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;