АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ И КОМПОНЕНТОВ СИЛОВОЙ

ЭЛЕКТРОНИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ СИЛОВОЙ

ЭЛЕКТРОНИКИВ общем случае задача проектирования

силовых электронных устройств осложняется тем, что требуется рациональное

распределение массы и мощности потерь между элементами схемы.

Наибольший эффект достигается, если разработка ведется на системном уровне с

учетом характеристик первичных источников электроэнергии и параметров потребителей и

применением оригинальных для каждого класса ЭУ алгоритмов и программ их расчета.

• Решение проблемы рационального распределения массы и мощности потерь между элементами облегчается, если принять допущение о независимости режима любого элемента ЭУ от изменения соотношения масса – потери мощности других элементов.

• Тогда методика проектирования ЭУ может быть определена как методика поузлового проектирования по условию ,

• с интервалом неопределенности (отклонение от оптимального значения) .

• Видно, что при 0.9, δ < 7, что вполне приемлемо.• Интервал неопределенности можно значительно

уменьшить, если учитывать присоединенную массу первичного источника при проектировании по критерию

• ,

• где – КПД ЭУ, – масса и потери мощности в i-том элементе, – удельный показатель первичного источника (кг/вт).

min miniM m

2 1

3

mini im P

,i im P

• При поузловом проектировании количество переменных ограничено, а направление и границы их варьирования определяются особенностями физических процессов в схеме, что существенно упрощает задачу, и позволяет использовать имеющиеся методики расчета схем ЭУ, на основе которых, после дополнения их блоками оптимизации, и строятся программы проектирования.

• Эти программы являются оригинальными для каждого устройства.

• При разбиении ЭУ на отдельные блоки используется метод диакоптики:

• - исходная схема разбивается на подсхемы (блоки);

• - в местах соединения блоков вводятся эквивалентные источники, учитывающие их взаимодействие (рис. 3.1).

• При этом результаты расчета каждого блока содержат две группы параметров:

-потребляемый от предыдущего блока ток и требуемое напряжение на его выходе,

-выходное напряжение и ток нагрузки данного блока.

Рис. 3.1. Схема разделения ЭУ на блоки

Zi

IнK

1 2

KU1,0 K

+

-

Zk

Zн

Iн

Е

• В соответствии с общей стратегией проектирования можно выделить следующие основные этапы проектировании устройств силовой электроники:

• 1. Формирование массива исходных данных.• 2. Формирование массива альтернативных

структур.• 3. Определение критерия проектирования,

независимых переменных и ограничений.• 4. Определение алгоритма варьирования

независимых переменных для достижения экстремума заданного критерия.

• 5. Сравнительный анализ структур по результатам их проектирования.

• Основными исходными данными для проектирования ЭУ являются:

• • мощность нагрузки и диапазон её изменения;

• • выходное напряжение или ток, и показатели их качества;

• • возмущающие воздействия по цепи нагрузки, питания и управления;

• • условия эксплуатации;• • технические характеристики и мощность

первичного источника.

Обобщённый алгоритм проектирования (расчета) ЭУ Начало

Ввод исходных данных

Расчёт ЭУ ; формированиеТЗ на проектирование

Проектированиекомпонентов ; расчёт М ,

Синтез структуры ипараметров СУ

Анализ установившихся ипереходных процессов

Конец

Анализрезуль-татов ;коррек-тировкаданных

ипара-

метров

Модели ЭУ( программы

расчёта )

Моделикомпонентов

Функциональ-ная модель

ЭУ

Схемотехни-ческая модель

ЭУ

компонентов

• Расчетом схемы определяются начальные значения параметров ее элементов и их электрические режимы.

• Эти данные являются техническим заданием на проектирование (выбор) элементов.

• После проектирования элементов схемы определяется масса и потери мощности в устройстве в целом.

• Затем производится синтез структуры и параметров схемы управления (СУ) и испытания ЭУ на модели.

• Итерационный характер процесса отражен блоком “анализ результатов, корректировка данных и параметров”.

• В процессе проектирования для выбранной структуры ЭУ необходимо определить параметры элементов и варианты их конструкторского исполнения, обеспечивающие достижение заданного критерия и соответствие требованиям ТЗ.

• Проектирование компонентов основано на использовании модульных программ проектирования основных элементов схемы (трансформаторы, дроссели, конденсаторы, силовые полупроводниковые элементы). Эти программы (модели) являются инвариантными по отношению к схемам устройств силовой электроники.

