Таблица 2.1 - Технические характеристики диодного моста 36MB60A
В связи с тем, что жестких требований к качеству напряжения на выходе входного фильтра нет, и величина пульсации в нем определяется допустимой амплитудой переменной составляющей конденсатора, зададимся значением: Kп' = 0,05 о.е.
Коэффициент пульсаций на входе однофазного мостового выпрямителя имеет следующее значение: Kп = 0,67 о.е.
Определим коэффициент сглаживания фильтра как:
Выбираем входной конденсатор с учетом перегрузочного напряжения. В нашем случае выбираем конденсатор с емкостью 6,6 ф. на напряжение 450 В. Также выбираем токоограничивающий резистор с сопротивлением 5 Ом. После диодного моста необходимо поставить сглаживающие конденсаторы емкостью 0,1 ф. на 630 В.
Исходя из имеющихся параметром, мощность нагрузки должна составлять 6,2 кВА. В связи с тем, что трансформатор при осуществлении преобразований имеет потери энергии на гистерезис и вихревые токи, необходимо принять КПД трансформатора з = 90%.
Мощность трансформатора:
Действующее значение тока нагрузки:
Полное сопротивление:
Активное сопротивление:
Rн = Zн Ч cos j--= 8,36 Ч 0,98 = 8,19 Ом
Реактивное сопротивление:
Согласно рекомендациям [14] соотношение между ёмкостью и индуктивностью в цепи нагрузки, составляет 10:1, тогда значения для:
Индуктивное сопротивление: X L = 0,151 Ом.
Ёмкостное сопротивление: XC =1,513 Ом.
Индуктивность находим из следующего выражения: X L =--wЧ L,
Емкость определяем из выражения:
Проведем расчет сопротивлений нагрузки и коэффициента мощности, при различных режимах работы: холодном, нормальном и горячим.
Таблица 2.2 - Значения параметров в различных режимах работы
2.3 Выбор транзисторов Условие для выбора транзисторов:
Исходя из значения максимального тока выбираем сверхскоростной IGBT транзистор IRG4PC50UD с рабочей частотой от 8 до 40 кГц. В его конструкцию входит обратный диод. Технические характеристики транзистора представлены в таблице 2.3.
Таблица 2.3 - Технические характеристики транзистора IRG4PC50UD
Коэффициент усиления по току:
Ток эмиттера
Ток базы
Входное сопротивление:
Производим расчет токоограничивающего сопротивления по выражению:
Мощность на базе транзистора:
Выбираем резистор серии АН-25, с техническими параметрами, представленными в таблице 2.4.
Таблица 2.4 - Технические параметры резистора АН-25
Потери в транзисторах:
Транзисторы в полуоткрытом состоянии имеют максимальные потери, поэтому они используются в двух положениях: полностью открытом и закрытом.
В этих положениях потери являются минимальными, ввиду большой частоты срабатывания транзисторов.
Таблица 2.5 - Технические параметры стабилитрона КС213Б
2.4 Выбор резистора
Выбираем резистор CF-100, исходя из активного сопротивления нагрузки и мощности. Технические характеристики представлены в таблице 2.6.
Таблица 2.6 - Технические параметры резисторы АН-100
2.5 Выбор конденсатора
Выбираем конденсатор К50-35, исходя из значения емкости в цепи нагрузки и рабочего напряжения. Технические характеристики представлены в таблице 2.7.
Таблица 2.7 - Технические параметры конденсатора К50-35
2.6 Расчет дросселя
Дроссель представляет собой катушку индуктивности, с низким сопротивлением постоянному току. Он необходим для регулировки силы тока, благодаря которой ограничивают электрические сигналы разной частоты.
Основным допущением, при расчете является то, что плотность тока, протекающего через дроссель, составляет: j=1,4 А/мм2. Это связано со способом охлаждения дросселя, который в нашем случае осуществляется с помощью воздуха.
Находим необходимое сечение провода дросселя:
Исходя из необходимого сечения провода дросселя, выбираем провод марки ПЭТВ-2 диаметром 2,24 мм. Намотка провода осуществляется таким способом, чтобы между витками оставался воздушный зазор.
Обмотка дросселя занимает все окно сердечника, исходя из этого зная плотность тока и его величину, и другие параметры можно определить максимальное количество витков:
Выбираем стандартный Ш-образный ферритовый сердечник Ш20х28 марки 2000НМ.
2.7 Расчет трансформатора
В автономных резонансных инверторах трансформаторы необходимы для согласования параметров и нагрузки, а также с их помощью обеспечивается гальваническая развязка нагрузки. Задаем частоту в контуре АИН 4000 Гц.
