Мощность трансформатора:

Ток первичной обмотки : I=22A

максимальное входное и выходное напряжение: U₁= 590 В, U₂=40 В

1. Выбираем материал: кольцевой магнитопровод Гаммамет 503В (Bm=0.58 Tл)

2. Для расчёта типоразмера магнитопровода воспользуемся следующими численными значениями:

J= 2.5*10⁶ A/м плотность тока

= 1.7 *10^-8Ом м удельное сопротивление

S_пр=I/J=8ю8*10^-6 м² площадь сечения провода

d₁=2*(S/)=3.3*10^-3 м диаметр провода

d₁*(f)=0.474

k_T=1+0.004*T=1+0.2=1.2 коэф.

Увеличения сопротивления провода вследствии нагрева

k_д=1.1 коэф. увеличения сопротивления провода вследствие Скин-эффекта (выбирается из диаграмм)

sin(t_и/Т)= 1

_н=1.12 коэф. увеличения потерь вследствие несинусоидальности магнитной индукции.

=7700 кг/м³ удельная плотность материала

r=7.5*10^-7; s=2.03 p= 1.85 коэф. учитывающие потери в магнитопроводе

=12 коэф. теплоотдачи для естественного охлаждения.

Габаритный параметр определим из выражения:

Выбираем типоразмер ОЛ40/6430 со следующими характеристиками:

G=14.1;

l_cp=16.3*10^-2 м средняя длина магнитной силовой линии

S =2.5*10^-4 м² площадь поперечного сечения

V =41.4*10^-6 м³ объём магнитопровода

l_вит= 12.6*10^-2 мдлина витка

S_T= 274*10^-4 м² площадь поверхности трансформатора

S_oл= 12.57*10^-4 м² площадь окна магнитопровода

S*S_ок=418*10^-8 м²

Чтобы получить требуемый габаритный параметр соберём два кольца в одно при пересчёте получим

S_T= 469*10^-4 м²

V =82.2*10^-6 м³

S =5.04*10^-4 м²

G=42.7*10^-4

l_вит= 30.4*10^-2 м²

3. Найдём оптимальную магнитную индукцию

4. Число витков первичной обмотки определим из следующего выражения:

5. Число витков вторичной обмотки:

Для уменьшения индуктивности рассеивания вторичной обмотки уменьшим число витков во вторичной обмотке: W₂=1; W₁=11

При этом увеличим сечение магнитопровода путём добавления ещё одного кольцевого магнитопровода (S= 7.56*10^-4 м²), при этом произведём пересчёт магнитной индукции для нового числа витков: B_m=0.887 Тл

Выбранный магнитопровод не подходит для этих целей, поэтому выбираем другую марку магнитопровода: Гаммамет 414

В_m= 1.15 Тл.

=7300 кг/м³

r=4.3*10^-6; s=2 p= 1.7

Пересчитаем остальные параметры для данного типоразмера:

S_T= 665.04*10^-4 м²

V =123*10^-6 м³

S =7.56*10^-4 м²

G=47.5*10^-4

l_вит= 24.6*10^-2 м²

Сердечник трансформатора представлен на следующем рис. 30:

Рис. 30

6. Рассчитаем потери в магнитопроводе

Магнитная индукция первой гармоники:

7. Потери в обмотке составят:

8. Рассчитаем превышение температуры в трансформаторе: при принудительном охлаждении силовых приборов =20

9. Сечение провода вторичной обмотки:

10. КПД трансформатора:

Конструктивно устройство управление преобразователем состоит из 7 печатных плат.

Плата А1 плата центрального и периферийного микроконтроллера с расположенным на нём источником питания собственных нужд.

Платы А2-А5 - платы драйверов управления инверторными ячейками.

Платы А6-А7 платы драйверов управления выходным инвертором.

Силовая часть устройства состоит из пассивных элементов входной сглаживающий фильтр L1,С1, транформаторы TU1-TU4, сглаживающие дроссели L2-L5, и активных элементов: транзисторные IGBT-модули VT1-VT8, полевые транзисторные модули VT9-VT12, диодные модули Шоттки VD1-VD4.

Все мощные силовые полупроводниковые приборы расположены на радиаторах.

Транзисторные IGBT-модули VT1-VT4 и VT5-VT8 расположены на двух радиаторах, так как такое расположение позволяет рядом с краями радиаторов разместить высокочастотные трансформаторы.

Рядом с трансформаторами, на четырёх отдельных радиаторах размещены диодные модули Шоттки. Общие выводы которых, соединёны с сглаживающими дросселями L2-L5. Шлёйф, состоящий из 4-х токовых шин, подводится к выходному инверторному модулю расположенному на двух радиаторах. На каждом из радиаторов размещаются 8 полевых транзисторов IRFK6J54, соединённых соответствующе и образующих верхний и нижний модульный транзистор полумостового плеча инвертора.