• Синтез структуры и параметров СУ основан на допущении о том, что удается выбрать СУ без необходимости изменения параметров силовой части. На этом этапе используется функциональная (упрощённая) модель ЭУ.

• На этапе анализа проверяется соответствие разработанной схемы требованиям ТЗ (её функциональному назначению), соответствие режимов работы элементов требованиям ТУ на них с заполнение карты рабочих режимов, соответствие полученных режимов расчётным, статистический контроль и граничные испытания.

• 3.2. АЛГОРИТМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЯ • Формальных (математических) методов синтеза

структур вентильных преобразователей по требованиям технического задания в силовой электронике пока нет, хотя исследования в том направлении проводятся.

• Поэтому эвристический по сути этап выбора схемы выпрямителя основан на знании видов и свойств базовых схем выпрямления, а процедура синтеза схемы выпрямителя сводится к выбору ее из множества известных, на основании знания их свойств.

• Расчетный этап по определению параметров элементов схемы основывается на известных теоретических соотношениях.

• Результаты расчета проверяются математическим моделированием схемы спроектированного выпрямителя.

• Выбор схемы выпрямителя (этап структурного синтеза)

• Процедуру принятия решения можно формализовать, создав в виде программы для ЭВМ соответствующую экспертную систему, основанную на базе знаний по силовой электронике.

• В тех случаях, когда не удается выбрать подходящую схему выпрямителя из числа известных, потребуется или изобретение новой схемы, или корректировка задания на проектирование выпрямителя.

• По результатам анализа базовых схем выпрямителей однофазного и трехфазного тока составлена сводная таблица базовых схем и их свойств (табл. 3.1).

Параметры базовых схем выпрямителей (база знаний)

• m – число фаз; • q – число полупериодов;• mq – пульсность;• кП – коэффициент пульсаций;• ka – коэффициент амплитуды анодного тока;• kф – коэффициент формы анодного тока; – коэффициент мощности выпрямителя;• S1,2,T – установленная (типовая) мощность 1-й, 2-й обмоток,

трансформатора;• КТ – коэффициент трансформации трансформатора;• I1, U1 – фазный ток и напряжение сети;• Ub max – обратное максимальное напряжение на вентилях.

Таблица 3.1

• Интеллектуальный алгоритм выбора схемы выпрямителя исходя из трех заданных параметров: , с учетом использования типовой мощности трансформатора и использования вентилей по обратному напряжению с коэффициентом запаса 1,5…2 приведен на рис. 3.2.

• Интеллектуальный алгоритм формируется на основании приведенной базы знаний и типовых рекомендаций по выбору схем выпрямителей и, несмотря на некоторые упрощения, иллюстрирует образец подхода

0 0, ,d d dP U I

Рис. 3.2. Интеллектуальный алгоритм выбора схемы выпрямителя

• Пусть необходимо спроектировать выпрямитель для обеспечения пуска и длительной работы двигателя постоянного тока при номинальной скорости вращения с постоянным потоком возбуждения.

• Параметры двигателя: Pн=100кВт, Uя.ном=440В, nн=1000об/мин. Допустимые пульсации тока якоря не более 7%. Напряжение питания обмотки возбуждения Uв=220В.

• Ограничивающее требование: входной коэффициент мощности выпрямителя в номинальном режиме должен быть не ниже 0,8.

• Источник питания трехфазная сеть 220/380В (+10% –15%) с доступной нейтралью. Мощность короткого замыкания сети в узле присоединения преобразователя Sкз=5000кВАр, т.е. Ккз=50.

• Согласно приведенного алгоритма можно сделать следующие выводы.

• 1) В соответствии с заданием на проектирование выпрямитель должен быть трехфазным и двухполупериодным (мостовая схема), так как требуется достаточно высокое выпрямленное напряжение.

• 2) Выпрямитель обмотки возбуждения также трехфазный, но в связи с невысоким значением выпрямленного напряжения может быть выполнен по однополупериодной схеме. Поскольку коэффициенты преобразования по напряжению выбранных схем выпрямителей различаются в два раза и их требуемые выпрямленные напряжения также различаются в два раза.

• 3) Возможен вариант питания обеих схем от одной системы вторичных обмоток трансформатора.

• 4) А с учетом того, что Ктр трансформатора больше единицы, но близок к ней (понижающий трансформатор), возможен вариант питания выпрямителей непосредственно от сети (без трансформатора выпрямителя).

