50839

Применение программы РSpice для моделирования двухтактного полумостового преобразователя постоянного напряжения

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

При включении питания схема запуска кратковременно замыкает ключ S1. При замыкании S1 через первичную обмотку W11 силового трансформатора TV1 начинает протекать ток, являющийся суммой токов...

Русский

2014-03-20

218.5 KB

18 чел.

Лабораторная    работа       №4

Применение программы РSpice для моделирования двухтактного полумостового преобразователя постоянного напряжения.

Цель работы - ознакомление со схемой двухтактного полумостового преобразователя постоянного напряжения (ППН), расчет элементов и построение PSpice - модели преобразователя.

1. Схема преобразователя и его принцип действия

Полумостовые схемы применяются в преобразователях повышенной мощности  - до нескольких десятков ватт [1]. Основными элементами схемы  рис. 4.1 являются мост, плечи которого образованы силовыми транзисторами VT1,VT2 и конденсаторами емкостного делителя напряжения первичного источника питания (ПИ) С2 и С1 соответственно. В диагональ моста включена первичная обмотка W11 силового трансформатора TV1, ко вторичной обмотке W21 которого через мостовой выпрямитель и сглаживающий фильтр подключена нагрузка. На основе промежуточного трансформатора  TV2   строится схема самовозбуждения преобразователя,  в которой по цепи W31, Roc и W12 осуществляется положительная обратная связь (ПОС). Параллельно силовым транзисторам в схему включены обратные диоды VD1 и VD2, по которым осуществляется рекуперация реактивной энергии на этапе коммутации транзисторов, накопленной в трансформаторе TV1 и нагрузке. Самовозбуждающийся преобразователь нуждается в дополнительной схеме запуска. На  схеме рис. 4.1 цепь запуска показана упрощенно, в виде ключа S1.

При включении питания схема запуска кратковременно замыкает ключ S1. При замыкании S1 через первичную обмотку W11 силового трансформатора TV1 начинает протекать ток, являющийся суммой токов

Рис.4.1

разряжающегося конденсатора С2 и заряжающегося  от ПИ конденсатора С1. Во вторичной обмотке  W31 при этом наводится ЭДС, которая трансформируется  в обмотку W12 промежуточного трансформатора TV2.  Направление включения обмоток промежуточного трансформатора таково, что когда на обмотке W22 напряжение способствует открыванию транзистора VT2, а напряжение на обмотке W32  способствует закрытию транзистора VT1 и на оборот. В случае протекания тока  через W11 и ключ S1 ПОС способствует лавинообразному открыванию транзистора TV2. Для уменьшения времени переключения транзисторов TV1 и TV2 (форсированного включения и отключения) параллельно резисторам Rб1 и Rб2  установлены конденсаторы Сб1 и Сб2. Длительность открытого состояния транзистора (длительность половины периода) определяется  параметрами насыщающегося промежуточного трансформатора TV2. При насыщении сердечника TV2 в цепи W31, Roc и W12 резко возрастает ток. Возрастание тока приводит к увеличению падения напряжения на резисторе Roc и следовательно к уменьшению напряжения трансформируемого в обмотку базовой цепи открытого транзистора. С момента насыщения трансформатора TV2  и снижения базового тока до нуля начинается процесс рассасывания не основных носителей заряда в базовой области. В течении этого процесса транзистор остается в открытом состоянии. После окончания процесса рассасывания транзистор закроется. Во время регенеративного процесса инвертируется напряжение на обмотках  TV1, а затем и на обмотках TV2, запертый транзистор отпирается  и переходит в режим насыщения , а насыщенный - в режим  отсечки. После коммутации транзисторов токи  в первичной и вторичной обмотка TV1, уменьшаются по величине, сохраняя свое первоначальное направление. При этом реактивная энергия, накопленная в трансформаторе TV1 и нагрузке в предыдущем полупериоде работы преобразователя возвращаются в источник первичного питания. Для обеспечения контура возврата этой энергии в схему преобразователя включены обратные диоды.

4.2. Расчет элементов преобразователя

Исходные данные:

мощность нагрузки      Рн, Вт

выходное напряжение     Uн, В

напряжение первичного источника питания Uп, В

коэффициент пульсации     Кп, %

частота преобразования     f, кГц

4.2.1 Выбор полупроводниковых приборов

Ток коллектора открытого транзистора определяется с учетом потерь энергии в преобразователе и падения напряжения на транзисторе, находящегося в режиме насыщения по формуле

   (4.1)

где =(0.85  - 0.95)  - КПД преобразователя.

