- Indrumator de proiectare -

Tema: Proiectarea unei surse stabilizate de tensiune

Continut

A. Proiectarea unor surse nestabilizate de tensiune (primare)

B. Proiectarea surselor stabilizate de tensiune

C. Calculul si analiza sistemelor automate de reglare a tensiunii surselor stabilizate

j5g4gx
PROIECTAREA SURSELOR STABILIZATE DE TENSIUNE

MEMORIU JUSTIFICATIV

SCOP

Actualul proiect isi propune sa ilustreze etapele si activitatile necesare pentru a proiecta surse stabilizate de tensiune, cu predilectie: cu functionare in comutatie
Proiectul are un caracter preponderent didactic, ceea ce justifica tratarea aspectelor functionale cu o pondere mult mai mare fata de aspectele constructive.

STRUCTURA

Proiectul contine trei capitole generale:

A. Proiectarea surselor nestabilizate de tensiune cu alimentare de la retea (surselor primare);
B. Proiectarea surselor stabilizate cu circuite de comanda bazate pe componente discrete sau pe circuite integrate dedicate;
C. Calculul, analiza si simularea functionarii surselor stabilizate sub aspectul sistemului de reglare automata a tensiunii;

A. PROIECTAREA UNOR SURSE NESTABILIZATE DE TENSIUNE

A.1. Calculul si analiza unui transformator de retea

Datele initiale se refera la: a. tensiunea primara de alimentare (U1); b. tensiunile si curentii nominali secundari (U2iN, I2iN); c. date despre miezul magnetic; d. date despre bobinaj (material, solicitari);

A.1.1 Schema electrica a transformatorului

Se vor calcula principalele elemente functionale si unele date constructive ale transformatorului din figura A.1.1.

A.1.2. Etapele de calcul ale transformatorului

A.1.2.1 Puterea totala in secundar (pentru );

aWi

A.1.2.2 Puterea de gabarit (de calcul)

aWi

in care randamentul estimat al transformatorului este dat in tabelul A.1.1
Tabelul A.1.1
aWi
10 20 30 50 70 100 200 300 500 700 1000

0,78 0,81 0,83 0,85 8,87 0,88 0,92 0,93 0,94 0,945 0,95
J
a i
4 3,8 3,6 3,2 2,4 1,40 1,25 1 0,90

De notat ca va fi necesara, in general, o interpolare pentru a gasi valoarea necesara ( ) in acord cu puterea ( ) rezultata din calcul si care nu va coincide cu valorile date in tabelul A.1.1.1.

A.1.2.3. Calculul aproximativ al sectiunii miezului de fier:

in care densitatea de curent admisa este data in tabelul A.1.1.1 .

A.1.2.4. Alegerea tipului tolei

Se folosesc tole E+I, conform figurii A.1.2.4 cu o inductie admisa B=1,1aTi. Dimensiunile principale ale tolei sunt: latimea tolei (l) si inaltimea ferestrei (h), rezultand de aici si celelalte dimensiuni.
Se incearca realizarea unei sectiuni „patrate” a miezului: cu , deci
Intrucat latimea (l) are doar valori tipizate, conform tabelului A.1.1.2., se alege tola cu dimensiunea (l*) cea mai apropiata de cea dorita, urmand a modifica corespunzator grosimea (b) a pachetului de tole.
Se presupune ca s-a gasit si valoarea (h) a inaltimii ferestrei miezului corespunzatoare datelor din proiect.
Pentru a tine cont de izolatia dintre tole, se calculeaza grosimea pachetului de tole:
.
Numarul de tole cu o grosime g=0,35(mm) rezulta din

Valorile recomandate ale latimii tolei (l) sunt date in tabelul A.1.2.2

Tabelul A.1.2.2 lammi =10 =12,8 =16 =20 =25 =28 =32 =36 =40 =50 =60

Dupa alegerea tipului tolei se recalculeaza valoarea finala a sectiunii miezului:

A.1.2.5. Lungimea spirei medii se apreciaza din figura A.1.2.5. si este
acmi corespunzator valorilor calculate anterior

A.1.2.6. Calculul infasurarilor transformatorului

Pentru infasurarile secundare: e. aria sectiunii conductorului circular de cupru:
; curentii nominali ( ) fiind dati prin tema; f. diametrul spirelor:
ammi;
Pentru infasurarea primara curentul primar calculat va fi:
aAi si deci:
; ammi.
Diametrele tipizate ale conductorilor de cupru emailati sunt date in tabelul A.1.3.