Трёхфазный мостовой выпрямитель также размещается на отдельном радиаторе.

Тепловой расчёт устройства представлен ниже.

Опираясь на данные о потерях мощности, полученные при электрическом расчёте силовой части преобразователя сведём их в список. Значения тепловых параметров, а также типоразмеры корпусов узнаем из справочных данных на элементы.

Корпус IGBT модуля представлен на рис. 31

Рис. 31

Значения необходимые для произведения теплового расчёта представлены ниже. Для принудительного охлаждения используем вентилятор, обеспечивающий скорость движения теплоносителя 4 м/с. Вентилятор располагаем внизу устройства в вытяжной трубе. Силовые приборы прикрепляются на радиатор с помощью пасты КПТ-8 с эффективной теплопроводностью = 0.7 Вт/м*К для уменьшения контактного сопротивления корпус-радиатор. Применяем ребристый радиатор, расположение его должно быть таким, чтобы боковая поверхность рёбер была ориентирована по направлению потока газа. Усилие затягивающих винтов, крепящих силовые модули к радиатору, должно быть не менее 40 Н*М, в противном случае тепловое контактное сопротивление резко возрастает. Из справочных данных известно, что максимальная температура кристалла у всех используемых в данном устройстве элементов одинакова и равна 150 С. Для диодов Шоттки и полевых транзисторных модулей оптимальная рабочая температура равна 125 С, поэтому важно не переохладить модули.

Как видно из произведённых расчётов перегрев компонентов Т_i < Т_{i р.мак}, следовательно выбор радиаторов следует признать удовлетворительным. При этом температура перегрева кристалла является оптимальной для выбранных полупроводниковых приборов.

В качестве материала рекомендуемого для изготовления радиатора выбираем технический алюминий АД1 теплопроводность 218-226 Вт/м*К, плотность 2710 Кг/м³. данный материал обладает хорошей теплопроводностью и малой плотностью, а также отвечает требованиям технологии изготовления.

Платы драйверов управления IGBT-модулями А1-А4, располагаются непосредственно на силовых транзисторных модулях, так как на высоких частотах сказывается индуктивность проводников подходящих к данным модулям. Фирма-изготовитель рекомендует устанавливать платы управления на модули работающие с токами до 25А.

Рекомендуемая разводка печатной платы с находящимся на нём драйвером IR2110 представлена на рис. 32.

Рис. 32

На плату драйверов управления IGBT- модулями сигналы поступают от периферийного микроконтроллера расположенного на плате А1 через четыре восьмипиновых разъёма PLS-8.

На плату драйверов управления полевыми транзисторными модулями сигналы поступают от центрального микроконтроллера через два четырёхпиновых разъёма PLS-4.

Гальваническую развязку обеспечивает находящийся на этой же плате источник питания собственных нужд. Сетевое напряжение подаётся на него через разъём питания WF-4, блок предохранителей FU1, FU2 рассчитанных на максимальный ток 120 мА, режекторный фильтр L6 и варистор R1, выполняющий функцию защиты от кратковременных бросков в сети питания.

Выбор пассивных элементов схемы.

В качестве резисторов применяемых для подтягивания напряжения на портах Р0 микроконтроллера, а также в цепях коллектора и диода оптопар развязки, используется резистор С2-33 с металлодиэлектрическим проводящим слоем Резисторы данной марки имеют ТКС не хуже 30010^-6 1 ^оС и предназначены для работы в устройствах где не требуется высокая точность, данный тип резистора используется также в схемах управления драйверами как IGBT, так и полевыми транзисторами.

В цепях задания опорного напряжения применяется прецизионные резисторы С2-29, имеющие ТКС не хуже 1510^-6 1 ^оС, собственные шумы не превышают 1 мкВ/В.

Данные резисторы используются в цепи задания опорного напряжения на компараторы защиты, в качестве нагрузки для датчиков тока выходного инвертора и входных преобразовательных ячеек, а также в качестве делителя напряжения в цепи управления ШИМ контроллером источника питания собственных нужд.

В качестве электролитических конденсаторов выбираем ниобиевые оксидно-полупроводниковые марки К53-19. Их температурный диапазон -60…+85 ^оС, токи утечки не более 40 мкА, точность не хуже 10%. Для других электролитических конденсаторов выбираем марку К50-31 с точностью -20…+50%.