• Таким образом, экспертная система предлагает для проектировщика три альтернативных решения, и по результатам подробного расчета и моделирования надо выбрать одно

• 3.3. АЛГОРИТМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

• Обобщенную структурную схему преобразователя постоянного напряжения (ППН) можно представить в виде совокупности импульсного элемента (ИЭ) – преобразующего постоянное входное напряжение Е в последовательность однополярных импульсов и содержащего силовой ключ (К) с трансформатором (Т) и выпрямителем (В), и фильтра (Ф) для сглаживания пульсаций выходного напряжения ППН

H

CУ

В Т К

Ф ИЭ Е

• В базовых схемах ППН трансформатор и выпрямитель отсутствуют.

• Регулирование выходного напряжения ППН осуществляется изменением коэффициента заполнения импульсов:

• Uвых=КтЕ(Тимп/Т),• где Кт – коэффициент трансформации

трансформатора,• Тимп – длительность импульса,• Е – напряжение источника питания• Т – период следования импульсов.

• Основные исходные данные для проектирования ППН:

• • мощность нагрузки и диапазон ее изменения;• • напряжение питания и диапазон его изменения;• • выходное напряжение или ток;• • требуемый закон регулирования;• • возмущающие воздействия по цепям питания,

нагрузки и управления;• • условия эксплуатации.• В качестве ограничений при проектировании

выступают требования ТЗ: -допустимый коэффициент пульсаций выходного

напряжения, -статическая и динамическая ошибка, -требуемая надежность и др.

Структурная схема алгоритма проектирования ППН

Ввод исходных данных

L min , расчёт схемы

Проектирование компонентов

Определение m , P ,

m i+1 < m i

L K+1 = L K + L

Да

Начало

Синтез СУ

Анализ режимов

Конец

Вывод оптимального варианта

Нет

• В соответствии с существующими методиками расчета и принципом работы, проектирование ППН осуществляется в следующей последовательности:

• 1.По заданному диапазону изменения нагрузки определяется минимальное значение индуктивности дросселя фильтра Lmin, при котором выполняется условие непрерывности тока дросселя

• , • где Iдоп – допустимая пульсация тока в дросселе фильтра при напряжении на нем UL и

длительности импульса Тимп.

minL имп

доп

U TL

I

• 2.При выбранном значении индуктивности дросселя рассчитываются требуемая емкость конденсаторов входного и выходного фильтров, электрические режимы остальных элементов схемы.

• При выборе емкости конденсатора выходного фильтра должно выполняться условие

•

• где Сп – значение емкости, обеспечивающее требуемый уровень пульсаций,

• СТ – значение емкости, обеспечивающее выполнение условия Тф2Т, где Т – длительность периода квантования импульсного элемента,

• – значение емкости, обеспечивающее

• минимальную колебательность системы. • Здесь – прогнозируемый КПД преобразователя.•

р 2.1

фк

н мин

LС

R

рmax , ,п кТфС C С С

• 3.В программах проектирования компонентов производится проектирование и оптимизация дросселя, блока входных и выходных конденсаторов, силовых полупроводниковых элементов схемы, трансформатора.

• 4.Определяются суммарные потери мощности и масса элементов преобразователя.

• 5.При проектировании ППН важно добиваться уменьшения их массы и габаритов при высоком КПД. Этого можно добиться увеличением индуктивности дросселя фильтра LФ и увеличением рабочей частоты F.

• В первом случае, при увеличении LФ, уменьшается загрузка остальных элементов схемы, а следовательно и их масса.

• Во втором случае уменьшается установленная мощность и масса элементов фильтра, но увеличиваются динамические потери в ключевых и магнитных элементах схемы, а также в конденсаторах фильтра.

• Отсюда следует, что в качестве независимых переменных следует выбрать индуктивность Lф дросселя фильтра и рабочую частоту F, если она не определена в ТЗ, а алгоритм оптимизации ППН может быть реализован следующим образом.

• .

• 6.Направленным варьированием (увеличением) индуктивности сглаживающего дросселя и повторением пунктов 1 – 4 проводится минимизация приведенной массы устройства при заданной частоте коммутации

• 7.Если рабочая частота ППН не задана в ТЗ, ее оптимальное значение определяется проектированием ППН по описанному алгоритму при различных значениях частоты.

• Верхняя и нижняя границы зоны поиска оптимальной частоты ограничиваются параметрами элементной базы, мощностью нагрузки, требованиями электромагнитной совместимости и постоянно изменяются.

• Например, 10 лет назад диапазон рабочих частот ППН составлял 10–30кГц, в настоящее время 50–200кГц.

• 8.Часто наиболее целесообразным является вариант параллельного включения унифицированных модулей.