Uкэ - падение напряжения на открытом транзисторе.

Обратное напряжение выбираемых диодов VD1, VD2 и максимальное напряжение коллектор - эмиттер транзисторов должны быть больше половины напряжения первичного источника питания.

Прямой ток и обратное напряжение диодов выпрямительного моста определяются по току и напряжению нагрузки.

4.2.2. Определение витковых данных трансформатора TV1

Определяем число витков первичной обмотки W11 трансформатора TV1 из условия насыщения сердечника за время периода преобразования [2].

   (4.2)

где Bs1 - индукция насыщения трансформатора TV1,

S1 - площадь поперечного сечения сердечника трансформатора TV1.

Определяем число витков вторичной обмотки W21 трансформатора TV1 по формуле

  (4.3)

где Ud - падение прямого напряжения на диоде мостового выпрямителя.

Число витков обмотки W31 силового трансформатора TV1 находим задавшись напряжением на ней Uw31 по формуле

  (4.4)

4.2.3. Расчет витковых данных трансформатора ТV2

Цепь управления транзисторами, образованную обмоткой силового трансформатора W31, резистором обратной связи Roc, трансформатором TV2 базовыми резисторами Rб1 и Rб2, а также переходами база-эмиттер транзисторов, можно, на интервале полупериода, заместить схемой показанной на рисунке 4.2.

Рис.4.2

Rб'=Rб/n2 - приведенное к первичной обмотке W12 значение резистора базовой цепи транзистора.

Ud'=Ud/n - приведенное к первичной обмотке W12 значение падения напряжения на переходе база - эмиттер транзистора.

n=W22/W12=W32/W12 - коэффициент трансформации.

L12 - индуктивность первичной обмотки W12 трансформатора TV2.

im - ток намагничивания.

Эта схема описывается линейным дифференциальным уравнением с правой частью

 dim/dt+A1 im=A2,  (4.5)

где А1=Roc/((Roc/Rб'+1)L12),

A2=(Uw31+Ud'Roc/Rб')/((Roc/Rб'+1)L12).

Решением уравнения (4.5) является уравнение

  (4.6)

где Ао=A2/A1,

,

где iбk'=iбk/n - приведенный к обмотке W12 ток базы, при котором транзистор переходит из режима насыщения в активный режим. Определить iбк можно аналогично тому, как это делается в методических указаниях к предыдущей работе.

На рисунке 4.3 показаны временные диаграммы, соответствующие схеме на рисунке 4.2.

Рис.4.3

Таким образом, задача определения витковых данных TV2 сводится к нахождению L12 при которой выполняется равенство (4.7) при заданных Rб, Roc и n.

 (4.7)

После логарифмирования получим равенство (4.8) тождественное равенству (4.7).

  (4.8)

Для тороидального сердечника число витков определяется по формуле

, (4.9)

где l1 - длина средней линии сердечника,

- относительная магнитная проницаемость материала сердечника,

.

Число витков обмоток базовых цепей находим по формуле

 (4.10)

4.2.4. Расчет емкостей делителя напряжения ПИ

Для того, чтобы форма напряжения и тока в полумостовом преобразователе была близка к прямоугольной, емкость конденсатора необходимо выбирать из условия  по формуле из [1]

 (4.11)

4.2.5. Расчет емкости конденсатора сглаживающего фильтра

В формуле (4.12) для расчета емкости конденсатора сглаживающего фильтра не учитываются инерционные свойства диодов выпрямителя [1]

 (4.12)

где tф=(1..10) мкс -длительность фронта импульса преобразователя, а  -амплитуда пульсаций выходного напряжения.


Задание к лабораторной работе

1. Создать в ЭВМ копию файла задания на моделирование из приложения 4.5 и получить с помощью программы PSpice на экране графики токов и напряжений, позволяющие проиллюстрировать принцип работы преобразователя.

2. Рассчитать для исходных данных вашего варианта задания из таблицы 3.1 предыдущей работы элементы преобразователя. В соответствии с расчетом внести изменения в файл задания на моделирование.