Tabelul A.1.3.

dammi 0,07 0,10 0,12 0,15 0,18 0,20 0,22 0,25 0,28 0,30
0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80
0,5 0,90 0,95 1 1,2 1,4 1,5 1,6 1,8 2

Corespunzator valorilor tipizate ale conductorilor, se aleg in final urmatoarele diametre: d*21 = d*22 = d*23 = d*1 =
Calculul tensiunii electromotoare induse intr-o spira (parametru important al transformatorului):

in care f=50Hz este frecventa retelei.
Numarul de spire :
- pentru infasurarea primara:
aspirei;
- pentru infasurarile secundare:
aspirei .
Rezistentele ohmice ale bobinajelor transformatorului:
- pentru infasurarea primara:
.
in care este rezistivitatea nominala a cuprului: deci ( ) este exprimat in metri, iar ( ) in .
Analog, pentru infasurarile secundare:

Rezistentele secundare „raportate” (totale) sunt:

Rezistentele de sarcina „nominale”:

A.1.2.7. Recalcularea numarului de spire ale infasurarilor secundare

Potrivit metodologiei de calcul prezentate, infasurarile secundare vor prezenta tensiunile (nominale) ( ) doar in gol (pentru ). Datorita rezistentelor totale ale acestor infasurari, in sarcina, la curent nominal ( ), tensiunile secundare reale vor fi mai mici fata de valorile date prin tema; fiind necesara recalcularea numerelor spirelor secundare ( ).
Schema echivalenta a unei infasurari secundare este data in figura A.1.2.7.a. (i=1):
in care astfel incat:

Inainte de recalcularea numarului de spire secundare am avut: , in care a fost data prin tema. La curent nominal

datorita caderii de tensiune pe rezistenta interna secundara ( ).
Este necesara o tensiune electromotoare de gol ( ) marita si care se poate obtine marind numarul de spire secundare. Neglijand cresterea rezistentei secundare totale( ) daca ( ), rezulta noua tensiune (necesara) de gol:

de aici:

aspirei

Analog
aspirei

Caracteristicile de sarcina pentru o infasurare secundara sunt prezentate in figura A.1.2.7.b.

A.1.3. Calculul expeditiv al transformatoarelor de mica putere folosind nomograme

Pentru transformatoare de puteri mici (P < 500 W) este atractiv un calcul simplificat, folosind nomograme prin care se reduce substantial volumul de calcule.
Folosind figura A.1.3, etapele parcurse sunt urmatoarele:
Se calculeaza puterea secundara:

si se extrage din tabelul A.1.1. valoarea estimata a randamentului transformatorului ( ) rezultand:

.

Din graficul A.1.3., pentru valoarea (P) calculata anterior, se deduc :
: sectiunea miezului de fier (in cm2);
: numarul de spire pe volt pentru infasurarea primara si
: numarul de spire pe volt pentru infasurarile secundare.
Numerele de spire necesare vor fi deci :

Alegerea tolelor si a conductoarelor de bobinaj parcurge aceleasi etape ca in cazul anterior.
In tabelul A.1.2.3 se prezinta, comparativ, rezultatele calculului transformatorului prin cele doua metode.

Tabelul A.1.2.3
Marimi, parametrii Calcul initial Calcul simplificat Unit. mas
Sectiunea miezului SFe acm2i
Tensiunea / spira e aV/spirai
Nr. spire /volt (primar) No aspire /Vi
Nr. spire / volt (secundare) NoII aspire /Vi
Nr. de spire: primar W1 aspirei
Nr. de spire: secundar W21 aspirei
Nr. de spire: secundar W22 aspirei

A.2. Calculul circuitelor de redresare
Date initiale :
- schemele de redresare ;
- tensiunile si curentii secundari ai transformatorului de retea ;
- capacitatile estimate de filtraj .

A.2.1. Scheme de redresare

Pentru infasurarea secundara ( ) (bornele 21, 22) se recomanda o redresare in punte (punte monobloc sau cu patru diode), iar pentru infasurarile ( ) (bornele 23, 24 si 25), o redresare cu patru diode (sau o punte monobloc) pentru o redresare “bipolara” cu punct median, figura A.2.1.
Alegerea diodelor (sau a puntilor) redresoare se bazeaza pe calculul solicitarilor acestora la tensiune inversa si la curent (mediu) redresat, alegand din catalog semiconductoare cu valori acoperitoare.

A.2.2. Etape de calcul si alegerea redresoarelor
Se impune un coeficient de siguranta (de acoperire) : .

A.2.2.1. Tensiunile inverse la care sunt supuse diodele (puntile) redresoare, in ipoteza unor condensatoare de filtraj foarte mari si a neglijarii caderii directe de tensiune pe semiconductoare vor fi:
- in cazul figurii A.2.1.a

- in cazul figurii A.2.1.b

Pentru alegerea diodelor, valorile acoperitoare de catalog se refera la valorile ( ):

.

