Импульсный регулятор с последовательным ключом

МИНЕРСТЕСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ

МЭИ (НИУ)

 

Кафедра Электрических и Электронных аппаратов

 

 

Курсовой проект по курсу

“Моделирование электрических цепей”

 

 

«Моделирование импульсного регулятора»

 

 

Выполнил: Акинин С.А.

Группа: ЭЛ-12-08

Проверил: Осипкин С.В.

 

 

Москва, 2011

 

 

Данные:

Схема – Импуьсный регулятор с последовательным ключом.

 

Вариант	Входное напряжение (+-30%),В	Выходное напряжение регулятора В	Мощность нагрузки Вт	Коэффициент пульсации	Частота коммутации силового ключа,Кгц	Обратная связь по
				0,5		напряжению

 

Входное напряжение (+-30%): 140 В;

Выходное напряжение регулятора: 80 В;

Мощность нагрузки: P=200 Вт;

Коэффициент пульсаций: 0,5%;

Частота коммутации силового ключа: f=20 кГц;

Обратная связь по напряжению.

 

Часть 1.

1.1. Пояснение принцип действия импульсного регулятора

Импульсный регулятор с последовательным ключом

Рис.1. Схема последовательного ключевого регулятора

Силовая часть схемы регулятора с транзисторным ключом VT и емкостным выходным фильтром C приведена на рис. 1. Принцип действия регулятора основан на периодическом накоплении энергии и передаче ее из индуктивности L в цепи фильтра C и нагрузки Rн. В первый момент,когда ключи находится открытом состоянии.Под воздействием разности входного напряжения и напряжения на конденсаторе (которое совпадает с напряжением на нагрузке ) начинает нарастать ток идет на нагрузку.В

 

второй момент времени происходит размыкание ключа.В схеме введен диод VD,через который начинает протекать ток .При отсутсвии диода VD будут возникать недопутимые перенапряжения на транзисторе при его выключении,обусловленные возникновением противоЭДС в индуктивности фильтра.

Рис.2. Принцип действия последовательного ключевого регулятора

а-схем; б-диаграмма напряжения

Регулятор может работать в режимах с непрерывным и прерывистым током реактора iL.

Режим работы с непрерывным током i_L.

В этом режиме чередуются два состояния схемы: транзистор VT включен (интервал I) и транзистор VT выключен (интервал II). Диаграммы, иллюстрирующие этот режим работы, показаны на рис. 3. При построении диаграмм и дальнейшем рассмотрении схемы принято допущение об идеальной сглаженности выходного напряжения U_н=U_н.ср. Длительности интервалов I и II составляют t_вкл=γT_s и t_выкл=(1-γ)T_s соответственно. На рис. 3 представлены эквивалентные схемы по интервалам работы схемы с учетом принятых допущений. Согласно этим схемам ток i_L на интервалах I и II изменяется по линейным законам.

Рис.3.Режим работы последовательного ключевого регулятора с непрерывным током дросселя:

а-схемы замещения на интервалах; б-диаграммы тока и напряжения; в-общая схема замещения.

Согласно этим схемам изменению тока i_L соответствуют уравнения:

I интервал

; (1)

 

 

II интервал

; (2)

Из уравнения (1) и (2) следует,что изменение тока происходит по линейным законам(рис.3,б):

 

I интервал

, (3)

 

 

II интервал

 

. (4)

Основные соотношения при принятых допущениях для установившегося режима работы с непрерывным током i_L могут быть получены из условия равенства нулю среднего значения напряжения U_L на реакторе L:

,

Из этого следует, что выходное напряжение в рассматриваемой схеме может изменяться в широком диапазоне от нуля при γ=0 до E при γ=1.

 

1.2 Рассчитаем значение индуктивности L дросселя из условия работы регулятора в режиме непрерывного тока индуктивности

находим коэффициент заполнения,

Период определяется как

так как , то

Из уравнений для тока:

;

принимаем i_Lmin=0, тогда

Рис.4.Диаграмма тока дросселя.

 

Рассматривая интеграл как площадь прямоугольника, получаем, что

,

;

 

Находим индуктивность L,

;

Учитываем что,

 

Часть 2

В программном комплекте PSpice сформировать математическую модель регулятора с системой управления (модель ключа – идеализированная, модель системы управления – функциональная).