• При этом мощность модулей и их рабочая частота зависят от множества факторов: параметров элементной базы, условий эксплуатации, назначения, технологий изготовления.

• 9.Синтез структуры и параметров схемы управления (СУ). При синтезе СУ необходимо определить структуру и параметры корректирующих звеньев. Как правило, корректирующие звенья подключаются в цепь обратной связи усилителя сигнала ошибки.

• Выбор параметров корректирующих цепей необходимо производить на худший случай (худшее сочетание параметров нагрузки и напряжения питания).

• В частности, при изменении нагрузки меняются параметры фильтра (индуктивность), при этом существует критическая мощность нагрузки, которой соответствует минимальное затухание (максимальная колебательность) системы.

• Критическое значение сопротивления нагрузки можно определить по формуле

• » , где

– характеристическое сопротивление фильтра.

• Для этого случая и надо рассчитывать параметры СУ.

. 1н крR

/ф фL C

• 3.4. ОПТИМИЗАЦИЯ ИНВЕРТОРА С ФИЛЬТРОМ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ НА МИНИМУМ МАССЫ

• Существуют следующие способы формирования синусоидального выходного напряжения инверторов: амплитудная модуляция, импульсная модуляция, использование фильтров и комбинация перечисленных способов.

• Мощность инвертора определяется полной мощностью нагрузки, а концепция оптимизации при проектировании инверторов основана на перераспределении полной мощности между его элементами за счет компенсации реактивной мощности нагрузки и ограничения токов и мощности высших гармоник.

• Структурная схема инвертора

• VT – блок силовых транзисторов,• TV – силовой трансформатор,• Ф – фильтр.

VT TV Ф Н

• При этом необходимо учитывать зависимость КПД инвертора от сosφ нагрузки, которая выражается соотношением

• , • где Р(1) – потери мощности в инверторе при сos = 1.• Полная расчетная мощность элементов инвертора

зависит от степени компенсации реактивной мощности нагрузки компенсирующим конденсатором фильтра, включаемым параллельно нагрузке, в соответствии с выражением

• • где QCK – мощность компенсации.• От степени компенсации зависит также КПД

инвертора, так как • .

(1)н

ИФ

нн

РР

Рсos

2 2( )ни н н CKS P Q Q

2 2( )н

н

н н CK

Pсos

P Q Q

• Мощность высших гармоник определяется гармоническим составом напряжения на входе фильтра и уменьшается в инверторах модуляционного типа за счет уменьшения амплитуды и числа действующих гармоник.

• Следовательно, комбинируя способы модуляции прямоугольного напряжения и структуру, и параметры фильтра, можно добиться оптимального сочетания массогабаритных и энергетических показателей, соответствующего экстремуму заданного критерия.

• При этом, для выбранного типа фильтра, основными независимыми переменными при проектировании инвертора будут:

• 1. Тип модуляции (угол управления силовыми транзисторами), определяющий спектральный состав напряжения на входе фильтра.

• 2. Мощность компенсации QCK, определяемая емкостью компенсирующего конденсатора Ск.

• При проектировании инвертора необходимо дополнительно учесть следующие ограничения:

• 1.Коэффициент передачи первой гармоники Г-образного фильтра зависит от нагрузки

• • поэтому такие фильтры используют в схемах с пониженным

содержанием гармоник, например в схемах модуляционных инверторов, для которых отношение волновых сопротивлений последовательного и параллельного элементов фильтра 0.

• Для резонансного фильтра и не зависит от ε и он применяется в основном при прямоугольном напряжении на входе фильтра.

• 2.При проектировании фильтров необходимо учитывать, что должно выполняться условие , где , Х(1) –

• сопротивления элементов фильтра по первой гармонике.• Выполнение этого ограничения обеспечивает отсутствие

резонанса и, следовательно, перегрузки по низшей в спектре гармонике с номером min.

12 2

1

1п

н

Kctg

1 1пK

2min

1

(1)(1)

LФ

CK

XX

• 3.Можно показать, что по условию оптимальности фильтра должно выполняться соотношение

• Если это условие не выполняется, следует подключить параллельно нагрузке дополнительную индуктивность Lдоп, чтобы выполнялось ограничение:

• 4.Для компенсации влияния токов высших гармоник на динамические потери в транзисторах иногда целесообразно увеличить ёмкость компенсирующего конденсатора, при этом ток переключения VT можно сделать равным нулю.

