаторных ИВЭ сдерживается двумя основными факторами: трудностями обеспечения надежной работы из-за возможных больших «сквозных» и пусковых токов и наличием высокого уровня генерируемых радиопомех при переключениях транзисторов и диодов в силовых цепях источника.

ИВЭ с бестрансформаторным входом могут выполняться с удельными показателями от 70 до 300 Вт/дм³.

При питании РЭА от систем электроснабжения постоянного тока и от автономных источников электрической энергии в СВЭП применяются функциональные схемы, изображенные на рис. 3. Основным функциональным узлом ИВЭ, использующим электроэнергию автономного источника или системы электроснабжения постоянного тока, является СП, преобразующий напряжение постоянного тока источника в переменные напряжения прямоугольной или ступенчатой формы. В многоканальных ИВЭ используются способы централизованной стабилизации каждого канала питания (рис. 3, а). В первом случае суммарная стабильность обеспечивается до 5%, а во втором — до 1,5…2%.

Нередко используется функциональная схема (рис. 3, б), в которой в цепь питания СП включается стабилизатор напряжения линейного или ключевого типа. Линейный стабилизатор включается для получения на выходе улучшенного качества переходного процесса при резких изменениях тока в нагрузке и напряжения питания. Ключевой стабилизатор применяется в случаях когда в автономном источнике или системе электроснабжения постоянного тока пределы изменения напряжения питания существенно превосходят установившийся нормальный режим их работы и к качеству выходной электроэнергии не предъявляются высокие требования.

а)

б)

в)

Рис. 3. Структурные схемы ИВЭ с питанием от системы электроснабжения постоянного тока на основе статического преобразователя с внутренней стабилизацией (а), статического преобразователя и стабилизатора напряжения (б), ключевого стабилизатора (в):

СП — статический преобразователь; СН — стабилизатор напряжения; Т — трансформатор высокочастотный; В₁, В₂, В₃ — выпрямители; Ф₁, Ф₂, Ф₃ — фильтры; Н — нагрузка; НЭ — накопительный элемент; СУ — схема управления; РЭ — регулирующий элемент.

Иногда в РЭА не требуется обеспечивать гальваническую развязку ИВЭ от системы электроснабжения постоянного тока. В таких случаях в СВЭП применяются ключевые стабилизаторы напряжения (КСН), которые выполняются по схеме рис. 3, в и обеспечивают функции трансформации и стабилизации напряжения, а также при необходимости инвертирования выходного напряжения. С помощью этих функциональных узлов удается обеспечивать суммарную стабильность выходных напряжений до 5% и создавать СВЭП с широкой шкалой выходных напряжений от 4 до 100 В. Схемы управления КСН, представляющие собой широтно-импульсные модуляторы, выполняются на основе микросхем К142ЕПI. Иногда с целью построения унифицированных схем стабилизаторов понижающего, повышающего и полярно-инвертирующего типов они могут быть универсальными.

Применение высокочастотных СП, работающих от входного источника постоянного тока по схемам рис. 3, а, б, позволяет создавать ИВЭ с удельными показателями до 50 Вт/дм³, а в случае применения КСН по схеме рис. 3, в удельные характеристики ИВЭ достигают 90 Вт/дм³. Дальнейшее повышение удельных показателей этого класса ИВЭ может быть достигнуто при использовании методов комплексной миниатюризации.

Здесь были показаны только основные пути реализации ИВЭ, обусловленные требованиями со стороны РЭА, которая нуждается в экономически выгодных технических решениях преобразования и регулирования энергии. Учитывая, что проблема разработки ИВЭ усугубляется, как правило, малым временным интервалом, отводимым инженеру-разработчику на проектирование схемы, дальнейшее развитие направлений в области создания надежных и экономичных ИВЭ, обладающих высокими удельными показателями, не может быть успешным без использования современных методов расчета, анализа и оптимизации, ориентированных на ЭВМ.

Методы автоматизированного проектирования применяются при разработке радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) для решения схемотехнических и конструкторско-технологических задач. Целью применения этих методов является повышение производительности труда и качества разрабатываемой аппаратуры.

Электронные схемы ИВЭ характеризуются наличием компонентов с нелинейными характеристиками. Аналитический расчет таких цепей представляет значительную трудность даже при использовании ЭВМ. Тем не менее, существуют методы приближенного расчета схем ИВЭ, позволяющие с достаточной для инженерной практики точностью определить основные параметры проектируемой схемы. Такие методики ориентированы, как правило, на определенный класс схем, например на конкретные типы выпрямителей, стабилизаторов, преобразователей и других устройств.

2. Пример алгоритма расчета выпрямителя с индуктивной нагрузкой

Задачей расчета выпрямительных устройств (ВУ) является определение требований к электрическим параметрам трансформаторов, дросселей, конденсаторов и выпрямительных диодов, входящих в схему ВУ.

Методика расчета ВУ должна учитывать форму входного напряжения: синусоидальную или прямоугольную с изменяющейся длительностью.

Для расчета ВУ на ЭВМ целесообразно использовать типовые графоаналитические методы с введением следующих дополнений и изменений:

1. Таблично заданную зависимость индукции маломощных трансформаторов от мощности следует аппроксимировать функцией

B_т = 1,2 — 0,4 sin (0,003 E₀I₀),

где E₀, I₀ — выпрямленное напряжение и ток.