В качестве помехоподавляющих конденсаторов и применяются танталовые оксидно-полупроводниковые конденсаторы марки К53-17, предназначенные для подавления радио помех в цепях постоянного и пульсирующего тока. Ток утечки: I=2…7 мкА, тангенс угла потерь: tg=5…7, номинальное напряжение: U=6.3, 16, 30 В.

В качестве конденсаторов применяемых в схеме питания драйверов «зарядового насоса» применяем танталовые оксидно-полупроводниковые конденсаторы К53-18, предназначенные для работы в цепях постоянного и пульсирующего тока. Ток утечки: I=7 мкА, максимальная ёмкость С=220 мкФ.

Резонаторы кварцевые выбираем РК169 (или импортные марки РСХ). Звукоизлучатель - ЗП-2. Индикатор состояния устройства выбираем DA56двухсегментный, BA56-1 трёхсегментный. Клавиатуру выбираем конструктивно выполненную в пыле- и влаго- защитном исполнении фирмы Octagon Systems KP-3.

Индикаторы расположены на передней панели устройства и подсоединяются к разъёму микропроцессорного блока PLS 20 с помощью 15-ти жильного шлейфа марки

Конструкция печатных плат

Как было сказано выше устройство располагается на трёх видах печатных плат.

Максимальная плотность тока, протекающего через печатные проводники составляет j=20 А/мм². Толщина покрытого слоем припоя проводника составляет h=0,5 мм. Тогда ширина проводника вычисляется по формуле

Максимальный импульсный ток блока управления полевыми транзисторными модулями составляет 6 А. ширину проводника для этой платы выбираем с запасом и принимаем равной 1.5 мм

Максимальный импульсный ток блока управления транзисторными IGBT-модулями составляет 2 А. ширину проводника для этой платы выбираем с запасом и принимаем равной 1.0 мм

Соответствующая ширина дорожки должна идти и от источника питания собственных нужд к разъёмам относящимся к вышеперечисленным платам.

Ширину информационных и сигнальных дорожек принимаем равной 0.5 мм.

В качестве материала для печатных плат выбираем стеклотекстолит теплостойкий, фольгированный, травящийся, марки СТФ-2 ТУ16-503.161-83, код ОПК 22 9613 3300 толщиной 2 мм, толщина фольги 50 мкм. Данный материал предназначен для изготовления обычных и многослойных печатных плат методом металлизации сквозных отверстий или другими методами.

Разводка печатных плат осуществлялась при помощи пакета программ ACCEL EDA, предназначенного для разработки технической документации на электронные изделия. Плата блока центрального микроконтроллера имеет размеры мм и плата управления IGBT-модулями имеет размеры мм.

Для соединения элементов с проводниками печатной платы использован припой оловянно-свинцовый ПОС-61 ГОСТ21931-76, предназначенный для лужения и пайки тонких проводов и спиральных пружин в измерительных приборах, монтажных соединений обмоточных проводов диаметром 0,05…0,08 мм и литцендрата, резисторов, конденсаторов, герметичных швов стеклянных проходных изоляторов, печатных схем и при производстве полупроводниковых приборов, т.е. там, где не допускается перегрев.

Для обеспечения герметичности печатной платы выбираем эпоксидный электроизоляционный покрывной лак ЭП-9114 ОСТ6-10.429-79, предназначенный для защиты печатных узлов, эксплуатируемых при температуре -60…+125 °С.

При формовке выводов элементов схем усилие, прикладываемое к выводам, должно быть не более 0.245…19.6 Н (для сечения выводов от 0,1 до 2 мм²). Формовка выводов прямоугольного поперечного сечения должна производится с радиусом изгиба не менее удвоенной толщины вывода, а выводов круглого сечения с радиусом изгиба не менее двух диаметров вывода. Участок вывода на расстоянии 1 мм от тела корпуса не должен подвергаться изгибающим и крутящим деформациям. Обрезка незадействованных выводов микросхем допускается на расстоянии 1 мм от тела корпуса. В процессе операций формовки и обрезки не допускаются сколы и насечки стекла и керамики в местах заделки выводов в тело корпуса и деформация корпуса.

Пайку элементов схемы проводят, предварительно облудив паяемые выводы элементов. При замене элементов в процессе настройки и эксплуатации прибора производят пайку различными паяльниками с предельной температурой припоя 250 С, предельным временем пайки не более 2-х секунд и минимальным расстоянием от тела корпуса до границы припоя по длине вывода 3 мм. Необходимо поддерживать и периодически контролировать температуру жала паяльника с погрешностью не хуже ±5 С. Должен быть обеспечен контроль времени контактирования выводов микросхем с жалом паяльника, а также контроль расстояния от тела корпуса до границы припоя по длине выводов. Жало паяльника должно быть заземлено.

4. Организационно-экономическая часть