нtg

ндоп

н

Q QР

Структурная схема алгоритма проектирования инвертора

• 1.Краткое описание алгоритма. Из библиотеки выбирается модель схемы, проводится расчет токов и напряжений в схеме при принятых допущениях, связанных с идеализацией или упрощением моделей элементов схемы, и по заданному значению коэффициента гармоник определяются параметры фильтра. Затем по соответствующим программам производится проектирование компонентов, после чего определяются суммарная масса и потери мощности в схеме.

• 2.Первый цикл оптимизации – по степени компенсации реактивной мощности нагрузки. Изменением емкости компенсирующего конденсатора добиваются экстремального значения заданного критерия.

• 3.Второй цикл – изменение угла управления силовыми ключами (способа модуляции). Минимизируя спектральный состав напряжения на входе фильтра, добиваются наилучшего значения критерия.

• 4.В результате отыскивается глобальный экстремум критерия проектирования.

• 3.5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОМПОНЕНТОВ СХЕМ УСТРОЙСТВ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

• В соответствии с итерационным характером процесса проектирования программа расчёта любого компонента должна включать две связанные подпрограммы "синтез", то есть собственно проектирование узла и "анализ" – проверочный расчёт с определением основных параметров схемы замещения, потерь мощности, перегрева и т.д. при задании режимов, отличающихся от тех, для которых узел спроектирован.

• Тогда типовой алгоритм проектирования компонентов должен включать следующие блоки:

• 1.Вызов модели узла из библиотеки.• 2.Выбор: "синтез", "анализ".• 3.Задание рабочих режимов (исходных данных).• 4.Расчёт основных характеристик, а в задаче синтеза и

оптимизация компонента по принятому критерию, варьированием по заданному алгоритму основных независимых переменных.

• 5.Проверка соответствия заданным требованиям (ограничениям).

•

• 3.6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ УЗЛОВ

• Алгоритм машинного расчёта трансформаторов и дросселей, как правило, основан на методе рационализированного перебора независимых переменных путем расчёта на заданный перегрев, при условии получения минимальной массы при оптимальном соотношении потерь в магнитопроводе РС и катушке РК.

• Для тороидальных трансформаторов естественного режима (ТЕР) оптимальным считается равенство этих потерь между собой РС = РК.

• Независимыми переменными при проектировании трансформаторов и дросселей являются: тип и материал сердечника, перегрев (плотность тока), коэффициент запаса по индукции (рабочая индукция), тип обмоточного провода.

• Расчет начинается с первого (наименьшего) сердечника в ряду магнитопроводов с дальнейшим перебором до выбора оптимального варианта.

• Начальные значения электромагнитных нагрузок (индукция и плотность тока) вычисляются по характеристикам материала и геометрическим размерам, которые занесены в массив табличных данных.

• Расчётная индукция B выбирается не больше предельно допустимой, равной индукции насыщения Вs.

• Проводится предварительный электрический расчёт. Если площади сечения одного провода не достаточно, то берётся несколько сложений провода.

• Расчёт потерь ведется с учётом вихревых токов и перегрева трансформатора. При превышении перегрева производится пересчёт трансформатора на больший сердечник.

• Все основные циклы, связанные с перебором параметров проектирования, наглядно представлены на блок-схеме, их предлагается проанализировать самостоятельно.

• В программе расчета трансформатора цикл по Рс/Рк=1 разомкнут. Проектировщик, меняя коэффициент запаса по индукции и перегрев, может добиться оптимального сочетания потерь в сердечнике и обмотке с учётом всего множества влияющих факторов.

• На печать выводится значение массы трансформатора, его геометрические размеры, энергетические показатели, ток холостого хода, напряжение короткого замыкания, данные обмоток и другие параметры, необходимые для конструкторской проработки и изготовления трансформатора, а также параметры схемы замещения для схемотехнического моделирования трансформатора.

• В программу введены характеристики магнитных материалов разных типов: электротехническая сталь Э360, пермаллои 34НКМП, 79НМ, феррит Н2000НМ и др. Это позволяет правильно выбрать материал сердечника в зависимости от рабочей частоты.

• В программы проектирования электромагнитных элементов занесены кривые намагничивания всех используемых материалов и зависимости удельных потерь от рабочей индукции и частоты. Все основные расчетные соотношения в программах проектирования берутся из типовых методик расчета.

• Программа расчёта дросселя выполнена по аналогичной структуре. Введено дополнительное условие по учету напряжённости магнитного поля в сердечнике, а число витков определяется из условия получения требуемой индуктивности при заданном токе подмагничивания.