3. С помощью программы PSpice промоделировать ППН и вывести на экран графики токов и напряжений, участвующих в расчетах витковых данных трансформаторов TV1 и TV2. При этом требуется изменяя параметры модели, получить напряжение на выходе преобразователя и частоту преобразования равными исходным данным с 20 % точностью. Сделать вывод о точности аналитического расчета элементов ППН.

Методические указания.

Для выбранных из библиотеки ferro.lib сердечников трансформаторов TV1 и TV2 требуется определить индукцию насыщения Bs и относительную магнитную проницаемость  соответственно. С этой целью нужно рассчитать кривую намагничивания рис. 4. 4 с помощью следующего задания на моделирование [3]:

B(H)

.Tran 0.01 1 UIC

.Probe

Igen 0 1 sin(0 1.0 2Hz)

Rg 1 0 1

L1 1 0 10

K1 L1 0.9999 [имя модели сердечника]

.lib ferro.lib

.End

После завершения моделирования с помощью программы PSpice вызывают графический постпроцессор Probe, по оси X откладывают переменную Н(К1) в эрстедах и выводят график функции В(К) в гауссах рис. 4.4.

Рис.4.4

По кривой намагничивания определяем Bs и  на линейном участке по формуле (4.13). При этом нужно преобразовать единицы измерения в СИ (, А/m, )

 (4.13)

Приложение

Ниже приведена распечатка файла задания на моделирование ППН, принципиальная схема которого отличается от схемы на рисунке 4.1 тем, что не содержит мостового выпрямителя и сглаживающего фильтра.

Polumost

.Tran 0e-6 900e-6 0e-6 5e-6 Uic

.Options Reltol=0.01 itl4=50 Abstol=1e-5 Vntol=1e-4

.Probe

.ic v(10)=220

.ic v(1)=110

C1 10 1 500e-6

C2 1 0 500e-6

Vup 10 0 220

V0 11 0 PWL (0 1  250e-9 1  300e-9 0  900e-6 0)

Ro1 11 0 500

S1 2 0 11 0 Sw1

Q1 10 9 2 Q2t928a

Q2 2 8 0 Q2t928a

Dv1 2 10 D2d204a

Dv2 0 2 D2d204a

RB1 7 9 10

RB2 6 8 10

CB1 7 9 0.1e-6

CB2 6 8 0.1e-6

L1 1 2 240

L2 3 0 55

L3 0 4 10

Roc 4 5 7.5

RH 3 0 28.9

K1 L1 L2 L3 0.99 K40-25-22_3000HM

L5 0 6 10

L4 5 0 10

L6 7 2 10

K2 L4 L5 L6 0.99 K20-12-6_2000HM

.lib Vnom.lib

.lib Diod.lib

.Model K40-25-22_3000HM Core( Ms=330000 Alpha=0.0002 A=26 K=7

+C=1.05 Area=1.65 Path=10.205)

.Model K20-12-6_2000HM Core( Ms=313000 Alpha=0.0002 A=26 K=18

+C=1.05 Area=0.36 Path=6.594)

.Model Sw1 VSWITCH( Von=0.9  Voff=0.1 Ron=0.1 Roff=10e7)

.End

РЕКОМЕНДУЕМАЯ  ЛИТЕРАТУРА

Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Г.С. Найвельт, К.Б. Мазель, И.И. Хусаинов и др.; под ред. Г.С. Найвельта. - М.: Радио и связь, 1985. - 576 с.,ил.

Иванов-Циганов А.И. Электропреобразовательные устройства РЭС: Учеб. для вузов по спец. “Радиотехника” М. Высш. шк., 1991.-272 с.:ил.

Разевиг В.Д. Применение программ P - CAD и Pspice для схемотехнического моделирования на ПЭВМ: В 4 выпусках. Вып. 2: Модели компонентов аналоговых устройств. - М,: Радио и связь 1992. - 64с.: ил.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