A.2.2.2. Curentul redresat de durata va fi, pentru ambele variante: asa incat pentru alegerea diodelor (puntilor) se considera valorile
.
Se vor alege din catalog diodele (puntile):
- de tip ........................................... cu
>
> si (A2.sec).
- respectiv de tip .......................... cu
> si
> . si aA2.seci.

A.2.2.3. Verificarea redresoarelor la curentul de pornire

Curentul „de pornire” apare la incarcarea condensatoarelor de filtraj imediat dupa punerea sub tensiune a sursei nestabilizate (transformator, redresor, condensator de filtraj).
In tabelul A.2.2.3.a sunt date valori estimative in mF (uzuale in cazul surselor stabilizate de laborator sau de uz curent) pentru diferite valori ale tensiunii redresate ( ) si a curentului redresat ( ).
Tabelul A.2.2.3.a
aAi

aVi
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
10 0.75 1.5 2.25 3 3.75 4.5 5.25 6 6.75 7.5 8.25 9 9.75 10.5 11.25
20 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 4.4 4.8 5.2 5.6 6

30 0.25 0.50 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.5 2.75 3 3.25 3.5 3.75
40 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
50 0.15 0.3 0.45 0.6 0.75 0.9 1.05 1.2 1.35 1.5 1.65 1.8 1.95 2.1 2.25
60 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
Valoarea curentului „de pornire” este:

in care ( ) este rezistenta „echivalenta” a diodei, iar (k) este numarul de diode aflate simultan in circuit: k=2 in cazul figurii A.2.1.a si k=1 in cazul figurii A.2.1.b.
Valori orientative ale rezistentelor echivalente ale diodelor redresoare de tensiuni joase ( ) sunt date in tabelul A.2.2.3.b.
Tabelul A.2.2.3.b.
ID aAi 0.3 0.7 1 3 5 10 rd a i
4 1.7 1.2-3.75 0.4 0.24 0.12
Durata incarcarii initiale a condensatorului de filtraj se poate aproxima cu relatia: asa incat solicitarea termica a diodei la incarcarea initiala este:
. valori care trebuie sa fie depasite de valorile ( ) date in catalog
.

In final, se vor alege din catalog diodele (puntele) de tip..................................... pentru puntea din figura A2.1.a, cu =……………aVi> si = aAi> aAi.
=………………….( sec) ( ) si de tip…………………………..pentru puntea din figura A2.1.b., cu
;
; si

A.3. Calculul filtrelor de netezire

A.3.1. Calculul condensatorului de filtraj al tensiunii redresate

Calculul se refera la valorile necesare ale condensatoarelor (Cf21), (Cf22) si (Cf23) din figura A.2.1. Calitatea filtrarii este data de factorii de pulsatie (p) si coeficientul de filtraj (q).
In cazul tensiunii obtinute prin redresarea unei tensiuni alternative se constata o componenta continua ( ), egala cu valoarea medie a tensiunii redresate, peste care se suprapune o componenta alternativa ( ). Intrucat componenta alternativa („ripple”) are o forma complicata, greu de descris analitic, acesta se aproximeaza cu prima armonica ( ) a carei amplitudine are valoarea apropiata de amplitudinea componentei alternative. Factorul de pulsatie (p) este definit prin raportul:
(pi la „intrare”)
In cazul redresarii dubla alternanta (idealizate), fara condensator, .
Neglijand caderile directe de tensiune pe redresoare, redresarea unei tensiuni efective (Uef ) conduce la o valoare medie (fara condensator de filtraj), de valoare:

Daca ( ) este caderea directa pe diode (luata pentru a simplifica calculele ), in cazul puntii din figura A.2.1.a: iar pentru figura A.2.1.b:
.
Prezenta condensatorului de filtraj reduce componenta alternativa si mareste valoarea medie, in functie atat de valoarea condensatorului de filtraj cat si de cea a rezistentei de sarcina:
; k = 1 sau 2.
La o rezistenta de sarcina si condensator de filtraj de valori mari, ne apropiem de valoarea (1,41), pe cand la rezistenta de sarcina mica si condensator mic, se coboara spre 0,9 (caz fara condensator).
Sa presupunem ca se doreste o reducere a factorului de pulsatie de la pi = 67% la
Po = (8 -; 10)%
in conditiile sarcinii nominale (RSiN = , i =1,2; conform paragrafului A.1.2.6)