Определим номинальную нагрузку регулятора:

Далее используя полученную модель в разомкнутой системе:

Подобрать значение емкости С конденсатора выходного фильтра регулятора по условию допустимых пульсаций (в режиме γ =0.5)

Коэффициент пульсаций выходного напряжения определяется как:

При

Или

Учитывая,что переменная составляющая тока преимущественно протекает через конденсатор С-фильтр,связь заряда Q конденсатора с напряжением,можно записать в следующем виде:

(5)

Из (5) с учетом (3) и (4) получим

Путём подбора определения емкости С получим пульсацию выходного напряжения,которое дольжно быть меньше максимальной пульсации выходного напряжения:

(6)

Коэффициент пульсаций определяется по формуле:

Где

По заданному коэффициенту пульсаций определяем максимальные пульсации выходного напряжения :

Из условии (6) получаем

 

При этом,

Выбираем С=100µФ

 

Схема регулятора с разомкнутой системой управления:

Рис.5 Схема регулятора с разомкнутой системой управления

 

2.2Диаграммы токов и напряжений на основных элементах регулятора в рабочем и пусковом режимах:

В рабочем режиме построим характеристики:

1. Ток в индуктивности; 4.Ток через конденсатор

2. Ток в диоде; 5. Напряжение на ключе

3. Ток в нагрузке; 6. Напряжение на диоде

7. Напряжение нагрузки

1. Ток в индуктивности

Рис.6 Ток в индуктивности

 

2. Ток в диоде

Рис.7 Ток в диоде

 

3. Ток в нагрузке

Рис.8 Ток в нагрузке

4.Ток через конденсатор

Рис.9 Ток через конденсатор

 

5. Напряжение на ключе

Рис.10 Напряжение на ключе

 

 

6. Напряжение на диоде

Рис.11 Напряжение на диоде

7. Напряжение нагрузки

Рис.12 Напряжение нагрузки

В пусковом режиме построим:

1. Ток в индуктивности

Рис.13 Ток в индуктивности

2. Ток в диоде

Рис.14 Ток в диоде

 

3. Ток в нагрузке

Рис.15 Ток в нагрузке

 

 

4. Напряжение на ключе

Рис.16 Напряжение на ключе

 

5. Напряжение на конденсаторе

Рис.17 Напряжение на конденсаторе

2.3. Построить регулировочные характеристики для трех значений входного напряжения и регулятора. Определить диапазон изменения , обеспечивающий стабильность выходного напряжения.

Для изменения гаммы мы используем источник напряжения V4. Мы задаем произвольные значения ЭДС в пределах максимума и минимума пилы. После этого мы выводим графики напряжений на нагрузке и графики импульсов, поступающие на ключ. По графикам импульсов мы находим значение гаммы. А по графикам напряжений на нагрузке определяем выходное напряжение Uвых. Подобным образом, мы проделываем эту операцию для трех входных значений ЭДС.

γ	Uвых, В
Emax=182 B	Enom=140 B	Emin=98 B
0.4	81.467	62.433	43.694
0.5	94.473	72.572	50.921
0.6	106.694	82.159	57.421

Чтобы, диапазон изменения было очевидно возьём ещё некоторые точки.

γ	Uвых, В
Emax=182 B	Enom=140 B	Emin=98 B
0.1	25.468	19.525	13.529
0.2	47.304	36.306	25.352
0.3	65.742	50.410	35.498
0.7	124.212	95.695	66.853
0.8	141.920	109.068	76.323
0.9	159.205	122.491	85.694

 

Рис.18 регулировочные характеристики

 

В данном случае коэффициент заполнения имеет диапазон γ =0.4-0.85

2.4. Построить входную характеристику при γ=0.571

E	Uвых, В
Emin=98 B	77.83
Enom=140 B	78.99
Emax=182 B	102.42

 

Рис.19 входная характеристика

 

 

2.5 Построить нагрузочную характеристику (диапазон изменения ).

Rн, Ом	Uвых, В
Emin=98 B	Enom=140 B	Emax=182 B
	53.59	76.55	99.63
	53.977	77.27	100.497
	55.164	78.99	102.42
	58.938	84.579	109.48
	62.027	88.966	115.35

Рис.20нагрузочная характеристика