Структурная схема алгоритма проектирования трансформатора

• АЛГОРИТМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КЛЮЧЕЙ

• Концепция оптимизации полупроводниковых ключей ЭУ заключается в определении оптимального соотношения между количеством транзисторов выбранного типа (степенью их загрузки) и требуемой площадью теплоотвода.

• При проектировании полупроводниковых ключей ЭУ используется метод направленного перебора независимых переменных.

• Для биполярных транзисторов это: N – количество параллельно включенных транзисторов и q – степень их насыщения.

• Критерию минимума массы транзисторного узла соответствует оптимальные N и q, при которых суммарная масса транзисторов МТ и теплоотвода минимальна:

•• Требуемая площадь поверхности теплоотвода определяется по

формуле • ,где – потери в одном

транзисторе; N – число параллельно включенных транзисторов; – заданный перегрев; КТ – коэффициент теплоотдачи, учитывающий тип радиатора и способ его охлаждения; ТО – удельная масса теплоотвода (г/вт).

minT T TOM S

1T

T

PNS

K T

Т

1Р

• Потери мощности в транзисторе определяются режимом его работы в схеме и складываются из потерь в режимах отсечки

• , • где UКЭзакр – напряжение на закрытом транзисторе;• потерь в режиме насыщения• ;• ;• и динамических потерь (потерь на переключение),

которые, при линейном изменении тока и напряжения на интервале коммутации, равны

• , • где – коэффициент заполнения импульса, Кп

– коэффициент перекрытия, учитывающий сквозные токи в схеме и показывающий во сколько раз реальный ток переключения больше расчетного. На начальных стадиях проектирования прогнозируется.

0(1 )

отс K КЭзакрP I U

2. 0 .к нас кэ к ср к кР U I r I

2. 0 .б нас бэ б ср б бР U I r I

1

6д к к к пР I U f t К

Структурная схема алгоритма проектирования транзисторных ключей

Начало

Ввод исходных данных

Расчёт Nmin

q = 1 , qmax

Вызов модели из библиотеки

Расчёт P

q = q + q

Нет

q < qmax

Pi > Pi-1

Да

Нет Да

Расчёт ST , SVT , M

Выбор оптимального варианта

Да

N = N + 1

Конец

Нет

M i < M i-1

• 1.Исходя из допустимых загрузок и заданных режимов работы силового ключа, определяется Nmin – минимальное количество параллельно включенных транзисторов.

• 2.Для выбранного количества транзисторов рассчитывается оптимальная степень насыщения q, соответствующая минимальным потерям мощности Рmin.

• 3.Затем, если условие плотной компоновки, когда суммарная площадь транзисторов равна площади теплоотвода, не выполняется, расчёт повторяется для N+1.

• 4.При увеличении N потери P в ключе уменьшаются и, следовательно, требуется меньшая площадь теплоотвода SТ. Остановка программы происходит при выполнении условия:

• Аналогично строится алгоритм проектирования блока силовых диодов, оптимальные режимы работы которых определяются варьированием их типа и количества при заданных электрических режимах и условиях эксплуатации.

minT T TOM S

• 3.8. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНДЕНСАТОРНЫХ БЛОКОВ СГЛАЖИВАЮЩИХ ФИЛЬТРОВ

• Исходные данные для проектирования:• • тип конденсатора;• • частота, амплитуда и форма пульсации тока;• • требуемая емкость на заданной частоте;• • напряжение постоянного тока;• • заданная амплитуда пульсаций напряжения;• • рабочий диапазон температур;• • заданный перегрев.

• Параметры конденсатора зависят от его типономинала и конструкции, поэтому алгоритм прямого поиска оптимального решения для заданного типа конденсаторов из имеющихся в библиотеке, заключается в направленном варьировании номиналами от меньшего к большему и количеством конденсаторов каждого номинала (N < Nmax) до соответствия всем последовательно налагаемым ограничениям: рабочему напряжению, требуемой ёмкости, заданным или допустимым пульсациям напряжения, перегреву.