A.3.2. Etapele de calcul a valorilor condensatoarelor de filtraj

A.3.2.1. Se calculeaza coeficientul de filtraj q = (>>1)
A.3.2.2. Pe baza rezistentei nominale de sarcina (RSiN), i = 1-3 si a rezistentei totale a redresorului
Rrti = R*2i + k?rd; i = 1-3; k = 1 sau 2 se calculeaza valoarea necesara a condensatorului de filtraj

Valoarea calculata se compara cu valorile estimate din tabelul A.2.2.3.a (Cfi).
Valoarea exacta a tensiunii medii redresate, in sarcina (cu condensator de filtraj) necesita un calcul complex. Pentru a evita acest efort se folosesc diagramele din figura A.3.2.a in care:

Evident, relatiile anterioare se aplica pentru fiecare infasurare secundara si rezulta coeficientul pentru (?CoRo) si asa incat, in sarcina (la ), tensiunea pe condensatoare de filtraj va fi:

Caracteristica liniarizata de sarcina va fi cea din figura A.3.2.1.

A.3.2.3. Calculul prin monograme a valorii condensatorului de filtraj ( )

Plecand de la valoarea impusa pentru factorul de pulsatie (po) si cunoscand valorile
Ro = RSN; Rr = rr = R*2 + k?rd rezulta din monograma data in figura A.3.2.b. produsul (?CoRo) si deci

A.3.2.4. Valoarea finala a condensatorului de filtraj va fi media aritmetica

Tensiunea de lucru a condensatoarelor va fi egala cu tensiunea inversa de catalog a diodelor (puntilor).

A.3.3. Calculul expeditiv al unui redresor nestabilizat

Se cere sa se calculeze doua redresoare nestabilizate: unul care sa furnizeze tensiunea .......... aVi la .......... aAi si unul cu o tensiune bipolara (+ / -) fata de o borna de referinta cu + .......... aVi si - .......... aVi la curent simetric +.......aAi.
Factorii de pulsatie impusi sunt: po1 = ..........% si po2 = po3 = ..........% (alesi anterior).
Schemele electrice ale redresoarelor sunt date in figura A.3.3.
A.3.3.1. Etape de calcul

Se calculeaza rezistenta de sarcina nominala:
in cele trei cazuri (i = 1- 3)
Se calculeaza apoi rezistenta echivalenta „totala”:
(rrv)i = (Rr)i = ?i?(Ro)i + k?rD, i = 1-3
in care ?? 0,03 ? 0,05 si k = 2 pentru redresare in punte, iar k = 1 pentru redresare cu dubla polaritate, precum si raportul
(A)i = .
Din diagramele A.3.2.b pentru (po)i si (A)i cunoscute, se determina produsul (?CoRo)i si de aici condensatorul de filtraj necesar:
(Co)i = (Cf2)i = .
Din diagramele A.3.2.a., cunoscand rapoartele
(kr)i = si produsele (?CoRo)i, se determina coeficientii de tensiune rezultand
aVi.
Pe de alta parte, din relatia rezulta tensiunile secundare ale transformatoarelor:
aVi.

Concluzii:

1. Pentru a proiecta un redresor nestabilizat care sa furnizeze tensiunile si curentii continui stabilite prin datele initiale, infasurarile secundare ale transformatorului de retea trebuie sa furnizeze in infasurarile secundare urmatoarele tensiuni la curentii de sarcina impusi:
aVi la curentii aAi
2. Prin aceasta metoda de proiectare se pot cunoaste valorile necesare ale marimilor din infasurarile secundare ale transformatorului de retea, atunci cand sunt impuse tensiunile si curentii furnizati de redresor (adica pe partea de c.c.).
3. Calculul transformatorului va parcurge etapele prezentate in capitolele anterioare.

Figura A.3.2.a. Variatia coeficientuui de tensiune in gol in functie de ?C0R0 pentru redresorul bialternanta (in punte)

Figura A.3.2.b. Variatia factorului de pulsatie pentru diferite tipuri de redresoare

Br. Redresor bipolar cu tiristoare

Date initiale:

- tensiunea alternativa de alimentare

- curentul maxim de sarcina cerut

- gama tensiunii de iesire


Br1. Schema electrica de forta

Este realizata cu doua grupe de tiristoare (Thy11, Thy12) si (Thy21, Thy22).
Modul de functionare

Se presupune o functionare fara curent de circulatie intre grupurile (Thy11, Thy12) respectiv (Thy21, Thy22), ceea ce inseamna ca, la un moment dat, sunt active (primesc impulsuri de curent pe grila) doar tiristoarele unuia dintre cele doua grupe. In raport cu borna de nul (N), grupul (Thy11, Thy12) modifica tensiunea pozitiva in punctul (A), iar grupul (Thy21, Thy22) produce tensiune negativa ajustabila.
In cazul strategiei de comanda “in faza”, circuitul de comanda produce impulsuri scurte de curent cu faza ajustabila, referinta de faza fiind data de tensiunea retelei (tensiunea de sincronizare). Acceptand pentru comanda un circuit integrat specializat, de tipul , relatia intre tensiunea continua de comanda , variabila in gama , si faza ( ) a impulsurile generate, rezulta comanda.