Расчет трансформатора производим исходя из имеющихся параметров:
U2 = 26 В, Uпит = 220 В,
S2 = 6200 ВА, cos j--= 0,96 о.е.
Для расчета трансформатора необходимо определить напряжения и токи обмоток, выбрав при этом коэффициент трансформации из условия минимального напряжения на первичной обмотке, для обеспечения необходимого напряжения на нагрузке.
Амплитудное значение напряжения первичной обмотки силового трансформатора определится как:
U1max = 0,95 Ч Udmin = 0,95 Ч 240 = 228 В.
Ток в первичной обмотке:
Находим сопротивления нагрузки, приведенное к напряжению первичной обмотки трансформатора:
Ток во вторичной обмотке:
Габаритная мощность трансформатора:
Исходя из известных значений токов, напряжений и габаритной мощности трансформатора выбираем сердечник и определяем параметры обмоток. Для исключения режима насыщения сердечника трансформатора необходимо, чтобы число витков в первичной обмотке рассчитываем исходя из значения наибольшего напряжения, прикладываемого к данной обмотке.
где S0 - площадь окна сердечника магнитопровода, см2; Sс - поперечное сечение сердечника, см2;
kф - коэффициент, характеризующий форму напряжения (для синусоидального сигнала принимают 1,11);
kс - коэффициент заполнения сердечника (для трансформаторов из материала толщиной не менее 0,08 мм, принимают 0,9);
? - плотность тока в обмотках трансформатора (для высокочастотных трансформаторов принимают 5);
? - коэффициент заполнения окна сердечника (для проводов круглого сечения принимают 0,25);
Bм - индукция в магнитопроводе (для ферритовых сердечников, принимают 1,4);
fвых - частота в контуре АИН (выбираем частоту 4000 Гц).
Выбираем ферритовый сердечник B66387-G-X187, с техническими характеристики, представленными в таблице 2.8.
Таблица 2.8 - Технические характеристики сердечника B66387-G-X187
Определяем число витков на один вольт ЭДС в обмотках трансформатора по выражению:
Определим число витков, входящих в первичную обмотку:
W1 = U1max Ч W0 = 228 Ч 0,08 =18 витков.
Число витков во вторично обмотке трансформатора:
W1 = U 2 Ч W0 = 26 Ч 0,08 = 3 витка.
Определим диаметры проводов для обмоток:
Для первичной обмотки выбираем провод марки ПЭТВ-2, диаметром 1,12 мм. В один слой на стандартном каркасе.
Для вторичной обмотки выбираем провод марки ПЭТВ-2, диаметром 2 мм. Укладываем в четыре провода, два слоя в два провода.
Вывод
На основании проведенных расчетов, были выбраны основные силовые элементы, транзисторы, дроссель и трансформатор. На основании выбранных IGBT-транзисторов и их рабочей частоты, выявлено условие для выбора ШИМ и генератора импульсов.
3. Выбор системы защиты и управления
3.1 Обоснование системы управления
В качестве системы управления IGBT-транзисторами, входящими в автономный инвертор напряжения резонансного типа, используем широтно-импульсную модуляцию. В течении длительного применения в различных АИН показал себя эффективным, ввиду улучшения качества выходного напряжения АИН.
Задачи системы управления: регулировка сварочного тока.
Формирование нагрузочной характеристики сварочного инвертора с помощью контроля напряжения и тока на нагрузке, а также посредством формирования ШИМ управляющего сигнала.
Осуществлять защитные функции, которые не допускают повреждения элементов от перегрева и перегрузки, в моменты резкого изменения нагрузки.
Широтно-импульсная модуляция осуществляется с помощью ШИМ-контроллера и задающего генератора.
3.1.1 ШИМ-контроллер
В качестве системы управления используем ШИМ-контроллер. Ввиду его преимуществ, таких как: высокий КПД, стабильная работа на высоких частотах и отсутствие перегрева. ШИМ-контроллер отвечает за скоординированную работу сварочного аппарата, а именно:
? Контролирует текущее состояние сварочной дуги во время работы сварочного аппарата и во время розжига дуги.
? Предотвращает разбрызгивание материала электрода во время--сварки.
? Отвечает за правильную работу силовых диодов.
? Имеет возможность плавной регулировки сварочного тока.
Выбираем высокоскоростной ШИМ-контроллер UC3825N, с техническими характеристиками, представленными в таблице 3.1.