• Такой перебор ввиду простоты алгоритма занимает минимум времени и даёт возможность найти действительный глобальный экстремум (перебором всех номиналов данного типа), выбрав для заданных электрических режимов и условий эксплуатации тип и номинал конденсаторов, обеспечивающие минимальную массу конденсаторного узла с учётом сопутствующих элементов, например предохранителей

Структурная схема проектирования конденсаторных узлов фильтров

Расчёт V , M

Выбор оптимального варианта

Да

Конец

Нет N = N + 1

Нет

Расчёт U

U расч < min ( U U

зад , U доп

Да

N < N доп

Расчет r C Z ( fпульс ,T+T), С,

T расч < 1.1 T зад

Нет N = N U раб / U зад

Расчёт P и T

Да

Начало

Ввод исходных данных

Расчет C( fрез,Тмин ), Nнач

Выбор типономинала

U раб < U доп Нет

Да

)

• Для электролитических конденсаторов с двухкомпонентной схемой замещения расчёт пульсаций производится по формулам:

• • для синусоидального тока: ;• • для несинусоидального тока можно пользоваться формулой • • ,

• где Icср(+) – среднее значение тока на интервале заряда конденсатора, I – размах пульсациии тока, zc – полное сопротивление конденсатора на данной частоте.

• Расчет конденсаторных блоков с определением реальной емкости и активного сопротивления на заданных частотах производится при минимальной и максимальной температурах,

• на печать выводится вся необходимая для разработчика и конструктора информация.

• Максимальное количество параллельно включенных конденсаторов ограничивается, т.к. дальнейшее увеличение не приводит к уменьшению пульсаций из-за возрастающей длины и сопротивления соединительных проводов.

( )cU I z f

р( )CcC

IU I r

C f

• 3.9. МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМ В ПРОГРАММАХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

• Программы проектирования строятся на базе моделей, описывающих основные свойства и характеристики проектируемых элементов.

• Для программ проектирования используются статические модели и расчёты с использованием действующих и средних значений токов и напряжений и алгебраических уравнений.

• Для статических моделей наиболее распространенными являются методы аналитического или табличного описания основных характеристик (входных, выходных и передаточных) элементов устройств электронной техники.

• При использовании для формирования моделей методов регрессионного анализа для описания функции одного переменного используются полиномы вида:

• y = a0 + a1x + a2x2 +....• для функции двух переменных:• y = a0 + a1x1 + a2x2 + a3x12 + a4x1x2 + a5x22 +....• Степень полиномов определяется по виду исследуемых

характеристик и может отражать физические особенности элемента, либо назначаться по условию минимума ошибки описания.

• Модель элемента в этом случае представляется набором коэффициентов ai, соответствующих данному элементу и определяемых, как правило, методом наименьших квадратов.

• Кроме того, модель должна содержать описание массо-габаритных характеристик элемента (тип корпуса, габариты, массу, температурное сопротивление переход-корпус) и предельно допустимые электрические параметры для правильного его выбора.

• 3.10. МОДЕЛИ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ В ПРОГРАММАХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

• Формирование моделей диодов и транзисторных ключей. • Передаточная характеристика транзистора описывается

полиномами второго порядка, входная и выходная – полиномами первого порядка.

•••• Для описания зависимости коэффициентов, приведенных

полиномов от степени насыщения q, принята гипербола:

• Зависимость коэффициента передачи от температуры учитывается полиномом вида

• где Т – температурный коэффициент,• ТК – температура корпуса.

20 1 2( , ) ( ) ( ) ( )k k kB i q a q a q i a q i

0( , ) ( )бэ k б вх бU i q U q R i

0( , ) ( ) ,кэ к вых к бk kU i q U q R i I I B

1 2( ) /ia q c c q

0251 25Т Т КB В Т

• Динамические параметры транзисторов учитываются постоянной времени транзистора:

• • где fгр – граничная частота.• Времена переключения транзистора связаны с постоянной

времени соотношениями:

• Предельные значения электрических параметров – максимально допустимый ток коллектора и максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер определяются по графику области безопасной работы (ОБР), который, как и все остальные параметры для модели, выбирается из технических условий на данный тип транзистора и, при необходимости, доопределяются экспериментально.

1

2VT

грf

ln1

вклвкл VT

вкл

qt

q

1ln выкл

выкл VT

выкл

qt

q

6 ln

1вкл выкл

расс VT

выкл

q qt

q

Формирование файла коэффициентов в библиотеку моделей транзисторов

Определение VT

Ввод исходных данных

Интерполяция полиномами МНК зависимостей

UКЭ = f(IК , q) ; UБ = f(IК , q) ; = f(IК , q)

Структурная схема алгоритма формирования модели транзистора

• Модели диодов для программ проектирования формируются аналогично.

• Кроме предельно допустимых значений прямого тока и обратного напряжения, модель диода включает максимальное значение одиночного импульса тока в функции от его длительности для оценки правильности применения данного диода с учетом

пусковых режимов в схеме.