Pentru o sarcina cu caracter rezistiv, caracteristica de sarcina a redresorului este data de: daca s-au neglijat caderile de tensiune pe tiristoarele in conductie. Pentru ( ) se obtine o redresare cu diode:

in care ( ) este valoarea efectiva a tensiunii alternative de alimentare a redresorului.
Asadar:

si

Br2. Strategia de control

Strategia de control, folosind circuitul integrat ?A145, presupune generarea a doua tensiuni de comanda, in gama (-8 ? +8)V, in antifaza (u*1, u*2). Doua diode (d3, d4) selecteaza doar tensiunea pozitiva (0 -; 8)V. Aceasta va fi transmisa ca tensiune de comanda circuitelor integrate ?A145 (UC1) si (UC2).
S-a presupus o tensiune de intrare (ui) in gama (-1 ? +1)V si care sa produca o excursie a fazei (?) in gama (0 ? ?) pentru fiecare grup de tiristoare.

Br3. Circuitul de comanda a tiristoarelor

Circuitul de comanda este prezentat in figura Br. 3.b si care este alimentat de o sursa auxiliara de (+/- 15V), reprezentata in figura Br.3.a.

Br 4 Schema bloc a redresorului bipolar comandat

Figura Br 4

Schema bloc cuprinde (figura Br 4):
- amplificatorul liniar ;
- dispozitivul de comanda a grilei, bazat pe circuitele integrate ;
- redresorul comandat cu tiristor.
Pentru amplificator:

Pentru dispozitivul de comanda a grilei:

Redresorul comandat este un circuit neliniar, justificat prin evolutia cosinusoidala a tensiunii redresate:
.
O functie de transfer se poate obtine prin liniarizarea relatiei anterioare:

in jurul unui punct static de functionare .
Deci:

Functionarea redresorului bipolar comandat are un caracter “discret”. Pentru a tine cont, ca un tiristor, odata amorsat, nu mai poate fi controlat decat pe semialternanta urmatoare, in functie de transfer se adauga un element de tip mort: ( ) in care: este denumit: timp mort mediu static.
Asadar:
.
Pentru aplatizarea socurilor de curent prin sarcina, in paralel cu acesta se recomanda un filtru capacitiv de valoare:
.
Ceea ce adaugarea unui element de ordinul I si functia de transfer anterioara:

Br5 Alegerea elementelor componente (calcul de dimensionare)

a) Pentru schema de fata:

Solicitarile tiristoarelor sunt aceleasi cu solicitarile diodelor (puntii P2 , figura A 2.1.):

Condensatorul de filtraj se estimeaza la :

Nota: protectia la scurtcircuit necesita sigurante ultrarapide de pe intrarile de c.a. 23 si 25: nu se cere alegerea acestora.

b) Pentru schema de principiu a comenzii (figura Br2) se aleg:
-Rezistoarele iar
.
- Diodele cu ; ; si .

c) Pentru schema de comanda, sursa auxiliara de comanda, de (+/-15V) se aleg:
- diodele din puntea (P4) cu o tensiune inversa de catalog: a i, dar cu un curent mai mic: si

- condensatoarele: si la o tensiune de lucru:
- diodele stabilizatoare (Zener) se aleg cu de tip 4Dz15, care admit un curent nominal si un curent maxim .
- rezistentele r41 si r42 se calculeaza din relatia cu , la o putere de 2W
- condensatoarele C43 si C44 se aleg:
;
Referitor la circuitul de comanda a tiristoarelor, se aleg: iar

Rezistentele: .
Diodele: se aleg de tip 1N4001.
Rezistentele: .
Transformatoarele de impulsuri se realizeaza pe miez de fonta E+E (pereche) de tip E

Figura Br.5.
EE-25-A7
A = 25 mm.
C = 7 mm
B = 12 mm
Si o inductie maxima de 0.4 aTi
Pe carcasa atasata miezului se vor bobina: spire cu respectiv spire cu .

Br6. Calculul regulatorului atasat redresorului stabilizat

Rolul redresorului stabilizat, bipolar, cu tiristoare este de a urmarii o tensiune de referinta (Uref), in gama (+/- ) indiferent de variatiile tensiunii de alimentare a transformatorului (U1) sau de curentii de sarcina furnizati de infasurarile secundare ale transformatorului.