82267. Вера и понимание в контексте коммуникаций. Вера и истина. Типы обоснования веры и знания. Соотношение веры и истины 36.66 KB
  Типы обоснования веры и знания. Одной из основных предпосылок философскометодологического анализа социальногуманитарного знания является рассмотрение научного познания в контексте культуры его связь с историческими особенностями и ценностными установками общества. Тема веры достоверности сомнения оказывается одной из фундаментальных в самых разных областях и на разных этапах научного познания. Соотношение различных духовноценностных установок веры и научного знания поразному влияло на развитие науки.
82268. Натуралистическая исследовательская программа 38.77 KB
  Сегодня вопрос об исследовательской программе или близком к ней понятии парадигмы в социальных науках сталкивается с двумя трудностями: 1 избрания масштаба исследования; 2 многообразия исследовательских программ господствующего сегодня в социальногуманитарных науках. Какие исследовательские программы парадигмы можно выделять 1 Классическая философия были ориентирована на природу и изучающие ее науки на следующую отсюда натуралистическую парадигму. Последователи натуралистической исследовательской программы полагают: либо предмет наук...
82269. Антинатуралистическая исследовательская программа и ее общенаучное значение 36.58 KB
  Природа остается в качестве предпосылки деятельности человека но культур центризмом не схватывается оставляя место натурализму Другой причиной жизненности натуралистической исследовательской программы является вызванное объективными социальными изменениями крушение классических рационалистических установок. Она по существу указала на границы натуралистической программы. Натуралистическая и антинатуралистическая программы направлены на изучение одного и того же объекта но в соответствии со своей методологией исследовательской программой...
82270. Применение натуралистической и антинатуралистической исследовательских программ ва социально –гуманитарных науках 33.52 KB
  В них присутствуют: натуралистическая парадигма общества основные варианты: механицизм физикализм биологизм географический детерминизм демографический детерминизм общество понимается как жестко-детерминированная система обусловленная влиянием определенных природных факторов климата полезных ископаемых территории и т. оно рассматривается с редукционистских позиций; антинатуралистическая парадигма общества основные варианты: социологизм экономизм психологизм антипсихологизм общество понимается как...
82271. Проблема разделения социальных и гуманитарных наук пол предмету, по методу, по предмету и методу одновременно, по исследовательским программам 34.01 KB
  В настоящее время считается что естественные науки и социально-гуманитарные науки имеют как общие так и различные характеристики. Естественные и социально-гуманитарные науки обладают всеми признаками науки как особого феномена познание нового наличие эмпирического и теоретического уровней оформленность в понятиях и т. Вместе с тем социально-гуманитарные науки отличаются от естественно-математических и технических наук по следующим основаниям: по объекту исследования естественные науки изучают природную реальность т. то что существует...
82272. Методы социальных и гуманитарных наук 42.51 KB
  Абстрагирование важнейший метод научного постижения реальности. Результатом применения этого метода является абстракция. Наряду с абстрагированием важнейшим методом научного познания на эмпирическом уровне познания является индукция. Индукция это метод движения мысли от менее общего знания к более общему.
82273. Вненаучное социальное знание. Взаимодействие социальных, гуманитарных наук и вненаучного знания в экспертизах социальных проектов и программ 39.26 KB
  Взаимодействие социальных гуманитарных наук и вненаучного знания в экспертизах социальных проектов и программ. Эйнштейн ищут основания знания в философии и художественной литературе. Антифундаменталистская тенденция просматривается в истолковании всех важнейших областей научного познания: математического естественнонаучного гуманитарного. В то время как сциентизм базируется на абсолютизации рациональнотеоретических компонентов знания антисциентизм опирается на ключевую роль этических правовых культурных ценностей по отношению к идеалу...
82274. Дисциплинарная структура социально –гуманитарного знания и междисциплинарные исследования. Дифференциация и интеграция знаний 37 KB
  В дальнейшем проблематика связанная с первым типам междисциплинарности практически полностью стала изучаться в рамках исследований по классификации науки и ее развития. При этом главная Наука как социальный институт задача состоит в том чтобы преодолеть в процессе исследований отмеченное в свое время И. Эта задача пусть и не всегда в явной форме стоит перед участниками междисциплинарных исследований любого масштаба . Успешное осуществление междисциплинарных исследований предполагает одновременное решение трех видов проблем:...
82275. Переопределение парадигм и предметно- тематических направлений, появление новых областей исследования 38.77 KB
  В ходе развития науки в последней трети XX в. Ее фундамент составляют ставшие общенаучными принципы развития и системности. Такое понимание процессов развития исходит из синергетики. Вопервых принцип развития эволюции в современной науке получил статус фундаментальной мировоззренческой и методологической константы.