Таблица 3.1 - Технические характеристики ШИМ-контроллера UC3825N
Достоинства ШИМ-контроллера UC3825N:
? Способность работать на частотах до 1 МГц.
? Задержка выходных импульсов 50 нс.
? Усилитель ошибок способен работать в широком диапазоне.
? Ограничение пульсирующих токов.
? Мягкий старт.
Схема подключения ШИМ-контроллера UC3825N изображена на рисунке 3.1.
Назначение выходов микроконтроллера UC3825N представлены в таблице 3.2.
Рисунок 3.1 - Схема подключения ШИМ-контроллера UC3825N
Таблица 3.2 - Значение выходов ШИМ-контроллера UC3825N
Для согласования ШИМ-контроллера и IGBT-транзисторов выбираем полевые транзисторы MOSFET IRF530, с техническими параметрами, представленными в таблице 3.3.
Таблица 3.3 - Технические параметры MOSFET IRF530
3.1.2 Задающий генератор
Задающий генератор необходим для подачи импульсов определенной частоты на ШИМ-контроллер. Выбираем в качестве задающего генератора IR53HD420, с техническими параметрами, представленными в таблице 3.4.
Таблица 3.4 - Технические параметры задающего генератора IR53HD420
3.1.3 Диаграммы работы АИН резонансного типа с ШИМ
Принцип работы ШИМ заключается в том, что характеристика выходного напряжения формируется в качестве партий импульсов высокой частоты, чаще всего в виде синусоиды. Частота распространения импульсов, т.е. несущая, а частота изменения длительности импульсов называется частотой модуляции. В связи с тем, что несущая частоты намного выше частоты модуляции, гармоники кратные несущей частоте, находящиеся в спектре выходного напряжения. Другими словами, принцип работы ШИМ заключается в сравнении пилообразного сигнала с синусоидальным на основе чего строятся прямоугольные сигналы напряжения транзисторов на плечах АИН, представленные на рисунке 3.2.
Рисунок 3.2 - Принцип формирования управляющих импульсов при модуляции
3.2 Система защиты
В качестве системы защиты в нашей схеме предусмотрены:
? Защита от перенапряжения, с помощью стабилитронов. При превышении напряжения стабилизации стабилитрона происходит его пробой. В момент пробоя стабилитрон прекращает наращивать напряжение, но зато в этот период начинает возрастать сила тока в нем.
? Тепловая защита, с помощью теплового реле. В зависимости от тока уставки, установленного на реле, и превышения допустимой температуры выше--90 єС, происходит его срабатывание, после чего цепь, которая идет к электроду обесточивается, с помощью теплового реле и термовыключателей.
3.2.1 Выбор элементов системы защиты
В качестве элементов защиты в нашей схеме присутствует демпфирующая RC цепочка, осуществляющая защиту элементов от бросков напряжения. Согласно методикам расчета, представленным в разделе 2, производим выбор емкостных элементов, резисторов, диодов, стабилитрона и дросселя. Выбираем конденсатор для демпфирующей цепочки с емкостью 0,01 ф., рассчитанный на напряжение 630 В., с учетом перегрузок. Резистор для этой цепочки имеет сопротивление 28 Ом., а мощность 5 Вт. Таких цепочек у нас две, поэтому выбор для обеих будет одинаковый.
Выбираем в качестве силовых диодов Д1-Д2 выбираем 150EBU04 с техническими параметрами, представленными в таблице 3.5.
Таблица 3.5 - Технические параметры силового диода 150EBU04
В качестве силовых диодов Д3-Д6 выбираем VS-10ETF06PBF с техническими параметрами, представленными в таблице 3.6.
Таблица 3.6 - Технические параметры силового диода VS-10ETF06PBF
В качестве силовых диодов Д7-Д8 выбираем HER208 с техническими параметрами, представленными в таблице 3.7.
Таблица 3.7 - Технические параметры силового диода HER208
В качестве дросселя используем дроссель с ферритным сердечником марки 2000НМ К28х16х9, с намотанным проводом в ПВХ с сечением 1 мм2.
3.3 Электрическая схема АИН с системами управления и защиты
Определившись с системами управления и защиты, выбрав элементы, входящие в них, была разработана электрическая схема автономного инвертора напряжения резонансного типа с учетом данных систем. Схема изображена на рисунке 3.3.
Рисунок 3.3 - Электрическая схема автономного сварочного инверторного аппарата
Вывод
В данном разделе осуществили выбор системы управления. Произвели расчет ШИМ-контроллера и генератора импульсов для него. В результате чего была выбрана и построена электрическая схема автономного инвертора напряжения резонансного типа.