B0. SURSE IN COMUTATIE DE POLARITATE POZITIVA SI NEGATIVA
(“BUCK” SI “BUCK BOOST”)

B01. Destinatie, date generale, specificatii

Folosind tensiunea redresata si filtrata (Us =Uoi), restabilizata, un circuit complex necesita o tensiune stabilizata pozitiva (+Ust1<Uoi) la un curent maxim (Ist1) si o tensiune stabilizata negativ |-Ust2|?Uoi la un curent maxim (Ist2).
La o variatie a curentului de sarcina de la (0.2?Ist) la (1.2?Ist), tensiunea de iesire stabilizata sa nu varieze cu mai mult de 1% (in valori medii):
<0.01=1%.
La o variatie a tensiunii de alimentare (U1) in gama ±15% si o impedanta nominala de sarcina, tensiunea stabilizata sa nu varieze cu mai mult de 2% (in valori medii):
<0.02=2%
Referitor la tensiunea stabilizata, componenta alternativa nu trebuie sa depaseasca o valoare:
Pst= = =0.5%.
Un alt parametru foarte important, care trebuie precizat initial este frecventa de comutatie (fc) si care depinde in primul rand de dispozitivele semiconductoare de care se dispune. In cazul de fata se admite ca (fc) apartine gamei (25-40 kHz).a
De asemenea pentru ambele convertoare se presupune o functionare in regim de curent neintrerupt prin bobina de filtraj si inmagazinare.

Recomandare: in cazul convertorului coborator fc1=25kHz, iar in cazul convertorului inversor fc2=40kHz.

B02. Structura de “forta” a sursei stabilizate este data in figura alaturata

Schema cuprinde in principal:
- un variator de tensiune continua coborator (convertor cc-cc de tip “buck” sau “step down” bazat pe (d11 ,T1 ,d12 ,L1 ,C1)
- un variator de tensiune continua inversor (convertor cc-cc de tip “buck boost” sau “step up-step down”)

B03. Modul de functionare a celor doua convertoare
B04 Proiectarea elementelor circuitului de forta

In aceasta etapa trebuie alese:
- diodele (d11,d12,d21,d22)
- tranzistoarele (T1,T2)
Trebuie calculate variabilele necesare ale inductantelor (L1,L2) si ale condensatoarelor (C1,C2).

B04.1 Alegerea dispozitivelor semiconductoare

Diodele (d11) si (d21) sunt diode de joasa frecventa, de curent egal cu curentul stabilizat nominal. Caderea de tensiune pe acestea va asigura o blocare mai rapida a tranzistoarelor (T1), (T2); Tensiunea la care aceste diode sunt supuse este redusa (sub 10V).
Diodele (d12,d22) sunt diode de comutatie sau Schottky: (d12) trebuie sa suporte o tensiune imensa egala cu (Uoi)max, pe cand (d22) trebuie sa suporte o tensiune inversa maxima.

(Uinv)22 =(Uoi)max + |Ust2|max aVi

Curentul mediu prin diode se poate aproxima la (Ist) dar este recomandata o margine de siguranta de 25%:
I 1.25(Ist) aAi

Alegerea tranzistoarelor pentru comutatie

In cazul convertorului coborator, tensiunea inversa (Uinv)max1 pe care o suporta tranzistorul (T1) , diodei (d11) este
(Uinv) Uoi aVi

Curentul mediu la care este supus tranzistorul este

Ist1 aAi iar valoarea maxima a acestui curent este

+ aAi
Pentru convertorul inversor, tensiunea maxima inversa pe tranzistorul (T2) este:

(Uinv)max2 =Uoi+Ust2=2Uoi

Curentul mediu prin tranzistorul (T2) va fi pentru ?0=0.5:

=Ist2 aAi iar curentul maxim este:
aAi

Nota: De remarcat solicitarile mai puternice la care este supus tranzistorul in cazul convertorului inversor.

B04.2 Calculul elementelor de filtrare

Pentru convertorul coborator (buck), inductantele de filtraj se dimensioneaza daca se da variatia ( ) a curentului prin bobina (L1):

In acest caz in jurul valorii medii , acolo unde ondulatia curentului este maxima, rezulta: sau echivalent:
aHi pentru si E=Uoi.
Luand valoarea maxima a componentei alternative de tensiune pe condensatorul de iesire prin: rezulta si de aici, crescand valoarea inductantei(L1), rezulta valoarea condensatorului de filtraj (C1). Pentru a garanta regimul de curent neintrerupt:

Pentru convertorului inversor (buck-boost), admitand: variatia curentului prin inductanta ( ) si variatia tensiunii de iesire datorita functionarii in comutatie se pot calcula inductantele si capacitatea de filtraj in jurul valorii medii