• 3.11. ФОРМИРОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРОВ

• В основу модели положены взятые из ТУ или определяемые экспериментально зависимости импеданса z и тангенса фазового угла потерь tg от частоты f и температуры Т, а также тока утечки конденсатора Iут от температуры T и рабочего напряжения Uраб.

• К основным параметрам электролитического конденсатора относятся фактическая емкость и активная составляющая полного сопротивления, определяющая наряду с током утечки потери мощности в конденсаторе в функции от рабочей частоты.

Схема замещения и векторная диаграмма электролитического конденсатора

LC

rC

C

Rут

IC

U

Ur

UL

UC

• Основные параметры конденсатора связаны соотношениями, которые соответствуют векторной диаграмме:

Ctg r C 21

C

zX z Cos

tg

1Cx C

21 tgC

z

21C

z tgr z Sin

tg

Зависимости z = f(f, T) и tg = f(f, T), которые описываются полиномами в процессе формирования модели, позволяют рассчитать основные характеристики конденсатора для любой частоты и температуры.

• В качестве исходных данных для описания зависимостей • tg =f(f,T), z= f(f,T), Iут =f(T) • используются взятые из ТУ типовые характеристики и

результаты экспериментальных исследований. • На каждой из частот определяются параметры•

• и по приведенным выше формулам и C • Для аналитического описания указанных зависимостей

используют интерполяционные полиномы, коэффициенты которых получают методом наименьших квадратов, и в качестве

параметров модели заносят в библиотеку. .

2

1

V щ

f

V

U Rz

U 2

Cr

Схема измерений параметров конденсатора

V1

V2

G~ +

G=

-

Б1-18

Г3-34

Rш

Ф2-1

В3-7

• Наличие индуктивности в схеме замещения конденсатора приводит к появлению резонансной частоты и для частот больших резонансной частоты полное сопротивление конденсатора становится индуктивным.

• Порядок резонансной частоты для электролитических конденсаторов в соответствии находится в пределах 50 кГц...3 МГц.

• С, мкФ 1000 470 100 10• F, МГц 0.05 0.12 0.25 3• Для компенсации индуктивности в широком

диапазоне частот и сглаживания высокочастотных пульсаций параллельно электролитическим подключаются высокочастотные керамические конденсаторы.

• Токи утечки (мкА) рассчитываются по формулам, приведённым в ТУ. Например, для конденсатора К52–5 с напряжением U = 50 В:

•

• Рассеиваемая мощность и перегрев равны•

• где – коэффициент теплоотдачи; S - площадь боковой поверхности конденсаторов; kS – коэффициент использования боковой поверхности для теплообмена, N – количество конденсаторов.

• Кроме перечисленных параметров, модель конденсатора должна быть дополнена его конструктивными параметрами: массой, боковой поверхностью, габаритными размерами.

2 (0.038 0.25)ут рабI CU t

2 C

д раб ут

rP I U I N

N

S

PT

S k

• 3.12. МОДЕЛИ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ДРОССЕЛЕЙ В ПРОГРАММАХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

• Модели включают описание характеристик магнитных материалов:

• • зависимость удельных потерь РC0 от частоты, описываемая логарифмическим полиномом первой степени log Pсо = a + b log F;

• • для прессованных сердечников зависимость тангенса угла потерь от частоты F и напряженности H, описываемая полиномом вида:

• tg=a0+a1F+a2H+a3FH;• • семейство кривых намагничивания В(Н) для

различных частот, описываемое методом кусочно-линейной аппроксимации.

• Параметры сердечников, каркасов, обмоточных проводов, изоляционных материалов, коэффициенты теплопроводности и теплоотдачи, и др. сведены в таблицы и составляют конструкторскую часть модели.

• Параметрами магнитопроводов (сердечников) являются: граничная индукция, индукция насыщения, типоразмер и масса сердечников, толщина ленты и коэффициент заполнения магнитным материалом для витых сердечников (для прессованных сердечников коэффициент заполнения равен единице), теплоемкость материала сердечника.

• Основными параметрами обмоточных проводов являются: удельное сопротивление материала (меди), температурный коэффициент изменения сопротивления меди, удельный вес и теплоемкость меди, диаметр каждого типономинала обмоточного провода с изоляцией и без, коэффициент укладки для данного типономинала провода.

• К основным параметрам изоляции относятся: толщина межслоевой и межобмоточной изоляции, толщина изоляции на наружной стороне: удельная масса и теплоемкость изоляции при пропитке.

• Модель каркаса включает следующие параметры: материал, габаритные размеры, толщина стенок, масса и теплоемкость.