2. Графический метод решения трансцендентного уравнения где — угол отсечки; r — сопротивление фазы выпрямителя; m — число фаз, необходимо заменить численным методом (например, методом деления отрезка пополам при начальных граничных значениях, равных 0 и /2).

3. С целью создания экономического алгоритма расчета различных типов ВУ целесообразно разделить их на группы в зависимости от реакции нагрузки и вида питающего напряжения и ввести соответствующие массивы расчетных коэффициентов, определяющих отличия в расчетах различных типов ВУ внутри группы.

Ниже представлен алгоритм расчета выпрямителей, работающих на нагрузку с индуктивной реакцией при питании напряжением синусоидальной формы.

Исходные данные: E₀, I₀ — выпрямленное напряжение и ток; а_п1 — коэффициент пульсаций на выходе фильтра; U₁ — напряжение питающей сети; f — частота напряжения.

1. Определяем параметры трансформаторов.

Габаритная мощность P_габ = K₉ E_0х I₀.

Индукция трансформатора B_т = 1,2 — 0,4 sin (0,003 E₀I₀).

Сопротивление трансформатора источник вторичное электропитание выпрямительный напряжение Индуктивность рассеяния Выпрямленное напряжение при холостом ходе

E_0x = E₀ + E_r + E_x + E_в сх + E_др,

где E_r = K₂I₀r_тр — падение напряжения на активном сопротивлении трансформатора; E_x = K₃I₀fL_s — падение напряжения на реактивном сопротивлении Т; E_в сх = K₄E_в — падение напряжения на вентилях в схеме; E_др 0,05 E₀.

Напряжение холостого хода трансформатора (ЭДС вторичной обмотки) U_2x = K₆E_0x.

Эффективный ток вторичной обмотки I₂ = K₇I₀.

Эффективный ток первичной обмотки I₁ = K₁₄I₀n, где n = U_2x/U₁ — коэффициент трансформации.

2. Определяем параметры диодов.

Обратное напряжение U_обр = K₅ E_0x.

Средний прямой ток I_oв = K₁I₀.

Импульсный прямой ток I_m = I₀.

Выделяемая мощность Pв = 0,6 I_0в.

3. Вычисляем остальные параметры.

Минимальная индуктивность дросселя Внутреннее напряжение холостого хода выпрямителя E_{0x c>0} = K₁₁U_2x.

Емкость фильтра где q_п = а_п0/а_п1 = K₁₀/а_п1; а_п0 — коэффициент пульсации на входе фильтра — постоянный для данной схемы.

Рабочее напряжение конденсаторов должно быть рассчитано на холостой ход выпрямителя, то есть U_раб E_{0x c>0}.

Внутреннее сопротивление выпрямителя Критическая точка нагрузочной характеристики:

ток

напряжение

U_0кр = E₀ + (I₀ — I_0кр) R_в.

3. Программная реализация методов расчета и тест

В течение преддипломной практики была создана и протестирована первая версия программы, реализующей методы расчета выпрямительных устройств и ключевых стабилизаторов напряжения. На рис. 4 представлен внешний вид программы.

Рис. 4. Главное окно программы, производящей расчет выпрямителей и ключевых стабилизаторов

Как видно на рис. 4, сверху выбирается тип рассчитываемого устройства (выпрямитель или стабилизатор), в левой части вводятся исходные данные, выбирается характер нагрузки и схема, а в правой представляются результаты расчета, которые при желании можно вывести на печать.

Ниже представлен тест для выпрямителя с индуктивной реакцией нагрузки, выполненного по однополупериодной двухфазной схеме со средней точкой.

ВЫПРЯМИТЕЛЬ С ИНДУКТИВНОЙ НАГРУЗКОЙ Схема: однополупериодная двухфазная С.Т.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ Напряжение сети питания, В 220

Частота напряжения питания, Гц 50

Выпрямленное напряжение, В 12

Выпрямленный ток, А 0.50

Коэффициент пульсаций 0.05

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЁТА ТРЕБОВАНИЯ К ПАРАМЕТРАМ ТРАНСФОРМАТОРОВ:

Габаритная мощность, Вт 9

Напряжение холостого хода, В 15.12

Эффективный ток вторичной обмотки, А 0.35

Эффективный ток первичной обмотки, А 0.03

ТРЕБОВАНИЯ К ПАРАМЕТРАМ ДИОДОВ:

Обратное напряжение, В 42.75

Средний прямой ток, А 0.25

Импульсный прямой ток, А 0.50

Выделяемая мощность, Вт 0.15

Минимальная индуктивность дросселя, мГн 50.96

Выпрямленное напряжение при Х.Х. и С = 0, В 13.62

Выпрямленное напряжение при Х.Х. и С > 0, В 21.38

Емкость конденсатора, мкФ 666

Рабочее напряжение конденсатора >=, В 21.38

Внутреннее сопротивление выпрямителя, Ом 3.24

КРИТИЧЕСКАЯ ТОЧКА НАГРУЗОЧНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ:

Ток, А 0.25

Напряжение, В 12.81

Заказ: IBM

Разработчик: А. Казанцев Дата: 16.04.2001