Astfel in care (E) este tensiunea de “alimentare” (vezi relatiile anterioare): E=Uoi aVi
Pentru a calcula valoarea capacitatii de filtraj se tine cont ca variatia ondulatorie (“ripple”) a tensiunii de iesire este
aVi
Pe de alta parte, pe intervalul condensatorul se descarca prin rezistentele de sacina (Rs2) : astfel incat variatia sarcinii electrice prin condensator va fi: de unde
aFi
Observatie 1)In multe aplicatii se impune direct valoare maxima admisa a componentei reziduale de tensiune la iesire sau in locul fractiilor de pulsatie .
2)Pt a garanta regimul de curent neintrerupt trebuie ca: pt fiecare sursa.

B04.3 Alegerea si dimensionarea bobinelor de filtraj
Datorita componentei continue permanente de curent prin bobine, acestea se proiecteaza cu intrefier de lungime(lg).Se folosesc o serie de relatii date de producator.
Ca date initiale se considera: a)Curentii maximi aAi
aAi si care sunt aAi
aAi

b)Rezistenta ? ? a bobinei: a i
a i c)Inductia maxima aTi d)Rezistent ? ? f=1.724*10 a i e)Factorul de umplere al ? f)Valorile necesare ale inductantelor (L1)si (L2).
Se va aplica metodologia din aERIKSON R W : Fundamemtalsi

Se calculeaza mai intai un factor de forma:
acm i pt cele doua bobine (R=R1 ; R=R2 ….)
Se alege din tabelul B0-1 miezul cu valoarea (Kg) acoperitoare.Din tabel ? :
-aria fierului A (cm )=A (cm )
-lungimea medie a spirei de cupru (l ) acmi
Se calculeaza lungimeea intrefierului (lg).
ami in care (H/m)
Se calculeaza numarul de spire (n1,n2): spire cu A (cm )
Se calculeaza sectiunea si diametrul spirei

Se calculeaza valoarea reala a rezistentei ? a bobinei in care =0.01724( ) , ami , amm i.
ERIKSON : PG 752 Tabel B0-1

a) Date despre miez ? simetric ; diametrul A ,inaltimea H.

Tip
AxH Kg
(cm )
Aria(Ae)
(cm )
W
(cm ) l
(cm) lg ?
(cm) Gr
(g)
7x4 0.738*10
0.070 0.00022 1.46 1 0.5
9x5 0.183*10
0.101 0.034 1.9 1.26 1
11x7 0.667*10
0.167 0.055 2.3 1.55 1.8
14x8 2.107*10
0.254 0.097 2.9 2 3.2
18x11 9.450*10
0.433 0.187 3.71 2.6 7.3
22x13 27.1*10
0.635 0.297 4.42 3.15 13
26x16 69.1*10
0.948 0.406 5.28 3.57 20
30x19 0.18 1.38 0.587 6.2 4.5 34
36x22 0.411 2.02 0.748 7.42 5.3 57
42x29 1.15 2.66 1.4 8.6 6.81 104

b)Date despre EE

12 0.731*10
0.14 0.085 2.28 2.7 2.34
16 2.02*10
0.19 0.19 3.4 3.45 3.29
19 4.7*10
0.23 0.284 3.69 3.94 4.83
22 8.26*10
0.41 0.196 3.99 3.96 8.81
30 0.0857 1.09 0.476 6.6 5.77 32.4
40 0.209 1.27 1.1 8.5 7.7 50.3
50 0.909 2.26 1.78 10 9.18 116
60 1.38 2.47 2.89 12.8 11 135
70 5.6 3.24 6.75 14 18 28

Alegere ?
Date : aH/mi

aTi

Metoda Hanna : a)Ve= b) = din grafic => pe palier c)la ? palier => H=N*I/le => N=H*le/I

WILLIAMS ? ?
I*l/A = c1 a1/mi le/Ae raportul
Ae = am i c1/ /A aria efectiva
Le = ami le*c1 lungimea efectiva ?
Ve = am i le*Ae volumul efectiv al miezului c = H /c1 permanenta miezului

De f? : (Siemens)
I*l/A :factor de forma al circuitului magnetic (mm ) le :lungima efectiva a circuitului magnetic
Ae :sectiunea “mediana” a miezului magnetic
Ve :volumul efectiv al miezului magnetic
Nota exista fara/cu ? lg= =0.6 ; 0.8 ; 0.9 ; 1.5 ; 2 ; 2.5 (variante existente)

Ve ; ; (cu prea mici ?)

B2. SURSA COBORATOARE IN COMUTATIE CU ALIMENTARE DE LA REDRESOR COMANDAT

Sursa bipolara cu tiristoare cu comanda in faza folosind un transformator cu secundar cu priza mediana.

B.2.1. Destinatie, date generale

Ansamblul celor doua surse este necesar unei instalatii de prelucrare fotografica. Prima sursa alimenteaza un sistem de iluminare iar cea de a doua un motor ) cu rotatie in ambele sensuri pentru manipularea unor materiale in procesul tehnologic. Pentru simplificarea calculelor sursei bipolare se considera motorul printr-o rezistenta de sarcina constanta:
R12N=Ust2/Ist2 .
Referitor la prima sursa, aceasta foloseste pentru alimentarea primara, o tensiune redresata si filtrata (U0i), nestabilizata si va furniza, in conditii de sarcina nominala, o tensiune (U st1) la un curent (Ist1).
La o variatie a curentului de sarcina de la (0,75Ist1) la (1,1Ist1), tensiunea de iesire este schimbata, trebuie sa ramana limitata in jurul valorii (Ust2).intr-o banda de 1%.Referitor la valorile medii:

La o variatie a tensiunii de alimentare (U1) pe gama ( 15 %), la rezistenta de sarcina constanta si egala cu cea nominala RS2N= Ust2/Ist2, tensiunea sursei este obligata sa varieze cu mai mult de 2% (in valori medii):

Referitor la componenta alternativa suprapusa peste tensiunea continua, este necesar ca:

Frecventa de comutatie specifica convertorului este: fC ? 20 kHz

si care depinde in primul rand de posibilitatile dispozitivelor semiconductoare disponibile. De asemenea, pentru sursa se doreste o functionare cu curent neintrerupt.
Referitor la cea de a doua sursa, prin comanda in faza a tiristoarelor, trebuie modificata tensiunea in gama ( Ust2) pe o rezistenta RS2N=const.
La o valoare oarecare U*st2 si o variatie a sarcinii echivalente intre (RS2N) si (0,5RS2N), este necesar ca:

La variatia tensiunii de alimentare (U1) in gama ( 15%) la rezistenta de sarcina constanta si egala cu cea nominala, tensiunea sursei sa ramana in gama:

Referitor la componenta alternativa datorita armonicii de 100(Hz) sa fie:

Schema “de forta” a sumelor stabilizate este prezentata in figura alaturata:

Fig. B2-1-1
Principalele elemente ale schemei se refera la:
- un variator de tensiune continua coborator ( coborator de cc-cc de tip “buck” sau “step-down”) bazat pe (d11; T1; di2; L1; C1), etc.
- un redresor comandat, monofazat, bialternanta, bipolaritate cu tiristoare, cu comanda in faza.

B.2.2 Proiectarea (alegerea, calculul elementelor de forta)

In aceasta etapa trebuie alese semiconductoarele, condensatoarele si rezistentele, apoi inductantele de filtraj.
Dioda (d11) este de joasa frecventa, de curent egal cu cel de pe tranzistorul (T1) de comutatie. Tensiunea sa este redusa de minima valoare gasita in cataloage.
Dioda (d12) este sursa de comutatie: trebuie sa suporte o tensiune inversa de egala cu (Uioi)max si un curent mediu :
ID12IIst1 aAi

Cu un coeficient de siguranta de 25% se alege:

Tranzistorul de comutatie (T1) trebuie sa suporte o tensiune inversa:

UinvmaxIUoi aVi

iar curentul mediu prin tranzistor va fi :

Pentru redresorul comandat bipolar, pentru a obtine o tensiune maxima (Ust2)max=Ust2 de o anumita valoare cu a unghiului de comanda in faza se va alege:

U22=U23I1,5Ust2M aVi

Cu acestea, tensiunea inversa a celor patru tiristoare va fi:

(Uinv)MedI3U22=3U23 aVi

Curentul mediu prin fiecare tiristor poate fi :

(IA)MedI0,7Ist2 aAi

Pentru a dimensiona grupul (L1,C1), daca impunem o variatie maxima a curentului de filtrare ( :

fiind valori medii a factorului de umplere ?=?0:
L1?

acum valoarea maxima a componentei alternative suprapuse peste valoarea medie a iesirii:

:

Cunoscand acum valoarea (L1), se deduce ?????? de filtrare.
Pentru a garanta regimul de curent neintrerupt este necesar ca :

Referitor la bobina de filtraj (L1) se cunosc: valorile (L1) si

Rezistenta ohmica a bobinei va fi aproximata prin:

Inductanta maxima BmaxI0.350 aTi, rezistivitatea cuplului este ?=1,724*10-6 a?*cmi iar factorul de umplere al ?????? miezului kn=0,75.
Se calculeaza un factor de forma:
.